CN105564617B - 并联型矢量推进机构及具有该机构的水下机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种并联型矢量推进机构及具有该机构的水下机器人，属于水下航行器领域。所述并联型矢量推进机构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RUHR运动支链，一组为RUHU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
技术领域
本发明涉及水下航行器领域，特别是指一种并联型矢量推进机构及具有该机构的水下机器人。
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。因此，当前急需对串联型水下机器人矢量推进机构进行并联结构设计及创新的研究，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并联型矢量推进机构及具有该机构的水下机器人。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一方面，提供一种并联型矢量推进机构，包括静平台和动平台，其中：
所述静平台为圆盘形，所述动平台为中空圆柱形；
所述静平台和动平台之间依次设置有第一转动副、第一万向节、第一螺旋副和第二转动副，从而形成RUHR运动支链，其中所述第一转动副由设置在所述静平台上的第一伺服电机驱动；
所述静平台和动平台之间还依次设置有第三转动副、第二万向节、第二螺旋副和第三万向节，从而形成RUHU运动支链，其中所述第三转动副由设置在所述静平台上的第二伺服电机驱动；
所述动平台的中部以圆柱副的形式设置有螺旋桨传动轴，所述螺旋桨传动轴的尾端设置有螺旋桨，所述静平台的中部和所述螺旋桨传动轴的首端之间依次设置有第四转动副和第四万向节，从而在所述静平台和动平台之间形成RUC中间运动传递支链，其中所述第四转动副由设置在所述静平台上的主推电机驱动。
进一步的，所述RUHR运动支链和RUHU运动支链在所述静平台上间隔90°布置。
进一步的，所述动平台的外径小于所述静平台的直径。
进一步的，所述第一螺旋副和第二螺旋副均包括相配合的螺纹杆和螺纹套筒。
进一步的，各万向节均为十字轴式刚性万向节。
另一方面，提供一种水下机器人，包括上述的并联型矢量推进机构。
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为本发明的并联型矢量推进机构的结构示意图一；
图2为本发明的并联型矢量推进机构的结构示意图二。
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；
螺旋副：helical pair，简称H；
本发明中涉及的运动副的组合方式包括：RUHR、RUHU、RUC。
一方面，本发明提供一种并联型矢量推进机构，如图1-2所示，包括静平台10和动平台2，其中：
静平台10为圆盘形，动平台2为中空圆柱形；
静平台10和动平台2之间依次设置有第一转动副5、第一万向节6、第一螺旋副4和第二转动副3，从而形成RUHR运动支链，该RUHR运动支链可以牵动动平台2运动，其中第一转动副4由设置在静平台10上的第一伺服电机7驱动(具体的，第一转动副5可以通过第一伺服电机7的输出轴与第一万向节6的一端固连来实现，第一伺服电机7可以设置在静平台10背向动平台2的一侧上)；
静平台10和动平台2之间还依次设置有第三转动副12、第二万向节11、第二螺旋副14和第三万向节15，从而形成RUHU运动支链，该RUHU运动支链可以牵动动平台2运动，其中第三转动副12由设置在静平台10上的第二伺服电机9驱动(具体的，第三转动副12可以通过第二伺服电机9的输出轴与第二万向节11的一端固连来实现，第二伺服电机9也可以设置在静平台10背向动平台2的一侧上)；
动平台2的中部以圆柱副的形式设置有螺旋桨传动轴16，螺旋桨传动轴16的尾端设置有螺旋桨1，静平台10的中部和螺旋桨传动轴16的首端之间依次设置有第四转动副(未示出)和第四万向节13，从而在静平台10和动平台2之间形成RUC中间运动传递支链，其中第四转动副由设置在静平台10上的主推电机8驱动(具体的，第四转动副可以通过主推电机8的输出轴与第四万向节13的一端固连来实现，主推电机8也可以设置在静平台10背向动平台2的一侧上)。该RUC中间运动传递支链的主要功能是将螺旋桨主推电机8的输出扭矩传递到螺旋桨1，从而带动螺旋桨转动。
本发明在静平台10和动平台2之间形成三组运动支链，分别为RUHR运动支链、RUHU运动支链和RUC中间运动传递支链。上述静平台、动平台、RUHR运动支链和RUHU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。
上述RUC中间运动传递支链中，主推电机8通过第四万向节13将主推电机8的输出转矩传递到螺旋桨传动轴16上，螺旋桨传动轴16通过圆柱副与动平台2连接，这样保证了螺旋桨的工作空间在一个球面上。在两个伺服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，为了便于计算和控制角度，RUHR运动支链和RUHU运动支链在静平台10上优选间隔90°布置，即第一万向节6和第二万向节11优选在静平台上间隔90°安装。而且，动平台2的外径优选小于静平台10的直径，具体尺寸本领域技术人员可以根据实际情况需要灵活设置。
本发明中，第一螺旋副4和第二螺旋副14可以均包括相配合的螺纹杆和螺纹套筒，具体的，第一螺旋副4包括第一螺纹杆402和第一螺纹套筒401，第二螺旋副14包括第二螺纹杆142和第二螺纹套筒141。同时，各万向节13优选均为十字轴式刚性万向节。
另一方面，本发明还提供一种水下机器人，包括上述的并联型矢量推进机构。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 (3)
1.一种并联型矢量推进机构，其特征在于，包括静平台和动平台，其中：
所述静平台为圆盘形，所述动平台为中空圆柱形；
所述静平台和动平台之间依次设置有第一转动副、第一万向节、第一螺旋副和第二转动副，从而形成RUHR运动支链，其中所述第一转动副由设置在所述静平台上的第一伺服电机驱动，第一转动副通过第一伺服电机的输出轴与第一万向节的一端固连来实现，第一伺服电机设置在静平台背向动平台的一侧上；
所述静平台和动平台之间还依次设置有第三转动副、第二万向节、第二螺旋副和第三万向节，从而形成RUHU运动支链，其中所述第三转动副由设置在所述静平台上的第二伺服电机驱动，第三转动副通过第二伺服电机的输出轴与第二万向节的一端固连来实现，第二伺服电机设置在静平台背向动平台的一侧上；
所述动平台的中部以圆柱副的形式设置有螺旋桨传动轴，所述螺旋桨传动轴的尾端设置有螺旋桨，所述静平台的中部和所述螺旋桨传动轴的首端之间依次设置有第四转动副和第四万向节，从而在所述静平台和动平台之间形成RUC中间运动传递支链，其中所述第四转动副由设置在所述静平台上的主推电机驱动，第四转动副通过主推电机的输出轴与第四万向节的一端固连来实现，主推电机设置在静平台背向动平台的一侧上；
所述RUHR运动支链和RUHU运动支链在所述静平台上间隔90°布置；
所述动平台的外径小于所述静平台的直径；
所述第一螺旋副和第二螺旋副均包括相配合的螺纹杆和螺纹套筒。
2.根据权利要求1所述的并联型矢量推进机构，其特征在于，各万向节均为十字轴式刚性万向节。
3.一种水下机器人，其特征在于，包括权利要求1-2中任一所述的并联型矢量推进机构。
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