CN109572970B - 一种水下机器人的矢量推进器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下机器人的矢量推进器结构，包括变桨装置、支撑装置和传动装置。变桨装置包括螺旋桨桨叶、桨毂、桨叶轴、桨叶轴齿轮、齿条和齿条固定台，螺旋桨的变桨装置可以根据水流流速的变化对其桨叶角度进行调节以确定桨叶产生的推力、电机功率和机器人机体具有良好的配合，提高推进效率。支撑装置包括绳索固定环、绳索、推进器外壳和滑轮，滑轮支撑绳索使其保持拉伸状态。传动装置包括电机、磁耦合器、柔性传动单元和轮毂组成的主传动装置和辅助传动装置，分别用于推进器推力大小和方向的改变。通过控制三组从动绳索的长度，能够使螺旋桨轴线快速旋转至所需摆动的角度，实现矢量推进。

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技术领域,具体应用于水下机器人的矢量推进装置。

背景技术

目前水下机器人多采用螺旋桨推进器作为推进装置，单个螺旋桨推进器只能产生大小可变而方向固定的推进力，而当机器人需要进行不同方向运动时，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方向推进力。与一般推进器不同，矢量推进器除了能提供前进推进力外，还能根据机器人操作任务需求产生其它方向上的推进力，可以极大地提高低速航行时水下机器人的转向能力和定位能力。目前，矢量推进机构仅局限于传统串联机构、六自由度并联机构或一些多组齿轮配合传动实现矢量推进。然而，传统串联机构的重量大，很难适应深海重压环境，虽然六自由度并联机构在灵活性和自重负荷比等方面能满足不同方向操作要求，但是其工作空间小、结构和控制较复杂，也很难应用于工程实际。

发明内容

本发明为克服已有矢量推进器的缺点，提出一种新型轻质柔性传动的矢量推进器装置，对水下机器人的不同运动姿态的实现以及海底灵活作业具有重要意义。

为达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种水下机器人的矢量推进器，包括变桨装置、支撑装置、主传动装置和辅助传动装置；

所述的变桨装置实现桨叶方向的改变，所述的主传动装置通过柔性传动单元与变桨装置相连，所述的主传动装置可改变推进器推力的大小，为变桨装置提供一定的推力；所述的辅助传动装置用于改变推力的方向；所述的支撑装置为整个装置提供一定的支撑力。

作为进一步的技术方案，所述的变桨装置包括螺旋桨桨叶、桨毂、桨叶轴、桨叶轴齿轮、齿条和齿条固定台；在所述的桨毂的圆周方向上设有多个所述的桨叶轴，所述桨叶轴一端延伸到桨毂外与螺旋桨桨叶相连，另一端位于桨毂内与一个齿轮相连；所述的齿轮与齿条啮合传动，变桨电机通过传动装置驱动齿条做直线运动。

具体的工作过程是：变桨电机驱动齿条做直线运动，齿条通过与齿轮的啮合带动桨叶轴旋转，实现螺旋桨桨叶的变桨；齿条的通过上下相反的运动方向来控制变桨的方向。

作为进一步的技术方案，所述的支撑装置包括固定环、绳索、推进器外壳；在所述的推进器外壳内壁上设有走线槽；绳索的一端连接辅助传动装置，另外一端穿过走线槽和柔性传动单元连接在绳索固定环上。

作为进一步的技术方案，所述推进器外壳为环形圆柱，壳体内表面沿周向间隔均匀地布置有多组走线槽。

作为进一步的技术方案，在所述的走线槽内安装有滑轮，滑轮个数及安装位置可根据具体情况调节；滑轮的设置使绳索处于拉伸状态。

作为进一步的技术方案，所述主传动装置用于改变推进器推力的大小，其包括主电机、主磁耦合器和所述的柔性传动单元；所述的主电机通电运转，通过主磁耦合器将动力传递给柔性传动单元，进而传递给工作部件变桨装置。

作为进一步的技术方案，所述辅助传动装置包括辅助电机、辅助磁耦合器和轮毂，用于改变推力的方向；所述轮毂上安装有制动装置，用于紧急停止其运转，使得绳索在水下机器人不同运动状态下能提供改变推进器方向的对应长度；所述的辅助电机通电运转，通过辅助磁耦合器将动力传递给所述的轮毂；通过控制多个轮毂的转速来改变对应绳索的长度及螺旋桨摆动的角度，实现推力方向的改变。

作为进一步的技术方案，所述的辅助传动装置共有多个，多个辅助传动装置绕着水平中心轴间隔均匀地安置于推进器壳体空间内。

作为进一步的技术方案，多个辅助传动装置的轮毂各自与支撑装置的绳索相连。

作为进一步的技术方案，所述的柔性传动单元包括软轴、软管和软管接头；所述的软轴安置于软管内部，由软管支撑固定；软管两端分别通过软管接头与推进器外壳和桨叶装置的桨毂连接；软管接头内壁沿周向间隔均匀地安装有多个绳索固定环，分别用于连接多组绳索。

本发明具有如下优点：

1、本发明的部件比较很少，结构简单，因此推进器的重量轻；设计精巧，所有走线都在壳体内部，避免水草和电缆缠绕。

2、相比于传统的刚性结构控制，绳索结构在深海区域耐压，便于制造；

3、本发明仅仅通过改变绳索的长度来控制螺旋桨轴线的方向，从而改变推进器推力方向，摆动动作灵活；

4、螺旋桨内部的变桨装置可以根据水流的变化对其桨叶角度进行调节以确定桨叶产生的推力、电机功率和机器人机体具有良好的配合，提高推进效率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为根据一个或多个实施方式的矢量推进器的结构示意图；

图2是图1的侧视图；

图3、图4、图5是变桨装置的内部结构示意图；

其中：1螺旋桨桨叶，2变桨机构，3软管接头，4软管，5绳索，6主磁耦合器，7主电机，8-1、8-2、8-3辅助电机，9-1、9-2、9-3辅助磁耦合器，10-1、10-2、10-3轮毂，11推进器外壳，12-1、12-2、12-3绳索固定环，13软轴，14滑轮，15柔性传动单元，16桨叶轴，17桨叶轴齿轮，18齿条，19电机固定板，20走线槽，22齿条固定台，23桨毂。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中矢量推进机构仅局限于传统串联机构、六自由度并联机构或一些多组齿轮配合传动实现矢量推进。然而，传统串联机构的重量大，很难适应深海重压环境，虽然六自由度并联机构在灵活性和自重负荷比等方面能满足不同方向操作要求，但是其工作空间小、结构和控制较复杂，也很难应用于工程实际，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种水下机器人的矢量推进器。

结合图1、2、3、4和5中，本发明的水下机器人的矢量推进器特征在于：包括变桨装置、支撑装置和传动装置。

变桨装置包括一对螺旋桨桨叶1、桨毂23、桨叶轴16、桨叶轴齿轮17、齿条18和齿条固定台22。桨毂23的圆周方向上设置有多个桨叶轴16，桨叶轴16一端延伸到桨毂外与螺旋桨桨叶1相连，另一端位于桨毂内的桨叶轴齿轮17相连；桨叶轴齿轮17与齿条18啮合传动，齿条18安装在齿条固定台22上，齿条固定台22内的传动机构与变桨电机连接。

进一步的，可以选择变桨轴、变桨齿轮和齿条左、右各一组，分别控制一对桨叶的桨叶角度变化。变桨电机通过传动机构将动力传递到齿条18，齿条18与桨叶轴齿轮17啮合传动，带动桨叶轴16旋转，从而改变桨叶的角度，实现螺旋桨桨叶1的变桨。变桨电机通过控制齿条18沿着桨毂23轴线方向上的运动来控制变桨的方向，对应图3中，即齿条18上、下运动，齿轮对应的顺时针转或逆时针转，进而实现桨叶轴的顺时针转或逆时针转。

在本实施例中，支撑装置包括绳索固定环12-1、12-2、12-3、绳索5-1、5-2、5-3、推进器外壳11和滑轮14。三个绳索固定环沿周向间隔均匀地固定在软管接头3内壁上。绳索5-1、5-2、5-3一端连接在绳索固定环12-1、12-2、12-3上，另一端缠绕在轮毂10-1、10-2、10-3上，并通过若干个滑轮14来支撑，使其处于拉伸状态。推进器外壳11为环形圆柱，内部沿周向开有三个走线槽，用于绳索穿线。滑轮14安装于推进器外壳11的走线槽20内，滑轮个数及安装位置可根据机器人所需推进器型号及尺寸的大小来调节。

在其他实施例中，绳索的个数可以根据实际情况进行选择，不限定于三个。

传动装置包括主传动装置和辅助传动装置，分别用于改变推进器推力的大小和方向。主传动装置由主电机7、磁耦合器6和柔性传动单元15。所述的柔性传动轴15包括软轴13、软管4和软管接头3。软轴13安置于软管4内部，由软管4支撑固定；软管4两端分别通过软管接头3与磁耦合器6和变桨机构2的桨毂23固定连接。主电机通电运转，通过磁耦合器将动力传递给柔性传动单元，进而传递给工作部件桨叶装置。

在本实施例中，辅助传动装置包括辅助电机8-1、8-2、8-3、磁耦合器9-1、9-2、9-3和轮毂10-1、10-2、10-3；辅助传动装置共有三组，绕着水平中心轴间隔均匀地安置于推进器壳体内。主电机和辅助电机均由电机固定板19固定在推进器外壳11内。辅助电机通电运转，通过磁耦合器将动力传递给轮毂。通过控制三个轮毂的转速来改变对应绳索的长度及螺旋桨摆动的角度，实现推力方向的改变。

在其他实施例中，辅助传动装置的个数可以根据实际情况进行选择，不限定于三个。

现以机器人在水下的一种直航运动姿态来具体说明。

水下机器人在前后直航运动中，主传动装置中的主电机7通电，经由传动装置中的主磁耦合器6、软管接头3、软管4和软轴13将主动力传输给桨叶装置中的变桨机构2，变桨机构2带动螺旋桨桨叶1转动，从而在水中产生前进推力。其中，推力的大小由主电机7的转速决定。同时，辅助传动装置中的辅助电机8-1、8-2、8-3三个电机分别以同等功率通电运转，将动力传输给支撑装置中的轮毂10-1、10-2、10-3，轮毂10-1、10-2、10-3分别以同等角速度旋转，拉紧绳索5-1、5-2、5-3。三根绳索经由若干个滑轮14支撑，并保持相同的长度，最终保持软轴轴线与螺旋桨轴线在同一水平面内，实现水平推进。机器人的不同运动姿态由绳索的长度来调节改变。通过控制辅助传动装置中的电机转速来控制对应轮毂的转速，从而控制绳索的长度。改变螺旋桨所在平面与水平面的角度，来改变推进器推力的方向。

最后需要说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改和等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围。

Claims (9)

1.一种水下机器人的矢量推进器，其特征在于，包括变桨装置、支撑装置、主传动装置和辅助传动装置；

所述的变桨装置能实现桨叶方向的改变，所述的主传动装置通过柔性传动单元与变桨装置相连，所述的主传动装置可改变推进器推力的大小，为变桨装置提供一定的推力；所述的辅助传动装置用于改变推进器的方向；所述的支撑装置为整个装置提供一定的支撑力；

所述的支撑装置包括绳索固定环、绳索、推进器外壳；在所述的推进器外壳内壁上设有走线槽；绳索的一端连接辅助传动装置，另外一端穿过走线槽和柔性传动单元连接在绳索固定环上。

2.如权利要求1所述的水下机器人的矢量推进器，其特征在于，所述的变桨装置包括螺旋桨桨叶、桨毂、桨叶轴、桨叶轴齿轮、齿条和齿条固定台；在所述的桨毂的圆周方向上设有多个所述的桨叶轴，所述桨叶轴一端延伸到桨毂外与螺旋桨桨叶相连，另一端位于桨毂内与一个齿轮相连；所述的齿轮与齿条啮合传动，变桨电机通过传动装置驱动齿条做直线运动。

3.如权利要求1所述的水下机器人的矢量推进器，其特征在于，所述推进器外壳为环形圆柱，壳体内表面沿周向间隔均匀地布置有多组走线槽。

4.如权利要求1所述的水下机器人的矢量推进器，其特征在于，在所述的走线槽内安装有滑轮，滑轮个数及安装位置可根据具体情况调节；滑轮的设置使绳索处于拉伸状态。

5.如权利要求1所述的水下机器人的矢量推进器，其特征在于，所述主传动装置，包括主电机、主磁耦合器和所述的柔性传动单元；所述的主电机通电运转，通过主磁耦合器将动力传递给柔性传动单元，进而传递给工作部件变桨装置。

6.如权利要求1所述的水下机器人的矢量推进器，其特征在于，所述辅助传动装置包括辅助电机、辅助磁耦合器和轮毂；所述轮毂上安装有制动装置；所述的辅助电机通电运转，通过辅助磁耦合器将动力传递给所述的轮毂。

7.如权利要求6所述的水下机器人的矢量推进器，其特征在于，所述的辅助传动装置共有多个，多个辅助传动装置绕着水平中心轴间隔均匀地安置于推进器壳体空间内。

8.如权利要求7所述的水下机器人的矢量推进器，其特征在于，多个辅助传动装置的轮毂各自与支撑装置的绳索相连。

9.如权利要求1所述的水下机器人的矢量推进器，其特征在于，所述的柔性传动单元包括软轴、软管和软管接头；所述的软轴安置于软管内部，由软管支撑固定；软管两端分别通过软管接头与推进器外壳和变桨装置的桨毂连接；软管接头内壁沿周向间隔均匀地安装有多个绳索固定环，分别用于连接多组绳索。

Images