CN109515666A - 一种水下机器人的矢量推进器 - Google Patents

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张玉洁
何波
赵梓奎
宫颖博
郑志航
姜薇伟
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63HMARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H1/00Propulsive elements directly acting on water
    • B63H1/02Propulsive elements directly acting on water of rotary type
    • B63H1/12Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially in propulsive direction
    • B63H1/14Propellers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63HMARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H5/00Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water
    • B63H5/07Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers
    • B63H5/125Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers movably mounted with respect to hull, e.g. adjustable in direction, e.g. podded azimuthing thrusters

Abstract

本发明涉及一种水下机器人的矢量推进器,采用传动机构实现矢量推进器水平和垂直方向运动控制,包括主推电机、螺旋桨、导流罩、传动机构、挡板、尾舱、滚转舵机和摆转舵机。主推电机位于导流罩内,通过支撑杆与导流罩连接,螺旋桨与主推电机连接构成推进器尾部,滚转舵机、摆转舵机分别与传动机构相连构成推进器前部,其安装在尾舱内部,摆转舵机驱动使推进器尾部绕竖直轴转动(±30°),滚转舵机驱动推进器尾部绕水平轴向转动(±180°),将两条运动结合,可以实现使推进器在空间内任意方向偏转。本发明具有驱动灵活、体积小、整体紧凑等优点,能够为小型水下机器人提供满足要求的矢量推力。

Description

一种水下机器人的矢量推进器
技术领域
本发明涉及一种水下机器人的矢量推进器,属于海洋工程技术领域。它通过改变螺旋桨的空间姿态来改变推进器的推力矢量方向,由三个电机控制,通过两个偏转舵机使螺旋桨轴线能够绕航行器的水平和竖直轴线自由转动,因而可以获得在指定方向的推力来驱动水下航行器在水中的巡航和姿态的控制。
背景技术
小型水下机器人作为专用水下开发工具,在浅水区科学研究、资源开发、军事等方面都具有巨大的应用前景。小型化是未来水下机器人的一个不容忽视的发展方向,已成为海洋强国发展智能化海洋设备的研究热点。推进系统是水下航行器的主要组成部分,矢量螺旋桨推进通过改变整个推进系统的方向来改变推力方向,为了适用于小型水下机器人,研制一款小型矢量推进器就显得十分必要。推力矢量技术是指空间运动物体的推进系统除了提供前进推力外,还能同时或单独在运动物体的俯仰、偏航、横滚和反推力等方向上提供推进力和力矩,用以部分或全部取代舵面所产生的动力来进行控制,即推进器推力矢量化。
高效、高机动性水下航行器推进技术是目前 AUV 设计领域的研究热点。而矢量推进技术在水下机器人方面的应用是进10年才兴起的,水下机器人中的矢量推进机构大体可分为矢量螺旋桨和矢量喷管两种。与螺旋桨推进方式相比,矢量喷管推进器具有以下特性:推进效率高,辐射噪声低,还可以降低推进器的旋转噪声,高速时不产生空泡等。但因其是组合式推进器,同时具有构造复杂,重量大,制造和安装困难,重量是普通螺旋桨的2-3倍等缺点。目前水下航行器大多仍采用矢量螺旋桨推进方式,其结构简单,维修方便,技术成熟,因而被广泛使用,改进螺旋桨推进技术对于提高依靠螺旋桨推进的航行器机动性能有着十分重要的意义。目前对于螺旋桨推进方式的改进主要集中在两方面:一方面是针对螺旋桨的研究,包括研究新型螺旋桨和变螺距螺旋桨;另一方面通过改进螺旋桨推进系统来提高螺旋桨推进性能。
发明内容
为了提高螺旋桨推进性能,提供满足水下机器人小型化要求的矢量推力。本发明提供一种水下机器人的矢量推进器,该矢量推进器具有驱动灵活、机械传动简单、传动效率高、整体结构设计紧凑、节省空间和成本低等优点,适合渐收的流线型尾部空间,能够为小型水下机器人提供满足要求的矢量推力。
本发明的技术方案具体如下:
本发明主要包括主推电机、螺旋桨、导流罩、传动机构、挡板、尾舱、滚转舵机和摆转舵机,主推电机位于导流罩内,通过支撑杆与导流罩连接,螺旋桨与主推电机连接构成推进器尾部,滚转舵机、摆转舵机分别与传动机构相连构成推进器前部,其安装在尾舱内,并固定在挡板上,推进器尾部和推进器前部通过传动机构连接构成矢量推进器。
所述的矢量推进器尾部,其包括主推电机、螺旋桨和导流罩,主推电机位于导流罩内,通过支撑杆与导流罩连接,螺旋桨与在主推电机连接构成推进器尾部。
所述的摆转机构,其包括摆转舵机、连接板-2、舵机支架、主轴、U型架、传动轴和连接架。连接架与主推电机相连,并固定在传动轴上,传动轴通过轴承与U型架相对转动,主轴与摆转舵机连接,摆转舵机与连接板-2相连,连接板-2固定在舵机支架上,摆转舵机驱动主轴,主轴与传动轴相连,并将其动力传递到在传动轴上的连接架上,从而实现推进器尾部绕竖直轴转动(±30°)。
所述的滚转机构,其包括滚转舵机、连接板-1、舵机支架、传动件-1、传动件-2、主套筒、U型架。滚转舵机与传动件-2连接,并固定在连接板-1上,连接板-1固定在舵机支架上,传动件-1与传动件-2相连,传动件-1固定在主套筒上,主套筒与U型架连接,滚转舵机驱动传动件-2,传动件-2与传动件-1相连,并将动力传递到主套筒上,进而传递到U型架上,驱动推进器尾部绕水平轴向转动(±180°),将摆转舵机与滚转舵机的运动结合,从而可以实现推进器在空间任意方向上的偏转。
所述的主推电机,其采用防水电机,具有密封结构,能够有效的减少了整个矢量推进器的纵向长度,能够适应于小型水下机器人,同时直接将尾罩部分透水,不需设计复杂的防水密封结构,从而解决了因密封泄露问题可能带来的安全隐患。
所述的滚转舵机、摆转舵机机均采用舵机,其具有扭矩大、体积小的优点,两舵机分别与连接板-1、连接板-2连接,同时连接板-1、连接板-2也固连在舵机支架上,舵机支架安装在挡板上。
所述的主套筒,一端与传动件-1连接,另一端与U型架相连,并通过轴承配合安装在内外轴承支座上,内外轴承支座安装在尾舱上,主套筒与挡板之间采用O型圈旋转动密封。
所述的主轴,一端与摆转舵机相连,另一端与传动轴相连,两端分别放轴承与主套筒内部相配合,主轴与主套筒之间采用O型圈旋转动密封。
所述的传动轴,两端通过轴承与U型架配合相对转动,并与主轴相连,中间段与连接架相连。
总体而言,本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,能够取得下列有益效果:
1)本发明的一种水下机器人的矢量推进器采用传动机构实现矢量推进器水平和垂直方向运动控制,体积小、驱动灵活、传动效率高、整体紧凑、节省空间、结构简单,能够根据海底复杂的地形,做出快速反应;
2)采用防水主推电机,有效的减少了整个矢量推进器的纵向长度,能够适应于小型水下机器人,同时直接将尾罩部分透水,不需设计复杂的防水密封结构,从而解决了因密封泄露问题可能带来的安全隐患;
3)矢量推进器可以通过改变螺旋桨的空间姿态来改变推进器的推力矢量方向,由三个电机控制,改变螺旋桨轴的矢量方向和旋转速度,并获得方向和大小都可以改变的矢量推进力,具有很强的可移植性,达到了设计任务要求。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图;
图2是本发明的总体结构立体示意图;
图3是本发明的传动原理机构简图;
图4是本发明的传动机构的结构示意图;
图5是本发明的舵机支架的结构示意图;
图6是本发明的连接板-1的结构示意图;
图7是本发明的连接板-2的结构示意图。
图中1、主推电机;2、螺旋桨;3、导流罩;4、U型架;5、挡板;6、尾舱;7、滚转舵机;8、摆转舵机;9、外轴承支座;10、传动轴;11、连接架;12、轴承;13、轴承压盖;14、O型圈;15、轴承;16、主套筒;17、主轴;18、传动件-1;19、连接板-1;20、连接板-2;21、舵机支架;22、内轴承支座;23、传动件-2。
具体实施方式
下面结合本发明优选的实施例及附图细致、完整地描述本发明的设计制造过程。
首先,需要说明的是所优选的实施例是自主式水下航行器中的一种型号——130AUV,130表示AUV的最大外径为130mm。本发明的目的是使用矢量推进器直接改变推进力的方向,从而大幅度提高AUV的操纵性,并在此基础上减小体积,能够获得足够的机动性以适应小型水下机器人水下勘查工作的需要。
本实例包括:主推电机1、螺旋桨2、导流罩3、U型架4、挡板5、尾舱 6、滚转舵机7、摆转舵机8;其中,滚转舵机7、摆转舵机8分别与U型架4相连构成偏转系统,主推电机1与螺旋桨2相连构成矢量推进器尾部,偏转系统、矢量推进器尾部分别与U型架4相连构成矢量推进器,其安装在水下航行器的尾舱6内,固定在挡板5上,可以为水下航行器提供矢量推力。
如图2的总体三维图和图4中的传动机构,其包括 :挡板5、尾舱6、滚转舵机7、摆转舵机8、外轴承支座9、传动轴10、连接架11、轴承12、轴承压盖13、O型圈14、轴承15、主套筒16、主轴17、传动件-1 18、连接板-1 19、连接板-2 20、舵机支架21、内轴承支座22、传动件-2 23。
如图3中的传动原理机构简图,为了能调整螺旋桨轴在空间的姿态,螺旋桨轴在空间必须有两个旋转自由度,加上螺旋桨轴绕自身轴线的旋转,该机构应该是3自由度传动装置。将螺旋桨轴安装在一个支架上,该支架可以绕另一支架旋转,而另一支架又可以绕箱体旋转,只要两个旋转方向正交,便可以达到螺旋桨轴全方位摆动的目的,螺旋桨轴在支架内也可以自旋,这样就有3个旋转自由度。从传动原理简图可以看出,安装螺旋桨轴的支架可以绕Y轴旋转,另一支架可以绕Z轴旋转,并且带动螺旋桨轴一起绕Z轴旋转,而螺旋桨轴本身可以沿着安装螺旋桨轴的支架旋转副旋转,因此螺旋桨轴在空间可以以O点为中心沿Y轴和Z轴旋转,以此调整螺旋桨轴的空间方位,并可以绕自身轴线自旋,以此调整螺旋桨转速,这样的设计可以保证螺旋桨轴在空间的姿态调整(包括空间方位和自旋转速),完成螺旋桨轴在空间 360°全方位偏转的设计要求。
实例中它们的连接关系为:连接架11的一端与主推电机1相连,另一端与传动轴10的中部连接。传动轴10与主轴17相连,传动轴10上装有轴承12与U型架4相配合,轴承压盖13与U型架4连接。主轴17上装有轴承15与舵机支架21相配合,主轴17的另一端摆转舵机8的输出轴相连。主套筒16一端与U型架4固连,主套筒16与主轴17之间采用旋转O型圈14进行动密封,主套筒16通过传动件-1 18实现轴向定位,传动件-1 18固定于主套筒16末端上,传动件-2 23与滚转舵机7的轴相连。滚转舵机7和摆转舵机8分别固定在连接板-1 19、连接板-220上,连接板-1 19与连接板-2 20分别固连在舵机支架21上,舵机支架21固定在挡板5上。主套筒16与尾舱6之间采用旋转O型圈14进行动密封,主轴17与主套筒16之间采用旋转O型圈14进行动密封。
如图5的舵机支架,其内部开有环形沟槽,通过轴承15实现与主轴17的相对转动,在外部也开有环形沟槽,其为了支撑传动件-2 23,完成传动件-2 23与传动件-1 18的传动。
如图6、图7的连接板-1 19和连接板-2 20,其一半开螺纹孔与舵机固连,另一半分别与传动件-2 23和主轴17固连。
本实例有两条运动传动链,一是摆转轴系传动链,实现尾部推进器上下摆动;二是滚转轴系传动链,实现尾部推进器整体左右水平滚转,以便调整尾部推进器的姿态,从而使尾部推进器相对水下航行器产生矢量推力。摆转轴系传动链:摆转舵机8输出的运动传递到主轴17上,主轴17与传动轴10相连,将运动传动递给传动轴10, 传动轴10再带动连接架11摆动,从而带动推进器尾部摆动,实现摆动范围是 -30°至 +30°。滚转轴系传动链:滚转舵机7输出的运动通过传动件-2 23传递到传动件-1 18上, 再经过主套筒16将运动传动递给U型架4,U型架4带动连接架11绕轴线滚转,从而带动推进器尾部绕其轴线在-180°至 +180°范围内滚转。通过两条传动链的运动合成,推进器尾部可以实现任意回转角度下的全方位偏转。在滚转舵机7、摆转舵机8的驱动下,推进器尾部首先回转到预定位置后,再改变其偏转角度,推进器尾部就可以获得在任意回转角度下的-30°至 +30°范围内的偏转,从而将推力矢量技术有机的结合到推进器上。

Claims (4)

1.一种水下机器人的矢量推进器,其特征在于,包括主推电机、螺旋桨、导流罩、传动机构、挡板、尾舱、滚转舵机和摆转舵机,主推电机位于导流罩内,通过支撑杆与导流罩连接,螺旋桨与主推电机连接构成推进器尾部,滚转舵机、摆转舵机分别与传动机构相连构成推进器前部,其安装在尾舱内部,推进器尾部和推进器前部通过传动机构连接构成矢量推进器。
2.根据权利要求1所述的一种水下机器人的矢量推进器,其特征在于所述矢量推进器尾部,其包括主推电机、螺旋桨和导流罩,主推电机位于导流罩内,通过支撑杆与导流罩连接,螺旋桨与主推电机连接构成推进器尾部。
3.根据权利要求1所述的一种水下机器人的矢量推进器,其特征在于所述摆转机构,其包括摆转舵机、主轴、U型架、传动轴和连接架,连接架与主推电机相连,并固定在传动轴上,传动轴与U型架相对转动,主轴与摆转舵机连接,摆转舵机驱动主轴,主轴与传动轴相连,并将其动力传递到在传动轴上的连接架上,从而实现推进器尾部绕竖直轴转动(±30°)。
4.根据权利要求1所述的一种水下机器人的矢量推进器,其特征在于所述滚转机构,其包括滚转舵机、传动件-1、传动件-2、主套筒和U型架,滚转舵机与传动件-2连接,传动件-1与传动件-2相连,传动件-1固定在主套筒上,主套筒与U型架连接,滚转舵机驱动传动件-2,传动件-2与传动件-1相连,并将动力传递到主套筒上,进而传递到U型架上,驱动推进器尾部绕水平轴向转动(±180°),将摆转舵机与滚转舵机的运动结合,从而可以实现推进器在空间任意方向上的偏转。
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CN110481739A (zh) * 2019-09-03 2019-11-22 中国船舶科学研究中心(中国船舶重工集团公司第七0二研究所) 深海全回转推进装置
CN113697078B (zh) * 2021-09-26 2022-06-07 河北科技师范学院 一种水下机器人

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