CN103466062A - 水下潜器的魔球变换平衡机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下潜器的魔球变换平衡机构。它包括四个魔球机构、储气袋、四根气管和包裹在魔球上的弹性气囊；当驱动装置驱动丝杆螺母带动螺母移动块向远离丝杆移动块的方向运动时，魔球机构关闭，该魔球收缩。当驱动装置驱动丝杆螺母使螺母移动块向丝杆移动块的方向运动时，魔球机构展开，该魔球膨胀。当丝杆螺母运动到螺母移动块和丝杆移动块相对位移最大时，魔球完全收缩，相对位移最小时，魔球完全膨胀。通过四个魔球的膨胀和收缩，改变魔球的体积大小，从而使改变水下潜器系统的局部浮力大小，产生浮力恢复力矩，帮助水下潜器恢复平衡姿态。

Description

水下潜器的魔球变换平衡机构

技术领域

本发明涉及一种应用于水下潜器的魔球变换平衡机构。

技术背景

水下潜器在水下工作时，由于标心距小，遇到不稳定环境，如湍急水流，风浪，很容易失去平衡姿态出现俯仰或横摇而影响其水下操作。对于有机械手的水下潜器，当机械手抓取负载时，由于反作用力的影响，机器人会变得更加不稳定。以往的研究中，通常是通过频繁的控制螺纹桨或推进器产生恢复力矩，因此其控制系统十分复杂。 

传统的机构学理论是基于固定数目的构件和运动副，机构只有固定的自由度。变胞机构是基于机构的自我组合和自我重构，与只有固定数目构件和固定自由度的传统机构相比，变胞机构具有可变自由度和可变构件数目。变胞机构是近年来学者提出的重要概念，其定义为，在机构连续运行中，由有效杆件数目或运动副类型和几何关系变化引起机构的拓扑变化，并导致机构活动度变化；在机构连续运行中，至少有一次活动度变化，并在活动度变化后，机构仍保持运行。

变胞机构是一种在不同阶段呈现不同自由度和构件数目的新型机构，柔性的变胞机构更具有灵活，可变形的良好性能，因而将变胞机构应用于水下潜器，实现水下潜器的自主平衡，将具有很好的研究价值和现实意义。

发明内容

本发明的目的是提出一种水下潜器的魔球变换平衡机构，它能根据水下潜器受到的外界干扰程度膨胀和收缩，，转移球内气体的位置，从而改变水下潜器局部受浮力大小，使水下潜器两侧或前后产生不同浮力差和浮力恢复力矩，帮助水下潜器能抵抗外界环境的冲击干扰，实现机器人的自主平衡。

为实现以上目的，本发明采用下述技术方案：

一种水下潜器的魔球变换平衡机构，包括四个魔球机构、一个储气袋、四根气管和包裹在魔球机构上的弹性气囊；每个魔球机构包括第一环形装配件、第二环形装配件、第三环形装配件和丝杆机构组成，其特征在于：所述第一、第二和第三环形装配件在三个空间面上相互垂直连接构成球形构架；丝杆机构与该球形构架连接；所述气管套在丝杆机构的一根丝杆上，一端和储气袋连接，另一端和弹性气囊连接。所述第一环形装配件由八个剪叉机构、八个内移动块和八个外移动块组成，八个剪叉机构通过内移动块和外移动块相互首尾连接，组成一个环形装配件；所述第二环形装配件和第一环形装配件结构相同，第一环形装配件和第二环形装配件在空间面上垂直组装时共用一个内移动块和一个外移动块；所述第三环形装配件和第一环形装配件结构相同，与第一环形装配件和第二环形装配件在三个空间面上垂直组装时各共用两个内移动块和两个外移动块；所述丝杆机构由一个丝杆螺母和一个丝杆旋配组成，丝杆螺母固定在第三环形装配件外侧的一个螺母移动块上，丝杆一端固定在对应于螺母移动块的内侧的丝杆移动块上，丝杆另一端与水下潜器上的驱动装置连接。所述第一、第二和第三三个环形装配件的外移动块上旋配一个螺钉，所述储气袋安装在水下潜器正下方，所述弹性气囊包裹在魔球上，并和每个外移动块上的螺钉用细绳系紧。所述剪叉机构由四根连杆组成，四根连杆两两中心铰接后末端连接。所述四根连杆尺寸相同，每根连杆上的三个转动副中心形成一个等腰三角形，其锐角为11.25度。

工作时，若水下潜器处于横摇运动或俯仰运动，则改变机器人两侧魔球A、B、C、D的体积，产生浮力差，得到浮力恢复力矩，帮助水下潜器恢复平衡。当驱动装置驱动丝杆螺母使螺母移动块向远离丝杆移动块的方向运动时，魔球机构关闭，该魔球收缩。当驱动装置驱动丝杆螺母使螺母移动块向丝杆移动块的方向运动时，魔球机构展开，该魔球膨胀。当丝杆螺母运动到螺母移动块和丝杆移动块相对位移最大时，魔球完全收缩，相对位移最小时，魔球完全膨胀。

本发明与现在技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：

1、和传统的水下潜器平衡技术相比，该结构采用机械机构，结构简单，无繁琐复杂的控制系统，更易控制，稳定性高。

2、只需要任意内外两个移动块小范围内的相对运动，即可实现魔球的快速膨胀和收缩，对外界干扰能快速响应，并产生大范围内的体积变化，改变浮力差，得到恢复力矩。

2、将变胞机构运用到水下潜器，当机构自由度为0 时，呈稳定状态，不受外界环境干扰改变自身形态，在运动过程中，自由度为1，可方便的实现运动控制，从而满足平衡机构在水下的实际需求。

附图说明

图1为水下潜器的魔球变换平衡机构示意图。

图2为魔球机构示意图。

图3为第一装配件和第二装配件示意图。

图4为第三装配件示意图。

图5为剪叉机构示意图。

图6为丝杆机构示意图。

图7为魔球完全膨胀状态到完全收缩状态的运动过程。

具体实施方式：

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：

参考图1~图6，本水下潜器的魔球变换平衡机构，包括四个魔球机构（01）、储气袋（2）、四根气管（3）和包裹在魔球（01）上的弹性气囊（4）；每个魔球机构（01）由第一环形装配件（02）、第二环形装配件（03）、第三环形装配件（04）、丝杆机构（05）、螺钉（8）组成。所述第一、第二和第三环形装配件（02、03、04）在三个空间面上相互垂直连接构成球形构架，丝杆机构（05）与该球形构架连接。第一环形装配件（02）由八个剪叉机构（06）、八个内移动块（5）和八个外移动块（6）组成，八个剪叉机构（06）通过内移动块（5）和外移动块（6）相互首尾连接，组成一个环形装配件；第二环形装配件（03）和第一环形装配件（02）结构相同，第一环形装配件（02）和第二环形装配件（03）在空间面上垂直组装时共用一个内移动块（5）和一个外移动块（6）；第三环形装配件（04）和第一环形装配件（02）结构相同，与第一环形装配件（02）和第二环形装配件（03）在三个空间面上垂直组装时各共用两个内移动块（5）和两个外移动块（6）；丝杆机构（05）由丝杆螺母（11）和丝杆（12）组成，丝杆螺母（11）固定在第三环形装配件（04）外侧的一个螺母移动块（10）上，丝杆（12）一端固定在对应于螺母移动块（10）的内侧的丝杆移动块（10）上，丝杆（13）另一端与水下潜器（1）上的驱动装置连接；螺钉（8）螺纹连接在三个环形装配件（02、03、04）的外移动块（6）上；储气袋（2）安装在水下潜器（1）正下方；弹性气囊（4）包裹在魔球（01）上，并和每个外移动块（6）上的螺钉（8）用细绳系紧；气管（3）套在丝杆机构（05）的丝杆（12）上，一端和储气袋（2）连接，另一端和弹性气囊（4）连接。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处是：

剪叉机构（06）由四根连杆（7）组成，四根连杆（7）两两中心铰接后末端连接。四根连杆（7）尺寸相同，每根连杆（7）上的三个转动副中心形成一个等腰三角形，该三角形锐角为11.25度时组成的环形装配件效果最佳；外移动块（6）开有与螺钉（8）相配的螺孔。

本发明这种水下潜器的魔球变换平衡机构工作方式如下：

如图7所示，当丝杆移动块（9）和螺母移动块（10）相对位移最大时，魔球机构（01）呈完全收缩状态，此时魔球的体积最小；当丝杆移动块（9）和螺母移动块（10）相对位移最小时，魔球机构呈完全膨胀状态，此时，魔球的体积最大；这两种状下，魔球机构（01）达到了单向运动的极限位置，自由度为0，均呈稳定状态。若魔球机构（01）的丝杆螺母（11）向远离丝杆移动块（9）的方向运动，则魔球由膨胀变为收缩，体积逐渐变小，反之，魔球由收缩变为膨胀时，魔球体积逐渐变大，在膨胀和收缩的过程中，魔球的自由度为1，即魔球由完全膨胀状态—半膨胀半收缩状态—完全收缩状态的运动过程中，自由度从0变为1，再变为0，自由度发生改变，该魔球是一类边界构态变化的变胞机构。

当水下潜器受到沿y轴方向的外界干扰，产生以x轴为中心轴的横摇运动时，若此时水下潜器需要一个以y轴为中心轴逆时针方向的恢复力矩，则使魔球A和C收缩，魔球B和D膨胀，即魔球A和C的螺母移动块（10）向远离丝杆移动块（9）和方向运动，使魔球机构关闭，魔球体积变小，同理，魔球B和D的体积变大，魔球A和C的气体经储气袋（2）流向魔球B和D，水下潜器两侧产生浮力差，得到浮力恢复力矩，帮助水下潜器恢复平衡姿态。

当水下潜器受到沿x轴方向的外界干扰，产生以y轴为中心轴的俯仰运动时，若此时水下潜器需要一个以x轴为中心轴逆时针方向的恢复力矩，则使魔球A和B收缩，魔球C和D膨胀，即魔球A和B的螺母移动块（10）向远离丝杆移动块（9）和方向运动，使魔球机构关闭，魔球体积变小，同理，魔球C和D的体积变大，魔球A和B的气体经储气袋（2）流向魔球C和D，水下潜器两侧产生浮力差，得到浮力恢复力矩，帮助水下潜器恢复平衡姿态。 

Claims (5)

1.一种水下潜器的魔球变换平衡机构，包括四个魔球机构（01）、一个储气袋（2）、四根气管（3）和包裹在魔球机构（01）上的弹性气囊（4）；每个魔球机构（01）包括第一环形装配件（02）、第二环形装配件（03）、第三环形装配件（04）和丝杆机构（05）组成，其特征在于：所述第一、第二和第三环形装配件（02、03、04）在三个空间面上相互垂直连接构成球形构架；丝杆机构（05）与该球形构架连接；所述气管（3）套在丝杆机构（05）的一根丝杆（12）上，一端和储气袋（2）连接，另一端和弹性气囊（4）连接。

2.根据权利要求1所述的水下潜器的魔球变换平衡机构，其特征在于：

1）、所述第一环形装配件（02）由八个剪叉机构（06）、八个内移动块（5）和八个外移动块（6）组成，八个剪叉机构（06）通过内移动块（5）和外移动块（6）相互首尾连接，组成一个环形装配件；

2）、所述第二环形装配件（03）和第一环形装配件（02）结构相同，第一环形装配件（02）和第二环形装配件（03）在空间面上垂直组装时共用一个内移动块（5）和一个外移动块（6）；

3）、所述第三环形装配件（04）和第一环形装配件（02）结构相同，与第一环形装配件（02）和第二环形装配件（03）在三个空间面上垂直组装时各共用两个内移动块（5）和两个外移动块（6）；

4）、所述丝杆机构（05）由一个丝杆螺母（11）和一个丝杆（12）旋配组成，丝杆螺母（11）固定在第三环形装配件（04）外侧的一个螺母移动块（10）上，丝杆（12）一端固定在对应于螺母移动块（10）的内侧的丝杆移动块（9）上，丝杆（12）另一端与水下潜器（1）上的驱动装置连接。

3.根据权利要求2所述的水下潜器的魔球变换平衡机构，其特征在于：所述第一、第二和第三三个环形装配件（02、03、04）的外移动块（6）上旋配一个螺钉（8），所述储气袋（2）安装在水下潜器（1）正下方，所述弹性气囊（4）包裹在魔球（01）上，并和每个外移动块（6）上的螺钉（8）用细绳系紧。

4.根据权利要求2所述的水下潜器的魔球变换平衡机构，其特征在于：所述剪叉机构（06）由四根连杆（7）组成，四根连杆（7）两两中心铰接后末端连接。

5.根据权利要求4所述的水下潜器的魔球变换平衡机构，其特征在于：所述四根连杆（7）尺寸相同，每根连杆（7）上的三个转动副中心形成一个等腰三角形，其锐角为11.25度。

Images