CN109866902B - 一种单螺旋桨矢量推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于无人水下机器人领域，具体地说是一种单螺旋桨矢量推进装置，水平球面转动平台销接于外框架上，推进电机安装座销接于水平球面转动平台的内部，主推电机连接于推进电机安装座上、输出端与螺旋桨相连；水平电机安装在水平球面转动平台上，输出轴通过水平摇柄、水平连杆与推进电机安装座相连，带动推动电机安装座、主推电机及螺旋桨相对于水平球面转动平台在水平面转动；垂直电机安装在外框架上，输出轴通过垂直摇柄、垂直连杆与水平球面转动平台连接，带动水平球面转动平台相对于外框架在垂直面转动。本发明简单合理，结构紧凑，操控动作和控制方便，使水下航行器低速航行时拥有较高的机动性和灵活性，能够适应情况复杂的海底环境。

Description

一种单螺旋桨矢量推进装置

技术领域

本发明属于无人水下机器人领域，具体地说是一种单螺旋桨矢量推进装置。

背景技术

无人水下机器人(AUV)作为探索水下空间的关键设备，具有部署能力强、成本低等优势，已成为探索海洋、开发海洋必不可少的手段。随着对海洋探知的不断加深，对AUV的功能要求越来越高。理想的AUV不仅应具备大范围机动巡航的能力，同时还应具备低速下机动定位能力。当前AUV一般采用主推加鳍舵的控制方式，航行时通过舵面产生的流体升力与舵面相互作用来改变航行器的姿态，流体升力的大小取决于AUV的速度，速度越大，流体升力越大，反之越小；低航速下，以鳍舵构成的操纵面控制效率就会严重降低，甚至出现失效的情况。

为解决这一问题，可以采用矢量推进技术。目前，大多采用多个螺旋桨推进装置配合产生不同方向、不同大小的推进力，实现航行器的各种机动运动；但这种推进方式破坏形体流线，增大体积，为实现某一个机动动作时，某个螺旋桨甚至可能会阻碍载体的运动，消耗额外的动力。国内研究的其它通过偏转单个螺旋桨的方向来实现水下航行器的矢量控制推进装置，结构复杂，加工、装配工艺高、动作操控困难，不易应用于实际产品中。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种单螺旋桨矢量推进装置。该单螺旋桨矢量推进装置通过旋转一个螺旋桨和主推电机的方向即可实现矢量控制，可以使AUV采用单独的螺旋桨来完成更多的机动航行动作，极大地提高AUV低速下的机动性能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括螺旋桨、主推电机、水平运动机构、垂直运动机构及外框架，其中水平运动机构包括推进电机安装座、水平球面转动平台、水平电机、水平连杆及水平摇柄，该水平球面转动平台销接于外框架上，所述推进电机安装座销接于水平球面转动平台的内部，所述主推电机连接于推进电机安装座上、输出端与所述螺旋桨相连；所述水平电机安装在水平球面转动平台上，输出轴通过水平摇柄、水平连杆与推进电机安装座相连，带动该推动电机安装座、主推电机及螺旋桨相对于水平球面转动平台在水平面转动；所述垂直运动机构包括垂直电机、垂直连杆及垂直摇柄，该垂直电机安装在所述外框架上，输出轴通过垂直摇柄、垂直连杆与所述水平球面转动平台连接，带动该水平球面转动平台相对于外框架在垂直面转动；

其中：所述水平摇柄的一端与水平电机的输出轴相连，另一端与所述水平连杆的一端销接，该水平连杆的另一端与所述推进电机安装座销接；所述水平电机的输出轴、水平摇柄、水平连杆与推进电机安装座形成平面四杆机构，驱动所述螺旋桨和主推电机在水平面运动；

所述垂直摇柄的一端与垂直电机的输出轴相连，另一端与所述垂直连杆的一端销接，该垂直连杆的另一端与所述水平球面转动平台销接；所述垂直电机的输出轴、垂直摇柄、垂直连杆与水平球面转动平台形成平面四杆机构，驱动所述水平运动机构、主推电机及螺旋桨在垂直面运动；

所述推进电机安装座的外表面为球面A，并在垂直方向开设有用于与所述水平球面转动平台销接的销轴孔A；所述推进电机安装座朝向外框架内部的一端设有双耳环，该双耳环上开设有用于与所述水平连杆销接的销轴孔B；

所述水平球面转动平台的外表面为球面B、内表面为球面C，并在水平方向开设有用于与所述外框架销接的销轴孔C；所述水平球面转动平台朝向外框架内部的一端，其中一侧连接有用于安装水平电机的水平电机安装座，另一侧连接有安装架，该安装架上开设有用于与所述水平连杆另一端销接的销轴孔D；

所述外框架靠近尾部的内表面为球面D；所述水平连杆及垂直连杆均为阶梯状结构，即该水平连杆及垂直连杆的两端平行但不共线，中间设有阶梯；

所述水平电机输出轴的轴向中心线与垂直电机输出轴的轴向中心线相互垂直，所述外框架内安装有压力补偿器，所述主推电机、水平电机及垂直电机分别与压力补偿器相连，通过该压力补偿器进行压力补偿。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明推进水下航行器航行时产生的操控力与推力有关，与航速无关，在低速下出能具有良好的机动性，适用于水下避碰、水下对接、水下精确轨迹跟踪等对操纵性要求高的场合。

2.本发明控制单螺旋桨输出推力方向，操控动作灵活、简单，控制方便，使水下航行器下潜、上浮和偏转航向等过程更加顺利，在获得良好的机动能力同时，不降低推进效率，可以保证航行器的航程能力。

3.本发明结构简单紧凑、占用空间小，性能可靠，便于维护，可适用于不同尺寸系列的水下航行器。

附图说明

图1为本发明的机构运动原理图；

图2为本发明总装的立体结构示意图之一；

图3为本发明总装的立体结构示意图之二；

图4为本发明总装的立体结构示意图之三；

图5为本发明水平运动机构的立体结构示意图之一；

图6为本发明水平运动机构的立体结构示意图之二；

图7为本发明推进电机安装座的立体结构示意图；

图8为本发明水平球面转动平台的立体结构示意图；

图9为本发明外框架的立体结构示意图；

其中：1为螺旋桨，2为主推电机，3为水平运动机构，4为垂直运动机构，5为推进电机安装座，6为水平球面转动平台，7为水平电机，8为水平连杆，9为水平摇柄，10为外框架，11为垂直电机，12为垂直连杆，13为垂直摇柄，14为压力补偿器，15为球面A，16为销轴孔A，17为销轴孔B，18为球面B，19为球面C，20为销轴孔C，21为销轴孔D，22为水平电机安装座，23为球面D，24为双耳环。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～9所示，本发明包括螺旋桨1、主推电机2、水平运动机构3、垂直运动机构4、外框架10及压力补偿器14，其中水平运动机构3包括推进电机安装座5、水平球面转动平台6、水平电机7、水平连杆8及水平摇柄9，垂直运动机构4包括垂直电机11垂直连杆12及垂直摇柄13。

螺旋桨1与主推电机2同轴安装于推进电机安装座5上形成一个整体。主推电机2固接于推进电机安装座5上、输出端与螺旋桨1通过联轴器连接，推进电机安装座5的外表面为球面A15，并在垂直方向开设有两个用于与水平球面转动平台6销接的销轴孔A16。推进电机安装座5朝向外框架10内部的一端设有双耳环24，该双耳环24上预留有销轴孔B17。推进电机安装座5上的两个销轴孔A16各设有一个竖直销轴，通过这两个竖直销轴销接于水平球面转动平台6的内部。

外框架10靠近尾部的内表面为球面D23。水平球面转动平台6的外表面为球面B18、内表面为球面C19，并在水平方向开设有两个用于与外框架10销接的销轴孔C20。水平球面转动平台6朝向外框架10内部的一端，其中一侧连接有用于安装水平电机7的水平电机安装座22，另一侧连接有安装架25，该安装架25上开设有用于与水平连杆8另一端销接的销轴孔D21。水平球面转动平台6上的两个销轴孔C20各设有一个水平销轴，通过这两个水平销轴与外框架10靠近尾部的内部销接。两个竖直销轴之间的连线与两个水平销轴之间的连线相垂直。

水平电机7通过螺钉与水平球面转动平台6上一侧的水平电机安装座22固连，水平摇柄9的一端与水平电机7的输出轴相连，另一端与水平连杆8的一端销接，该水平连杆8的另一端与推进电机安装座5上双耳环24预留的销轴孔B17销接。水平电机7的输出轴、水平摇柄9、水平连杆8与推进电机安装座5形成平面四杆机构，驱动螺旋桨1和主推电机2在水平面运动。

垂直电机11安装在外框架10内部靠近头部的一端，垂直摇柄13的一端与垂直电机11的输出轴相连，另一端与垂直连杆12的一端销接，该垂直连杆12的另一端与水平球面转动平台6上安装架25上的销轴孔D21销接。垂直电机11的输出轴、垂直摇柄13、垂直连杆12与水平球面转动平台6形成平面四杆机构，驱动水平运动机构3、主推电机2及螺旋桨1在垂直面运动。

本发明的水平连杆8及垂直连杆12均为阶梯状结构，即该水平连杆8及垂直连杆12的两端平行但不共线，中间设有阶梯。

水平电机7输出轴的轴向中心线与垂直电机11输出轴的轴向中心线相互垂直，外框架10内安装有压力补偿器14，主推电机2、水平电机7及垂直电机11分别与压力补偿器14相连，通过该压力补偿器14进行压力补偿，可使推进装置工作在全海深。

本发明的压力补偿器14为现有技术，型号可为TY.03-01。

本发明的工作原理为：

水平电机7的输出轴、水平连杆8、水平摇柄9和推进电机安装座5形成一个平面四杆机构，水平电机7输出力矩后通过该平面四杆机构驱动主推电机2和螺旋桨1整体在水平方向上运动。垂直电机11、垂直摇柄13、垂直连杆12和水平球面转动平台6形成另一个平面四杆机构，垂直电机7输出力矩后通过该平面四杆机构驱动水平运动机构13在垂直方向上运动。水平电机7和垂直电机11单独控制螺旋桨1在水平和垂直方向上的运动，实现单个螺旋桨的矢量控制。

本发明主要应用在无人水下机器人(AUV)领域，可为无人水下机器人航行时在俯仰、横滚等方向上提供推进力和力矩，代替舵产生的转向力来控制。本发明结构设计简单合理，结构紧凑，操控动作和控制方便，使水下航行器低速航行时拥有较高的机动性和灵活性，能够适应情况复杂的海底环境。

Claims (8)

1.一种单螺旋桨矢量推进装置，其特征在于：包括螺旋桨(1)、主推电机(2)、水平运动机构(3)、垂直运动机构(4)及外框架(10)，其中水平运动机构(3)包括推进电机安装座(5)、水平球面转动平台(6)、水平电机(7)、水平连杆(8)及水平摇柄(9)，该水平球面转动平台(6)销接于外框架(10)上，所述推进电机安装座(5)销接于水平球面转动平台(6)的内部，所述主推电机(2)连接于推进电机安装座(5)上、输出端与所述螺旋桨(1)相连；所述水平电机(7)安装在水平球面转动平台(6)上，输出轴通过水平摇柄(9)、水平连杆(8)与推进电机安装座(5)相连，带动推动电机安装座(5)、主推电机(2)及螺旋桨(1)相对于水平球面转动平台(6)在水平面转动；所述垂直运动机构(4)包括垂直电机(11)、垂直连杆(12)及垂直摇柄(13)，该垂直电机(11)安装在所述外框架(10)上，输出轴通过垂直摇柄(13)、垂直连杆(12)与所述水平球面转动平台(6)连接，带动该水平球面转动平台(6)相对于外框架(10)在垂直面转动；

所述水平摇柄(9)的一端与水平电机(7)的输出轴相连，另一端与所述水平连杆(8)的一端销接，该水平连杆(8)的另一端与所述推进电机安装座(5)销接；所述水平电机(7)的输出轴、水平摇柄(9)、水平连杆(8)与推进电机安装座(5)形成平面四杆机构，驱动所述螺旋桨(1)和主推电机(2)在水平面运动；

所述垂直摇柄(13)的一端与垂直电机(11)的输出轴相连，另一端与所述垂直连杆(12)的一端销接，该垂直连杆(12)的另一端与所述水平球面转动平台(6)销接；所述垂直电机(11)的输出轴、垂直摇柄(13)、垂直连杆(12)与水平球面转动平台(6)形成平面四杆机构，驱动所述水平运动机构(3)、主推电机(2)及螺旋桨(1)在垂直面运动。

2.根据权利要求1所述的单螺旋桨矢量推进装置，其特征在于：所述推进电机安装座(5)的外表面为球面A(15)，并在垂直方向开设有用于与所述水平球面转动平台(6)销接的销轴孔A(16)。

3.根据权利要求2所述的单螺旋桨矢量推进装置，其特征在于：所述推进电机安装座(5)朝向外框架(10)内部的一端设有双耳环(24)，该双耳环(24)上开设有用于与所述水平连杆(8)销接的销轴孔B(17)。

4.根据权利要求1所述的单螺旋桨矢量推进装置，其特征在于：所述水平球面转动平台(6)的外表面为球面B(18)、内表面为球面C(19)，并在水平方向开设有用于与所述外框架(10)销接的销轴孔C(20)。

5.根据权利要求4所述的单螺旋桨矢量推进装置，其特征在于：所述水平球面转动平台(6)朝向外框架(10)内部的一端，其中一侧连接有用于安装水平电机(7)的水平电机安装座(22)，另一侧连接有安装架(25)，该安装架(25)上开设有用于与所述水平连杆(8)另一端销接的销轴孔D(21)。

6.根据权利要求1所述的单螺旋桨矢量推进装置，其特征在于：所述外框架(10)靠近尾部的内表面为球面D(23)。

7.根据权利要求1所述的单螺旋桨矢量推进装置，其特征在于：所述水平连杆(8)及垂直连杆(12)均为阶梯状结构，即该水平连杆(8)及垂直连杆(12)的两端平行但不共线，中间设有阶梯。

8.根据权利要求1所述的单螺旋桨矢量推进装置，其特征在于：所述水平电机(7)输出轴的轴向中心线与垂直电机(11)输出轴的轴向中心线相互垂直，所述外框架(10)内安装有压力补偿器(14)，所述主推电机(2)、水平电机(7)及垂直电机(11)分别与压力补偿器(14)相连，通过该压力补偿器(14)进行压力补偿。

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