CN104787285B - 一种螺旋桨矢量推进装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了螺旋桨矢量推进装置，包括螺旋桨旋转运动传递机构、螺旋桨偏摆机构以及内密封舱整体回转机构，螺旋桨旋转运动传递机构由U运动副、P运动副和S运动副构成的UPS运动支链，将安装于内密封舱的推进电机的旋转运动传递给螺旋桨；螺旋桨偏摆机构由滚珠丝杠和工字导轨组成的移动副组成，安装于内密封舱内，它通过丝杠运动使得螺旋桨绕密封舱中心轴线发生偏摆运动；内密封舱整体回转机构主要由一对内啮合齿轮副构成，通过内啮合齿轮的转动驱动内密封舱相对于外密封舱360°范围内的回转。本发明通过螺旋桨偏摆和内密封舱整体回转两条独立的传动链的运动合成，推进器可以实现一定偏摆角度下的全方位转动。该装置具有安装便利，控制方便，低速转向性能好等特点。
Description
技术领域
本发明涉及水下航行器技术领域，具体的来说，是一种应用于水下机器人的螺旋桨矢量推进装置。
背景技术
目前水下机器人采用的推进技术主要有两种方案：（1）泵射喷水式推进器，其推力来源于水泵喷出水流的反作用力。此类推进器具有空泡能力强，附体阻力小，保护性好，噪声低等优点。但是该推进器在水草或杂物较多的水域，进水口容易堵塞；且航速较低时，其推进效率较传统的螺旋桨低。（2）螺旋桨式推进器，螺旋桨的转动使水流产生旋转向后的运动，从而产生推进器向前的运动。这种旋转向后运动的水流只有平行于浆轴方向的速度分量才能对水下航行器产生有效推力，当机器人需要进行不同方向导向操纵运动时，比如俯仰和偏转，就需要安装多个螺旋桨推进器来产生多维方向的推进力。与单螺旋桨推进结构装置相比，多螺旋桨推进器会降低低速航行时的水下定位能力，增加机器人的航行阻力。而与一般推进器不同，矢量推进器除了能提供前进推进力外，还能根据机器人导向操纵任务需求产生其它多维方向上的推进力，使得水下机器人在低速航行时的导向操纵运动不会完全依赖于航行速度，这样极大地提高了低速航行时的水下定位能力。
目前水下机器人采用的矢量推进技术方案主要有：（1）结合推力矢量技术的泵射喷水式推进器，该推进器因低噪声已被越来越多的被应用到潜艇上。与螺旋桨推进方式相比，喷水式推进器具有附体阻力小，辐射噪声低，高速航行时不产生气泡等优点。但是此类推进器是一种矢量喷水组合式推进器，喷水推进器结构型式要比螺旋桨复杂的多，使得喷水推进器的设计和安装存在困难；另外，喷水推进器的重量较普通螺旋桨推进器大很多。因此，对于携带负载和电源受限的中小型水下机器人来说，这种结构复杂且重量较大的推进器是不适用的。（2）结合推力矢量技术的螺旋桨推进器，该推进器是通过改变螺旋桨推进系统方向来改变推力方向。它分为两种，部分偏转（螺旋桨）方式和全部偏转（推进电机和螺旋桨）。部分偏转螺旋桨推进器结构复杂、体积大。
中国专利CN202046433U公开了小型充油全部偏转矢量螺旋桨推进器，它克服了喷水推进器和部分偏转推进器的体积大和机械结构复杂等不足之处，其技术方案是：全部偏转矢量螺旋桨推进器包括螺旋桨、推进电机、偏转机构、回转电机、摆转电机、密封舱体和尾筒。其中，回转电机、摆转电机分别与偏转机构相连构成偏转系统，螺旋桨与推进电机相连构成尾部推进器，偏转系统和尾部推进器分别与尾筒相连构成全部偏转矢量推进器，其安装在水下航行器的密封舱体上，可以为水下航行器提供矢量推力。这种推进器具有灵活度高和结构紧凑的优点，但存在以下缺陷：（1）庞大的末端偏转机构使其在水中承受较大的阻力，从而影响其控制灵活度，并且会增加偏转电机的额外负担；（2）推进器的电机是随螺旋桨直接固定在尾筒末端，这样会造成其惯性太大，很难得到较高的控制精度；（3）推进电机与航行器的密封舱体分离，导致推进电机的防水密封存在较大问题。
发明内容
本发明要解决现有螺旋桨矢量装置中的庞大末端偏转结构导致其在水中承受较大的阻力和惯性，以及防水密封等关键技术问题，提供一种具有多维方向推进、螺旋桨水中惯性和阻力小且易于防水密封的螺旋桨矢量推进器。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
螺旋桨矢量推进装置，包括螺旋桨旋转运动传递机构、螺旋桨偏摆机构以及内密封舱整体回转机构，所述螺旋桨旋转运动传递机构由U运动副、P运动副和S运动副构成的UPS运动支链，将安装于内密封舱的推进电机的旋转运动传递给螺旋桨；螺旋桨偏摆机构是滚珠丝杠和工字导轨构成的移动副，安装于内密封舱内，它通过丝杠运动使得螺旋桨绕密封舱中心轴线发生偏摆运动；内密封舱整体回转机构主要由一对内啮合齿轮副构成，通过内啮合齿轮的转动驱动内密封舱相对于外密封舱360°范围内的回转。
本发明通过螺旋桨偏摆和内密封舱整体回转这两条独立传动链的运动合成，使得推进器可实现一定偏摆角度下的全方位转动。
本发明的有益效果是：（1）将偏摆机构安装于密封舱内，舱体外部偏摆转动的只有螺旋桨，相对于舱外安装偏摆机构来说，舱内安装偏摆机构的螺旋桨所受到水阻力较小，使其灵活性增加，并可减少不必要的能力损失；（2）将推进电机固联在滑动导轨上，利用移动产生螺旋桨轴的摆动，通过传动装置将转动传递到螺旋桨，这样可有效地减少偏摆过程中的惯性，从而使控制精度提高；（3）采用内外两密封舱结构，能极大的提高推进器的防水性能。本发明具有安装便利，控制方便，低速转向性能好等优点。
附图说明
图1是本发明的水下机器人螺旋桨矢量推进机构的结构示意图；
图2是本发明的偏摆机构结构示意图；
图中：1螺旋桨，2、13轴承，3外密封舱，4内密封舱，5、6锥齿轮对，7滑动块，8工字导轨，9丝杆固定架，10齿轮，11偏摆电机，12内齿轮，14球副，15花键轴套，16花键轴，17万向节，18滚珠丝杠，19推进电机，20外齿轮，21回转电机固定底座，22内密封舱回转电机，23内密封舱偏摆平台。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明，但本发明并不局限于此。
本发明包括螺旋桨旋转运动传递机构、螺旋桨偏摆机构以及内密封舱整体回转机构。螺旋桨旋转运动传递机构主要完成将安装于内密封舱的推进电机的旋转运动传递给螺旋桨，可以为水下机器人提供推进力。螺旋桨偏摆机构主要实现螺旋桨回转轴线绕密封舱中心轴线偏摆运动，在偏摆一定角度后，内密封舱整体回转机构会使螺旋桨回转轴线绕密封舱中心轴线转动一定角度，这两种偏摆和转动运动使得螺旋桨的回转轴线在空间的包络线形成一个圆锥面，从而实现了螺旋桨推进方向的变化。本发明通过螺旋桨偏摆和内密封舱整体回转两条独立传动链的运动合成，使推进器实现一定偏摆角度下的全方位转动。
所述的螺旋桨旋转运动传递机构（即UPS运动支链）包括推进电机19、万向节17、花键轴16、花键轴套15、球副14。花键轴套15的一端由球副14与内密封舱4连接，另一端与花键轴16连接，花键轴16由万向节17与推进电机19连接。推进电机19的旋转运动通过螺旋桨旋转运动传递机构传递给螺旋桨1，使其产生向前推进的旋转运动。
所述的螺旋桨偏摆机构包括滑动块7、滚珠丝杆18、工字导轨8和偏摆电机11等。推进电机19固联在滑动块7上，滑动块7安装于工字导轨8上，滑动块7通过螺母副与滚珠丝杠18连接，滚珠丝杠18通过丝杠固定架9固定在内密封舱偏摆平台23上。偏摆电机11的转动通过一对锥齿轮5、6换向，并通过滚珠丝杠18驱动滑动块7沿工字导轨8上移动，该移动使得由万向节17、花键轴16、花键轴套15和球副14组成的UPS运动支链绕外密封舱3的中心轴线发生偏摆运动，偏摆角度范围约为±30°。
所述的内密封舱整体回转机构包括外密封舱3，内密封舱偏摆平台23，回转电机22，轴承2、13，内齿轮12和外齿轮20。回转电机22通过底座21被固定在外密封舱3上，内密封舱4与外密封舱3的顶部和底部分别通过轴承2和轴承13连接。回转电机22经内齿轮12和外齿轮20的啮合驱动，使得内密封舱4相对于外密封舱3回转。外密封舱3和内密封舱4均为中心对称的柱体壳式结构，它们的回转中心轴线是重合的，因此，内密封舱4可以绕外密封舱3的中心轴线360°范围内回转。
Claims (6)
1.一种螺旋桨矢量推进装置，其特征在于：包括螺旋桨旋转运动传递机构、螺旋桨偏摆机构以及内密封舱整体回转机构，所述螺旋桨旋转运动传递机构由U运动副、P运动副和S运动副构成的UPS运动支链，所述UPS运动支链包括推进电机、万向节、花键轴、花键轴套、球副，花键轴套的一端由球副与内密封舱连接，另一端与花键轴连接，花键轴由万向节与推进电机连接，螺旋桨旋转运动传递机构将安装于内密封舱的推进电机的旋转运动传递给螺旋桨；螺旋桨偏摆机构是滚珠丝杠和工字导轨构成的移动副，安装于内密封舱内，它通过丝杠运动使得螺旋桨绕密封舱中心轴线发生偏摆运动；内密封舱整体回转机构主要由一对内啮合齿轮副构成，通过内啮合齿轮的转动驱动内密封舱相对于外密封舱360°范围内的回转。
2.根据权利要求1所述的螺旋桨矢量推进装置，其特征在于：所述的螺旋桨偏摆机构包括滑动块、滚珠丝杆、工字导轨和偏摆电机，推进电机固联在滑动块上，滑动块安装在工字导轨上，滑动块一端连接滚珠丝杠，滚珠丝杠通过丝杠固定架固定在内密封舱偏摆平台上，偏摆电机的转动通过一对锥齿轮换向，并通过滚珠丝杠驱动滑动块沿工字导轨上移动。
3.根据权利要求1所述的螺旋桨矢量推进装置，其特征在于：所述的内密封舱整体回转机构包括外密封舱，内密封舱偏摆平台，回转电机，轴承，内齿轮和外齿轮，回转电机通过回转电机固定底座固定在外密封舱上，内密封舱与外密封舱的顶部和底部分别通过轴承连接，回转电机经内齿轮和外齿轮驱动内密封舱偏摆平台和内密封舱相对于外密封舱360°范围内回转。
4.根据权利要求1所述的螺旋桨矢量推进装置，其特征在于：通过螺旋桨偏摆和内密封舱整体回转两条独立传动链的运动合成，使推进器实现一定偏摆角度下的全方位转动。
5.根据权利要求1所述的螺旋桨矢量推进装置，其特征在于：螺旋桨的运动是回转轴线的旋转与回转轴线的偏摆的合成运动，能实现多维方向的推进力。
6.根据权利要求1所述的螺旋桨矢量推进装置，其特征在于：外密封舱和内密封舱均为中心对称的柱体壳式结构，它们的回转中线是重合。
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