CN107310701A - 一种水下滑翔机纵横姿态综合调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下机器人技术，旨在提供一种水下滑翔机纵横姿态综合调节装置。其电池仓的两侧各设挡板，挡板中央开孔位置通过双列角接触球轴承套在螺母上；螺母装在丝杠上，电池仓的重心位置低于丝杠；丝杠一端固定在舱壁上，另一端通过联轴器接至俯仰电机的输出轴；一个挡板上装滚转电机，其输出端通过主动齿轮与挡板螺母上的从动齿轮啮合，从动齿轮与螺母之间相对固定不发生相对旋转运动；平行于丝杠的导轨一端固定在舱壁上；滑块设于导轨之上，滑块与固定在从动齿轮表面的连接件相连。本发明利用丝杠螺母机构实现俯仰重心调节，利用啮合齿轮组实现横滚重心调节，结构简单，布置方便，空间占用小，舱容利用率高；控制性能好、调节能力强。

Description

一种水下滑翔机纵横姿态综合调节装置

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，隶属于海洋装备范畴，是针对水下滑翔机所设计的一款纵横姿态综合调节装置，实现水下滑翔机俯仰姿态和横滚姿态的综合调节。

背景技术

水下滑翔机(underwater glider)隶属于水下无人航行器的范畴，它具有低能耗、续航能力强、作业范围广、作业深度大、投放和回收容易以及科学传感器搭载能力强等特点。连续几个月的自主工作能力，使得滑翔机在海洋技术与科学领域得到了越来越广泛的关注，在海洋探测方面有很好的应用前景。

水下滑翔机通过搭载电池或者温差能发电装置，利用浮力调节装置控制滑翔机机体的上浮和下潜，利用姿态调节装置控制滑翔机上浮下潜时的姿态角，以达到前进、转弯等目的。但是，当前应用较多的水下滑翔机姿态调节装置为分离式纵横姿态调节装置或者仅具备俯仰调节能力的装置，存在着空间占用大、结构复杂、调节能力单一等缺点，部分综合调节装置横滚空间占用大，结构不合理，结构复杂，也不适用于小尺度、低功耗、低成本的水下滑翔机。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种水下滑翔机纵横姿态综合调节装置。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种水下滑翔机纵横姿态综合调节装置，包括内置电池的电池仓，在电池仓的两侧各设一个中央开孔的挡板，挡板开孔位置通过双列角接触球轴承套在螺母上，螺母设有内螺纹；该装置还包括一根带外螺纹的丝杠，两个挡板通过各自的螺母装在丝杠上，电池仓的重心位置低于丝杠；丝杠的一端通过轴承固定在水下滑翔机的舱壁上以限制其纵向位移，另一端通过联轴器接至俯仰电机的输出轴，俯仰电机固定在水下滑翔机的舱壁上；

在其中一个挡板上装有滚转电机，其输出端与主动齿轮相连；该挡板的螺母上固定套设从动齿轮，并通过其外齿与主动齿轮相互啮合，从动齿轮与螺母之间相对固定不发生相对旋转运动；有一根平行设于丝杠正下方的导轨，其一端固定在水下滑翔机的舱壁上；滑块设于导轨之上，滑块与固定在从动齿轮表面的连接件相连。

本发明中，所述挡板的外侧设环形的安装座，双列角接触球轴承位于安装座中且紧密贴合；环形的挡板盖套装在双列角接触球轴承的外侧，且通过螺钉固定于安装座上。

本发明中，所述从动齿轮的半径大于主动齿轮的半径。

本发明中，所述滚转电机安装在挡板内侧的上部空间中，其输出轴穿过挡板后与主动齿轮相连。

本发明中，所述挡板与螺母之间设有轴封。

本发明中，从动齿轮与所处螺母之间通过平键连接，实现相对固定不发生相对旋转运动。

本发明中，所述挡板或电池仓上装有角位移传感器。

本发明中，所述俯仰电机通过支撑架固定在水下滑翔机的舱壁上。

本发明中，还包括一个拉线传感器，通过拉线接至所述连接件。

本发明中，所述拉线传感器通过支撑架固定在水下滑翔机的舱壁上。

发明原理描述：

本发明针对现有装置中存在的空间占用大、结构复杂、调节能力差等特点，设计了水下滑翔机一体式纵横姿态综合调节装置。该装置主要是利用丝杠螺母机构实现重心的俯仰调节，利用啮合齿轮组实现重心的横滚调节，利用双列角接触球轴承实现俯仰调节和横滚调节运动的分离，利用导轨滑块机构限制丝杠螺母的转动，利用电池舱作为重力调节重块。同时，本装置可以加载拉线位移传感器和角度传感器来实现装置的闭环控制，提高控制效果。本发明具有占用空间小、结构简单、调节能力强、易于控制、舱容利用率高等特点，能够较好的满足小尺度、低功耗、低成本水下滑翔机的要求。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、利用丝杠螺母机构实现俯仰重心调节，结构简单，布置方便，控制性能好；

2、利用啮合齿轮组实现横滚重心调节，并且与俯仰重心调节模块结合，结构简单，空间占用小，舱容利用率高；

3、利用双列角接触球轴承使俯仰调节和横滚调节运动分离，互不影响又可同时作业，实现重心的俯仰、横滚综合调节，调节能力强；

4、装置布置合理有效，方便用户根据需求加装拉线传感器和角度传感器等。

附图说明

图1为本装置的三维结构示意图。

图2为本装置的纵剖视图。

附图说明：1、舱壁；2、左挡板；3、左轴封；4、左螺母；5、滚转电机；6、右挡板；7、小齿轮(主动齿轮)；8、大齿轮(从动齿轮)；9、右螺母；10、丝杠；11、联轴器；12、俯仰电机；13、导轨；14、电池仓；15、滑块；16、连接件；17、拉线传感器；18、左双列角接触球轴承；19、左挡板盖；20、右轴封；21、右双列角接触球轴承；22、右挡板盖。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明所述水下滑翔机纵横姿态综合调节装置进行详细描述。

该装置包括内置电池的电池仓14，在电池仓14的两侧各设一个中央开孔的挡板，挡板开孔位置通过双列角接触球轴承套在螺母上，螺母设有内螺纹，挡板与螺母之间设有轴封。该装置还包括一根带外螺纹的丝杠10，两个挡板通过各自的螺母装在丝杠10上，电池仓14的重心位置低于丝杠10；丝杠10的一端通过轴承固定在水下滑翔机的舱壁1上以限制其纵向位移，另一端通过联轴器11接至俯仰电机12的输出轴，俯仰电机12通过支撑架固定在舱壁1上；在其中一个挡板上装有滚转电机5，其输出端与主动齿轮相连；该挡板的螺母上固定套设从动齿轮，并通过其外齿与主动齿轮相互啮合，从动齿轮与螺母通过平键连接，相对固定不发生相对旋转运动；有一根平行设于丝杠10正下方的导轨13，其一端固定在舱壁1上；滑块15设于导轨13之上，滑块15与固定在从动齿轮表面的连接件16相连。拉线传感器17通过支撑架固定在舱壁1上，并通过拉线接至连接件16。

所述挡板的外侧设环形的安装座，双列角接触球轴承位于安装座中且紧密贴合；环形的挡板盖套装在双列角接触球轴承的外侧，且通过螺钉固定于安装座上。从动齿轮的半径大于主动齿轮的半径。滚转电机5安装在挡板内侧的上部空间中，其输出轴穿过挡板后与主动齿轮相连。挡板或电池仓14上还可装有角位移传感器。

具体实施例：

如附图1、2所示，本装置由质量块组件、俯仰调节机构、横滚调节机构、支撑结构、反馈检测设备组成。

所述质量块组件由左挡板2、右挡板6、电池舱14、左挡板盖19、右挡板盖22组成，左挡板2、右挡板6分别和电池舱14用螺栓(或焊接)连接，左挡板盖19、右挡板盖22分别和左挡板2、右挡板6用螺栓连接，用于限制双列角接触球轴承的纵向位移，也属于质量块组件的一部分。双列角接触球轴承既能承受径向力，又能承受双向轴向力。

所述俯仰调节机构由左螺母4、右螺母9、丝杠10、联轴器11、俯仰电机12、拉线传感器17、导轨13、滑块15、连接件16组成，通过大齿轮8、右螺母9、导轨13、滑块15、连接件16的连接，限制右螺母9和大齿轮8的旋转运动，通过左螺母4、右螺母9、丝杠10以及质量块组件之间的连接，限制左螺母4的旋转运动，当在俯仰电机12的驱动下丝杠10旋转时，左螺母4、右螺母9带动质量块组件沿着丝杠10做纵向平移运动，通过拉线传感器17检测质量块组件的纵向位移。

所述横滚调节机构由横滚电机5、小齿轮7、大齿轮8组成，小齿轮7与大齿轮8外啮合，当在横滚电机5的驱动下小齿轮7旋转时，由于大齿轮8的旋转运动被限制，小齿轮7带动质量块组件绕着丝杠10做旋转运动。

所述支撑结构由舱壁1、左轴封3、右轴封20、左双列角接触球轴承18、右双列角接触球轴承21组成，舱壁1用于限制丝杠和导轨13的纵向位移，左轴封3、右轴封20用于限制左双列角接触球轴承18、右双列角接触球轴承21的纵向位移，左双列角接触球轴承18、右双列角接触球轴承21用于将质量块组件的横滚调节运动和俯仰调节运动分开，避免相互影响。

所述反馈检测设备为拉线传感器17，用于检测质量块组件位移，横滚调节系统也可以加装相应的角位移传感器，用于检测质量块组件旋转角度。

本实施例中，左螺母4、右螺母9分别利用锥销和左轴封3、右轴封20进行连接，限制相对旋转运动。大齿轮8、右螺母9利用平键连接，限制相对旋转运动。质量块组件被横滚调节模块和俯仰调节模块共用，横滚调节模块以及部分俯仰调节模块也应属于质量块组件的一部分。所述俯仰电机12、拉线传感器17由支撑架固定。

通过大齿轮8、右螺母9、导轨13、滑块15、连接件16的连接，限制右螺母9和大齿轮8的旋转运动。可采用螺栓连接，也可以采用焊接等其他能够承受更大的剪切力的连接方式。

本装置的工作过程如下：

启动俯仰电机12带动丝杠10旋转，由于左螺母4、右螺母9的旋转运动被限制，当丝杠10旋转的时候，左螺母4、右螺母9将带动质量块组件等机构一起沿着丝杠10做纵向平移运动。拉线传感器17记录质量块组件的移动距离，并实施传输给控制模块，通过设定质量块组件行程限制，结合不同俯仰角所需的纵向位移，达到安全、稳定、精确控制质量块组件纵向位移的目的。俯仰电机12可以顺时针、逆时针旋转，丝杠10与螺母右旋配合，当俯仰电机12带动丝杠10顺时针旋转时，质量块组件将沿着丝杠10向左平移，当俯仰电机12带动丝杠10逆时针旋转时，质量块组件将沿着丝杠10向右平移，实现水下滑翔机的重心的纵向调节，达到水下滑翔机的俯仰调节的目的。启动横滚电机5带动小齿轮7旋转，由于大齿轮8的旋转运动被限制，小齿轮7带动质量块组件绕着丝杠10做旋转运动。

以横滚电机5的旋转方向作为参考，当横滚电机5顺时针旋转时，由于齿轮外啮合作用，将带动质量块组件顺时针旋转，电池舱14设置在质量块组件中下部分，使得质量块组件整体重心偏下，当质量块组件顺时针旋转时，引起机器人整体重心顺时针旋转，反之亦然，达到横滚调节水下滑翔机重心的目的。由于设置了左双列角接触球轴承18、右双列角接触球轴承21，可以将质量块组件的横滚调节运动和俯仰调节运动分开，避免相互影响，当横滚电机带动质量块组件旋转时，由于左双列角接触球轴承18、右双列角接触球轴承21的作用，左螺母4、右螺母9并不会旋转，质量块组件纵向位置不因此而改变，水下滑翔机的纵向重心位置不因此而改变。当俯仰电机12带动左螺母4、右螺母9产生纵向位移的时候，由于大齿轮8的旋转运动被限制，带电状态下的横滚电机5使得质量块组件不因此而产生横滚运动，水下滑翔机的横向重心位置不因此而改变。

本文中所描述的具体工作过程仅是对本发明做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施案例做各种各样的修改或补充或采取类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围，均应包含在本发明专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水下滑翔机纵横姿态综合调节装置，包括内置电池的电池仓，其特征在于，在电池仓的两侧各设一个中央开孔的挡板，挡板开孔位置通过双列角接触球轴承套在螺母上，螺母设有内螺纹；该装置还包括一根带外螺纹的丝杠，两个挡板通过各自的螺母装在丝杠上，电池仓的重心位置低于丝杠；丝杠的一端通过轴承固定在水下滑翔机的舱壁上以限制其纵向位移，另一端通过联轴器接至俯仰电机的输出轴，俯仰电机固定在水下滑翔机的舱壁上；

在其中一个挡板上装有滚转电机，其输出端与主动齿轮相连；该挡板的螺母上固定套设从动齿轮，并通过其外齿与主动齿轮相互啮合，从动齿轮与所处螺母之间相对固定不发生相对旋转运动；有一根平行设于丝杠正下方的导轨，其一端固定在水下滑翔机的舱壁上；滑块设于导轨之上，滑块与固定在从动齿轮表面的连接件相连。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述挡板的外侧设环形的安装座，双列角接触球轴承位于安装座中且紧密贴合；环形的挡板盖套装在双列角接触球轴承的外侧，且通过螺钉固定于安装座上。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述从动齿轮的半径大于主动齿轮的半径。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述滚转电机安装在挡板内侧的上部空间中，其输出轴穿过挡板后与主动齿轮相连。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述挡板与螺母之间设有轴封。

6.根据权利要求1至5任意一项中所述的装置，其特征在于，从动齿轮与所处螺母之间通过平键连接，实现相对固定不发生相对旋转运动。

7.根据权利要求1至5任意一项中所述的装置，其特征在于，所述挡板或电池仓上装有角位移传感器。

8.根据权利要求1至5任意一项中所述的装置，其特征在于，所述俯仰电机通过支撑架固定在水下滑翔机的舱壁上。

9.根据权利要求1至5任意一项中所述的装置，其特征在于，还包括一个拉线传感器，通过拉线接至所述连接件。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述拉线传感器通过支撑架固定在水下滑翔机的舱壁上。