CN106628017A - 一种水面全方位航行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水面全方位航行器。该水面全方位航行器包括动力系统、转向控制系统、外壳、主体。动力系统包括无刷电机、联轴器、动力轴、伞齿轮、传动轴、螺旋桨、螺旋桨轴等；转向控制系统包括步进电机、同步轮、同步带、铝管、轴承、轴承座、齿轮箱等；外壳由外板和上端盖构成；主体包括下平台、框架、浮体结构、电池等。均匀布置的浮体为航行器提供浮力，使得航行器能够安全平稳的工作于水面之上，并且具有较强的稳性；无刷电机通过伞齿轮、传动轴、齿轮箱和螺旋桨轴驱动螺旋桨的旋转，为航行器提供动力；步进电机通过同步轮、同步带和铝管等的组合，可实现齿轮箱的转向而不影响螺旋桨的旋转，从而实现航行器原地任意方位的转向。

Description

一种水面全方位航行器

技术领域

本发明涉及一种水面航行器，特别是涉及一种由螺旋桨推进，可以在水面进行原地全方位任意转向的隐身性航行器。

背景技术

目前，国内外对水上作业设备的需求越来越大，例如民用上的水质监测、气象观测、环境勘探、大众娱乐玩具等，军事上的海上作战、敌情侦察等。但是国内外现有的水上作业设备形式单一，都集中为无人艇的形式，具有成本高、机动性能差、受环境影响大、隐身性较低、设备搭载能力弱等弊端，并且无人艇甲板为露天状态，在下雨、冰雹、波浪等恶劣环境下无法正常工作。因此，在水质监测、气象观测、环境勘探等方面，急需一款水上成本低、机动性能强、搭载能力高、受环境天气（风、波浪、雨、冰雹等）影响小的无人作业平台；在大众娱乐上，更加需要一款成本低廉、外形科幻、水上运动能力强的玩具设备；在军事信息侦察上，一款高机动性、环境适应能力强的无人作业平台更为重要。

公开号为CN201010616349.X名称为“一种水中自航式全方位侦测器”的发明专利，运动方式有两种，一种头部在前、尾部在后、头部比尾部低的正常式运动，另一种为头部在后，尾部在前的倒拖式运动，两种运动方式由泵喷推进器提供动力，左电动舵机及左舵面、右电动舵机及右舵面进行方向控制。依靠舵面进行方向控制本身就是一种低效的转向控制方式，该发明不具备优良的机动性能。公开号为CN201610028766.X“全部偏转螺旋桨矢量推进机构及水下航行器”的发明专利利用多杆机构实现螺旋桨的偏转，但是螺旋桨的偏转角度是很有限的，只能与前进方向成正负锐角的偏转，若要实现航行器的转向需要一定的时间，并且水下密封困难，实用性差。

发明内容

针对以上技术的不足，本发明提供一种能够在水面进行原地任意方位转向、高稳性、隐身性、结构可靠工艺简单、具有较大的搭载能力的水面航行器。利用伞齿轮的组合加上步进电机的驱动，设计了一种水下动密封性能优良的全回转推进器，使得航行器能够在原地进行全方位任意转向，具有较强的机动性。多面体密封外壳，使得航行器不受外界环境的影响，并且提高了隐身性。航行器既可以设计成用于军事化的水上侦察器，有可以设计成民用的水质监测平台，还可以设计成微小型水上娱乐玩具。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：水面全方位航行器，包括外板、上端盖、浮体、支撑板A、支撑板B、支撑板C、支撑板D、浮体连接板、浮体固定板A、浮体固定板B、螺旋桨、螺旋桨轴、桨轴套、桨轴套固定螺丝、桨叉、桨叉固定螺丝、伞齿轮D固定螺丝、伞齿轮D、伞齿轮C、伞齿轮C固定螺丝、无刷电机固定板、无刷电机支撑板、无刷电机、无刷电机固定螺丝、联轴器、动力轴、机米螺丝WSA、机米螺丝WSB、伞齿轮A、伞齿轮A固定螺丝、伞齿轮B、伞齿轮B固定螺丝、传动轴、传动轴支撑板、传动轴套、传动轴套固定螺丝、连接件、螺栓A、步进电机、步进电机支撑板、同步轮A、同步轮A固定螺丝、螺栓B、同步带、同步轮B、同步轮B固定螺丝、铝管、铝管支撑架、轴承A、轴承座A、轴承B、轴承座B、轴承C、轴承座C、轴承D、轴承座D、推进器固定板、齿轮箱、螺栓C、下平台、电池、齿轮箱体、齿轮箱盖；其特征是：四个支撑板A、支撑板B、支撑板C、支撑板D最下方的槽口与下平台的槽口插接在一起构成航行器的整体框架，两两支撑板之间安装着侧板，侧板与上端盖构成航行器的水密外壳；浮体固定板A与浮体固定板B十字交叉于一体，与浮体固定在一起，浮体固定板A左右两侧各有一个浮体连接板，通过螺栓C连接在一起，构成航行器的浮体结构；浮体结构通过浮体连接板上方的四个螺栓C将浮体结构与支撑板下端的四个小孔连接在一起；无刷电机固定螺丝将无刷电机与无刷电机支撑板固定在一起，无刷电机支撑板与无刷电机固定板插接在一起，无刷电机固定板与支撑板A插接在一起；机米螺丝WSA将联轴器的一端与无刷电机轴固定在一起，机米螺丝WSB连接着联轴器的另一端与动力轴；伞齿轮A固定螺丝将伞齿轮A与动力轴固定在一起，伞齿轮B固定螺丝将伞齿轮B与传动轴固定在一起，伞齿轮A与伞齿轮B相啮合；支撑板C、支撑板D最上方槽口各安装一个连接件，两个连接件通过螺栓A将传动轴支撑板固定，传动轴上端穿过传动轴支撑板，与传动轴套通过传动轴固定螺丝固结在一起；传动轴垂直安装，在最下端，通过伞齿轮C固定螺丝与伞齿轮C固结在一起；在螺旋桨轴的一端安装着螺旋桨，螺旋桨外侧，桨轴套固定螺丝将桨轴套固定于桨轴末端，以防止螺旋桨滑出，螺旋桨内侧，桨叉固定螺丝将桨叉固定于螺旋桨轴上，使得螺旋桨与桨轴一起旋转；在螺旋桨另一端，伞齿轮固定螺丝D将伞齿轮D固定于桨轴上，伞齿轮D与伞齿轮C相啮合；伞齿轮C和伞齿轮D安装于齿轮箱内，齿轮箱体支撑着传动轴和螺旋桨轴，齿轮箱盖与齿轮箱体组成水密结构，对伞齿轮C和伞齿轮D起到保护作用；螺栓B将步进电机与步进电机支撑板固定在一起，步进电机支撑板的两端分别与支撑板B上方的槽口和支撑板C中间的槽口固定在一起，同步轮A固定螺丝将同步轮A固定在步进电机轴上；同步轮B固定螺丝将同步轮B固定在铝管上，同步轮B底面与航行器下平台上表面贴在一起；同步带连接着同步轮A和同步轮B，对步进电机的转动进行传动；推进器固定板与航行器下平台贴在一起，中心的圆孔与航行器下平台中心圆孔相合，两端的槽口分别与相对的两个支撑板A插接在一起；轴承A安装于推进器固定板和航行器下平台的中心圆孔内，上与同步轮B相贴，下与轴承B相贴；两个铝管支撑架分别与推进器固定板安装在一起，轴承座B、轴承座C、轴承座D、轴承座E与两个铝管支撑架安装在一起，轴承B、轴承C、轴承D、轴承E分别安装于对应的轴承座内；铝管穿过轴承A、轴承B、轴承C、轴承D、轴承E，铝管上端与同步轮B连接在一起，下端与齿轮箱连接在一起。

所述浮体结构为模块化设计，由八个浮体为航行器提供浮力，通过拆卸螺栓C可对浮体进行更换，通过支撑板的四个小孔可以对浮体在航行器上的安装位置进行上下调节，进而调节螺旋桨的吃水。

所述无刷电机驱动伞齿轮A的转动，伞齿轮A驱动伞齿轮B的转动，通过传动轴，伞齿轮C与伞齿轮B同时转动，伞齿轮C驱动伞齿轮D的转动，通过螺旋桨轴的传动，实现螺旋桨的转动，通过伞齿轮A、伞齿轮B、伞齿轮C、伞齿轮D和传动轴，将安装于航行器内部的无刷电机的转动传递到水下螺旋桨的转动。

所述步进电机驱动同步轮A的转动，通过同步带的传递，同步轮A带动同步轮B的转动，同步轮B带动铝管的转动，铝管再带着齿轮箱一起转动，进而实现螺旋桨绕传动轴的转动。

所述传动轴从铝管中穿过，与铝管为松配合。

本发明通过伞齿轮的组合，将航行器内部的无刷电机的转动转化为水下螺旋桨的转动，再通过轴承、铝管和传动轴等之间的巧妙配合，利用步进电机的驱动，实现螺旋桨绕传动轴的任意转动，并且螺旋桨绕螺旋桨轴的转动与螺旋桨绕动力轴的转动互不影响，真正意义上的实现航行器在水中任意状态下的原地任意方位的转向。航行器的浮体结构采用模块化设计，可以任意更换浮体，包括但不限于外形、结构、材料和大小等特征。外形采用多面体壳体结构，既提高了隐身性又增加了科幻性。

本发明的主要特点如下。

1、独特的动力系统与转向系统的设计，实现了航行器在航行或静止状态时的原地任意方位的转向。

2、多面体外壳既增加了隐身性又增加了科幻性，使得航行器适用于军用和民用。

3、浮体结构采用模块化设计，可以任意更换浮体，包括但不限于外形、结构、材料和大小等特征。

附图说明

图1为水面全方位航行器整体结构示意图。

图2为水面全方位航行器外壳结构示意图。

图3为水面全方位航行器底部结构示意图。

图4为水面全方位航行器内部结构示意图。

图5 为水面全方位航行器框架结构示意图。

图6为水面全方位航行器动力系统结构示意图。

图7 为水面全方位航行器转向控制系统结构示意图。

图8为水面全方位航行器模块化浮体结构示意图。

图9为水面全方位航行器支撑板A结构示意图。

图10为水面全方位航行器支撑板B结构示意图。

图11为水面全方位航行器支撑板C结构示意图。

图12为水面全方位航行器支撑板D结构示意图。

其中1是外板，2是上端盖，3是浮体，4是支撑板A，5是支撑板B，6是支撑板C，7是支撑板D，8是浮体连接板，9是浮体固定板A，10是浮体固定板B，11是螺旋桨，12是螺旋桨轴，13是桨轴套，14是桨轴套固定螺丝，15是桨叉，16是桨叉固定螺丝，17是伞齿轮D固定螺丝，18是伞齿轮D，19是伞齿轮C，20是伞齿轮C固定螺丝，21是无刷电机固定板，22是无刷电机支撑板，23是无刷电机，24是无刷电机固定螺丝，25是联轴器，26是动力轴，27是机米螺丝WSA，28是机米螺丝WSB，29是伞齿轮A，30是伞齿轮A固定螺丝，31是伞齿轮B，32是伞齿轮B固定螺丝，33是传动轴，34是传动轴支撑板，35是传动轴套，36是传动轴套固定螺丝，37是连接件，38是螺栓A，39是步进电机，40是步进电机支撑板，41是同步轮A，42是同步轮A固定螺丝，43是螺栓B,44是同步带，45是同步轮B，46是同步轮B固定螺丝，47是铝管，48是铝管支撑架，49是轴承A，50是轴承B，51是轴承B座，52是轴承C，53是轴承C座，54是轴承D，55是轴承D座，56是轴承E，57是轴承E座，58是推进器固定板，59是齿轮箱，60是螺栓C，61是下平台，62是电池，63是齿轮箱体，64是齿轮箱盖。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更详细的描述。

如图1-12所示，本发明由框架、外壳、转向控制系统、动力系统、浮体结构组成。

如图1-2所示，本发明外壳为多面体结构，由八块外板1和一块上端盖2构成。

如图3所示，本发明由均布的八个浮体3提供浮力，铝管47从航行器内部伸出，末端安装着齿轮箱59，螺旋桨轴12从齿轮箱59伸出，末端安装着螺旋桨11，螺旋桨11的旋转，为航行器提供动力。

如图4-5所示，支撑板B5、支撑板C6、支撑板D7、五个支撑板A4与下平台61构成航行器的框架；支撑板B5和支撑板C6按逆时针方向安装，支撑板D7与支撑板C6相对安装，其余位置为支撑板A4；步进电机支撑板40安装于支撑板B5、支撑板C6之间，无刷电机固定板21安装于支撑板C6旁边的支撑板A4上，电池62安装于步进电机39和无刷电机23的对面，以保证整个航行器的重心处于中心处；在下平台61中心有小圆孔。

如图6所示，无刷电机固定螺丝24将无刷电机23与无刷电机支撑板22固定在一起，无刷电机支撑板22与无刷电机固定板21插接在一起，无刷电机固定板23与支撑板A4插接在一起；机米螺丝WSA27将联轴器25的一端与无刷电机23轴固定在一起，机米螺丝WSB28连接着联轴器25的另一端与动力轴26；伞齿轮A固定螺丝30将伞齿轮A29与动力轴26固定在一起，伞齿轮B固定螺丝32将伞齿轮B31与传动轴33固定在一起，伞齿轮A29与伞齿轮B31相啮合；支撑板C6、支撑板D7最上方槽口各安装一个连接件37，两个连接件37通过螺栓A38将传动轴支撑板34固定，传动轴33上端穿过传动轴支撑板34，与传动轴套35通过传动轴固定螺丝36固结在一起；传动轴33垂直安装，在最下端，通过伞齿轮C固定螺丝20与伞齿轮C19固结在一起；在螺旋桨轴12的一端安装着螺旋桨11，螺旋桨11外侧，桨轴套固定螺丝14将桨轴套15固定于桨轴12末端，以防止螺旋桨11滑出，螺旋桨11内侧，桨叉固定螺丝16将桨叉15固定于桨轴12上，使得螺旋桨11与桨轴12一起旋转；在螺旋桨轴12另一端，伞齿轮固定螺丝D17将伞齿轮D18固定于螺旋桨轴12上，伞齿轮D18与伞齿轮C19相啮合；伞齿轮C19和伞齿轮D18安装于齿轮箱59内，齿轮箱体63支撑着传动轴33和螺旋桨轴12，齿轮箱盖64与齿轮箱体63组成水密结构，对伞齿轮C19和伞齿轮D18起到保护作用。

如图7所示，螺栓B43将步进电机39与步进电机支撑板40固定在一起，步进电机支撑板40的两端分别与支撑板B5上方的槽口和支撑板C6中间的槽口固定在一起，同步轮A固定螺丝42将同步轮A41固定在步进电机39轴上；同步轮B固定螺丝46将同步轮B45固定在铝管47上，同步轮B45底面与航行器下平台61上表面贴在一起；同步带44连接着同步轮A41和同步轮B45，对步进电机39的转动进行传动；推进器固定板58与航行器下平台61贴在一起，中心的圆孔与航行器下平台61中心圆孔相合，两端的槽口分别与相对的两个支撑板A4插接在一起；轴承A49安装于推进器固定板58和航行器下平台61的中心圆孔内，上与同步轮B45相贴，下与轴承B50相贴；两个铝管支撑架48分别与推进器固定板58安装在一起，轴承座B51、轴承座C53、轴承座D55、轴承座E57与两个铝管支撑架48安装在一起，轴承B50、轴承C52、轴承D54、轴承E56分别安装于对应的轴承座内；铝管47穿过轴承A49、轴承B50、轴承C52、轴承D54、轴承E56，铝管47上端与同步轮B45连接在一起，下端与齿轮箱59连接在一起。

如图8所示，浮体固定板A9与浮体固定板B10十字交叉于一体，与浮体3固定在一起，浮体固定板A9左右两侧各有一个浮体连接板8，通过螺栓C69连接在一起，构成航行器的浮体结构；浮体结构通过浮体连接板8上方的四个螺栓C69将浮体结构与支撑板下端的四个小孔连接在一起。

如图9-12所示，分别为支撑板A4、支撑板B5、支撑板C6和支撑板D7。

Claims (5)

1.一种水面全方位航行器，包括外板、上端盖、浮体、支撑板A、支撑板B、支撑板C、支撑板D、浮体连接板、浮体固定板A、浮体固定板B、螺旋桨、螺旋桨轴、桨轴套、桨轴套固定螺丝、桨叉、桨叉固定螺丝、伞齿轮D固定螺丝、伞齿轮D、伞齿轮C、伞齿轮C固定螺丝、无刷电机固定板、无刷电机支撑板、无刷电机、无刷电机固定螺丝、联轴器、动力轴、机米螺丝WSA、机米螺丝WSB、伞齿轮A、伞齿轮A固定螺丝、伞齿轮B、伞齿轮B固定螺丝、传动轴、传动轴支撑板、传动轴套、传动轴套固定螺丝、连接件、螺栓A、步进电机、步进电机支撑板、同步轮A、同步轮A固定螺丝、螺栓B、同步带、同步轮B、同步轮B固定螺丝、铝管、铝管支撑架、轴承A、轴承座A、轴承B、轴承座B、轴承C、轴承座C、轴承D、轴承座D、推进器固定板、齿轮箱、螺栓C、下平台、电池、齿轮箱体、齿轮箱盖；其特征是：四个支撑板A、支撑板B、支撑板C、支撑板D最下方的槽口与下平台的槽口插接在一起构成航行器的框架，两两支撑板之间安装着侧板，侧板与上端盖构成航行器的水密外壳；浮体固定板A与浮体固定板B十字交叉于一体，与浮体固定在一起，浮体固定板A左右两侧各有一个浮体连接板，通过螺栓C连接在一起，构成航行器的浮体结构；浮体结构通过浮体连接板上方的四个螺栓C将浮体结构与支撑板下端的四个小孔连接在一起；无刷电机固定螺丝将无刷电机与无刷电机支撑板固定在一起，无刷电机支撑板与无刷电机固定板插接在一起，无刷电机固定板与支撑板A插接在一起；机米螺丝WSA将联轴器的一端与无刷电机轴固定在一起，机米螺丝WSB连接着联轴器的另一端与动力轴；伞齿轮A固定螺丝将伞齿轮A与动力轴固定在一起，伞齿轮B固定螺丝将伞齿轮B与传动轴固定在一起，伞齿轮A与伞齿轮B相啮合；支撑板C、支撑板D最上方槽口各安装一个连接件，两个连接件通过螺栓A将传动轴支撑板固定，传动轴上端穿过传动轴支撑板，与传动轴套通过传动轴固定螺丝固结在一起；传动轴垂直安装，在最下端，通过伞齿轮C固定螺丝与伞齿轮C固结在一起；在螺旋桨轴的一端安装着螺旋桨，螺旋桨外侧，桨轴套固定螺丝将桨轴套固定于桨轴末端，以防止螺旋桨滑出，螺旋桨内侧，桨叉固定螺丝将桨叉固定于螺旋桨轴上，使得螺旋桨与桨轴一起旋转；在螺旋桨另一端，伞齿轮固定螺丝D将伞齿轮D固定于桨轴上，伞齿轮D与伞齿轮C相啮合；伞齿轮C和伞齿轮D安装于齿轮箱内，齿轮箱体支撑着传动轴和螺旋桨轴，齿轮箱盖与齿轮箱体组成水密结构，对伞齿轮C和伞齿轮D起到保护作用；螺栓B将步进电机与步进电机支撑板固定在一起，步进电机支撑板的两端分别与支撑板B上方的槽口和支撑板C中间的槽口固定在一起，同步轮A固定螺丝将同步轮A固定在步进电机轴上；同步轮B固定螺丝将同步轮B固定在铝管上，同步轮B底面与航行器下平台上表面贴在一起；同步带连接着同步轮A和同步轮B，对步进电机的转动进行传动；推进器固定板与航行器下平台贴在一起，中心的圆孔与航行器下平台中心圆孔相合，两端的槽口分别与相对的两个支撑板A插接在一起；轴承A安装于推进器固定板和航行器下平台的中心圆孔内，上与同步轮B相贴，下与轴承B相贴；两个铝管支撑架分别与推进器固定板安装在一起，轴承座B、轴承座C、轴承座D、轴承座E与两个铝管支撑架安装在一起，轴承B、轴承C、轴承D、轴承E分别安装于对应的轴承座内；铝管穿过轴承A、轴承B、轴承C、轴承D、轴承E，铝管上端与同步轮B连接在一起，下端与齿轮箱连接在一起。

2.根据权利要求1所述的一种水面全方位航行器，其特征是：所述的浮体结构为模块化设计，由八个浮体为航行器提供浮力，通过拆卸螺栓C可对浮体进行更换，通过支撑板的四个小孔可以对浮体在航行器上的安装位置进行上下调节，进而调节螺旋桨的吃水。

3.根据权利要求1所述的一种水面全方位航行器，其特征是：所述的无刷电机驱动伞齿轮A的转动，伞齿轮A驱动伞齿轮B的转动，通过传动轴，伞齿轮C与伞齿轮B同时转动，伞齿轮C驱动伞齿轮D的转动，通过螺旋桨轴的传动，实现螺旋桨的转动，通过伞齿轮A、伞齿轮B、伞齿轮C、伞齿轮D和传动轴，将安装于航行器内部的无刷电机的转动传递到水下螺旋桨的转动。

4.根据权利要求1所述的一种水面全方位航行器，其特征是：所述的步进电机驱动同步轮A的转动，通过同步带的传递，同步轮A带动同步轮B的转动，同步轮B带动铝管的转动，铝管再带着齿轮箱一起转动，进而实现螺旋桨绕传动轴的转动。

5.根据权利要求1所述的一种水面全方位航行器，其特征是：所述的传动轴从铝管中穿过，与铝管为松配合。