CN112224368B - 用于水下航行器的重心调节机构及应用该机构的航行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于水下航行器的重心调节机构及应用该机构的仿生鱼，该重心调节机构包括轴承支撑机架、滑动导轨一和二、电机固定机架、电机、重物框、重物、丝杠、摇臂一、舵机一、丝杠运动平台、舵机二、摇臂二、滚动轴承；电机固定在电机固定机架上，其输出轴连接丝杠的一端，丝杠的另一端通过轴承支撑在滚动轴承支撑机架上；丝杠运动平台套设在丝杠上，滑动导轨一和滑动导轨二分别固定在丝杠运动平台的两端；舵机一和舵机二也固定在丝杠运动平台上，重物放置在重物框中，且重物框的两侧面通过短连杆插入滑动导轨一和滑动导轨二的圆弧形槽中，摇臂一和二对称布置，分别通过短连杆与重物框可转动连接。该重心调节机构结构紧凑，重心调节简便。

Description

用于水下航行器的重心调节机构及应用该机构的航行器

技术领域

本发明涉及水下航行机械领域，具体涉及一种用于水下航行器的重心调节机构及应用该机构的航行器。

背景技术

随着人类对海洋开发的不断发展，水下航行器逐渐成为必不可少的工具，协助人类开展水下探测、水下考察、水下设备维护等工作。航行器的重心调节在水下运动过程中起着关键的作用，可以保持航行器的稳定性，也可以改变航行器的运动方式。

目前大部分重心调节机构只能实现单一方向重心调节，不能实现空间范围内重心自由调控。有的重心调节机构在同时实现前后向重心移动和垂直于前后向平面内的重心偏转调节上结构复杂，占用空间大。

传统滑翔机具有低功耗远距航行的能力，但是其运动路径严重受限，在信息搜集方面，只能做全面粗糙的信息收集，无法针对具体细化点进行高机动信息收集，以及提高生存能力。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于水下航行器的重心调节机构及应用该机构的航行器，具体技术方案如下：

一种用于水下航行器的重心调节机构，该重心调节机构包括滚动轴承支撑机架、滑动导轨一、滑动导轨二、电机固定机架、电机、重物框、重物、丝杠、摇臂一、舵机一、丝杠运动平台、舵机二、摇臂二、滚动轴承；

滚动轴承固定机架和电机固定机架位于两侧，电机固定在电机固定机架上，电机的输出轴连接丝杠的一端，丝杠的另一端通过滚动轴承支撑在滚动轴承支撑机架上；丝杠运动平台通过其中心开设的螺纹通孔套设在丝杠上，滑动导轨一和滑动导轨二分别固定在丝杠运动平台的两端；舵机一和舵机二也固定在丝杠运动平台上，且分别位于滑动导轨一和滑动导轨二两者的内侧；重物放置在重物框中，且重物框的两侧面上分别有一个短连杆，摇臂一的一端与舵机一固连，另一端与重物框的其中一个短连杆可转动连接；摇臂二的一端与舵机二固连，另一端与重物框的另一个短连杆可转动连接；两个短连杆还分别插入滑动导轨一和滑动导轨二的圆弧形槽中。

进一步地，其还包括滑动导杆一和滑动导杆二，滑动导杆一的两端分别穿过滑动导轨一和滑动导轨二的上通孔固定在滚动轴承支撑机架和电机固定机架上，滑动导杆二的两端分别穿过滑动导轨一和滑动导轨二的下通孔固定在滚动轴承支撑机架和电机固定机架上；滑动导轨一和滑动导轨二可在滑动导杆一和滑动导杆二上自由滑动。

进一步地，所述电机为步进电机。

进一步地，所述滑动导轨一和滑动导轨二的圆弧形槽的长度应满足：当重物框运动到下止点时，其中心轴线位于竖直平面内。

一种基于权利要求所述的重心调节机构的仿生机器鱼，该仿生机器鱼还包括鱼头部、鱼身体、尾鳍、背鳍、腹鳍、重力调节机构、尾鳍驱动机构、展收电机一、展收电机二；其中，重力调节机构位于鱼头部，所述重心调节机构位于鱼身体，且重心调节机构的中轴线与鱼身体的中轴线平行布置；尾鳍驱动机构位于尾鳍前部；背鳍、腹鳍分别通过展收电机一、展收电机二与鱼身体连接，且在展收电机一、展收电机二的驱动下进行展收。

一种应用上述的重心调节机构的水下航行器。

进一步地，所述重物为航行器电池。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明实现一个装置同时实现前后重心调节和与前后向垂直平面内的偏转重心调节；

(2)本发明装置结构紧凑，占用航行器空间更小，在完成有益效果1功能的情况下，尽量做到了机构的紧凑化，未全部占用以丝杠为轴心的整个圆柱体；

(3)本发明采用舵机和步进电机作为驱动，驱动精准、快速、稳定；

(4)本发明重心调节装置，联合展收驱动电机驱动腹背鳍运动，可实现水下航行器运动模态的自由转换。

(5)本发明重心调节机构可以实现水下航行器重心位置在三维空间中调节，为水下航行器工作模式的切换提供了条件。

附图说明

图1为本发明的用于水下航行器的重心调节机构的立体结构示意图一；

图2为本发明的用于水下航行器的重心调节机构的立体结构示意图二；

图3为本发明的用于水下航行器的重心调节机构的立体结构示意图三；

图4为滑动导轨一的结构示意图；

图5为仿生机械鱼的结构示意图；

图6为仿生机械鱼在高机动运动状态和滑翔运动状态之间切换的示意图；

图中，滚动轴承固定机架1、滑动导轨一2、滑动导杆一3、滑动导轨二4、步进电机固定机架5、步进电机6、滑动导杆二7、重物框8、重物9、丝杠10、摇臂一11、舵机一12、丝杠运动平台13、舵机二14、摇臂二15、滚动轴承16、鱼头部110、鱼身体120、尾鳍130、背鳍140、腹鳍150、重力调节机构160、重心调节机构170、尾鳍驱动模块180、展收电机一190、展收电机二200。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，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。

如图1～3所示，本发明用于水下航行器的重心调节机构，包括滚动轴承支撑机架1、滑动导轨一2、滑动导杆一3、滑动导轨二4、步进电机固定机架5、步进电机6、滑动导杆二7、重物框8、重物9、丝杠10、摇臂一11、舵机一12、丝杠运动平台13、舵机二14、摇臂二15、滚动轴承16。滚动轴承固定机架1和步进电机固定机架5位于两侧，步进电机6固定在步进电机固定机架5上，步进电机6的输出轴连接丝杠10的一端，丝杠10的另一端通过滚动轴承16支撑在滚动轴承支撑机架1上。丝杠运动平台13通过其中心开设的螺纹通孔套设在丝杠10上，滑动导轨一2和滑动导轨二4分别固定在丝杠运动平台13的两端。舵机一12和舵机二14也固定在丝杠运动平台13上，且分别位于滑动导轨一2和滑动导轨二4两者的内侧。重物9放置在重物框8中，且重物框8的两侧面上分别有一个短连杆，摇臂一11的一端与舵机一12固连，另一端与重物框8的其中一个短连杆可转动连接；摇臂二15的一端与舵机二14固连，另一端与重物框8的另一个短连杆可转动连接。两个短连杆还分别插入滑动导轨一2和滑动导轨二4的圆弧形槽中。滑动导轨一2和滑动导轨二4的圆弧形槽的长度满足：当重物框8在重力作用下运动到下止点时，重物框8的中心轴线正好停留在竖直平面内。

如图4所示，滑动导轨一2和滑动导轨二4的上下两端还均开设有上通孔和下通孔，滑动导杆一3的两端分别穿过滑动导轨一2和滑动导轨二4的上通孔固定在滚动轴承支撑机架1和步进电机固定机架5上，滑动导杆二7的两端分别穿过滑动导轨一2和滑动导轨二4的下通孔固定在滚动轴承支撑机架1和步进电机固定机架5上。

重物9也可以是水下航行器的电池。

将本发明的重心调节机构两端分别固定在水下航行器上，且该重心调节机构的中轴线与水下航行器的中轴线平行，且均位于竖直平面内。当水下航行器沿前进的方向运动时，本发明的重心调节机构主要通过使水下航行器沿中轴线的重心的前后移动，与浮心搭配组合，实现水下航行器的俯仰运动。具体为：步进电机6的输出轴将旋转运动传递给丝杠10，丝杠10的旋转运动通过丝杠运动平台13转变为直线运动，丝杠运动平台13与滑动导轨一2和滑动导轨二4固接，同步做直线运动，此外滑动导轨一2和滑动导轨二4可分别在滑动导杆一3和滑动导杆二7上滑动，增加了直线运动部件的运动平稳性。

当水下航行器在垂直平面内运动时，主要起到改变重心在第一方向垂线方向上的投影距离，与浮心配合，形成倾覆力矩，完成水下机械的运动模式切换。

下面以仿生机器鱼为例，介绍本发明的重心调节机构在水下航行器上的工作原理。

如图5所示，仿生机器鱼包括鱼头部110、鱼身体120、尾鳍130、背鳍140、腹鳍150、重力调节机构160、重心调节机构170、尾鳍驱动机构180、展收电机一190、展收电机二200。其中，重力调节机构160位于鱼头部110，上述的重心调节机构170位于鱼身体120，且与鱼身体的中轴线平行布置；尾鳍驱动机构180位于尾鳍130上；背鳍140、腹鳍150分别通过展收电机一190、展收电机二200与鱼身体120连接，且在展收电机一190、展收电机二200的驱动下进行展收。通常情况下，仿生机器鱼工作在水下滑翔状态，其尾鳍驱动模块180保持不工作状态，高速机动状态下，仿生机器鱼尾鳍驱动模块180可以驱动尾鳍130运动。

仿生机器鱼有高机动运动状态和滑翔运动状态的两种运动状态。下面分别介绍两种状态的切换。如图6所示。

(1)高机动运动状态到滑翔运动状态的切换：

切换前的准备工作，尾鳍驱动模块f停止工作，让机器鱼运动减速。然后在舵机一12与舵机二14的驱动下，摇臂一11和摇臂二15带动带有重物9的重物框8沿着滑动导轨一2和滑动导轨二4的圆弧形槽运动，使得机器鱼重心偏离竖直平面，产生倾覆力矩，仿生机器鱼发生翻转，转轴为第一方向，完成翻转后，背鳍140、腹鳍150就变成了左右胸鳍，仿生机器鱼的展收电机一190、展收电机二200分别驱动左右胸鳍展开形成水翼，即完成运动状态切换。

(2)滑翔运动状态到高机动运动状态的切换：

切换前的准备工作，重力调节机构160和重心调节机构170将滑翔状态的仿生机器鱼调节为水平状态，仿生机器鱼的展收电机一190、展收电机二200分别驱动左胸鳍和右胸鳍收回。然后在舵机一12与舵机二14的驱动下，摇臂一11和摇臂二15带动带有重物9的重物框8沿着滑动导轨一2和滑动导轨二4的圆弧形槽向反方向运动，使得机器鱼重心偏离竖直平面，产生倾覆力矩，仿生机器鱼发生翻转，转轴方向为第一方向，完成翻转后，即完成运动状态切换。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于重心调节机构的仿生机器鱼，其特征在于，该仿生机器鱼还包括鱼头部（110）、鱼身体（120）、尾鳍（130）、背鳍（140）、腹鳍（150）、重力调节机构（160）、尾鳍驱动机构（180）、展收电机一（190）、展收电机二（200）；其中，重力调节机构（160）位于鱼头部（110），所述重心调节机构（170）位于鱼身体（120），且重心调节机构（170）的中轴线与鱼身体（120）的中轴线平行布置；尾鳍驱动机构（180）位于尾鳍（130）前部；背鳍（140）、腹鳍（150）分别通过展收电机一（190）、展收电机二（200）与鱼身体（120）连接，且在展收电机一（190）、展收电机二（200）的驱动下进行展收；

所述重心调节机构包括滚动轴承支撑机架（1）、滑动导轨一（2）、滑动导轨二（4）、电机固定机架（5）、电机（6）、重物框（8）、重物（9）、丝杠（10）、摇臂一（11）、舵机一（12）、丝杠运动平台（13）、舵机二（14）、摇臂二（15）、滚动轴承（16）；

所述滚动轴承固定机架（1）和电机固定机架（5）位于两侧，电机（6）固定在电机固定机架（5）上，电机（6）的输出轴连接丝杠（10）的一端，丝杠（10）的另一端通过滚动轴承（16）支撑在滚动轴承支撑机架（1）上；丝杠运动平台（13）通过其中心开设的螺纹通孔套设在丝杠（10）上，滑动导轨一（2）和滑动导轨二（4）分别固定在丝杠运动平台（13）的两端；舵机一（12）和舵机二（14）也固定在丝杠运动平台（13）上，且分别位于滑动导轨一（2）和滑动导轨二（4）两者的内侧；重物（9）放置在重物框（8）中，且重物框（8）的两侧面上分别有一个短连杆，摇臂一（11）的一端与舵机一（12）固连，另一端与重物框（8）的其中一个短连杆可转动连接；摇臂二（15）的一端与舵机二（14）固连，另一端与重物框（8）的另一个短连杆可转动连接；两个短连杆还分别插入滑动导轨一（2）和滑动导轨二（4）的圆弧形槽中。

2.根据权利要求1所述的基于重心调节机构的仿生机器鱼，其特征在于，其还包括滑动导杆一（3）和滑动导杆二（7），滑动导杆一（3）的两端分别穿过滑动导轨一（2）和滑动导轨二（4）的上通孔固定在滚动轴承支撑机架（1）和电机固定机架（5）上，滑动导杆二（7）的两端分别穿过滑动导轨一（2）和滑动导轨二（4）的下通孔固定在滚动轴承支撑机架（1）和电机固定机架（5）上；滑动导轨一（2）和滑动导轨二（4）可在滑动导杆一（3）和滑动导杆二（7）上自由滑动。

3.根据权利要求1所述的基于重心调节机构的仿生机器鱼，其特征在于，所述电机（6）为步进电机。

4.根据权利要求1所述的基于重心调节机构的仿生机器鱼，其特征在于，所述滑动导轨一（2）和滑动导轨二（4）的圆弧形槽的长度应满足：当重物框（8）运动到下止点时，其中心轴线位于竖直平面内。

5.根据权利要求1所述的基于重心调节机构的仿生机器鱼，其特征在于，所述重物（9）为航行器电池。

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