CN113173236A - 一种多自由度龟型水翼推进装置及控制方法 - Google Patents

一种多自由度龟型水翼推进装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于潜水器推进技术领域，尤其是一种多自由度龟型水翼推进装置及控制方法，包括推进装置，推进装置包括依次设置的旋转自由度舵机、舵机盘、连接模块、翼肩、翼体，翼体内的摆动方向两侧分别设有两个空腔，翼体的端部具有两个输油管；翼肩内设有依次连接的电机，联轴器，外啮合齿轮泵，外啮合齿轮泵内具有主动齿轮和齿轮轴，外啮合齿轮泵上设有一对输油口，一个输油口对应连接一个输油管；通过外啮合齿轮泵内主动齿轮和齿轮轴的正反向转动，带动油液在两个空腔内流通，不断改变翼体的弯曲方向，实现摆动。本发明通过软流体驱动器配合舵机实现多自由度运动，采用了刚性翼骨外附柔性翼体的结构，在获得大推进力的同时可以实现高推进效率。

Description

一种多自由度龟型水翼推进装置及控制方法
技术领域
本发明属于潜水器推进技术领域，尤其涉及一种多自由度龟型水翼推进装置及控制方法。
背景技术
多自由度水翼推进装置是一种拥有两个及以上自由度并通过水翼在水中摆动获得推进力的推进装置，可以为水下机器人及潜水器提供动力。
现有多自由度水翼推进装置中，存在以下不足：1、动力装置裸露在潜水器壳体外，带来动力装置密封问题，并额外增加水阻力；2、水翼结构过于简单，多为纯柔性结构，很难获得大的推进力；3、浮力与重力未平衡，在水翼获得推进力时，需要额外考虑浮力和重力对推进力的影响。
由于水下生物如海龟的推进系统相比于传统机械的螺旋桨推进装置具有推进效率高、噪音小、转弯半径小等优势，本发明通过对海龟进行生物观测实验，发现了海龟前/后翼的外形结构和运动机理，然后设计出了类似于海龟推进系统的推进装置。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，而提出的一种多自由度龟型水翼推进装置及控制方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种多自由度龟型水翼推进装置，包括分别安装于潜水器前后端的两对推进装置；推进装置包括依次设置的旋转自由度舵机、舵机盘、连接模块、翼肩、翼体，所述翼体为柔性材质，翼体内的摆动方向两侧分别设有两个空腔，空腔沿翼体长度方向设置，翼体的端部具有两个输油管，一个输油管对应连接一个空腔；
所述翼肩内设有依次连接的电机，联轴器，外啮合齿轮泵，外啮合齿轮泵内具有密封空间，密封空间中具有相互啮合的主动齿轮和齿轮轴，主动齿轮通过驱动轴与联轴器连接，外啮合齿轮泵上设有一对输油口，一个输油口对应连接一个输油管，两个输油口分别布置在主动齿轮和齿轮轴两侧的区域；
作为更进一步的优选方案，所述翼体内内置可摆动的翼骨。
作为更进一步的优选方案，所述翼体内置可随翼体摆动的翼骨，翼骨沿翼体长度方向设置；所述翼体分为前翼体和后翼体，前翼体内置前翼骨，后翼体内置后翼骨。
作为更进一步的优选方案，所述前翼体为弧形结构，其一端宽度大于另一端，较宽一端安装于翼肩；所述后翼体为扇形结构，扇形结构的凹面端安装于翼肩。
作为更进一步的优选方案，所述翼骨由多节的翼骨转动模块连续铰接组成。
一种多自由度龟型水翼推进控制方法，包括以下步骤：
步骤一：调节前翼体和后翼体的空腔内液压油与水的体积比，以适合海水的密度；
步骤二：操作者发送前进指令，操作者可以通过手柄等装置向控制器发送前进运动指令；
步骤三：控制器发送舵机旋转指令，控制器向后翼的旋转自由度舵机发送顺时针旋转90°指令，舵机旋转后，通过传动部件最终使后翼整体旋转90°；
步骤四：舵机发送反馈信号，后翼的旋转自由度舵机完成指令，并向控制器发出指令已执行的信号，以便使控制器明白操作已完成；
步骤五：得到旋转自由度舵机的反馈信号后，控制器同时向前翼和后翼的电机发出顺时针旋转的指令，通过联轴器带动外啮合齿轮泵工作，使空腔一的油水混合物开始压入空腔二，前翼或后翼开始向空腔一这一侧摆动，一定时间后，即空腔一的油水混合物全部压入空腔二，前翼或后翼向空腔一这一侧摆动的角度达到最大值；控制器再向前翼和后翼的电机发出反向旋转指令，前翼或后翼向空腔二这一侧摆动，一定时间后，即空腔二的油水混合物全部压入空腔一，前翼或后翼向空腔二这一侧摆动的角度达到最大值；然后控制器向前翼和后翼的电机再次发出反向旋转指令；反复重复此过程，实现前翼或后翼反复摆动，获得推进力；
步骤六：操作者发送停止指令。
作为更进一步的优选方案，步骤一中液压油与水的体积比调节方法如下公式：
Figure BDA0003084897230000021
m油水混合物＝σoilVoil+σwaterVwater (2)
V0＝Voil+Vwater (3)
k＝Voil/Vwater (4)
将式(3)、(4)代入式(1)、(2)，解出k得：
Figure BDA0003084897230000031
Figure BDA0003084897230000032
式中，σ海水为海水的密度；m油水混合物为油水混合物的质量；m1为翼臂上翼体、翼骨、输油管等结构质量总和；V为翼体的总体积；σoil为液压油的密度；Voil为液压油的体积；σwater为水的密度；Vwater为水的体积；V0为油水混合物的体积和，即翼体内空腔一与空腔二的体积和，为定值；k为液压油与水的体积的比值。
本发明具有如下有益效果：
1、软流体驱动器配合舵机实现多自由度运动，易于制造，避免了动力装置密封问题且可应用于多种潜水器。
2、采用了刚性翼骨外附柔性翼体的结构，在获得大推进力的同时可以实现高推进效率。
3、通过改变液压油与水的体积比实现翼臂的浮力与重力相平衡，前/后翼在通过摆动获得推进力时，无需考虑浮力和重力对推进力的影响，可有效减少控制方面的难度。
4、翼骨上的挖孔设计，可有效减少质量，降低运动能耗；其上的多个转动副可实现刚性材料的摆动，保证了结构的灵活性。
附图说明
图1为本发明的前翼推进装置的结构示意图；
图2为本发明的后翼推进装置的结构示意图；
图3为本发明的外啮合齿轮泵的结构示意图；
图4为本发明的翼肩的结构示意图；
图5为本发明的前翼体的结构示意图；
图6为本发明的前翼体各空腔的结构剖视图；
图7为本发明的后翼体的结构示意图；
图8为本发明的后翼体各空腔的结构剖视图；
图9为本发明的连接模块的结构示意图；
图10为本发明的前翼骨的结构示意图；
图11为本发明的后翼骨的结构示意图；
图12为本发明的水翼运动示例的控制原理图。
图1至图11中：1-旋转自由度舵机，2-舵机盘，3-连接模块，4-翼肩，5-电机，6-联轴器，7-外啮合齿轮泵，8-输油管，9-前翼骨，10-前翼体，11-后翼骨，12-后翼体，71-前盖，72-后盖，73-主动齿轮，74-驱动轴，75-输油口，76-齿轮轴，91-前翼骨转动销，92-前翼骨转动模块，11-1-后翼骨转动销，11-2-后翼骨转动模块，13-空腔一，14-空腔二，15-空腔三。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的具体实施方案。
如图1-11所示，多自由度龟型水翼推进装置分为前翼推进装置和后翼推进装置；其水翼分为前翼和后翼，每个水翼分为翼肩和翼臂两部分，且翼臂由翼骨和翼体组成。因此，本专利会用到以下名称：前翼臂、后翼臂、前翼骨、后翼骨、前翼体、后翼体。
如图1、图9和图4所示，前翼推进装置由旋转自由度舵机1、舵机盘2、连接模块3、翼肩4、电机5、联轴器6、外啮合齿轮泵7、输油管8、前翼体10和前翼骨9组成。旋转自由度舵机1、舵机盘2、连接模块3、翼肩4按顺序依次用螺钉连接，电机5和外啮合齿轮泵7通过螺钉固定在箱体类零件翼肩4上，输油管8与输油口75相连，最后两个以中心面对称的输油管8直通到前翼体10的两个以中心面对称空腔(空腔一13、空腔二14)。
如图2所示，后翼推进装置的结构在前翼推进装置结构上去掉前翼体10、前翼骨9并增加后翼体12、前翼骨11，其他结构相同并且各结构间的连接方式相同。
如图3所示，外啮合齿轮泵7由前盖71、后盖72、主动齿轮73、驱动轴74、输油口75和齿轮轴76组成。前盖71和后盖72通过螺钉连接，主动齿轮73、驱动轴74和齿轮轴75通过轴承、键和端盖固定在齿轮泵的相应位置，两者相啮合，两个以中心面对称的输油管6分别连接到齿轮泵的吸油区和压油区。当电机9旋转后，将运动由驱动轴74传递给主动齿轮73，然后主动齿轮73与齿轮轴76啮合旋转，在这个过程中，一侧齿轮脱开，工作腔容积增大，吸油；另一侧齿轮啮合，工作腔容积减小，压油，形成吸油区和压油区。
如图5、图6、图7和图8所示，前翼体10有孔1、孔2、空腔一13、空腔二14、空腔三15和两个螺栓孔。其中，孔1与孔2、空腔一13与空腔二14沿中心面对称，孔1、孔2分别直通到空腔一13、空腔二14，这样两个输油管8可以通过孔1、孔2分别伸入空腔一12、空腔二14，从空腔中吸油或压油，左端的螺栓孔，可与翼肩4通过螺栓相固定。后翼体12与前翼体10内部结构相同，外形不同。从图8和图10中可以清楚的获得翼体内部空腔、孔的具体结构。翼体的截面均由一系列椭圆组成，其近似于流线型截面，厚度从前端到后端，先增加再逐渐减小，即中间厚两边薄，可以充分减小水阻力。此外，材料选择硅橡胶，具有良好的柔性。
如图10和图11所示，前翼骨9外形相似于前翼体10，可塞入前翼体10预留的空腔三15内，左端留有两个螺栓孔，可与翼肩4、前翼体10通过螺栓相固定。转动副由两个前翼骨转动模块92和前翼骨转动销91组成，两个前翼骨转动模块92均预留有通孔，前翼骨转动销91贯穿该孔，形成转动副。后翼骨11与前翼骨9内部结构相同，外形不同。翼骨起充分支撑作用，采用挖孔设计，可有效减少质量，降低运动能耗。此外，增加的多个转动副可实现刚性材料的摆动，保证了结构的灵活性。
推进装置的原理：前/后翼推进装置拥有两个方向的自由度，一为上下拍动，二为旋转。上下拍动的实现：电机5的旋转经联轴器6带动外啮合齿轮泵7工作，又有外啮合齿轮泵7上的输油管8伸入翼体的空腔一13、空腔二14内，这样翼体一侧空腔的油水混合物经过外啮合齿轮泵7被压入翼体另一侧空腔，电机5反转会逆转此过程。由于翼体一侧空腔内的油水混合物减少，空间压缩，带动硅橡胶收缩，而另一侧空腔内的油水混合物增加，空间扩张，带动硅橡胶膨胀，最后使翼臂向油水混合物减少的那一侧摆动，反转电机5后会反向摆动，在空间上表现为翼臂的上下拍动。旋转的实现：由旋转自由度舵机1通过转动来实现。
此外，旋转自由度舵机1与翼肩4之间可用传动轴连接，如若改变传动方向，可在增加一对锥齿轮，这样，旋转自由度舵机1便可以安置在潜水器壳体内，免受海水的侵蚀，增加了装置的可靠性。
浮力与重力相平衡：由于在不同的海域，海水的密度会发生变化，可以通过改变液压油与水的体积比来实现翼臂的浮力与重力的平衡。式(6)为液压油和水的体积的计算公式。前/后翼在通过摆动获得推进力时，不需要考虑浮力和重力对推进力的影响，这样可以减少控制方面的难度。
Figure BDA0003084897230000061
m油水混合物＝σoilVoil+σwaterVwater (2)
V0＝Voil+Vwater (3)
k＝Voil/Vwater (4)
将式(3)、(4)代入式(1)、(2)，解出k得：
Figure BDA0003084897230000062
Figure BDA0003084897230000063
式中，σ海水为海水的密度；m油水混合物为油水混合物的质量；m1为翼臂上翼体、翼骨、输油管等结构质量总和；V为翼体的总体积；σoil为液压油的密度；Voil为液压油的体积；σwater为水的密度；Vwater为水的体积；V0为油水混合物的体积和，即翼体内空腔一13与空腔二14的体积和，为定值；k为液压油与水的体积的比值。
如图12，本发明提供一种多自由度龟型水翼推进装置的控制方法，并以前进运动为例进行介绍。前进运动需要前翼和后翼的配合，首先后翼旋转90°，然后前翼和后翼同时进行摆动，具体包括以下几个控制步骤：
步骤一：调节前翼体和后翼体的空腔内液压油与水的体积比，以适合海水的密度；
步骤二：操作者发送前进指令，操作者可以通过手柄等装置向控制器发送前进运动指令；
步骤三：控制器发送舵机旋转指令，控制器向后翼的旋转自由度舵机发送顺时针旋转90°指令，舵机旋转后，通过传动部件最终使后翼整体旋转90°；
步骤四：舵机发送反馈信号，后翼的旋转自由度舵机完成指令，并向控制器发出指令已执行的信号，以便使控制器明白操作已完成；
步骤五：得到旋转自由度舵机(1)的反馈信号后，控制器同时向前翼和后翼的电机5发出顺时针旋转的指令，通过联轴器6带动外啮合齿轮泵7工作，使空腔一13的油水混合物开始压入空腔二14，前/后翼开始向空腔一13这一侧摆动，一定时间后(由翼体的空腔体积和电机的旋转速度决定)，即空腔一13的油水混合物全部压入空腔二14，前/后翼向空腔一13这一侧摆动的角度达到最大值；控制器再向前翼和后翼的电机5发出反向旋转指令，前/后翼向空腔二14这一侧摆动，一定时间后，即空腔二14的油水混合物全部压入空腔一13，前/后翼向空腔二14这一侧摆动的角度达到最大值；然后控制器向前翼和后翼的电机5再次发出反向旋转指令。反复重复此过程，实现前/后翼反复摆动，获得推进力。
总之，第三步至第五步实现了后翼先旋转90°，然后前翼和后翼同时进行摆动，驱动潜水器前进。
步骤六：操作者发送停止指令。
具体为操作者通过潜水器所搭载摄像头发现已达到指定位置，按下停止按钮。随后控制器发送信号使前/后翼电机5停转，然后向后翼的旋转自由度舵机1发生归位信号。至此，整个前进运动完成。
其他基本运动如下潜运动、上浮运动、转向运动等可以改变旋转自由度舵机1的旋转角度和旋转方向来实现。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多自由度龟型水翼推进装置，其特征在于：包括分别安装于潜水器前后端的两对推进装置；推进装置包括依次设置的旋转自由度舵机(1)、舵机盘(2)、连接模块(3)、翼肩(4)、翼体，所述翼体为柔性材质，翼体内的摆动方向两侧分别设有两个空腔，空腔沿翼体长度方向设置，翼体的端部具有两个输油管(8)，一个输油管(8)对应连接一个空腔；
所述翼肩(4)内设有依次连接的电机(5)，联轴器(6)，外啮合齿轮泵(7)，外啮合齿轮泵(7)内具有密封空间，密封空间中具有相互啮合的主动齿轮(73)和齿轮轴(76)，主动齿轮(73)通过驱动轴(74)与联轴器(6)连接，外啮合齿轮泵(7)上设有一对输油口(75)，一个输油口(75)对应连接一个输油管(8)，两个输油口(75)分别布置在主动齿轮(73)和齿轮轴(76)两侧的区域。
2.根据权利要求1所述的一种多自由度龟型水翼推进装置，其特征在于：所述翼体内内置可摆动的翼骨。
3.根据权利要求2所述的一种多自由度龟型水翼推进装置，其特征在于：所述翼体内置可随翼体摆动的翼骨，翼骨沿翼体长度方向设置；所述翼体分为前翼体(10)和后翼体(12)，前翼体(10)内置前翼骨(9)，后翼体(12)内置后翼骨(11)。
4.根据权利要求3所述的一种多自由度龟型水翼推进装置，其特征在于：所述前翼体(10)为弧形结构，其一端宽度大于另一端，较宽一端安装于翼肩(4)；所述后翼体(12)为扇形结构，扇形结构的凹面端安装于翼肩(4)。
5.根据权利要求2或3所述的一种多自由度龟型水翼推进装置，其特征在于：所述翼骨由多节的翼骨转动模块连续铰接组成。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种多自由度龟型水翼推进控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：调节前翼体(10)和后翼体(12)的空腔内液压油与水的体积比，以适合海水的密度；
第二步：操作者发送前进指令，操作者可以通过手柄等装置向控制器发送前进运动指令；
第三步：控制器发送舵机旋转指令，控制器向后翼的旋转自由度舵机(1)发送顺时针旋转90°指令，舵机旋转后，通过传动部件最终使后翼整体旋转90°；
第四步：舵机发送反馈信号，后翼的旋转自由度舵机(1)完成指令，并向控制器发出指令已执行的信号，以便使控制器明白操作已完成；
第五步：得到旋转自由度舵机(1)的反馈信号后，控制器同时向前翼和后翼的电机(5)发出顺时针旋转的指令，通过联轴器(6)带动外啮合齿轮泵(7)工作，使空腔一(13)的油水混合物开始压入空腔二(14)，前翼或后翼开始向空腔一(13)这一侧摆动，一定时间后，即空腔一的油水混合物全部压入空腔二(14)，前翼或后翼向空腔一这一侧摆动的角度达到最大值；控制器再向前翼和后翼的电机(5)发出反向旋转指令，前翼或后翼向空腔二(14)这一侧摆动，一定时间后，即空腔二(14)的油水混合物全部压入空腔一(13)，前翼或后翼向空腔二(14)这一侧摆动的角度达到最大值；然后控制器向前翼和后翼的电机(5)再次发出反向旋转指令；反复重复此过程，实现前翼或后翼反复摆动，获得推进力；
总之，第三步至第五步实现了后翼先旋转90°，然后前翼和后翼同时进行摆动，驱动潜水器前进。
第六步：操作者发送停止指令。
7.根据权利要求6所述的一种多自由度龟型水翼推进控制方法，其特征在于：第一步中液压油与水的体积比调节方法如下公式：
Figure FDA0003084897220000021
m油水混合物＝σoilVoil+σwaterVwater (2)
V0＝Voil+Vwater (3)
k＝Voil/Vwater (4)
将式(3)、(4)代入式(1)、(2)，解出k得：
Figure FDA0003084897220000022
Figure FDA0003084897220000031
式中，σ海水为海水的密度；m油水混合物为油水混合物的质量；m1为翼臂上翼体、翼骨、输油管等结构质量总和；V为翼体的总体积；σoil为液压油的密度；Voil为液压油的体积；σwater为水的密度；Vwater为水的体积；V0为油水混合物的体积和，即翼体内空腔一(13)与空腔二(14)的体积和，为定值；k为液压油与水的体积的比值。
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