一種自主式水下航行器的并聯(lián)矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種自主式水下航行器的并聯(lián)矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)，包括靜平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)，所述靜平臺(tái)上設(shè)有螺旋槳主推電機(jī)，所述動(dòng)平臺(tái)上設(shè)有螺旋槳傳動(dòng)軸系，所述靜平臺(tái)與所述動(dòng)平臺(tái)之間設(shè)有三組支鏈，所述三組支鏈包括兩組六自由度UPS主動(dòng)支鏈和一組兩自由度U支鏈，所述靜平臺(tái)、動(dòng)平臺(tái)和三組支鏈組成了兩自由度球面三桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)，所述兩自由度U支鏈與所述動(dòng)平臺(tái)固聯(lián)，所述兩自由度U支鏈垂直于動(dòng)平臺(tái)所在平面；所述靜平臺(tái)和所述動(dòng)平臺(tái)之間還設(shè)有一SPS傳動(dòng)支鏈，所述SPS傳動(dòng)支鏈用于將主推電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)傳遞到所述螺旋槳傳動(dòng)軸系中。本發(fā)明具有低速轉(zhuǎn)向性能好，剛度高，運(yùn)動(dòng)精度高，運(yùn)動(dòng)相應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種自主式水下航行器的并聯(lián)矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及海洋探測(cè)工具領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，是涉及一種AUV的推進(jìn)器結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]AUV是水下機(jī)器人中的一種，它是無(wú)纜式水下機(jī)器人，習(xí)慣上把它稱為自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)。隨著AUV應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，設(shè)計(jì)者對(duì)AUV水下作業(yè)任務(wù)能力和復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力提出了更高的要求，尤其對(duì)AUV操縱性和機(jī)動(dòng)性提出了更高的要求。在此背景下，傳統(tǒng)的鰭舵式控制方法在一定程度上已經(jīng)不能滿足AUV在水下運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜程度和靈活性的要求，尤其在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，舵的操縱效果明顯減弱，因此研制新型矢量推進(jìn)裝置是有效的解決方案之一。矢量推進(jìn)也被稱為推力轉(zhuǎn)向技術(shù)，是指空間運(yùn)動(dòng)物體的推進(jìn)系統(tǒng)除了提供前進(jìn)推力外，還能同時(shí)或單獨(dú)地在航行體的俯仰、偏航、橫滾和反推力等方向上提供推進(jìn)力和力矩，用以部分或全部取代舵面產(chǎn)生的動(dòng)力來(lái)進(jìn)行控制。為了使矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)更加順利的保證AUV能夠順利地在水下按照指定航跡作業(yè)，需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提高矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)的剛度，運(yùn)動(dòng)精度及相應(yīng)速度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提出一種自主式水下航行器的并聯(lián)矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)具有低速轉(zhuǎn)向性能好，剛度高，運(yùn)動(dòng)精度高，運(yùn)動(dòng)相應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。
[0004]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明一種自主式水下航行器的并聯(lián)矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)，包括靜平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)，所述靜平臺(tái)上設(shè)有螺旋槳主推電機(jī)，所述動(dòng)平臺(tái)上設(shè)有螺旋槳傳動(dòng)軸系，所述靜平臺(tái)與所述動(dòng)平臺(tái)之間設(shè)有三組支鏈，所述三組支鏈包括兩組六自由度UfS主動(dòng)支鏈和一組兩自由度U支鏈，所述靜平臺(tái)、動(dòng)平臺(tái)和三組支鏈組成了兩自由度球面三桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)，所述兩自由度U支鏈與所述動(dòng)平臺(tái)固聯(lián)，所述兩自由度U支鏈垂直于動(dòng)平臺(tái)所在平面；所述靜平臺(tái)和所述動(dòng)平臺(tái)之間還設(shè)有一SPS傳動(dòng)支鏈，所述SPS傳動(dòng)支鏈用于將主推電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)傳遞到所述螺旋槳傳動(dòng)軸系中。
[0005]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0006](I)本發(fā)明采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)構(gòu)的剛度，相應(yīng)速度和運(yùn)動(dòng)精度。
[0007](2)本發(fā)明采用兩自由度球面機(jī)構(gòu)，兩電機(jī)協(xié)同控制能夠使螺旋槳軸線快速達(dá)到所需要角度，且不產(chǎn)生自由度不足或者冗余。
[0008](3)本發(fā)明中所有部件都和電機(jī)套筒連接，只有電機(jī)套筒和機(jī)架相連，這樣的設(shè)計(jì)也避免了由于機(jī)架剛度不足在矢量機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中造成誤差。
[0009](4)本發(fā)明采用傳動(dòng)支鏈將主推電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩傳遞到螺旋槳軸系，避免直接將電機(jī)安放在動(dòng)平臺(tái)上，減小了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量和慣量，進(jìn)一步優(yōu)化了矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】[0010]圖1是本發(fā)明并聯(lián)矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)的外觀圖；
[0011]圖2是本發(fā)明并聯(lián)矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)中U￡S支鏈簡(jiǎn)圖；
[0012]圖3是本發(fā)明并聯(lián)矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)中SPS傳動(dòng)支鏈簡(jiǎn)圖；
[0013]圖4是本發(fā)明并聯(lián)矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
[0014]圖中:
[0015]1-螺旋槳主推電機(jī)，2-電機(jī)套筒，3-UPS主動(dòng)支鏈，31-胡克鉸鏈，32-電機(jī)套筒連接件，33-伸縮桿上部，34-球鉸鏈，4-螺旋槳傳動(dòng)軸系，5-2自由度的U支鏈，6-SPS傳動(dòng)支鏈，61-連接螺旋槳主推電機(jī)的等速萬(wàn)向節(jié)，62-花鍵連接，63-連接螺旋槳傳動(dòng)軸系的等速萬(wàn)向節(jié)。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。
[0017]本發(fā)明一種自主式水下航行器的并聯(lián)矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)，包括靜平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)，所述靜平臺(tái)上設(shè)有螺旋槳主推電機(jī)，所述動(dòng)平臺(tái)上設(shè)有螺旋槳傳動(dòng)軸系，所述靜平臺(tái)與所述動(dòng)平臺(tái)之間設(shè)有三組支鏈，所述三組支鏈包括兩組六自由度U￡S主動(dòng)支鏈和一組兩自由度U支鏈，所述靜平臺(tái)、動(dòng)平臺(tái)和三組支鏈組成了兩自由度球面三桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)，所述兩自由度U支鏈與所述動(dòng)平臺(tái)固聯(lián)，所述兩自由度U支鏈垂直于動(dòng)平臺(tái)所在平面；所述靜平臺(tái)和所述動(dòng)平臺(tái)之間還設(shè)有一 SPS傳動(dòng)支鏈，所述SPS傳動(dòng)支鏈用于將主推電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)傳遞到所述螺旋槳傳動(dòng)軸系中。
[0018]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0019]本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)如圖1所示，以電機(jī)套筒2作為靜平臺(tái)，機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)部件包括:兩組六自由度U￡S主動(dòng)支鏈，該U￡S主動(dòng)支鏈的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，一組兩自由度U支鏈和動(dòng)平臺(tái)以及其上的螺旋槳傳動(dòng)軸系組成，其中，兩自由度U支鏈和動(dòng)平臺(tái)固聯(lián)，上述三組支鏈和靜、動(dòng)平臺(tái)組成了兩自由度球面三桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)。為了將轉(zhuǎn)矩從位于靜平臺(tái)即電機(jī)套筒2中的螺旋槳主推電機(jī)I傳遞到動(dòng)平臺(tái)上的螺旋槳傳動(dòng)軸系4，本發(fā)明中在靜平臺(tái)與動(dòng)平臺(tái)之間增加了一 SPS傳動(dòng)支鏈，該SPS傳動(dòng)支鏈的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。在本發(fā)明并聯(lián)矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中，SPS傳動(dòng)支鏈不為矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)提供力和力矩也不影響機(jī)構(gòu)的總自由度，只負(fù)責(zé)傳遞螺旋槳主推電機(jī)運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。本發(fā)明并聯(lián)矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。
[0020]結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0021]矢量推進(jìn)裝置整體外觀圖中，I為螺旋槳主推電機(jī)；2為電機(jī)套筒，該電機(jī)套筒2在整個(gè)并聯(lián)矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)中充當(dāng)機(jī)架即靜平臺(tái)的作用，3為UES主動(dòng)支鏈，4為螺旋槳傳動(dòng)軸系，5為兩自由度的U支鏈，本發(fā)明中兩自由度U支鏈和動(dòng)平臺(tái)固結(jié)，并保證兩自由度U支鏈垂直于動(dòng)平臺(tái)所在平面，6為SPS傳動(dòng)支鏈，該SPS傳動(dòng)支鏈6負(fù)責(zé)將螺旋槳主推電機(jī)I的轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)傳遞到螺旋槳傳動(dòng)軸系4中。
[0022]圖2為U￡S主動(dòng)支鏈簡(jiǎn)圖，其中31為胡克鉸鏈；32為電機(jī)套筒連接件，電機(jī)套筒內(nèi)安裝有作為螺旋槳主推電機(jī)的步進(jìn)電機(jī)和與該電機(jī)相連的絲杠-螺母?jìng)鲃?dòng)副，并配有壓力補(bǔ)償裝置，以適合深水狀態(tài)下使用；33為UES主動(dòng)支鏈的伸縮桿，其一端通過(guò)螺紋連接件與上述絲杠-螺母?jìng)鲃?dòng)副中的螺母相連，其一端通過(guò)球鉸鏈34與動(dòng)平臺(tái)相連。在并聯(lián)矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中，整個(gè)U￡S支鏈擁有六個(gè)自由度，其中軸向伸縮的￡自由度受到步進(jìn)電機(jī)的控制。通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速可以在兩組U￡S主動(dòng)支鏈協(xié)同工作的情況下控制螺旋槳末端的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，使其做兩自由度球面運(yùn)動(dòng)，從而滿足矢量推進(jìn)的要求。
[0023]圖3示出了 SPS傳動(dòng)支鏈的結(jié)構(gòu)，其中61為連接螺旋槳主推電機(jī)I的等速萬(wàn)向節(jié)；62為花鍵連接件，63為連接螺旋槳傳動(dòng)軸系4的等速萬(wàn)向節(jié)。在并聯(lián)矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中，該SPS傳動(dòng)支鏈既不對(duì)動(dòng)平臺(tái)提供約束也不產(chǎn)生主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，只負(fù)責(zé)將螺旋槳主推電機(jī)I的轉(zhuǎn)矩傳遞到螺旋槳傳動(dòng)軸系4中。由于該SPS傳動(dòng)支鏈的存在，可以使將螺旋槳主推電機(jī)I設(shè)計(jì)在機(jī)架即靜平臺(tái)上，并且在外部阻力不是很大情況下仍然能精確的將螺旋槳主推電機(jī)I的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到螺旋槳傳動(dòng)軸系4中。這樣避免了現(xiàn)有技術(shù)中動(dòng)平臺(tái)上裝備質(zhì)量過(guò)大導(dǎo)致的整個(gè)機(jī)構(gòu)慣性過(guò)大的問(wèn)題，同時(shí)，也減小了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中電機(jī)所需要輸出的轉(zhuǎn)矩，從而減小所需電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩、功率以及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，不但降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本，也使得機(jī)構(gòu)構(gòu)型更加緊湊，便于更加合理的規(guī)劃AUV尾部空間。
[0024]圖4為本發(fā)明并聯(lián)矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，通過(guò)此圖可以明顯的看出該機(jī)構(gòu)中各支鏈和動(dòng)、靜兩個(gè)平臺(tái)的連接情況。其中B1B2B3平面為靜平臺(tái)，A1A2A3平面為動(dòng)平臺(tái)。支鏈BA、B2A2為六自由度U￡S支鏈，在B2處通過(guò)胡克鉸鏈與靜平臺(tái)連接，并在A1' A2處通過(guò)球鉸鏈與動(dòng)平臺(tái)連接。B3A3為兩自由度U支鏈，在B3處通過(guò)胡克鉸鏈與靜平臺(tái)連接，在A3處于動(dòng)平臺(tái)固連并且B3A3垂直于動(dòng)平臺(tái)。根據(jù)AUV尾部空間和機(jī)構(gòu)對(duì)稱性的需要使B1B2B3與A1A2A3為等腰直角三角形即aa=ab=45°。BQ、AQ分別為直角三角形B1B2B3與A1A2A3的內(nèi)心，在BtlAtl處通過(guò)等速萬(wàn)向節(jié)連接的花鍵軸組成了 SPS傳動(dòng)支鏈，可以把主推電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)η傳遞到螺旋槳末端A4處。在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)反解中，B3-x3y3z3為固定坐標(biāo)系，通過(guò)固定坐標(biāo)系，可以衍生出U￡S支鏈的定坐標(biāo)2)以及動(dòng)坐標(biāo)系Bn-unvnwn(η=I，2)。規(guī)定螺旋槳末端在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)角為θ3，在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)角為Ψ3，通過(guò)運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力學(xué)逆解得到螺旋槳末端在規(guī)定情況下運(yùn)動(dòng)時(shí)兩U￡S支鏈中作動(dòng)電機(jī)所需要的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。
[0025]以上示意性的對(duì)本發(fā)明及其實(shí)施方式進(jìn)行了描述，該描述沒(méi)有限制性，附圖中所示的也只是本發(fā)明的實(shí)施方式之一，實(shí)際的結(jié)構(gòu)并不局限于此。所以，如果本領(lǐng)域的技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，元件造型、連接方式不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)，與該技術(shù)方案相似的結(jié)構(gòu)方式及實(shí)施例，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種自主式水下航行器的并聯(lián)矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)，包括靜平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)，所述靜平臺(tái)上設(shè)有螺旋槳主推電機(jī)，所述動(dòng)平臺(tái)上設(shè)有螺旋槳傳動(dòng)軸系，所述靜平臺(tái)與所述動(dòng)平臺(tái)之間設(shè)有三組支鏈，所述三組支鏈包括兩組六自由度UES主動(dòng)支鏈和一組兩自由度U支鏈，所述靜平臺(tái)、動(dòng)平臺(tái)和三組支鏈組成了兩自由度球面三桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其特征在于； 所述兩自由度U支鏈與所述動(dòng)平臺(tái)固聯(lián)，所述兩自由度U支鏈垂直于動(dòng)平臺(tái)所在平面； 所述靜平臺(tái)和所述動(dòng)平臺(tái)之間還設(shè)有一 SPS傳動(dòng)支鏈，所述SPS傳動(dòng)支鏈用于將主推電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)傳遞到所述螺旋槳傳動(dòng)軸系中。
【文檔編號(hào)】B63G8/08GK103538709SQ201310492614
【公開(kāi)日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年10月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月18日
【發(fā)明者】張宏偉, 王樹新, 鄭炎, 魏東杰 申請(qǐng)人:天津大學(xué)