CN105460189A - 一种水下扑翼驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了水下扑翼驱动装置，它包括第一、第二驱动电机组件，第二驱动电机组件的输出轴与主动齿轮相连，在主动齿轮的两侧对称的啮合配合有两个从动齿轮，在两个从动齿轮上分别连接有一个扑翼结构，扑翼结构包括第三杆件，第三杆件的一端通过支撑轴与从动齿轮转动连接，第三杆件的另一端与第二杆件的一端转动相连，第二杆件的中间部位与固定架转动连接，第二杆件的另一端和机翼固定架转动连接，第一驱动电机组件的输出轴与丝杠相连，丝杠与螺母螺纹连接，螺母与导轨滑动连接，螺母与虎克铰的近架轴转动相连，虎克铰的远架轴与第一杆件的一端转动相连，第一杆件的另一端与机翼固定架转动相连，机翼固定架与机翼固连。本结构有完全解耦的特性。
Description
技术领域
本发明涉及海洋勘探领域，更具体地说，是涉及一种水下航行器的仿生推进装置，为航行器在水下的运行提供所需的动力和操纵力。
背景技术
近年来，在海洋资源开发，海洋国防，海事搜救，海洋环境探测等方面需求的拉动下，水下航行器技术得到了快速发展。目前，大部分水下航行器采用螺旋桨推进方式，然而随着海洋开发利用的不断深入，海洋调查和海洋工程任务日趋复杂，传统推进方式难以满足多样化的需求。鱼类和企鹅等哺乳动物的扑翼游动方式经过上亿年的演变和进化，具有高效、灵活、低噪、启动速度快等特点，获得越来越多的关注。仿生扑翼推进技术的研究是进一步提高水下航行器性能的有效途径。目前，对于扑翼驱动机构的设计有两种类型：并联机构和串联机构。并联机构具有刚性好，运动精度高，系统惯性小的优点，但是一般对于多自由度的运动会存在耦合情况，这会给机构的分析和控制系统的开发增加难度。串联机构机构分析简单，容易实现复杂的多自由度扑翼运动，但是由于驱动电机的不固定，加大了系统的惯性，同时也加剧了扑翼推进型航行器的整体重心位置的周期性变化，从而影响航行器的航行性能。
目前实现扑翼运动的驱动装置大部分是基于串联机构而设计的，如Font等人基于球式铰链的串联机构设计了三自由仿海龟扑翼装置，朱崎峰等基于凸轮机构和曲柄滑块机构设计了二自由度海龟扑翼推进机构，实现了海龟扑翼的运动；而目前基于并联机构设计的驱动装置所采用的机构均存在耦合情况，因此该机构的分析和控制器的开发的难度比较大，不适于实现更加复杂和多样化的扑翼运动规律。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种机构分析简单、控制系统开发难度低以及刚性好、精度高、系统惯性小的水下扑翼驱动装置。
本发明所采用的技术方案是：
本发明的一种水下扑翼驱动装置，它包括分别安装在固定架上的第一驱动电机组件和第二驱动电机组件，所述的第二驱动电机组件的输出轴与主动齿轮相连，在所述的主动齿轮的两侧对称的啮合配合有两个从动齿轮，所述的两个从动齿轮分别通过转轴转动连接在固定架上组成第六转动副，在所述的两个从动齿轮上分别连接有一个扑翼结构，两个所述的扑翼结构相同并且对称设置，所述的扑翼结构包括第三杆件，所述的第三杆件的一端通过与从动齿轮轴线偏置设置的支撑轴与从动齿轮转动连接组成第五转动副，所述第三杆件的另一端与第二杆件的一端转动相连组成第四转动副，所述的第二杆件的中间部位与固定架转动连接组成第三转动副，所述的第二杆件的另一端和机翼固定架转动连接组成第二转动副，所述的第一驱动电机组件的输出轴与丝杠相连，所述的丝杠与螺母螺纹连接，所述的螺母与导轨滑动连接，所述的导轨固定在所述的固定架上，所述的螺母与虎克铰的近架轴转动相连，所述虎克铰的远架轴与第一杆件的一端转动相连，所述第一杆件的另一端与机翼固定架转动相连，所述的机翼固定架与机翼固连，所述第一转动副和第二转动副的轴线与虎克铰的远架轴线相互平行，所述第三转动副的轴线与虎克铰的近架轴线重合，所述第四转动副、第五转动副和第六转动副的轴线与虎克铰的近架轴线相互平行。
本发明的有益效果：
1.本发明专利采用并联机构，提高了系统刚度和运动精度，降低了系统的运动惯量。
2.本发明专利基于一种完全解耦的球面并联机构设计扑翼驱动装置，该二自由度并联机构具有完全解耦的特性，扑翼的两个转动自由度运动分别由不同的单个电机单独控制，使系统的控制器的开发难度降低，更容易实现复杂的扑翼运动规律。
3.本发明专利的驱动电机组件固定于航行器的主体上，大大降低了系统的运动惯性，同时，也减弱了航行器重心的周期性变化，提高航行器的运动性能。
4.本发明专利通过齿轮传动机构使一个驱动电机同时驱动两侧机翼的上下拍动，减少了动密封的数量，提高了自身的可靠性。
5.本发明专利采用曲柄摇杆机构驱动扑翼的上下拍动，避免了驱动电机的频繁启停，更适合扑翼的高频率的运动。
附图说明
图1是本发明的一种水下扑翼驱动装置的立体图；
图2是图1所示的扑翼驱动装置的一侧结构示意图；
图3是扑翼驱动装置的结构简图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明加以说明。
如附图所示的本发明的一种水下扑翼驱动装置为基于一种完全解耦的并联机构而设计的二自由度扑翼驱动装置，其结构组成如图1、2所示。第一驱动电机组件2和第二驱动电机组件12分别安装在固定架1(即为航行器主体)上，所述的第二驱动电机组件12的输出轴与主动齿轮相连，在所述的主动齿轮的两侧对称的啮合配合有两个从动齿轮，所述的两个从动齿轮分别通过转轴转动连接在固定架1上组成第六转动副R6，在所述的两个从动齿轮上分别连接有一个扑翼结构，两个所述的扑翼结构相同并且对称设置，所述的扑翼结构包括第三杆件11，所述的第三杆件11的一端通过与从动齿轮轴线偏置设置的支撑轴与从动齿轮转动连接组成第五转动副，所述第三杆件11的另一端与第二杆件10的一端转动相连组成第四转动副R4，所述的第二杆件10的中间部位与固定架1转动连接组成第三转动副，所述的第二杆件10的另一端和机翼固定架9转动连接组成第二转动副。所述的第一驱动电机组件2的输出轴与丝杠3相连，所述的丝杠3与螺母4螺纹连接，所述的螺母4与导轨5滑动连接，所述的导轨5固定在所述的固定架1上，所述的螺母9与虎克铰6的近架轴转动相连，所述虎克铰6的远架轴与第一杆件7的一端转动相连，所述第一杆件7的另一端与机翼固定架9转动相连，所述的机翼固定架9与机翼8固连。
整个结构的连接关系可通过图3所示的扑翼驱动装置结构简图说明，第一转动副R1为第一杆件7和机翼固定架9组成的转动副，第二转动副R2为第二杆件10与机翼固定架9组成的转动副，第三转动副R3为第二杆件10和固定架1组成的转动副，第四转动副R4为第二杆件10和第三杆件11组成的转动副，第五转动副R5为第三杆件11和从动齿轮组成的转动副，第六转动副R6为从动齿轮与固定架1组成的转动副。所述第一转动副R1和第二转动副R2的轴线与虎克铰的远架轴线相互平行，所述第三转动副R3的轴线与虎克铰的近架轴线重合，所述第四转动副R4、第五转动副R5和第六转动副R6的轴线与虎克铰的近架轴线相互平行，所述动平台对应图1所示的机翼固定架9。
两个驱动电机驱动机构的动平台进行二自由度运动，扑翼的翼板安装在动平台上，从而实现了扑翼的运动。为减少动密封个数并降低装置重量，采用如图2所示的方式驱动左右侧扑翼。
第三转动副R3的轴线与虎克铰近架轴线的重合使该机构实现了完全解耦，扑翼的俯仰运动和上下拍动运动分别由第一驱动电机组件2和第二驱动电机组件12单独驱动。同一侧的螺母4、第一杆件7和机翼固定架9组成了曲柄滑块机构，第一驱动电机组件2通过丝杠螺母机构驱动螺母4沿导轨5直线运动，所述螺母4驱动所述曲柄滑块机构，从而驱动机翼固定架9绕第二转动副R2轴线的转动即扑翼的俯仰运动。同一侧的从动齿轮、第二杆件10和第三杆件11组成曲柄摇杆机构，第二驱动电机组件12通过齿轮机构驱动所述曲柄摇杆机构运动，从而驱动机翼固定架9绕第三转动副R3轴线的转动即扑翼的上下拍动运动。
Claims (1)
1.一种水下扑翼驱动装置，其特征在于：它包括分别安装在固定架上的第一驱动电机组件和第二驱动电机组件，所述的第二驱动电机组件的输出轴与主动齿轮相连，在所述的主动齿轮的两侧对称的啮合配合有两个从动齿轮，所述的两个从动齿轮分别通过转轴转动连接在固定架上组成第六转动副，在所述的两个从动齿轮上分别连接有一个扑翼结构，两个所述的扑翼结构相同并且对称设置，所述的扑翼结构包括第三杆件，所述的第三杆件的一端通过与从动齿轮轴线偏置设置的支撑轴与从动齿轮转动连接组成第五转动副，所述第三杆件的另一端与第二杆件的一端转动相连组成第四转动副，所述的第二杆件的中间部位与固定架转动连接组成第三转动副，所述的第二杆件的另一端和机翼固定架转动连接组成第二转动副，所述的第一驱动电机组件的输出轴与丝杠相连，所述的丝杠与螺母螺纹连接，所述的螺母与导轨滑动连接，所述的导轨固定在所述的固定架上，所述的螺母与虎克铰的近架轴转动相连，所述虎克铰的远架轴与第一杆件的一端转动相连，所述第一杆件的另一端与机翼固定架转动相连，所述的机翼固定架与机翼固连，所述第一转动副和第二转动副的轴线与虎克铰的远架轴线相互平行，所述第三转动副的轴线与虎克铰的近架轴线重合，所述第四转动副、第五转动副和第六转动副的轴线与虎克铰的近架轴线相互平行。
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