一种水下软体机械手、水下机器人及其抓取方法

本发明属于机械人，涉及水下机械手的改进，具体说是一种水下软体机械手、水下机器人及其抓取方法。

背景技术：

1、水下机器人在海洋工程、科学研究和资源勘探等领域具有广泛的应用。机械手作为水下机器人的关键部件之一，通常用于完成各种复杂的操作任务，例如采样、维修和搬运作业等。

2、目前，水下机器人常见的机械手结构主要包括并联机械臂和串联机械臂。串联机械臂结构简单，易于控制，但其柔性和承载能力相对较差，限制了其在水下环境中执行一些复杂任务的能力，并且运动时容易产生较大的惯性矩。并联机械臂虽然具有较高的刚性和精度，但其结构复杂，包括多个关节和连接件，容易受到水流的影响，从而降低其操作的稳定性和灵活性。

3、有鉴于此，应用新原理和方法，设计一款新型的水下机械手，在水流等环境影响下完成水下各种复杂的操作任务，实现机器人的平稳高效运行，是目前水下机器人面临的难题。

4、鉴于以上并联机械臂和串联机械臂在水下机器人应用的局限性，如何设计一种水下软体机械手、水下机器人及其抓取方法，可以实现多自由运动和可变刚度性能，从而提高机械手水下操作的灵活性和适应性。而且，相比于传统刚性机械臂，该软体机械手具有质量轻的优势，因而不会对机器人本体产生较大的惯性矩影响，并且该机械手具有可变刚度能力，能够保证水下操作的。这是目前本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明为解决现有技术存在的上述问题，提供一种水下软体机械手、水下机器人及其抓取方法，可以实现多自由运动和可变刚度性能，从而提高机械手水下操作的灵活性、适应性和可靠性，而且，还具有质量轻的优势；抓取方法是通过正、负气压控制，以实现水下多自由度运动、空间定位及抓取等复杂动作。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种水下软体机械手，包括1个手臂和3根手指，所述手臂与3根所述手指连接，其特征在于，所述手臂和3根所述手指均包括柔性结构织物、弹性管状气囊及密封膜，所述弹性管状气囊作为骨架，所述柔性结构织物套在所述弹性管状气囊的外侧面上，所述密封膜将所述柔性结构织物包覆在其中，所述手臂与3根所述手指各自形成一个由密封膜与连接件形成的密封腔室，且分别通过负压和正压对其中的所述弹性管状气囊进行独立控制，实现水下多自由度运动、空间定位及抓取动作。

4、对上述技术方案的改进：所述柔性结构织物由若干块具有不同单胞特征长度的空心球体单胞组成；各所述空心球体单胞具有相同的几何特征和不同的空间方向，水平放置的空心球体单胞称为水平球体单胞，垂直放置的空心球体单胞称为垂直球体单胞，将所述垂直球体单胞与所述水平球体单胞周期性地连接在一起，从而形成环状的柔性结构织物；所述弹性管状气囊包括气囊、充气塞和充气管，所述气囊顶部与所述充气塞下端粘接，所述充气管粘接在所述充气塞顶部的管上，形成一个完整的充气管道。

5、对上述技术方案的进一步改进：所述手臂中的所述气囊包括3个圆管状气囊，所述手臂中的充气塞包括3个圆管状充气塞，每根所述手指中的所述气囊包括2个半圆管状气囊，每根所述手指中的所述充气塞包括两个半圆管状充气塞；所述的连接件包括手臂连接板和手指连接板，所述手臂两端分别连接所述手臂连接板和手指连接板的一侧，3根所述手指与所述手指连接板的另一侧连接，所述手臂连接板上均匀设置三个圆形孔，且分别与3个所述圆管状充气塞连接，所述手指连接板上设置6个半圆形孔，两个所述半圆形孔为一对，3对所述半圆形孔分别与6个所述半圆管状充气塞连接，所述手臂连接板上设置吸气管及所述充气管，所述手指连接板上设置吸气管及所述充气管，所述手臂连接板上的所述吸气管与所述圆管状气囊连通，所述手指连接板上的所述吸气管与所述半圆管状气囊连通。

6、对上述技术方案的进一步改进：所述密封膜由聚乙烯薄膜制成，所述手指末端设置密封板，所述手指外包覆的所述密封膜与所述手臂连接板及所述密封板共同形成所述的密封腔室；所述手臂外包覆的所述密封膜与所述手臂连接板及手指连接板共同形成所述的密封腔室。

7、对上述技术方案的进一步改进：3根所述手指结构相同，且在所述手指连接板均匀间隔设置。

8、对上述技术方案的进一步改进：所述手臂连接板、手指连接板及密封板均由pla材料通过3d打印方式制成。

9、对上述技术方案的进一步改进：所述的柔性结构织物由柔性tpu材料经3d打印方式制成。

10、一种水下机器人，包括机器人机体、机械手及控制系统，其特征在于，所述机械手采用上述的水下软体机械手，所述机器人机体内设置充气泵和真空泵，所述充气泵分别与所述水下软体机械手的手臂和手指中的充气管通过管路连通，所述真空泵分别与所述水下软体机械手的手臂和手指中的吸气管通过管路连通，所述充气泵和真空泵的控制端分别与所述控制系统连接。

11、一种上述水下机器人的抓取方法，其特征在于，所述抓取方法包括如下步骤：

12、s1：控制系统控制水下机器人运动到目标工作区域，根据工作要求，控制手臂内的气囊的压强，使手臂运动到目标位置；

13、s2：在手臂运动到目标位置后，控制系统通过真空泵对手臂施加负压，使手臂呈现高刚度状态，保持稳定的空间位姿；

14、s3：控制系统通过充气泵对手指内的气囊进行充气，通过正压驱动使手指夹取物体，当抓取目标物后，控制真空泵对手指施加负压，使机械手手指呈高刚度状态，从而实现对目标的稳定夹取；

15、s4：控制系统控制水下机器人运动到目标物释放区域，据工作要求，恢复手臂的密封腔室至常压状态，并控制手臂处三个气囊的压强，手臂运动到目标物释放位置；

16、s5：恢复手指的密封腔室至常压状态，并控制手指内气囊的压强，实现目标物放置在指定位置；

17、s6：重复上述步骤直至完成水下作业任务后，停止整个水下机器人中充气泵和真空泵的正、负压，控制水下机器人撤回。

18、本发明的优点和积极效果是：

19、从上述技术方案中可以看出，本发明提供的基于柔性结构织物的多自由度、可变刚度水下机械手至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

20、1、本发明的基于柔性结构织物的多自由度、可变刚度水下机械手，其柔性结构织物、弹性管状气囊以及密封膜等构成材料均具有质量轻的特点，相对于机械式刚性机械手，其能够避免机械臂在运动时产生较大的转动惯量，从而保证水下机器人的稳定性；

21、2、本发明的基于柔性结构织物的多自由度、可变刚度水下机械手，其手臂通过3个气囊控制可实现空间下多角度弯曲运动，其机械手通过2个气囊控制可实现正反两方向弯曲，同时其手臂和手指均可通过负压控制其刚度，可变刚度的软体抓手可以包裹性稳定抓取目标物；

22、3、本发明的基于柔性结构织物的多自由度、可变刚度水下机械手，其手臂和手指均为单独设计组装，可以实现整体模块化，当机械手长度无法满足工作任务要求时，可以通过再加一组（或几组）手臂，通过相同手臂叠加实现整体加长，手臂与手臂之间的连接与手臂与手指之间的连接基本相同。

23、本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。