CN105216999B - 三自由度并联型矢量推进装置及具有该装置的水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度并联型矢量推进装置及具有该装置的水下机器人，属于水下航行器技术领域，所述三自由度并联型矢量推进装置包括静平台和动平台，动、静平台之间有三组运动支链构成，一组为具有90°弧形连杆的RR运动支链，一组为具有90°和45°弧形连杆的RRR运动支链，这两组运动支链及动、静平台共同构成球面二自由度并联机构；动、静平台之间还有一组RUC中间运动传递支链，用来将主推电机的转矩和运动传递到螺旋桨。本发明通过螺旋桨偏摆和中间运动传递支链的运动合成，既能实现螺旋桨多种推进姿态的变化，也能完成螺旋桨运动的传递。本发明具有安装便利，支链位置布局简易，控制方便，低速转向性能好等特点。

Description

三自由度并联型矢量推进装置及具有该装置的水下机器人

技术领域

本发明涉及水下航行器领域，特别是指一种三自由度并联型矢量推进装置及具有该装置的水下机器人。

背景技术

海洋约占地球表面积的71％，蕴藏着丰富的矿产资源和海洋生物资源，开发机动灵活的水下机器人对推动海洋资源探测技术发展具有重要的现实意义。螺旋桨推进器是保障水下机器人机动灵活作业的关键装置，单个螺旋桨推进器只能产生大小可变而方向固定(沿转动轴方向)的推进力，而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姿态推进力。与单个推进装置相比，多个螺旋桨推进器会降低机器人的机动灵活性、增加机器人的航行阻力和降低低速航行时的可控能力。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，从而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，这样提高了水下机器人低速航行时的可控性和水下定位能力。

目前，对矢量推进机构构型研究仅局限于传统串联机构或Stewart六自由度并联机构。传统串联机构的自重负荷比大，很难适应深海重压环境，虽然六自由度并联机构在灵活性和自重负荷比方面能满足导向操纵动作要求，但是其工作空间小、结构和控制较复杂，也很难应用于工程实际。少自由度并联机构由于自由度数少，使设计制造更为简化，而关键导向操纵动作也不需要空间全部的六个自由度，因此将少自由度并联机构应用于水下机器人矢量推进机构中会为未来水下机器人的推进方式提供新的设计理念。因此，当前急需对三自由度并联型水下机器人矢量推进机构进行创新设计的研究，以实现单机构多维姿态调整的矢量推进技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现单机构多维姿态调整的三自由度并联型矢量推进装置及具有该装置的水下机器人。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一方面，提供一种三自由度并联型矢量推进装置，包括螺旋桨、螺旋桨传动轴、静平台、动平台、第一90°弧形连杆、第二90°弧形连杆、45°弧形连杆和万向节，其中：

所述动平台为中空圆柱形，所述动平台位于所述静平台的一侧，所述静平台的一侧设置有第一和第二偏摆电机固定架，所述第一和第二偏摆电机固定架上分别设置有第一和第二偏摆电机；

所述第一90°弧形连杆的两端以转动副方式连接在所述第一偏摆电机和动平台之间，从而形成第一组运动支链；

所述第二90°弧形连杆的一端和所述45°弧形连杆的一端以转动副方式连接，所述第二90°弧形连杆的另一端和所述45°弧形连杆的另一端以转动副方式连接在所述第二偏摆电机和动平台之间，从而形成第二组运动支链；

所述第一组和第二组运动支链中的所有转动副的转动轴线汇交于所述动平台的中心；

所述静平台的另一侧中部设置有螺旋桨主推电机，所述螺旋桨主推电机的输出轴穿过所述静平台，所述输出轴的末端经所述螺旋桨传动轴连接所述螺旋桨，所述万向节固连在所述输出轴和螺旋桨传动轴之间，所述动平台以圆柱副方式套设在所述螺旋桨传动轴上，从而形成第三组运动支链。

进一步的，所述静平台为圆盘形。

进一步的，所述第一和第二偏摆电机固定架在所述静平台上间隔90°。

进一步的，所述万向节为十字轴式刚性万向节。

进一步的，所述动平台上的两个转动副的转动轴线的夹角为90°。

进一步的，所述第二偏摆电机依次经所述第二90°弧形连杆和45°弧形连杆连接至所述动平台。

另一方面，提供一种水下机器人，包括上述的三自由度并联型矢量推进装置。

本发明具有以下有益效果：

本发明在静平台和动平台之间形成有三组运动支链，本发明利用三自由度并联机构改变了螺旋桨的空间运动姿态，从而实现了水下机器人的偏转和俯仰等空间姿态调整动作；中间运动传递支链实现了螺旋桨主推电机与螺旋桨之间的旋转运动传递；该三自由度并联机构与螺旋桨推进器的有机结合，实现了单机构多姿态的运动功能，省去了鳍舵等复杂的辅助结构构型，使水下机器人的结构更加紧凑，同时该机构可单套安装使用，具有模块化应用、便于批量生产等优点；本发明所采用的并联机构在三个伺服电机的协同控制下，能够实现精确控制，同时响应速度快，能够使螺旋桨迅速达到所需的空间姿态。

附图说明

图1为本发明的三自由度并联型矢量推进装置的结构示意图一；

图2为本发明的三自由度并联型矢量推进装置的结构示意图二；

图3为本发明的三自由度并联型矢量推进装置的结构示意图三。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

名词解释：

转动副：revolute joint，简称R；

万向节副：universal joint，简称U；

圆柱副：cylinder pair，简称C；

本发明中涉及的运动副的组合方式包括：RR、RRR、RUC。

90°弧形连杆和45°弧形连杆：指的是连杆的两个连接处轴线所夹的圆心角分别为90°和45°。

一方面，本发明提供一种三自由度并联型矢量推进装置，如图1-3所示，包括螺旋桨1、螺旋桨传动轴2、静平台7、动平台8、第一90°弧形连杆9、第二90°弧形连杆12、45°弧形连杆13和万向节5，其中：

动平台8为中空圆柱形，动平台8位于静平台7的一侧，静平台7的一侧(同侧)设置有第一偏摆电机固定架10和第二偏摆电机固定架4，第一偏摆电机固定架10和第二偏摆电机固定架4上分别设置有第一偏摆电机11和第二偏摆电机3；

第一90°弧形连杆9的两端以转动副方式连接在第一偏摆电机11和动平台8之间，从而形成第一组运动支链(即RR运动支链，具体的，第一90°弧形连杆9的一端可以与第一偏摆电机11的输出轴固连，第一偏摆电机11的旋转即可构成主动转动副R，而第一90°弧形连杆9的另一端可以通过另一转动副R与动平台8连接)；

第二90°弧形连杆12的一端和45°弧形连杆13的一端以转动副方式连接，第二90°弧形连杆12的另一端和45°弧形连杆13的另一端以转动副方式连接在第二偏摆电机3和动平台8之间，从而形成第二组运动支链(即RRR运动支链，具体的，45°弧形连杆13的一端可以与第二偏摆电机3的输出轴固连，第二偏摆电机3的旋转即可构成主动转动副R，45°弧形连杆13的另一端可以通过另一转动副R与第二90°弧形连杆12的一端连接，而第二90°弧形连杆12的另一端可以通过再一个转动副R与动平台8连接)；

上述第一组和第二组运动支链中的所有转动副的转动轴线汇交于动平台8的中心。通过控制两个偏摆电机3和11的转角和转速，可以使螺旋桨1的末端的运动空间在一个球面上，该球面的球心正好是万向节5的中心；

静平台7的另一侧中部设置有螺旋桨主推电机6，螺旋桨主推电机6的输出轴(未示出)穿过静平台7，输出轴的末端经螺旋桨传动轴2连接螺旋桨1，万向节5固连在输出轴和螺旋桨传动轴2之间，动平台8以圆柱副方式套设在螺旋桨传动轴2上，从而形成第三组运动支链(即RUC中间运动传递支链，具体的，螺旋桨主推电机6可以固连(例如通过螺栓)在静平台7上，螺旋桨主推电机6的输出轴与万向节5的一端固连，螺旋桨主推电机6的输出轴的旋转即可构成主动转动副R，万向节5的另一端与螺旋桨传动轴2固连，而螺旋桨传动轴2可以通过圆柱副C与动平台8连接，该RUC中间运动传递支链的主要功能是将螺旋桨主推电机6的输出转矩传递到螺旋桨1)。

本发明在静平台7和动平台8之间形成有三组运动支链，第一组运动支链是由第一90°弧形连杆9在静平台7和动平台8之间所形成的RR运动支链，第二组运动支链是由第二90°弧形连杆12和45°弧形连杆13通过三个转动副在静平台7和动平台8之间所形成的RRR运动支链，第三组运动支链是由螺旋桨主推电机6、万向节5以及螺旋桨传动轴2在静平台7和动平台8之间所构成的RUC中间运动传递支链。

上述静平台、动平台、RR运动支链和RRR运动支链共同构成了球面并联机构，使螺旋桨的运动在球面上；这两组运动支链中包含的五个转动副R的轴线汇交于动平台的中心。

上述RUC中间运动传递支链中，螺旋桨主推电机6通过万向节5将主推电机6的输出转矩传递到螺旋桨传动轴2上，螺旋桨传动轴2通过圆柱副C与动平台8连接，这样保证了螺旋桨的工作空间在一个球面上。在两个偏摆电机以及一个主推电机的共同作用下，该矢量推进机构既能实现螺旋桨多种推进姿态的变化，也能完成螺旋桨运动的传递。

本发明具有球面机构特点，各运动支链位置布局简易，为矢量推进控制提供了极大地方便。本发明不仅能实现螺旋桨偏转运动，而且能完成螺旋桨旋转运动的传递，这样极大地提高了水下机器人的低速转向能力和定位能力。

本发明利用三自由度并联机构改变了螺旋桨的空间运动姿态，从而实现了水下机器人的偏转和俯仰等空间姿态调整动作；中间运动传递支链实现了螺旋桨主推电机与螺旋桨之间的旋转运动传递；该三自由度并联机构与螺旋桨推进器的有机结合，实现了单机构多姿态的运动功能，省去了鳍舵等复杂的辅助结构构型，使水下机器人的结构更加紧凑，同时该机构可单套安装使用，具有模块化应用、便于批量生产等优点；本发明所采用的并联机构在三个伺服电机的协同控制下，能够实现精确控制，同时响应速度快，能够使螺旋桨迅速达到所需的空间姿态。

本发明中，静平台7优选为圆盘形。并且，为便于计算和控制角度，第一偏摆电机固定架10和第二偏摆电机固定架4优选在静平台上间隔90°安装。

同时，万向节5优选为十字轴式刚性万向节。动平台上的两个转动副的转动轴线的夹角可以为任意角度，只要两个弧形连杆和螺旋桨传动轴之间不会相互干涉就行，优选为90°。

另外，如图1-3所示，第二偏摆电机3依次经45°弧形连杆13和第二90°弧形连杆12连接至动平台8，本领域技术人员应当理解的是，第二偏摆电机3也可依次经第二90°弧形连杆12和45°弧形连杆13连接至动平台8。

另一方面，本发明还提供一种水下机器人，包括上述的三自由度并联型矢量推进装置。具体结构与上相同，此处不再赘述。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种三自由度并联型矢量推进装置，其特征在于，包括螺旋桨、螺旋桨传动轴、静平台、动平台、第一90°弧形连杆、第二90°弧形连杆、45°弧形连杆和万向节，其中：

所述动平台为中空圆柱形，所述动平台位于所述静平台的一侧，所述静平台的一侧设置有第一和第二偏摆电机固定架，所述第一偏摆电机固定架上设置有第一偏摆电机，所述第二偏摆电机固定架上设置有第二偏摆电机；

所述第一90°弧形连杆的两端以转动副方式连接在所述第一偏摆电机和动平台之间，从而形成第一组运动支链；

所述第二90°弧形连杆的一端和所述45°弧形连杆的一端以转动副方式连接，所述第二90°弧形连杆的另一端和所述45°弧形连杆的另一端以转动副方式连接在所述第二偏摆电机和动平台之间，从而形成第二组运动支链；

所述第一组和第二组运动支链中的所有转动副的转动轴线汇交于所述动平台的中心；

所述静平台的另一侧中部设置有螺旋桨主推电机，所述螺旋桨主推电机的输出轴穿过所述静平台，所述输出轴的末端经所述螺旋桨传动轴连接所述螺旋桨，所述万向节固连在所述输出轴和螺旋桨传动轴之间，所述动平台以圆柱副方式套设在所述螺旋桨传动轴上，从而形成第三组运动支链。

2.根据权利要求1所述的三自由度并联型矢量推进装置，其特征在于，所述静平台为圆盘形。

3.根据权利要求2所述的三自由度并联型矢量推进装置，其特征在于，所述第一和第二偏摆电机固定架在所述静平台上间隔90°。

4.根据权利要求1所述的三自由度并联型矢量推进装置，其特征在于，所述万向节为十字轴式刚性万向节。

5.根据权利要求1所述的三自由度并联型矢量推进装置，其特征在于，所述动平台上的两个转动副的转动轴线的夹角为90°。

6.根据权利要求1-5中任一所述的三自由度并联型矢量推进装置，其特征在于，所述第二偏摆电机依次经所述第二90°弧形连杆和45°弧形连杆连接至所述动平台。

7.一种水下机器人，其特征在于，包括权利要求1-6中任一所述的三自由度并联型矢量推进装置。