全部偏轉螺旋槳矢量推進機構及水下航行器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及水下航行器技術領域，特別是指一種全部偏轉螺旋槳矢量推進機構及具有該機構的水下航行器。
【背景技術】
[0002]我國水下機器人的研制工作目前還處于起步階段。雖然已經開發了一些產品，但離實際應用尚有很長的一段距離。另一方面，我國在海洋開發、海上石油開采以及軍事領域中對水下機器人的需要日益增加并顯得日益迫切。
[0003]目前水下機器人多采用螺旋槳推進器作為推進裝置。一個單維螺旋槳推進器只能產生一個方向、大小可變的推進力，而當機器人需要進行多個方向導向操縱運動時，比如俯仰和偏轉，就需要安裝多個單維螺旋槳推進器來產生多維方向推進力。與一般單維螺旋槳推進器不同，矢量推進器除了能提供前進、后退推進力外，還能根據機器人導向操縱任務需求產生多維方向上的推進力，可以極大地提高低速航行時水下機器人的轉向能力和定位能力。多個螺旋槳推進器的安裝形式，破壞了航行器的結構連續性，降低了航行器的結構強度，增大了航行器重量，增加了成本，同時也使航行器內部的布置受到局限。
[0004]結合推力矢量技術的螺旋槳推進器，是通過改變整個推進系統方向來改變推力方向。它可以分為兩種，部分偏轉(螺旋槳)方式和全部偏轉(推進電機和螺旋槳)方式。部分偏轉螺旋槳推進器結構復雜、體積大，而基于少自由度的全部偏轉螺旋槳矢量推進機構將為矢量推進方式提供新的設計理念，以實現單機構多維姿態調整的矢量推進技術。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術問題是提供一種全部偏轉螺旋槳矢量推進機構及具有該機構的水下航行器，以實現單機構多姿態調整的矢量推進技術，提高水下機器人的低速轉向能力和定位能力。
[0006]為解決上述技術問題，本發明提供技術方案如下:
[0007]—方面，提供一種全部偏轉螺旋槳矢量推進機構，包括支架，所述支架的上方設置有用作靜平臺的圓盤，所述支架的下方設置有用作動平臺的萬向節，其中:
[0008]所述動平臺上設置有螺旋槳和推進電機，所述螺旋槳和推進電機相連構成尾部推進器；
[0009]所述動平臺和靜平臺之間設置有偏擺機構和回轉機構，所述偏擺機構采用滾珠絲杠和滑塊螺母配合傳動并通過所述滑塊螺母驅動曲柄滑塊機構來帶動所述螺旋槳發生偏擺，所述回轉機構通過空間多桿機構的運動來帶動所述螺旋槳發生回轉。
[0010]另一方面，提供一種水下航行器，包括上述的全部偏轉螺旋槳矢量推進機構。
[0011]本發明具有以下有益效果:
[0012]本發明中，全部偏轉螺旋槳矢量推進機構包括動平臺和靜平臺。動平臺上設置有螺旋槳和推進電機，螺旋槳與推進電機相連構成尾部推進器，推進電機固聯于動平臺，直接將旋轉運動傳遞到螺旋槳。靜平臺即為圓盤，靜平臺包含著兩組運動支鏈，分別是偏擺機構和回轉機構。該兩組運動支鏈和尾部推進器共同構成三自由度全部偏轉螺旋槳矢量推進機構。在偏擺機構中，應用了一種電機驅動滾珠絲杠和滑塊螺母的運動，和一種以滑塊螺母作為驅動的曲柄滑塊機構。在回轉機構中，應用了一種空間多桿機構的運動，和一種在萬向節上面安裝尾部推進器的技術。通過偏擺機構和回轉機構的配合運動，實現了萬向節在空間全方位的轉動，固聯于其上的尾部推進器也就實現了在空間全方位的轉動。
[0013]本發明利用全部偏轉螺旋槳矢量推進機構改變了螺旋槳的空間運動姿態，從而實現了水下機器人的偏轉和俯仰等空間姿態動作的調整;全部偏轉螺旋槳矢量推進機構的應用，避免了部分偏轉螺旋槳推進器結構復雜、體積大的問題;該矢量推進機構在三個伺服電機的協同控制下，能夠實現精確控制，同時響應速度快，實現了單機構多姿態的運動功能，省去了鰭舵等復雜的輔助結構構型，使水下機器人的結構更加緊湊;本發明采用的尾部推進器固聯于萬向節這個平臺上，螺旋槳、推進電機具有安裝、更換、維修方便簡單的優點；同時該機構可單套安裝使用，具有模塊化應用、便于批量生產等優點。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明的全部偏轉螺旋槳矢量推進機構實施例一的總體結構示意圖；
[0015]圖2為圖1所示實施例一的部分結構示意圖；
[0016]圖3為圖1所示實施例一的原理簡圖；
[0017]圖4為本發明的全部偏轉螺旋槳矢量推進機構實施例二的總體結構示意圖一；
[0018]圖5為圖4所示實施例二的總體結構示意圖二；
[0019]圖6為圖4所示實施例二的部分結構示意圖；
[0020]圖7為圖4所示實施例二的原理簡圖；
[0021 ]圖8為本發明的全部偏轉螺旋槳矢量推進機構實施例三的總體結構示意圖；
[0022]圖9為圖8所示實施例三的部分結構示意圖；
[0023]圖10為圖8所示實施例三的原理簡圖；
[0024]圖11為本發明的水下航行器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0025]為使本發明要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例進行詳細描述。
[0026]—方面，本發明提供一種全部偏轉螺旋槳矢量推進機構，如圖1-10所示，包括支架
10、10’、10”，支架10、10’、10”的上方設置有用作靜平臺的圓盤11、11’、11”，支架10、10’、10”的下方設置有用作動平臺的萬向節，其中:
[0027]動平臺上設置有螺旋槳12、12 ’、12”和推進電機13、13 ’、13”，螺旋槳12、12 ’、12”和推進電機13、13 ’、13”相連構成尾部推進器；
[0028]動平臺和靜平臺之間設置有偏擺機構和回轉機構，偏擺機構采用滾珠絲杠和滑塊螺母配合傳動并通過滑塊螺母驅動曲柄滑塊機構來帶動螺旋槳12、12’、12”發生偏擺，回轉機構通過空間多桿機構的運動來帶動螺旋槳12、12’、12”發生回轉。
[0029]本發明中，全部偏轉螺旋槳矢量推進機構包括動平臺和靜平臺。動平臺上設置有螺旋槳和推進電機，螺旋槳與推進電機相連構成尾部推進器，推進電機固聯于動平臺，直接將旋轉運動傳遞到螺旋槳。靜平臺即為圓盤，靜平臺包含著兩組運動支鏈，分別是偏擺機構和回轉機構。該兩組運動支鏈和尾部推進器共同構成三自由度全部偏轉螺旋槳矢量推進機構。在偏擺機構中，應用了一種電機驅動滾珠絲杠和滑塊螺母的運動，和一種以滑塊螺母作為驅動的曲柄滑塊機構。在回轉機構中，應用了一種空間多桿機構的運動，和一種在萬向節上面安裝尾部推進器的技術。通過偏擺機構和回轉機構的配合運動，實現了萬向節在空間全方位的轉動，固聯于其上的尾部推進器也就實現了在空間全方位的轉動。
[0030]本發明利用全部偏轉螺旋槳矢量推進機構改變了螺旋槳的空間運動姿態，從而實現了水下機器人的偏轉和俯仰等空間姿態動作的調整;全部偏轉螺旋槳矢量推進機構的應用，避免了部分偏轉螺旋槳推進器結構復雜、體積大的問題;該矢量推進機構在三個伺服電機的協同控制下，能夠實現精確控制，同時響應速度快，實現了單機構多姿態的運動功能，省去了鰭舵等復雜的輔助結構構型，使水下機器人的結構更加緊湊;本發明采用的尾部推進器固聯于萬向節這個平臺上，螺旋槳、推進電機具有安裝、更換、維修方便簡單的優點；同時該機構可單套安裝使用，具有模塊化應用、便于批量生產等優點。
[0031]下面以三個具體的實施例對本發明的技術方案進行詳細的說明。
[0032]需要說明的是，本發明的三個實施例均包括螺旋槳旋轉運動傳遞機構、偏擺機構、回轉機構。螺旋槳與推進電機相連構成尾部推進器。螺旋槳旋轉運動傳遞機構是通過安裝于萬向節上的尾部推進器，為水下機器人提供推進力。偏擺機構主要實現螺旋槳繞中心軸線平面內的偏擺運動。在偏擺一定角度后，回轉機構會使螺旋槳繞著中心軸線實現在空間全方位的轉動。通過這兩種機構的運動，可以使螺旋槳的旋轉軸線在空間某個位置處，從而實現了螺旋槳的推進方向的變化。本發明通過偏擺和回轉這兩條傳動鏈的運動合成，使尾部推進器實現任意偏擺角度下的全方位轉動。
[0033]實施例一:
[0034]如圖1-3所示，本實施例中，萬向節包括萬向節a 14和與萬向節a 14鉸接的萬向節b 15，推進電機13設置在萬向節a 14上，萬向節b 15鉸接在支架10的下方中部;這樣，螺旋槳旋轉運動傳遞機構包括推進電機13、螺旋槳12等。螺旋槳12與推進電機13相連構成尾部推進器，固聯于外部萬向節a 14。推進電機13直接將旋轉運動傳遞給螺旋槳12，使其產生旋轉運動，為水下機器人提供推進力。尾部推進器以萬向節a 14作為平臺，通過下面所述的偏擺機構和回轉機構實現在空間全方位的轉動。
[0035]靜平臺上設置有偏擺電機16和回轉電機17，滾珠絲杠18和滑塊螺母19設置在靜平臺的中部下方，動平臺和靜平臺之間還設置有連桿110、轉盤111和絲杠底座112;
[0036]偏擺機構包括偏擺電機16、滾珠絲杠18、滑塊螺母19、連桿110、轉盤111、萬向節a14和萬向節b 15，其中偏擺電機16驅動連接滾珠絲杠18(具體可以通過一對嚙合齒輪113和齒輪114)，滑塊螺母19作為驅動桿依次驅動連接連桿110、轉盤111、萬向節a 14