CN110979606A - 一种水下航行器收展式扑翼机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水下航行器收展式扑翼机构，由机架、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆及机翼组成，各连杆之间通过转动副连接；机构需要通过两个驱动输入实现机翼的折展、扑动，机翼折展过程可以有效减小航行器的升力，本机构简单，机构参数可依据机翼后掠角确定，易于加工制作和控制。本发明也可以通过机翼折展控制水下航行器的升力、阻力及升阻比等水动力参数，为水下航行器依据复杂海洋环境自适应调节水动力参数提供了可能。

Description

一种水下航行器收展式扑翼机构

技术领域

本发明属于带翼水下航行器技术领域，特别涉及一种水下航行器收展式扑翼机构。

背景技术

传统水下滑翔机是一种可通过控制自身浮力，将机翼升力转化为水平动力从而实现在海洋中滑行前进的一种水下自主航行器。传统水下滑翔机已在海洋遥感和数据采集中得到了广泛的应用，但由于其主要依靠浮力驱动且驱动力非常有限，只能走锯齿状轨迹，无法穿越较强的海流，也无法实现定深航行以满足特殊的探测需求，例如定深组网、水质量调查，地貌探测等。

为克服以上不足，混合驱动水下滑翔机开始出现。天津大学研制的“海燕”混合驱动水下滑翔机在传统滑翔机的基础上引入螺旋桨推进，既可以抵抗较强的海流，同时可以实现定深航行来满足多种任务需求，具有更高的机动性和航行速度，有效弥补当前滑翔机的速度低，运动形式单一等问题，既保留了滑翔机长航程的优点，又具有AUV的机动快速性，且能够将两者的优势融合。但将螺旋桨的推进模式增加到水下滑翔机上，势必会产生两种运动和操控方式的耦合及相互影响，为此可能无法充分发挥两种模式的各自优势，甚至会削弱原有功能。为解决上述问题，国内外一些学者提出可变机翼设计(即通过改变机翼攻角、后掠角或展弦比，进而改变滑翔机水动外形)，以提高水下滑翔机动力学性能。2009年，日本学者Arima设计了具有改变机翼攻角能力的可变翼水下滑翔机模型ALEX，通过运动仿真和水池试验，验证了可变机翼的优势。USM大学的Isa建立了拥有可变机翼的水下滑翔机动力学模型，并进行了运动仿真。西北工业大学对可变翼混合驱动水下滑翔机进行了建模与仿真，验证了其具有更强的转弯能力，即航行机动性较高。浙江大学对可变翼(变攻角和后掠角)水下滑翔机进行了建模与仿真，验证了其具有较高航行机动性。天津大学综合平面五杆机构和双平行四边形机构设计了水下滑翔机变翼机构。但总体来看，国内外对可变翼水下滑翔机的研究处于起步和尝试阶段，虽开发了样机，但只是将滑翔机与可变翼的功能简单组合，有待系统的理论指导和深入研究。很少有研究通过折展翼来提高水下滑翔机在螺旋桨推进模式下的机动能力。

现有的可变翼装置主要依靠连杆机构或者电机直驱实现，运动形式主要是展弦比、后掠角和攻角，而带翼水下航行器在螺旋桨高速推进状态下，机翼的升力会产生转动力矩，对整机运动稳定性和按照预定轨迹航行精度带来极大的干扰，另外带翼水下航行器的机翼在航行器低速状态下，升力又可以作为前进的动力来源，如水下滑翔机。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，为提高混合驱动的带翼水下航行器在不同驱动模式下的运动稳定性，提供一种水下航行器收展式扑翼机构，能够根据航行器运动模式需求展开机翼、收起机翼，另外该发明还能作为扑翼，为航行器提供航行动力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种水下航行器收展式扑翼机构，包括机架、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆及机翼，

第一连杆与机架通过第一转动副连接，第一连杆与第二连杆通过第二转动副连接，第二连杆与第三连杆通过第三转动副连接，第三连杆与第四连杆通过第四转动副连接，第四连杆与第五连杆通过第五转动副连接，第五连杆与第六连杆通过第六转动副连接，第三连杆与第六连杆通过第七转动副连接，机架与第三连杆通过第八转动副连接，机翼与第五连杆固联。

进一步的，第四转动副轴线与第五转动副轴线夹角为α₂，第五转动副轴线与第六转动副轴线夹角为α₁，第六转动副轴线与第七转动副轴线夹角为α₄，第四转动副轴线与第七转动副轴线夹角为α₃，所述的第四转动副轴线、第五转动副轴线、第六转动副轴线和第七转动副轴线相交于一点O；所述的第一转动副轴线、第二转动副轴线、第三转动副轴线和第八转动副轴线相互平行且不重合，第一转动副轴线、第三转动副轴线和第八转动副轴线不共面。

进一步的，机翼后掠角的补角为γ，第四转动副轴线与第七转动副轴线夹角为α₃作为已知量时，α₁、α₄、α₂的角度值表达式为：

进一步的，所述收展式扑翼机构有两个驱动输入，第一转动副或者第二转动副作为第一驱动输入；第四转动副、第五转动副、第六转动副和第七转动副中的任意一个为第二驱动输入。

进一步的，所述的第二转动副可以替换为移动副，所述移动副的移动方向与第一转动副轴线或第三转动副轴线垂直。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明给出了一种依据机翼后掠角进行折展翼机构设计的方法，收展式扑翼机构通过合理配置球面四杆机构的杆件夹角参数，同时合理安装机翼在球面四杆机构上的位置，一个自由度驱动就可以实现机翼整体的收展，机翼折展过程可以有效减小航行器的升力，机构简单，机构参数可依据机翼后掠角确定，易于加工制作和控制，另外通过合理配置扑动自由度与球面四杆机构关系，在两个驱动输入的配合下可实现机翼的扑动，进而对航行器产生推进力。本发明通过两个驱动输入，实现了机翼收展运动和扑动运动，结构简单，整体装置也可以通过改变机翼位姿控制水下航行器的升力、阻力及升阻比等水动力参数，为水下航行器依据复杂海洋环境自适应调节水动力参数提供了可能。

附图说明

图1为本发明实施例1局部结构示意图。

图2为本发明实施例1局部带翼结构示意图。

图3为本发明实施例1局部带翼结构完全展开示意图。

图4为本发明实施例1整体结构示意图。

图5为本发明实施例2水下航行器连杆机构总示意图。

图6为本发明实施例1和实施例2机翼角度示意图。

图7为机翼后掠角补角γ＝60°时图1结构参数的变化关系。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

如图1、图2、图3、图4、图6和图7所示，一种水下航行器收展式扑翼机构，其由机架A、第一连杆G1、第二连杆G2、第三连杆G3、第四连杆G4、第五连杆G5、第六连杆G6及机翼D组成。

第一连杆G1与机架A通过第一转动副R1连接，第一连杆G1与第二连杆G2通过第二转动副R2连接，第二连杆G2与第三连杆G3通过第三转动副R3连接，第三连杆G3与第四连杆G4通过第四转动副R4连接，第四连杆G4与第五连杆G5通过第五转动副R5连接，第五连杆G5与第六连杆G6通过第六转动副R6连接，第三连杆G3与第六连杆G6通过第七转动副R7连接，机架A与第三连杆G3通过第八转动副R8连接，机翼D与第五连杆G5固联。

第四转动副R4轴线与第五转动副R5轴线夹角为α₂，第五转动副R5轴线与第六转动副R6轴线夹角为α₁，第六转动副R6轴线与第七转动副R7轴线夹角为α₄，第四转动副R4轴线与第七转动副R7轴线夹角为α₃，第四转动副轴线R4、第五转动副R5轴线、第六转动副R6轴线和第七转动副R7轴线相交于一点O。第一转动副R1、第二转动副R2、第三转动副R3和第八转动副R8的轴线相互平行且不重合，第一转动副R1、第三转动副R3、第八转动副R8三者不共面。如图6所示，机翼后掠角的补角γ＝60°，第四转动副R4轴线与第七转动副R7轴线夹角α₃从0°-90°变化时，可以得到α₁、α₂、α₄的角度值，如图7所示，取α₃＝45°，可以得到α₁＝15°、α₂＝30°、α₄＝60°。

本发明的机构需要有两个驱动输入，第一转动副R1或者第二转动副R2作为第一驱动输入，第四转动副R4、第五转动副R5、第六转动副R6和第七转动副R7中任选其一作为第二驱动输入。

实施例2：

如图1、图2、图3、图5，图6和图7所示，一种水下航行器收展式扑翼机构，其由机架A、第一连杆E1、第二连杆E2、第三连杆G3、第四连杆G4、第五连杆G5、第六连杆G6及机翼D组成。

第一连杆E1与机架A通过第一转动副连接，第一连杆E1与第二连杆E2通过移动副连接，第二连杆E2与第三连杆G3通过第三转动副连接，第三连杆G3与第四连杆G4通过第四转动副连接，第四连杆G4与第五连杆G5通过第五转动副连接，第五连杆G5与第六连杆G6通过第六转动副连接，第三连杆G3与第六连杆G6通过第七转动副连接，机架A与第三连杆G3通过第八转动副连接，机翼D与第五连杆G5固联。

第四转动副轴线与第五转动副轴线夹角为α₂，第五转动副轴线与第六转动副轴线夹角为α₁，第六转动副轴线与第七转动副轴线夹角为α₄，第四转动副轴线与第七转动副轴线夹角为α₃，第四转动副轴线、第五转动副轴线、第六转动副轴线和第七转动副轴线相交于一点O。第一转动副、第三转动副和第八转动副的轴线相互平行且不重合，第一转动副、第三转动副、第八转动副三者不共面。如图6所示，机翼后掠角的补角γ＝60°，第四转动副轴线与第七转动副轴线夹角α₃从0°-90°变化时，可以得到α₁、α₂、α₄的角度值，如图7所示，取α₃＝45°，可以得到α₁＝15°、α₂＝30°、α₄＝60°。

本发明的机构需要有两个驱动输入，第一转动副或者移动副作为第一驱动输入，第四转动副、第五转动副、第六转动副和第七转动副中任选其一作为第二驱动输入。此移动副的移动方向需要与第一转动副或第三转动副轴线垂直。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种水下航行器收展式扑翼机构，其特征在于，包括机架、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆及机翼，

第一连杆与机架通过第一转动副连接，第一连杆与第二连杆通过第二转动副连接，第二连杆与第三连杆通过第三转动副连接，第三连杆与第四连杆通过第四转动副连接，第四连杆与第五连杆通过第五转动副连接，第五连杆与第六连杆通过第六转动副连接，第三连杆与第六连杆通过第七转动副连接，机架与第三连杆通过第八转动副连接，机翼与第五连杆固联。

2.根据权利要求1所述的一种水下航行器收展式扑翼机构，其特征在于，第四转动副轴线与第五转动副轴线夹角为α₂，第五转动副轴线与第六转动副轴线夹角为α₁，第六转动副轴线与第七转动副轴线夹角为α₄，第四转动副轴线与第七转动副轴线夹角为α₃，所述的第四转动副轴线、第五转动副轴线、第六转动副轴线和第七转动副轴线相交于一点O；所述的第一转动副轴线、第二转动副轴线、第三转动副轴线和第八转动副轴线相互平行且不重合，第一转动副轴线、第三转动副轴线和第八转动副轴线不共面。

3.根据权利要求2所述的一种水下航行器收展式扑翼机构，其特征在于，机翼后掠角为γ，第四转动副轴线与第七转动副轴线夹角为α₃作为已知量时，其它夹角的角度值表达式为：

4.根据权利要求2所述的一种水下航行器收展式扑翼机构，其特征在于，所述收展式扑翼机构有两个驱动输入，第一转动副或者第二转动副作为第一驱动输入，第四转动副、第五转动副、第六转动副和第七转动副其中任意一个为第二驱动输入。

5.根据权利要求4所述的一种水下航行器收展式扑翼机构，其特征在于，所述的第二转动副可替换为移动副，所述移动副的移动方向与第一转动副轴线或第三转动副轴线垂直。

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