CN105366021B - 可调节螺距的矢量推进装置及具有该装置的水下航行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调节螺距的矢量推进装置及具有该装置的水下航行器，属于水下航行器领域，包括静平台、动平台、旋转盘、桨毂、桨叶、从动支链、3个主动支链和牵拉调距机构，其中：从动支链包括推进主轴，推进主轴穿过静平台、动平台和旋转盘的中心，推进主轴的一端用于由主推电机驱动，另一端连接桨毂；3个主动支链的一端连接静平台的边缘，并用于由辅助电机驱动，另一端连接动平台的边缘；从动支链和某一主动支链将动平台的自由度约束为沿推进主轴轴向平移、绕推进主轴径向转动和切向转动；旋转盘的中心与动平台的中心连接，并且旋转盘与动平台形成绕推进主轴轴向旋转的转动副。本发明能够提供多维度的推力，并且结构简单、调节方便。

Description

可调节螺距的矢量推进装置及具有该装置的水下航行器

技术领域

本发明涉及水下航行器领域，特别是指一种可调节螺距的矢量推进装置及具有该装置的水下航行器。

背景技术

目前水下航行器，尤其是无人航行器，多采用螺旋桨作为推进装置，单个的螺旋桨推进器只能产生大小可变而方向固定的推进力，而当无人航行器需要进行不同方向的导向操纵运动时，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。多个螺旋桨的安装形式，破坏了航行器的结构连续性，降低了航行器的结构强度，增大了航行器重量，同时也使航行器内部的布置受到局限。

与一般推进器不同，矢量推进器除了能够提供前进推进力外，还能根据航行器导向操纵任务需求产生其他多维方向上的推进力，极大地提高了航向器的转向能力和定位能力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可调节螺距的矢量推进装置及具有该装置的水下航行器，本发明能够提供多维度的推力，并且结构简单、调节方便。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一方面，提供一种可调节螺距的矢量推进装置，包括静平台、动平台、旋转盘、桨毂、桨叶、从动支链、3个主动支链和牵拉调距机构，其中：

所述从动支链包括推进主轴，所述推进主轴穿过所述静平台、动平台和旋转盘的中心，所述推进主轴的一端用于由主推电机驱动，另一端连接所述桨毂；

所述3个主动支链的一端连接所述静平台的边缘，并用于由辅助电机驱动，另一端连接所述动平台的边缘；所述从动支链和某一主动支链将所述动平台的自由度约束为沿所述推进主轴轴向平移、绕所述推进主轴径向转动和切向转动；

所述旋转盘的中心与所述动平台的中心连接，并且所述旋转盘与所述动平台形成绕所述推进主轴轴向旋转的转动副；

所述牵拉调距机构包括桨中轴、桨偏轴、牵拉调距杆、联动挺杆和联动套筒；所述桨叶通过桨中轴连接在桨毂上，并且所述桨叶与所述桨毂形成绕所述桨中轴轴向旋转的转动副；所述桨偏轴设置在所述桨叶上，并与所述桨中轴平行；所述牵拉调距杆的一端通过第二小球铰连接所述桨偏轴，并且所述牵拉调距杆与所述第二小球铰形成球面副，所述第二小球铰与所述桨偏轴形成圆柱副，所述牵拉调距杆的另一端铰接在所述旋转盘上；所述联动套筒的一端通过第一小球铰连接在所述桨中轴上，并且所述联动套筒与所述第一小球铰形成球面副，所述第一小球铰与所述桨中轴形成圆柱副，所述联动挺杆的一端固定在所述旋转盘上，另一端插在所述联动套筒内部，形成圆柱副。

进一步的，所述从动支链还包括中心球铰，所述中心球铰套在所述推进主轴上，并且所述中心球铰与所述推进主轴形成沿所述推进主轴轴向平移和绕所述推进主轴轴向转动的圆柱副；所述中心球铰与所述旋转盘连接，并且所述中心球铰与所述旋转盘形成绕所述推进主轴轴向、径向和切向旋转的球面副。

进一步的，所述3个主动支链为第一主动支链、第二主动支链和第三主动支链，所述第一主动支链、第二主动支链和第三主动支链的夹角为120°，所述第一主动支链和第二主动支链为RURRR支链或RUS支链，所述第三主动支链为RRRRR支链或RRS支链。

进一步的，所述RURRR支链包括主动臂、万向节、从动臂和连接头，所述主动臂的一端铰接在所述静平台的边缘，另一端与所述万向节的一端连接，所述万向节的另一端与所述从动臂的一端连接，并且所述万向节与所述从动臂形成绕所述从动臂轴向旋转的转动副，所述从动臂的另一端与所述连接头的一端铰接，所述连接头的另一端与所述动平台的边缘连接，并且所述动平台与所述连接头形成绕所述连接头轴向旋转的转动副。

进一步的，所述RRRRR支链包括主动臂、中间连接臂、从动臂和连接头，所述主动臂的一端铰接在所述静平台的边缘，另一端与所述中间连接臂的一端铰接，所述中间连接臂的另一端与所述从动臂的一端连接，并且所述中间连接臂与所述从动臂形成绕所述从动臂轴向旋转的转动副，所述从动臂的另一端与所述连接头的一端铰接，所述连接头的另一端与所述动平台的边缘连接，并且所述动平台与所述连接头形成绕所述连接头轴向旋转的转动副。

进一步的，所述第一主动支链、第二主动支链和第三主动支链均通过两个互相啮合的锥齿轮连接所述辅助电机。

进一步的，所述桨叶数量为4个。

另一方面，提供一种水下航行器，包括上述任一的可调节螺距的矢量推进装置，所述可调节螺距的矢量推进装置安装在所述水下航行器的前端和/或后端。

本发明具有以下有益效果：

本发明能够提供多维度的推力。本发明通过三组主动支链和从动支链，实现动平台相对于推进主轴的转动和移动，进一步实现旋转盘相对于推进主轴的转动和移动，最终通过牵拉调距机构实现对桨叶螺距角的调节，进而为水下航行器提供多维度的推力，可以实现水下航行器的偏转和俯仰等空间姿态调整动作。

本发明结构简单。本发明为三自由度(沿推进主轴轴向平移、绕推进主轴径向转动和切向转动)四支链(3个主动支链，1个从动支链)的矢量推进装置，相比传统的矢量推进装置，结构简单，并且省略了鳍舵等复杂的辅助结构。

本发明调节方便。本发明通过辅助电机控制主动支链，能够精确控制旋转平面内桨叶的螺距变化，同时响应速度快，能够迅速改变推力方向，完成复杂的设计动作。

综上所述，本发明能够提供多维度的推力，并且结构简单、调节方便。

附图说明

图1为本发明的可调节螺距的矢量推进装置的一个实施例的结构示意图；

图2为图1中去掉2个桨叶后的局部放大图；

图3为本发明的可调节螺距的矢量推进装置的一个实施例的原理示意图；

图4为本发明的水下航行器的一个实施例的原理示意图。

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。

本发明涉及到多种运动副，这里给出解释：

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；

球面副：spherical pair，简称S。

一方面，本发明实施例提供一种可调节螺距的矢量推进装置，如图1和图2所示，包括静平台1、动平台2、旋转盘3、桨毂4、桨叶5、从动支链6、3个主动支链和牵拉调距机构7，其中：

从动支链6包括推进主轴61，推进主轴61穿过静平台1、动平台2和旋转盘3的中心，推进主轴61的一端用于由主推电机驱动，另一端连接桨毂4；

3个主动支链的一端连接静平台1的边缘，并用于由辅助电机驱动，另一端连接动平台2的边缘；从动支链6和某一主动支链将动平台2的自由度约束为沿推进主轴61轴向平移、绕推进主轴61径向转动和切向转动；

关于推进主轴的轴向、径向和切向，这里进行一下说明，推进主轴的轴向就是图1中z轴方向，径向和切向可以在垂直于z轴方向的平面内(图1中为动平台所在平面)自行选择。图1中，选择x轴(x轴为动平台中心到一个主动支链的连线方向)为径向，垂直于x轴的y轴为切向(这里只是一个选择实施例，也可以选择其他方向作为径向和切向)，动平台可以绕推进主轴径向(x轴)转动和切向(y轴)转动，将绕着径向(x轴)转动和切向(y轴)转动的运动进行矢量合成，则动平台可以绕动平台所在平面内的任一直线转动。

旋转盘3的中心与动平台2的中心连接，并且旋转盘3与动平台2形成绕推进主轴轴61向旋转的转动副；

牵拉调距机构7包括桨中轴71、桨偏轴72、牵拉调距杆73、联动挺杆74和联动套筒75；桨叶5通过桨中轴71连接在桨毂4上，并且桨叶5与桨毂4形成绕桨中轴71轴向旋转的转动副；桨偏轴72设置在桨叶5上，并与桨中轴71平行；牵拉调距杆73的一端通过第二小球铰78连接桨偏轴72，并且牵拉调距杆73与第二小球铰78形成球面副，第二小球铰78与桨偏轴72形成圆柱副，牵拉调距杆73的另一端铰接在旋转盘3上；联动套筒75的一端通过第一小球铰76连接在桨中轴71上，并且联动套筒75与第一小球铰76形成球面副，第一小球铰76与桨中轴71形成圆柱副，联动挺杆74的一端固定在旋转盘3上，另一端插在联动套筒75内部，形成圆柱副。

本发明实施例应用了可调距螺旋桨的动力学原理。常规螺旋桨的桨叶的螺距角为固定角，单片桨叶在旋转平面上各个位置产生的推力方向与中心传动轴轴向的夹角固定。高速旋转的多枚叶片，其推力在轴向方向的分力相互叠加，在其他方向的分力相互抵消，最终合力方向为中心传动轴的轴向。而对于可调节螺距的螺旋桨桨叶，单片桨叶在旋转平面不同位置时的螺距角可人为控制；其结果为在旋转平面不同位置时，桨叶的推力方向也可人为控制；其最终结果为，高速旋转下的多枚桨叶，其推力合力方向也可人为控制。本发明实施例的可调节螺距的矢量推进装置提供方向、大小都可控的推进力，可实现水下航行器的俯仰和偏转。

本发明实施例中，从动支链的推进主轴一端连接主推电机，另一端连接桨毂，带动桨毂旋转，桨叶连接在桨毂上，随桨毂旋转，从而产生推力。并且本发明实施例通过3组主动支链调节动平台，使得动平台运动，从而带动旋转盘运动，这样牵拉调距机构就会调节桨叶的螺距。

下面对本发明实施例的各个部件的运动自由度进行阐述：

桨毂与推进主轴固联或为一体，因为推进主轴在主推电机的驱动下只能绕着推进主轴轴向转动，所以桨毂也只能绕着推进主轴轴向转动；

旋转盘(通过球铰等机构)套叠在推进主轴上，使得旋转盘的自由度被限制为沿推进主轴轴向平移，绕推进主轴轴向转动、径向转动和切向转动；

一个主动支链的两端被限制在一个平面内，从而动平台绕推进主轴轴向的转动被限制，动平台与旋转盘通过转动副连接，动平台的自由度被限制为为沿推进主轴轴向平移、绕推进主轴径向转动和切向转动，并且保证了旋转盘的自由度不被影响。

由上可知，当3组主动支链的辅助电机施加驱动力时，会使得动平台发生沿推进主轴轴向平移、绕推进主轴径向转动和切向转动，进一步使得旋转盘发生沿推进主轴轴向平移、绕推进主轴径向转动和切向转动，当旋转盘在主动支链的带动下发生沿推进主轴轴向平移、绕推进主轴径向转动和切向转动时，通过牵拉调距杆拉动桨偏轴，使得桨叶绕着桨中轴旋转，达到改变螺距的目的。

具体的，如图2所示，图2为本发明实施例的牵拉调距结构示意图(图中去掉了两枚桨叶，以方便显示)。如图，可调距的桨叶5通过桨中轴71连接在桨毂4上，与桨毂4之间形成R副，桨叶5可以绕桨中轴71转动；桨毂4与推进主轴61固联或为一体，在主推电机的带动下转动，特别的，桨叶5将可绕桨中轴71摆动。联动挺杆74固定于旋转盘3上，与旋转盘3为一个刚体；联动套筒75的一端通过第一小球铰76与桨中轴71连接，另一端套在联动挺杆74上，构成C副；联动挺杆74、联动套筒75、第一小球铰76共同保证了旋转盘3与桨叶5的同步转动。在旋转盘3与桨叶5同步转动的同时，牵拉调距杆73的一端通过铰座77铰接在旋转盘3上，另一端通过第二小球铰78与桨偏轴72连接，联动同步机构(联动挺杆和联动套筒)、牵拉调距杆与图中短柄79构成三角形；当旋转盘3与桨中轴71所在平面之间夹角发生变化时，联动挺杆74的杆长也将发生变化，根据上述三角形的原理，短柄79将以桨中轴71为轴摆动，同样的，桨叶5螺距角也必将改变。

本发明实施例能够提供多维度的推力。本发明实施例通过三组主动支链和从动支链，实现动平台相对于推进主轴的转动和移动，进一步实现旋转盘相对于推进主轴的转动和移动，最终通过牵拉调距机构实现对桨叶螺距角的调节，进而为水下航行器提供多维度的推力，可以实现水下航行器的偏转和俯仰等空间姿态调整动作。

本发明实施例结构简单。本发明实施例为三自由度(沿推进主轴轴向平移、绕推进主轴径向转动和切向转动)四支链(3个主动支链，1个从动支链)的矢量推进装置，相比传统的矢量推进装置，结构简单，并且省略了鳍舵等复杂的辅助结构。

本发明实施例调节方便。本发明通过辅助电机控制主动支链，能够精确控制旋转平面内桨叶的螺距变化，同时响应速度快，能够迅速改变推力方向，完成复杂的设计动作。

综上所述，本发明实施例能够提供多维度的推力，并且结构简单、调节方便。

本发明实施例中，3组主动支链和从动支链的结构有多种，这里给出一个实施例：

从动支链6还包括中心球铰62，中心球铰62穿在推进主轴61上，并且中心球铰62与推进主轴61形成沿推进主轴61轴向平移和绕推进主轴61轴向转动的圆柱副；中心球铰62与旋转盘3连接，并且中心球铰62与旋转盘3形成绕推进主轴61轴向、径向和切向旋转的球面副。

图3为本发明实施例的原理简图。如图所示，A1A2A3A4所在平面为静平台，E1E2E3E4所在平面为动平台。A4、C4、D4、E4构成了一组从动支链，其构型为RCSR，通过R副A4与静平台相连，通过R副E4与动平台铰接。

从动支链的实体结构包括推进主轴和中心球铰，A4是推进主轴与静平台之间形成的R副，C4、D4、E4实际为推进主轴、中心球铰、旋转盘、动平台分别通过C副、S副、R副的内外套叠(为表示方便，简图中表示为上下)。推进主轴在主推电机的带动下旋转，静平台通过轴承与之连接形成R副，从而不受推进主轴旋转影响。中心球铰通过C副套在推进主轴上，从而实现轴向移动，且不受推进主轴旋转的影响。

旋转盘通过S副与球铰套叠，从而可以实现轴向的一维移动，轴向、径向、切向三维的旋转，且不受推进主轴旋转的影响。

动平台与旋转盘通过轴承连接形成R副，从而可以实现轴向的一维移动，轴向、径向、切向三维的旋转，且不受推进主轴旋转的影响，其中轴向的旋转可不受旋转盘的影响。

从动支链把动平台约束为一维移动与三维转动。

3个主动支链为第一主动支链81、第二主动支链82和第三主动支链83，第一主动支链81、第二主动支链82和第三主动支链83的夹角为120°，第一主动支链81和第二主动支链82为RURRR支链或RUS支链，第三主动支链83为RRRRR支链或RRS支链。

三组主动支链在动平台和静平台的边缘相隔120°中心对称分布，以保持受力平衡，增加刚度。

进一步的，以第二主动支链82为例，RURRR支链包括主动臂821、万向节826、从动臂822和连接头823，主动臂821的一端铰接在静平台1的边缘，另一端与万向节826的一端连接，万向节826的另一端与从动臂822的一端连接，并且万向节826与从动臂822形成绕从动臂822轴向旋转的转动副，从动臂822的另一端与连接头823的一端铰接，连接头823的另一端与动平台2的边缘连接，并且动平台2与连接头823形成绕连接头823轴向旋转的转动副。这里的万向节并不单单指活动的关节部分，还包括与从动臂连接的连接部(图1中连接部是指关节上方与从动臂形成转动副的部分)。

更进一步的，RRRRR支链包括主动臂、中间连接臂、从动臂和连接头，主动臂的一端铰接在静平台的边缘，另一端与中间连接臂的一端铰接，中间连接臂的另一端与从动臂的一端连接，并且述中间连接臂与从动臂形成绕从动臂轴向旋转的转动副，从动臂的另一端与连接头的一端铰接，连接头的另一端与动平台的边缘连接，并且动平台与连接头形成绕连接头轴向旋转的转动副。RRRRR支链与RURRR支链相比，只是把万向节换成了中间连接臂，并且主动臂和中间连接臂铰接，其他部分与RURRR支链相同，不再单独给出结构图。

并且，RURRR支链的后3个R副提供3个方向的转动，其作用相当于一个S副，因此RURRR支链也可以用RUS支链代替。同理，RRRRR支链也可以用RRS支链代替。

优选的，第一主动支链、第二主动支链和第三主动支链均通过两个互相啮合的锥齿轮(以第二主动支链为例，大锥齿轮为824，小锥齿轮为825)连接辅助电机。

如图3所示，A1、B1、C1、D1、E1构成了第一主动支链，A2、B2、C2、D2、E2构成了第二主动支链，A3、B3、C3、D3、E3构成了第三主动支链。三组主动支链的构型依次为RURRR、RURRR、RRRRR，分别通过R副A1A2A3与静平台铰接，通过R副E1E2E3与动平台铰接。

三组主动支链的实际结构为通过R副或者U副连接的主动臂、从动臂。其中，第三主动支链的构型为RRRRR，该支链的主动臂与从动臂通过R副铰接，保证了A3、B3、C3、D3、E3始终在一个平面内，从而实现了对动平台轴向转动的约束，进一步的与从动支链一起把动平台约束为一维移动与径向、切向的二维转动。

第一主动支链、第二主动支链、第三主动支链在辅助电机带动下，经传动机构的传动可以实现对上述动平台三个自由度的控制。

本发明实施例中，主动支链和从动支链结构简单，操作方便。

上述的各个实施例中，桨叶5的数量可以根据实际情况进行设定，优选的，桨叶数量为4个。

另一方面，本发明还提供一种水下航行器，包括上述任一的可调节螺距的矢量推进装置，可调节螺距的矢量推进装置安装在水下航行器的前端和/或后端。其中一个优选的实施例如图4所示，这是一个无人航行器，101为航行器主体，102为可调节螺距的矢量推进装置，103为支架，104为把手。

本发明实施例的水下航行器能够在可调节螺距的矢量推进装置提供多维度的推力下旋转和移动，并且结构简单、调节方便。进一步的，当前端和后端均安装有可调节螺距的矢量推进装置时，还可以实现三维平动。

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 (8)

1.一种可调节螺距的矢量推进装置，其特征在于，包括静平台、动平台、旋转盘、桨毂、桨叶、从动支链、3个主动支链和牵拉调距机构，其中：

所述从动支链包括推进主轴，所述推进主轴穿过所述静平台、动平台和旋转盘的中心，所述推进主轴的一端用于由主推电机驱动，另一端连接所述桨毂；

所述3个主动支链的一端连接所述静平台的边缘，并用于由辅助电机驱动，另一端连接所述动平台的边缘；所述从动支链和某一主动支链将所述动平台的自由度约束为沿所述推进主轴轴向平移、绕所述推进主轴径向转动和切向转动；

所述旋转盘的中心与所述动平台的中心连接，并且所述旋转盘与所述动平台形成绕所述推进主轴轴向旋转的转动副；

所述牵拉调距机构包括桨中轴、桨偏轴、牵拉调距杆、联动挺杆和联动套筒；所述桨叶通过桨中轴连接在桨毂上，并且所述桨叶与所述桨毂形成绕所述桨中轴轴向旋转的转动副；所述桨偏轴设置在所述桨叶上，并与所述桨中轴平行；所述牵拉调距杆的一端通过第二小球铰连接所述桨偏轴，并且所述牵拉调距杆与所述第二小球铰形成球面副，所述第二小球铰与所述桨偏轴形成圆柱副，所述牵拉调距杆的另一端铰接在所述旋转盘上；所述联动套筒的一端通过第一小球铰连接在所述桨中轴上，并且所述联动套筒与所述第一小球铰形成球面副，所述第一小球铰与所述桨中轴形成圆柱副，所述联动挺杆的一端固定在所述旋转盘上，另一端插在所述联动套筒内部，形成圆柱副。

2.根据权利要求1所述的可调节螺距的矢量推进装置，其特征在于，所述从动支链还包括中心球铰，所述中心球铰套在所述推进主轴上，并且所述中心球铰与所述推进主轴形成沿所述推进主轴轴向平移和绕所述推进主轴轴向转动的圆柱副；所述中心球铰与所述旋转盘连接，并且所述中心球铰与所述旋转盘形成绕所述推进主轴轴向、径向和切向旋转的球面副。

3.根据权利要求2所述的可调节螺距的矢量推进装置，其特征在于，所述3个主动支链为第一主动支链、第二主动支链和第三主动支链，所述第一主动支链、第二主动支链和第三主动支链的夹角为120°，所述第一主动支链和第二主动支链为RURRR支链或RUS支链，所述第三主动支链为RRRRR支链或RRS支链，其中：

所述RURRR支链为依次相接的转动副、万向节副、转动副、转动副和转动副组成的支链；

所述RUS支链为依次相接的转动副、万向节副和球面副组成的支链；

所述RRRRR支链为依次相接的转动副、转动副、转动副、转动副和转动副组成的支链；

所述RRS支链为依次相接的转动副、转动副和球面副组成的支链。

4.根据权利要求3所述的可调节螺距的矢量推进装置，其特征在于，所述RURRR支链包括主动臂、万向节、从动臂和连接头，所述主动臂的一端铰接在所述静平台的边缘，另一端与所述万向节的一端连接，所述万向节的另一端与所述从动臂的一端连接，并且所述万向节与所述从动臂形成绕所述从动臂轴向旋转的转动副，所述从动臂的另一端与所述连接头的一端铰接，所述连接头的另一端与所述动平台的边缘连接，并且所述动平台与所述连接头形成绕所述连接头轴向旋转的转动副。

5.根据权利要求3所述的可调节螺距的矢量推进装置，其特征在于，所述RRRRR支链包括主动臂、中间连接臂、从动臂和连接头，所述主动臂的一端铰接在所述静平台的边缘，另一端与所述中间连接臂的一端铰接，所述中间连接臂的另一端与所述从动臂的一端连接，并且所述中间连接臂与所述从动臂形成绕所述从动臂轴向旋转的转动副，所述从动臂的另一端与所述连接头的一端铰接，所述连接头的另一端与所述动平台的边缘连接，并且所述动平台与所述连接头形成绕所述连接头轴向旋转的转动副。

6.根据权利要求3所述的可调节螺距的矢量推进装置，其特征在于，所述第一主动支链、第二主动支链和第三主动支链均通过两个互相啮合的锥齿轮连接所述辅助电机。

7.根据权利要求1-6任一所述的可调节螺距的矢量推进装置，其特征在于，所述桨叶数量为4个。

8.一种水下航行器，其特征在于，包括权利要求1-7中任一所述的可调节螺距的矢量推进装置，所述可调节螺距的矢量推进装置安装在所述水下航行器的前端和/或后端。