PL227448B1 - System napędowy podwodnego robota mobilnego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest system napędowy podwodnego robota mobilnego, w szczególności system niezależnych napędów oscylacyjno-pozycjonujących płetw bocznych.

Znane są ze stanu techniki systemy napędowe do jednostek wodnych lub amfibijnych, wyposażone w napęd płetw realizowany poprzez połączenie płetw z serwomechanizmami bezpośrednio lub za pośrednictwem przekładni, gdzie każda płetwa ma własny serwomechanizm. Rozwiązania takie cechują się prostotą konstrukcji, jednak wiążą się ze stosunkowo dużym obciążeniem poszczególnych serwomechanizmów przy częstych zmianach kierunku oraz prędkości płetw.

Patent europejski EP2222550 ujawnia system napędzania jednostek wodnych oparty na oscylujących łopatkach lub płetwach. Wyposażony jest w mimośrodowo zamontowany łącznik do wywoływania ruchu płetwy. Łopatki lub płetwy zamontowane są w przesuwnym członie wprawianym w ruch posuwisto-zwrotny, przez co ich oś przesuwa się względem kadłuba podczas ich pracy. Amerykańskie zgłoszenie patentowe US20100151751 ujawnia system napędowy do jednostek wodnych, który zawiera elastyczną płetwę, obracającą się wokół horyzontalnej osi. System ten zawiera środki do przekształcania ruchu obrotowego wału na ruch oscylacyjny płetwy.

Patent amerykański US7427220 przedstawia robota amfibijnego wyposażonego w szereg kończyn do poruszania się w ośrodku płynnym. Każda kończyna posiada swój własny napęd, przykładowo w postaci silnika elektrycznego, który niezależnie napędza i steruje płetwami.

Celowym byłoby opracowanie takiego systemu napędowego, który pozwalałby na napędzania jednostki wyposażonej w płetwy oraz sterowanie jej za pośrednictwem odpowiedniego ruchu i pozycji tych płetw, który to system byłby oszczędniejszy w eksploatacji oraz którego elementy składowe podlegałyby niewielkiemu zużyciu.

Przedmiotem wynalazku jest system napędowy podwodnego robota mobilnego zawierający niezależne napędy oscylacyjno-pozycjonujące płetw bocznych charakteryzujący się tym, że zawiera napędzany silnikiem głównym mechanizm korbowo-wahaczowy do wprawiania w ruch oscylacyjny płetw bocznych za pomocą przekładni zębatych sprzężonych z uzębieniami wewnętrznymi kół zębatych, przy czym pozycja neutralna ruchu oscylacyjnego płetw bocznych jest nastawna za pomocą serwonapędów poprzez obrót kół zębatych za pośrednictwem ich uzębień zewnętrznych, niezależnie od pozycji przekładni zębatych współpracujących z uzębieniami wewnętrznymi kół zębatych.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia system napędowy płetw bocznych podwodnego robota mobilnego w widoku z ukosa z prawej strony.

Fig. 2 przedstawia system napędowy płetw bocznych podwodnego robota mobilnego w widoku z ukosa z lewej strony.

W poniższym opisie wprowadzono indeksy „a” oraz „b” do rozróżnienia zestawów współpracujących ze sobą kolejnych elementów dla każdej z płetw wchodzących w skład systemu napędowego.

System napędowy płetw bocznych podwodnego robota mobilnego, przedstawiony jest w przykładzie wykonania na Fig. 1 i 2. Do podstawy 1 przymocowany jest silnik 12, przykładowo silnik elektryczny. Do jego wałka za pomocą koła 2 z mimośrodowo umieszonym gniazdem łącznika przymocowany jest łącznik 3. Za pomocą łącznika 3 wywoływany jest ruch oscylacyjny (góra-dół) ramy przekładni 4 wokół osi, na której jest ona ułożyskowana. Silnik 12, koło 2, łącznik 3 oraz rama 4 tworzą razem mechanizm korbowo-wahaczowy 15. Oś mocowania ramy 4 znajduje się pomiędzy ramionami podstawy. Na tej samej osi mocowania ułożyskowane są koła 6a, 6b. Koła 6a, 6b posiadają uzębienie wewnętrzne oraz zewnętrzne. Z uzębieniem wewnętrznym koła 6a, 6b sprzężone jest koło zębate walcowe 5a, 5b, znajdujące się na wspólnej osi z kołem stożkowym 7a, 7b. Koło zębate stożkowe 7a, 7b sprzężone są z kołem zębatym stożkowym 8a, 8b, które znajduje się na osi umieszczonej w ramie 4 prostopadle do osi koła 7a, 7b. Koło zębate stożkowe 8a, 8b znajduje się na tej samej osi, co koło zębate stożkowe 9a, 9b. Koło 9a, 9b jest sprzężone dalej z kołem zębatym stożkowym 10a, 10b, znajdującym się na osi obrotu ramy 4, i połączonym z płetwą 11a, 11b. Wszystkie osie obrotu kół zębatych przekładni znajdują się na tej samej płaszczyźnie, która związana jest z ramą 4.

Do podstawy 1 przymocowane są dwa niezależnie działające serwonapędy 13a, 13b umożliwiające realizację ruchu obrotowego dla zadanego położenia z zakresu od 0 do 360 stopni z zadaną prędkością. Serwonapędy są sprzężone z uzębieniem zewnętrznym kół zębatych 6a, 6b za pośrednictwem kół zębatych walcowych 14a, 14b.

PL 227 448 B1

Zasada działania systemu napędowego jest następująca. Za pomocą mechanizmu korbowowahaczowego 15, zawierającego silnik 12, koło 2, łącznik 3 oraz ramę 4, wywołany zostaje ruch oscylacyjny ramy 4 wokół jej osi mocowania. Powoduje to przemieszczanie się koła zębatego walcowego 5a, 5b po uzębieniu wewnętrznym koła 6a, 6b. Koło 6a, 6b jest wtedy nieruchome. Jednoczesny ruch ramy 4 oraz obracanie się koła zębatego walcowego 5a, 5b powodują ruch oscylacyjny płetwy 11a, 11b. Gdy zachodzi potrzeba zmiany pozycji neutralnej ruchu oscylacyjnego płetwy 11a, 11b, za pomocą serwomechanizmu 13a, 13b zmienia się położenie kątowe koła 6a, 6b poprzez sprzęgnięcie uzębienia zewnętrznego koła 6a, 6b z tym serwomechanizmem 13a, 13b za pośrednictwem kół 14a, 14b. Wywołana w ten sposób zmiana położenia kątowego koła 6a, 6b wpływa na relację pomiędzy kołem zębatym 5a, 5b a uzębieniem wewnętrznym koła 6a, 6b, co z racji na sprzęgnięcie za pomocą przekładni zębatych bezpośrednio przekłada się na charakter ruchu oscylacyjnego płetw bocznych 11a, 11b i określenie przez to nowej, wymaganej pozycji neutralnej takiego ruchu oscylacyjnego. Pod pojęciem punktu neutralnego (pozycji neutralnej) rozumiane jest położenie płetwy w połowie drogi pomiędzy położeniami skrajnymi, osiąganymi podczas ruchu oscylacyjnego.

Zmiana położenia kątowego kół zębatych serwonapędów powoduje zmianę położenia kątowego płetw bocznych w sposób niezależny poprzez przekładnie zębate przymocowane do ramy mechanizmu 4. Gdy pracuje silnik 1, płetwy boczne 11a, 11b wykonują ruch oscylacyjny wokół położenia ustawionego za pomocą serwonapędów 13a, 13b, dzięki czemu możliwe jest generowanie siły ciągu podwodnego robota mobilnego za pomocą oddziaływania oscylujących płetw bocznych na wodę w dowolnym kierunku w płaszczyźnie pionowej w zależności od wartości przełożeń wszystkich przekładni.

Silnik 1, kręcąc się w jednym kierunku ze stałą prędkością, powoduje ruch oscylacyjny jednocześnie lewej i prawej płetwy bocznej. Częstotliwość drgań płetw bocznych zależy od prędkości obrotowej silnika 1. Z uwagi na fakt, iż silnik 1 nie zmienia kierunku obrotów, możliwie jest uzyskanie bardzo dużej częstotliwości oscylacji płetw bocznych oraz zwiększenie trwałości silnika głównego. Amplituda drgań płetw bocznych w czasie takiego ruchu jest zdeterminowana parametrami geometrycznymi mechanizmu, w związku z tym istnieje możliwość zwiększenia i zmniejszenia amplitudy drgań płetw bocznych poprzez rekonfigurację tych parametrów. W wyniku naporu wody spowodowanego przykładowo oscylacjami całego mechanizmu, żądane położenia kątowe płetw bocznych utrzymywane są przez serwonapędy 13a, 13b.

Zatrzymanie silnika 12 umożliwia ustawienie statycznego położenia kątowego płetw bocznych za pomocą serwonapędów 13a, 13b. Analogicznie, odpowiednie sterowanie kierunkiem i prędkością obrotową serwonapędów 13a, 13b pozwala na uzyskanie płetwy nieruchomej względem podstawy bez zatrzymywania napędu głównego 12.

Przedstawiony mechanizm charakteryzuje się ponadto niewielkimi masami wykonującymi ruch oscylacyjny, a co za tym idzie niewielkimi momentami bezwładności przenoszonymi na napędy, co skutkuje niewielkim zużyciem energii przez pojazd podwodny. Wszystkie napędy mechanizmu są przymocowane do nieruchomej podstawy, dzięki czemu w łatwy sposób można doprowadzić do nich przewody zasilające i sterujące.

Claims (1)

1. System napędowy podwodnego robota mobilnego zawierający niezależne napędy oscylacyjno-pozycjonujące płetw bocznych, znamienny tym, że zawiera napędzany silnikiem głównym (1) mechanizm korbowo-wahaczowy (15) do wprawiania w ruch oscylacyjny płetw bocznych (11a, 11b) za pomocą przekładni zębatych sprzężonych z uzębieniami wewnętrznymi kół zębatych (6a, 6b), przy czym pozycja neutralna ruchu oscylacyjnego płetw bocznych (11a, 11b) jest nastawna za pomocą serwonapędów (13a, 13b) poprzez obrót kół zębatych (6a, 6b) za pośrednictwem ich uzębień zewnętrznych (6a, 6b), niezależnie od pozycji przekładni zębatych współpracujących z uzębieniami wewnętrznymi kół zębatych (6a, 6b).