CN104015899A - 基于双级并联式摆杆机构驱动的水下推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于双级并联式摆杆机构驱动的水下推进装置，包括三个驱动关节、摆动水翼、两级运动骨架及舵机组件。其中，两级运动骨架结构相同；具有摆动连接板与摆动板；摆动连接板相对摆动板具有前后方向滑动运动，以及周向上的转动运动；尖端运动骨架外侧面上固定安装有摆动水翼。前部与中部的驱动关节为滑杆，分别与位于末端的运动骨架以及位于尖端的运动骨架中摆动连接板铰接；后部的驱动关节为摆杆与两级运动骨架中的摆动板轴承连接。三个驱动关节由三组舵机驱动，能够使摆动水翼同时具备升沉和俯仰运动，实现复杂的三维运动。本发明的优点为：采用独立舵机模块驱动，实现水下推进装置在摆动频率、摆动幅度、相位差角等参数上的灵活可控。

Description

基于双级并联式摆杆机构驱动的水下推进装置

技术领域

本发明涉及一种水下推进装置结构，属于水下潜器技术领域，具体来说，是一种能够实现俯仰升沉运动的水下推进装置。

背景技术

地球海洋面积广阔，海洋矿产资源和物种资源储量巨大，因此海洋资源的开发和利用成为世界各国关注的焦点。水下机器人在海洋环境研究、海洋矿产勘探、海洋生物研究等民用领域和海洋军事战略方面具有广阔的应用前景和巨大的潜在价值，吸引了人们更多的注意力。

作为水下机器人的关键技术之一，水下推进技术一直以来都是国内外相关研究机构的关注焦点。传统水下机器人多采用螺旋桨配合操纵舵的控制模式，虽然可以获得较大的推力和较快的速度，但也存在很多不足。比如，尾流中始终存在垂直于前进方向的旋转速度分量，消耗在流体中的这部分能量不能产生有效推力，推进效率难以进一步提高；流体扰动作用明显；低速机动性能较差等。近些年来，海洋资源开发、深海物种研究、海底结构勘探、军事水下侦察等为水下机器人研究提供了新机遇和新挑战，其关注焦点已从巡航速度转移到稳定性、机动性、环境扰动等方面。

发明内容

为了解决上述问题，实现水下推进器具备良好的机动性和稳定性，本发明提出一种能够同时实现升沉运动和俯仰运动的驱动机构，而且能够装备到水下潜器机体上的，结构简单、能够模块化应用的水下推进装置。

一种基于双级并联式摆杆机构驱动的水下推进装置，包括前部驱动关节、中部驱动关节、后部驱动关节、摆动水翼、舵机组件，以及由末端运动骨架与尖端运动骨架构成的两级运动骨架。

所述前部驱动关节包括前部摆杆、前部滑杆。其中，前部摆杆通过圆柱副结构与前部滑杆一端连接；中部驱动关节包括中部摆杆、中部滑杆。中部摇杆通过圆柱副结构与中部滑杆一端连接。后部驱动关节为一后部摆杆。

所述两级运动骨架中，末端运动骨架与尖端运动骨架结构相同；末端运动骨架由摆动连接板、摆动板；摆动连接板相对摆动板具有前后方向滑动运动，以及周向上的转动运动；尖端运动骨架外侧面上固定安装有摆动水翼。

所述前部驱动关节中：前部滑杆铰接端与末端运动骨架中摆动连接板前端内侧面铰接，具有前后方向摆动运动。中部运动关节中：中部滑杆铰接端与尖端运动骨架中摆动连接板前端内侧面铰接，具有前后方向摆动运动；并使中部摆杆穿过末端运动骨架中摆动连接板。后部运动关节中：后部摆杆穿过末端运动骨架与尖端运动骨架中摆动板，通过轴承座分别与末端运动骨架及尖端运动骨架的摆动板连接，后部摆动杆与摆动板形成旋转副结构。。

上述前部摆杆、中部摆杆与后部摆杆端部分别与一个舵机输出轴垂直固连，通过舵机驱动运动。

通过三个舵机驱动前部摆杆、中部摆杆与后部摆杆运动，进而带动末端运动骨架、尖端运动骨架运动。通过三组舵机组件中驱动轴的运动相差，实现摆动水翼的三维运动，使摆动水翼同时具备升沉和俯仰的复合运动；且可实现了水下推进装置在摆动频率、摆动幅度、相位差角等参数上的灵活可控。

本发明的优点在于：

1、本发明基于双级并联式摆杆机构驱动的水下推进装置，采用独立的舵机模块驱动，实现了水下推进装置在摆动频率、摆动幅度、相位差角等参数上的灵活可控。能够实现末端摆动水翼的三维运动；

2、本发明基于双级并联式摆杆机构驱动的水下推进装置，能够模块化应用到水下潜器，并可根据任务需求选择水下推进装置的数量，实现水下潜器的机动运动；

3、本发明基于双级并联式摆杆机构驱动的水下推进装置，结构简单、紧凑，运动平滑，能够输出俯仰和升沉的复合运动；

4、本发明基于双级并联式摆杆机构驱动的水下推进装置，每组舵机模块均采用独立密封结构，增加了水下推进装置的可靠性。

附图说明

图1为本发明水下推进装置整体结构示意图；

图2为本发明水下推进装置中末端运动骨架结构爆炸图；

图3为本发明水下推进装置中尖端运动骨架结构爆炸图；

图4为本发明水下推进装置中末端运动骨架整体结构示意图；

图5为本发明水下推进装置中尖端运动骨架整体结构示意图；

图6为本发明水下推进装置中舵机组件结构爆炸图；

图7为本发明水下推进装置中舵机组件结构示意图。

图中：

1-前部驱动关节    2-中部驱动关节    3-后部驱动关节

4-摆动水翼        5-舵机组件        101-前部摆杆

102-前部滑杆      201-中部摆杆      202-中部滑杆

301-后部摆杆      501-舵机主体      502-舵机前盖

503-轴承          504-驱动轴        505-舵机后盖

601-末端运动骨架  602-尖端运动骨架  603-摆动连接板

604-摆动连接杆    605-套筒          606-套筒滑动座

607-摆动板        608-凹槽          609-套筒安装孔

610-缺口          611-铰接座        612-安装孔

613-轴承座        614-防水轴承      615-穿出孔

616-安装座

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明水下推进装置，包括前部驱动关节1、中部驱动关节2、后部驱动关节3、摆动水翼4、舵机组件5，以及由末端运动骨架601与尖端运动骨架602构成的两级运动骨架，如图1所示。

所述前部驱动关节1包括前部摆杆101、前部滑杆102。其中，前部滑杆102通过圆柱副结构与前部摆杆101一端连接，使前部摆杆101可沿前部滑杆102轴向滑动，以及沿自身轴线的转动。中部驱动关节2包括中部摆杆201、中部滑杆202；中部滑杆202通过圆柱副结构与中部摇杆201一端连接，使中部摆杆201可沿中部滑杆202轴向移动，以及沿自身轴线的转动。后部驱动关节3为一后部摆杆301。上述前部驱动关节1、中部驱动关节2与后部驱动关节3用来连接两级运动骨架，并通过舵机组件5驱动运动。

所述两级运动骨架中，末端运动骨架601与尖端运动骨架602结构相同，分别设置于展向末端与尖端位置，周向上形状符合NACA0012翼型截面，尺寸可根据实际需求进行具体设计。如图2、图3所示，末端运动骨架601与尖端运动骨架602均包括摆动连接板603、摆动连接杆604、套筒605、套筒滑动座606与摆动板607。其中，摆动连接板603的后端端部固定安装有摆动连接杆604。套筒滑动座606为块状结构，相对两侧沿套筒滑动座606轴向开有凹槽608，中心位置沿套筒滑动座606轴向开有套筒安装孔609，套筒安装孔609内同轴过盈配合安装有套筒605。摆动板607前端端部开有缺口610。如图4、图5所示，上述末端运动骨架601与尖端运动骨架602的套筒605套在摆动连接杆604上，可在套筒605中沿套筒605轴向滑动，以及绕套筒605轴线转动，进而使摆动连接板603可沿套筒605的前后方向滑动以及绕自身轴线转动。套筒滑动座606通过两侧的凹槽608与摆动板607前端缺口610配合插接，并通过螺栓固定连接，实现套筒滑动座606与摆动板607间的可拆卸连接。上述末端运动骨架601与尖端运动骨架602中的摆动连接板603前端内侧面均具有铰链座611，分别用来连接前部驱动关节1与中部驱动关节2。末端运动骨架601与尖端运动骨架602中的摆动板607上均开有安装孔612，用来安装后部驱动关节3；且在摆动板的两侧通过螺栓固定安装有轴承座613，轴承座613内具有与安装孔612同轴的防水轴承614。在末端运动骨架601中的摆动连接板603上还开有穿出孔615，供中部驱动关节2安装时穿出。在尖端运动骨架602中的套筒滑动座606外侧面上设计有安装座616，摆动水翼4通过安装座616固定于套筒滑动座606外侧面上且与套筒滑动座606垂直。

如图1所示，所述前部驱动关节1中：前部滑杆102铰接端与末端运动骨架601中摆动连接板603内侧铰接座611铰接，可前后摆动。中部驱动关节2中：中部滑杆铰接端与尖端运动骨架602中摆动连接板603内侧铰接座611铰接，可前后摆动；并使中部摆杆201穿过末端运动骨架中摆动连接板上的穿出孔615。后部驱动关节3中：后部摆杆301穿过末端运动骨架601与尖端运动骨架602中摆动板607上的安装孔612，通过轴承座613分别与末端运动骨架及尖端运动骨架的摆动板连接，后部摆动杆与摆动板利用防水轴承614形成旋转副结构。

上述前部摆杆101、中部摆杆201与后部摆杆301的驱动端，分别与一个舵机组件相连。所述舵机组件5为舵机主体501及由舵机前盖502、两个轴承503、驱动轴504、舵机后盖505构成的密封传动组件，如图6所示。其中，两个轴承503的外圈与舵机前盖502过盈配合固定；驱动轴504连接端通过螺栓与舵机主体501的输出轴同轴相连，且与两个轴承503轴承连接后，输出端由舵机主体501前盖伸出。舵机前盖502与舵机后盖505间通过螺栓压紧固连，利用舵机前盖502及舵机后盖505的环形槽中的O型圈将舵机主体501及两个轴承503密封。三个舵机组件5中驱动轴504的输出端分别与前部驱动关节1、中部驱动关节2、后部驱动关节3中的前部摆杆101、中部摆杆201与后部摆杆301通过紧定螺钉垂直固连。通过将三个舵机组件5等间距固定于水下潜器机体上，使三个舵机组件5中的舵机主体501驱动驱动轴504转动，进而带动前部摆杆101、中部摆杆201与后部摆杆301摆动运动，进而带动末端运动骨架601、尖端运动骨架602运动。通过三组舵机组件5中驱动轴504的运动相差，使摆动水翼4进行复杂的三维运动，使摆动水翼4同时具备升沉和俯仰的复合运动；且可实现了水下推进装置在摆动频率、摆动幅度、相位差角等参数上的灵活可控。

Claims (6)

1.基于双级并联式摆杆机构驱动的水下推进装置，其特征在于：包括前部驱动关节、中部驱动关节、后部驱动关节，摆动水翼、舵机组件，以及由末端运动骨架与尖端运动骨架构成的两级运动骨架；

所述前部驱动关节包括前部摆杆、前部滑杆；其中，前部摆杆通过圆柱副结构与前部滑杆一端连接；中部驱动关节包括中部摆杆、中部滑杆；中部摆杆通过圆柱副结构与中部滑杆一端连接；后部驱动关节为一后部摆杆；

所述两级运动骨架中，末端运动骨架与尖端运动骨架结构相同；末端运动骨架由摆动连接板、摆动板；摆动连接板相对摆动板具有前后方向滑动运动，以及周向上的转动运动；尖端运动骨架外侧面上固定安装有摆动水翼；

所述前部驱动关节中：前部滑杆铰接端与末端运动骨架中摆动连接板前端内侧面铰接，具有前后方向摆动运动；中部运动关节中：中部滑杆铰接端与尖端运动骨架中摆动连接板前端内侧面铰接，具有前后方向摆动运动；并使中部摆杆穿过末端运动骨架中摆动连接板；后部驱动关节中：后部摆杆穿过末端运动骨架与尖端运动骨架中摆动板，分别与末端运动骨架及尖端运动骨架的摆动板连接，形成旋转副结构；

上述前部摆杆、中部摆杆与后部摆杆端部分别与一个舵机输出轴垂直固连，通过舵机驱动运动。

2.如权利要求1所述基于双级并联式摆杆机构驱动的水下推进装置，其特征在于：所述摆动连接板与连接板间通过摆动连接杆、套筒与套筒滑动座相连，具体连接方式为：摆动连接板的后端端部固定安装有摆动连接杆；套筒滑动座为块状结构，相对两侧沿套筒滑动座轴向开有凹槽，中心位置沿套筒滑动座轴向开有套筒安装孔，套筒安装孔内同轴过盈配合安装有套筒；摆动板前端端部开有缺口；上述末端运动骨架与尖端运动骨架的套筒套在摆动连接杆上；套筒滑动座通过两侧凹槽结构与摆动板前端缺口配合插接后，通过螺栓固连。

3.如权利要求1所述基于双级并联式摆杆机构驱动的水下推进装置，其特征在于：所述三个舵机组件等间距布置。

4.如权利要求1所述基于双级并联式摆杆机构驱动的水下推进装置，其特征在于：所述摆动水翼与尖端运动骨架外侧面垂直。

5.如权利要求1所述基于双级并联式摆杆机构驱动的水下推进装置，其特征在于：所述末端运动骨架与尖端运动骨架周向上形状符合NACA0012翼型截面。

6.如权利要求1所述基于双级并联式摆杆机构驱动的水下推进装置，其特征在于：所述舵机通过舵机前盖与舵机后盖上的环形槽装入O型圈后紧密贴合实现密封。