CN108275252A - 一种螺旋桨与舵机混合动力推进机械水母 - Google Patents

一种螺旋桨与舵机混合动力推进机械水母 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种螺旋桨与舵机混合动力推进机械水母，属于水下机器人领域。其包括头部外壳1、舵机驱动机机构、螺旋桨推进机构和外部蒙皮13。其特征是：所述的头部外壳1的形状以头部外壳中轴线12对称；所述的螺旋桨推进机构安装在头部外壳1的底部，且螺旋桨推进机构的中心线与头部外壳中轴线12共线；所述的舵机驱动机构以头部外壳中轴线12为对称轴，安装在螺旋桨推进机构的四周；所述的外部蒙皮13布置在舵机驱动机构的外侧，且与头部外壳1相连。本发明通过机械臂和螺旋桨混合动力驱动，通过调节机械臂和螺旋桨的驱动方式可实现多种不同运动模式。本发明可以用于学习研究、海底探测、研究仿生水母等方面。

Description

一种螺旋桨与舵机混合动力推进机械水母
技术领域
本发明属于水下机器人领域，具体涉及一种螺旋桨与舵机混合动力推进机械水母。
背景技术
仿生水母对于条件复杂的水下，可以长时间游动作业。同时又由于仿生机器水母内部空间较大，可以携带很多传感器和侦查设备，可以运用到海洋生物考察，海底勘探和海洋救生等许多场合。在军事方面机器水母相对于其他水下机器人具有更强的隐蔽性。所以对仿生机器水母的开发具有重要的意义。
目前以水母为原型的仿生研究主要集中在单一的驱动模式。以记忆合金驱动、机械连杆驱动、气缸驱动、电磁铁驱动的仿生水母机器人研究时有报道。但是这些仿生机器水母存在诸多问题，比如重心较高稳定性较差，运动速度较慢发生紧急情况时没有应急的能力等。
发明内容
本发明目的在于针对仿生水母机器人，设计一种螺旋桨和舵机混合推进的仿生机械水母，该仿生机械水母相比较其他仿生水母具有快速应急驱动能力和更高的稳定性等优点。
本发明是这样实现的：
一种螺旋桨与舵机混合动力推进机械水母，包括头部外壳1、舵机驱动机构、螺旋桨推进机构和外部蒙皮13，其特征在于，所述的头部外壳1的形状以头部外壳中轴线12对称；所述的螺旋桨推进机构安装在头部外壳1的底部，且螺旋桨推进机构的中心线与头部外壳中轴线12共线；所述的舵机驱动机构以头部外壳中轴线12为对称轴，安装在螺旋桨推进机构的四周；所述的外部蒙皮13布置在舵机驱动机构的外侧，且与头部外壳1相连，外部蒙皮13的中心线与头部外壳中轴线12共线。
所述的头部外壳1底部设有外部蒙皮连接孔14和头部进水孔16；所述的外部蒙皮连接孔14和头部进水孔16均以头部外壳中轴线12为对称中心；头部进水孔16与头部出水孔2相连，所述的头部出水孔2在头部外壳1的表面形成弧形切面3。
所述的舵机驱动机构包括一级舵机5、一级机械臂6、二级舵机8和二级机械臂10；所述的一级舵机5固定在螺旋桨推进机构上；所述的一级机械臂6一端设有一级舵机臂连接孔4，另一端设有二级舵机臂连接孔7，一级舵机5通过一级舵机连接孔4与一级机械臂6连接，二级舵机8通过二级舵机连接孔7与一级机械臂6连接；二级机械臂10一端设有二级舵机臂连接孔9与二级舵机8连接，二级机械臂10的另一端与外部蒙皮13连接。
所述的螺旋桨推进机构包括螺旋桨、无刷电机、圆柱形涵道11和法兰，所述的圆柱形涵道固定在头部外壳1的底部，且圆柱形涵道11的中心线与头部外壳中轴线12共线；圆柱形涵道11的底部设有涵道连接孔15，涵道连接孔15以圆柱形涵道11的中心线为中心对称分布；所述的法兰上设有法兰螺钉孔17、无刷电机导线孔18、法兰进水孔19和法兰螺钉孔20，所述的法兰螺钉孔17、法兰进水孔19和电机螺钉孔20均以圆柱形涵道11的中心线对称分布，所述的法兰螺钉孔17和涵道连接孔15配合；所述的螺旋桨包括螺旋桨螺钉孔21、螺旋桨桨叶22和螺旋桨孔23，所述的螺旋桨孔23与无刷电机的电机轴配合；所述的无刷电机包括电机螺旋桨螺钉孔24、无刷电机主体25、无刷电机导线接口26和无刷电机螺钉孔27，所述的电机螺旋桨螺钉孔24与螺旋桨螺钉孔21配合，所述的无刷电机导线接口26与无刷电机导线孔18配合，所述的无刷电机螺钉孔27与法兰螺钉孔20配合，无刷电机通过无刷电机螺钉孔27固定在法兰上靠近头部外壳1的一侧。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、有应急加速功能。常见的仿生水母运动速度缓慢，有很强的隐藏的能力。可是缺少再紧急避障、执行任务快速机动的能力。本发明增加的螺旋桨推进机构，螺旋桨具有很强的推进能力，运动速度可达到机械臂驱动的20-100倍，并且置于水母头正下方的涵道并不会对水母机械臂驱动的排水造成影响。能保证仿生水母不失正常运动时隐蔽性、低功耗的前提下增加的机动性能。
2、更高稳定性。一般来说，水母头部会放置电路板，电池等装置最终导致仿生水母头部较重，重心较高稳定性较差。由于置于水母头底部的无刷电机、涵道能降低仿生水母的重心，所以可以增加仿生水母的稳定性。
3、结构简单。本发明仅采用两段式机械臂驱动结构。易于加工实现，成本也较低。更容易复现进行实际应用。
附图说明
图1是本发明的三维视图；
图2是本发明的仰视图；
图3是本发明法兰的放大图；
图4是本发明螺旋桨三维视图；
图5是本发明无刷电机正面三维视图；
图6是本发明无刷电机背面三维视图。
具体实施方式
下面结合附图对发明做更详细地描述：
具体实施例一：
结合附图说明本发明的具体实施方式，如图1、2、3、4、5所示，所述一种螺旋桨和舵机混合推进的仿生机械水母由头部外壳1，舵机驱动机构，螺旋桨推进机构，外部蒙皮组13成。其特征是：所述的头部外壳1包括螺旋桨涵道出水孔2。舵机驱动机构包括一级舵机5、一级机械臂6、二级舵机8、二级机械臂10。螺旋桨推进机构包括螺旋桨、水下无刷电机25、圆柱形涵道11、法兰。
如图2所示，所述头部外壳1底部有6个头部进水孔16，通过沿内部曲线路径扫描形成的通道到达顶部6个头部出水孔2。出水孔处用圆相切形成弧形切面3，在螺旋桨驱动模式下可改善出水性能。底部还有四个小孔14用于连接外部蒙皮13。
如图1所示，所述舵机驱动机构一级舵机5固定在圆柱形涵道11四周。一级机械臂6一端有一级舵机臂连接孔4，与一级舵机5连接，一端有二级舵机臂连接孔7与二级舵机8连接。二级舵机8连接于一级机械臂6末端。二级机械臂10只有一个二级舵机臂连接孔9与二级舵机8相连。
如图3、4所示，所述螺旋桨推进机构螺旋桨固定在无刷电机上，无刷电机固定在法兰向涵道那侧。法兰还开有无刷电机导线孔18，无刷电机导线由这里引到外部。法兰固定在涵道11底部。涵道11周围有四个舵机连接孔可连接一级舵机5。
如图1、2所示，所述外部蒙皮13固定在水母头底部四个外部蒙皮连接孔14处，另外与二级机械臂10末端连接。
作为优选，二级舵机8与一级机械臂6使用4个螺钉连接，防止舵机发生抖动。
作为优选，外部蒙皮13与头部外壳1使用螺钉在外部蒙皮连接孔14处连接，防止外部蒙皮13运动时脱落。
作为优选，外部蒙皮13与二级机械臂10末端使用胶水连接，使水母在运动时阻力更小。
作为优选，法兰与无刷电机使用螺钉连接，与无刷电机连接端垫有橡胶垫片。
作为优选，涵道11比螺旋桨直径大2-4mm，排水性能最佳。
作为优选，头部外壳1用PLA材料3D打印，流线性能更加。
作为优选，水母头部刷环氧树脂可防止其进水。
本发明的工作原理为：
首先正常运动时，无刷电机不转，只是由舵机带动机械臂驱动水母运动。机械臂可独立控制，一级机械臂6提供主要排水和推力，二级机械臂10负责控制方向。二级机械臂10同步运动时水母直线向上运动，二级机械臂某和保持收缩姿势，其他正常运动时就能实现向该方向转向。
应急直线运动，所有机械臂保持收缩，由水下无刷电机带动螺旋桨推动水母迅速直线前进。应急转向运动时，某一方向二级机械臂张开15-30度为宜，则向其相反方向转弯，具体旋转半径可根据具体实验水域情况，水母运动速度，二级机械臂10张开角度而定。
漂浮或随波漂流运动。设计的仿生水母为海水0浮力，水下无刷电机不转，机械臂全部保持完全张开静止状态，机械水母即可实现漂浮或随波漂流。
向下运动。可通过水母应急转向达到向下运动状态。也可以通过所有机械臂收缩静止，水下无刷电机反转达到向下运动的目的，此状态无需旋转半径，可在狭小空间内作业，但是阻力较大稳定性也欠佳。
具体实施例二：
一种螺旋桨与舵机混合动力推进机械水母，包括头部外壳1、舵机驱动机构、螺旋桨推进机构和外部蒙皮13，其特征在于，所述的头部外壳1的形状以头部外壳中轴线12对称；所述的螺旋桨推进机构安装在头部外壳1的底部，且螺旋桨推进机构的中心线与头部外壳中轴线12共线；所述的舵机驱动机构以头部外壳中轴线12为对称轴，安装在螺旋桨推进机构的四周；所述的外部蒙皮13布置在舵机驱动机构的外侧，且与头部外壳1相连，外部蒙皮13的中心线与头部外壳中轴线12共线。
所述的头部外壳1底部设有外部蒙皮连接孔14和头部进水孔16；所述的外部蒙皮连接孔14和头部进水孔16均以头部外壳中轴线12为对称中心；头部进水孔16与头部出水孔2相连，所述的头部出水孔2在头部外壳1的表面形成弧形切面3。
所述的舵机驱动机构包括一级舵机5、一级机械臂6、二级舵机8和二级机械臂10；所述的一级舵机5固定在螺旋桨推进机构上；所述的一级机械臂6一端设有一级舵机臂连接孔4，另一端设有二级舵机臂连接孔7，一级舵机5通过一级舵机连接孔4与一级机械臂6连接，二级舵机8通过二级舵机连接孔7与一级机械臂6连接；二级机械臂10一端设有二级舵机臂连接孔9与二级舵机8连接，二级机械臂10的另一端与外部蒙皮13连接。
所述的螺旋桨推进机构包括螺旋桨、水下无刷电机、圆柱形涵道11和法兰，所述的圆柱形涵道固定在头部外壳1的底部，且圆柱形涵道11的中心线与头部外壳中轴线12共线；圆柱形涵道11的底部设有涵道连接孔15，涵道连接孔15以圆柱形涵道11的中心线为中心对称分布；所述的法兰上设有法兰螺钉孔17、水下无刷电机导线孔18、法兰进水孔19和法兰螺钉孔20，所述的法兰螺钉孔17、法兰进水孔19和电机螺钉孔20均以圆柱形涵道11的中心线对称分布，所述的法兰螺钉孔17和涵道连接孔15配合；所述的螺旋桨包括螺旋桨螺钉孔21、螺旋桨桨叶22和螺旋桨孔23，所述的螺旋桨孔23与水下无刷电机的电机轴配合；所述的水下无刷电机包括电机螺旋桨螺钉孔24、水下无刷电机主体25、水下无刷电机导线接口26和水下无刷电机螺钉孔27，所述的电机螺旋桨螺钉孔24与螺旋桨螺钉孔21配合，所述的水下无刷电机导线接口26与水下无刷电机导线孔18配合，所述的水下无刷电机螺钉孔27与法兰螺钉孔20配合，水下无刷电机通过水下无刷电机螺钉孔27固定在法兰上靠近头部外壳1的一侧。

Claims (4)

1.一种螺旋桨与舵机混合动力推进机械水母，包括头部外壳(1)、舵机驱动机构、螺旋桨推进机构和外部蒙皮(13)，其特征在于，所述的头部外壳(1)的形状以头部外壳中轴线(12)对称；所述的螺旋桨推进机构安装在头部外壳(1)的底部，且螺旋桨推进机构的中心线与头部外壳中轴线(12)共线；所述的舵机驱动机构以头部外壳中轴线(12)为对称轴，安装在螺旋桨推进机构的四周；所述的外部蒙皮(13)布置在舵机驱动机构的外侧，且与头部外壳(1)相连，外部蒙皮(13)的中心线与头部外壳中轴线(12)共线。
2.根据权利要求1所述的一种螺旋桨与舵机混合动力推进机械水母，其特征在于，所述的头部外壳(1)底部设有外部蒙皮连接孔(14)和头部进水孔(16)；所述的外部蒙皮连接孔(14)和头部进水孔(16)均以头部外壳中轴线(12)为对称中心；头部进水孔(16)与头部出水孔(2)相连，所述的头部出水孔(2)在头部外壳(1)的表面形成弧形切面(3)。
3.根据权利要求1所述的一种螺旋桨与舵机混合动力推进机械水母，其特征在于，所述的舵机驱动机构包括一级舵机(5)、一级机械臂(6)、二级舵机(8)和二级机械臂(10)；所述的一级舵机(5)固定在螺旋桨推进机构上；所述的一级机械臂(6)一端设有一级舵机臂连接孔(4)，另一端设有二级舵机臂连接孔(7)，一级舵机(5)通过一级舵机连接孔(4)与一级机械臂(6)连接，二级舵机(8)通过二级舵机连接孔(7)与一级机械臂(6)连接；二级机械臂(10)一端设有二级舵机臂连接孔(9)与二级舵机(8)连接，二级机械臂(10)的另一端与外部蒙皮(13)连接。
4.根据权利要求1所述的一种螺旋桨与舵机混合动力推进机械水母，其特征在于，所述的螺旋桨推进机构包括螺旋桨、水下无刷电机、圆柱形涵道(11)和法兰，所述的圆柱形涵道固定在头部外壳(1)的底部，且圆柱形涵道(11)的中心线与头部外壳中轴线(12)共线；圆柱形涵道(11)的底部设有涵道连接孔(15)，涵道连接孔(15)以圆柱形涵道(11)的中心线为中心对称分布；所述的法兰上设有法兰螺钉孔(17)、水下无刷电机导线孔(18)、法兰进水孔(19)和法兰螺钉孔(20)，所述的法兰螺钉孔(17)、法兰进水孔(19)和电机螺钉孔(20)均以圆柱形涵道(11)的中心线对称分布，所述的法兰螺钉孔(17)和涵道连接孔(15)配合；所述的螺旋桨包括螺旋桨螺钉孔(21)、螺旋桨桨叶(22)和螺旋桨孔(23)，所述的螺旋桨孔(23)与水下无刷电机的电机轴配合；所述的水下无刷电机包括电机螺旋桨螺钉孔(24)、水下无刷电机主体(25)、水下无刷电机导线接口(26)和水下无刷电机螺钉孔(27)，所述的电机螺旋桨螺钉孔(24)与螺旋桨螺钉孔(21)配合，所述的水下无刷电机导线接口(26)与水下无刷电机导线孔(18)配合，所述的水下无刷电机螺钉孔(27)与法兰螺钉孔(20)配合，水下无刷电机通过水下无刷电机螺钉孔(27)固定在法兰上靠近头部外壳(1)的一侧。
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