CN104029197B - 一种水下机器人的矢量推进机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下机器人的矢量推进机构，该机构为新型球面并联机构，包括静平台和动平台，动、静平台之间有四组运动支链构成，一组为RP_C支链，一组为RP_CRU支链，该两组运动支链为驱动支链，其中均包含一个具有弧形槽滑动结构构型的曲线移动副P_C，另外两组也是RP_C支链和RP_CRU支链，与前述两组运动支链结构相同且对称安装，但为被动支链，四组运动支链及动、静平台共同构成球面二自由度并联机构；本发明在静平台和动平台之间增加了一组RUC中间运动传递支链，用来将主推电机的转矩和运动传递到螺旋桨推进器。本发明具有安装便利，控制方便，低速转向性能好等特点。

Description

一种水下机器人的矢量推进机构

技术领域

本发明涉及水下航行器技术领域，具体为一种应用于水下机器人的并联矢量推进机构。

背景技术

目前水下机器人多采用螺旋桨推进器作为推进装置，单个螺旋桨推进器只能产生大小可变而方向固定的推进力，而当机器人需要进行不同方向导向操纵运动时，比如俯仰和偏转，就需要安装多个螺旋桨推进器来产生多维方向推进力。与一般推进器不同，矢量推进器除了能提供前进推进力外，还能根据机器人导向操纵任务需求产生其它多维方向上的推进力，可以极大地提高低速航行时水下机器人的转向能力和定位能力。目前，矢量推进机构仅局限于传统串联机构或Stewart六自由度并联机构。然而，传统串联机构的自重负荷比大，很难适应深海重压环境，虽然六自由度并联机构在灵活性和自重负荷比等方面能满足导向操纵动作要求，但是其工作空间小、结构和控制较复杂，也很难应用于工程实际。少自由度并联机构由于自由度少，设计制造更为简化，而关键导向操纵动作也不需要空间全部的六个自由度，因此基于少自由度并联机构的矢量推进机构将为矢量推进方式提供新的设计理念。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：针对现有水下机器人推进技术问题，本发明提出了一种少自由度并联矢量推进机构，该机构能够实现单机构多姿态的矢量推进技术，提高水下机器人的低速转向能力和定位能力。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：螺旋桨主推电机和传动轴系均固联于静平台，静平台和动平台之间由四组运动支链构成，一组为RP_C运动支链，一组为RP_CRU运动支链，该两组运动支链为驱动支链，其中都包含一个曲线移动副P_C，为弧形槽滑动结构构型；另外两组运动支链与前两组结构相同且对称安装，该两组为被动支链，用于提高推进机构的刚度和降低推进过程中的受力不平衡；动平台与静平台之间还设有具有万向节结构的中间运动传递支链，主要用来将主推电机的旋转运动传递到螺旋桨推进器，该中间运动传递支链通过转动副与静平台连接，通过圆柱副与动平台连接，形成一条RUC中间传递支链；上述四组运动支链及中间运动传递支链共同构成了一种新型球面三自由度矢量推进并联机构。与现有推进技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用新型球面并联机构改变了螺旋桨的空间运动姿态，从而实现了水下机器人的偏转和俯仰等空间姿态调整动作；中间运动传递支链实现了主推电机与螺旋桨之间的旋转运动传递。该球面并联机构与螺旋桨推进器的有机结合，实现了单机构多姿态的运动功能，省去了鳍舵等复杂的辅助结构构型，使水下机器人的结构更加紧凑，同时该机构可单套安装使用，具有模块化应用、便于批量生产等优点；本发明采用具有弧形槽滑动结构的球面并联机构摩擦系数低，能有效延长使用寿命，具有结构简单、可靠性高、安装便利以及噪音低等特点；本发明所采用的球面并联机构在两伺服电机的协同控制下，能够实现精确控制，同时响应速度快，能够使螺旋桨迅速达到所需的空间姿态。

附图说明

图1是本发明矢量推进并联机构的总体外观图；

图2是本发明二自由度球面并联机构示意图；

图3是本发明矢量推进并联机构简图。

图中：1-主推电机，2-圆盘底座，3、13-伺服电机，4-中央万向节，5、11-RP_CRU支链，6-中间轴，7、12-RP_C支链，8-圆柱副，9-螺旋桨，10、19、26-弧形滑杆，14、22、25-转动副，15、18、21、27-弧形槽支座，16、17、20、28-支架，23、24-万向节。

具体实施方式

本发明实施例结构如图1所示，以圆盘底座2为静平台，以弧形滑杆10为动平台，动静平台之间具有4组运动支链，分别为两组RP_C支链7、12和两组RP_CRU支链5、11，其中RP_C支链12和RP_CRU支链5为主动支链，末端分别连接伺服电机13、3，另外两组运动支链，即RP_C支链7和RP_CRU支链11为被动支链，起增加刚度、减少受力不平衡的作用。所述四组运动支链中均包含一个具有弧形槽滑动结构的曲线移动副P_C，四组运动支链位于同一球面上且相互间隔90°安装，共同构成球面二自由度并联机构（详见图2）。为了将转矩从固联于圆盘底座上的主推电机1传动到动平台上的螺旋桨9，本发明在静平台和动平台之间增加了一条RUC中间运动传递支链，该支链底端通过转动副14与静平台上的主推电机1相连，中间有一万向节4连接上端的中间轴6，中间轴6穿过动平台10与螺旋桨相连，与动平台之间形成圆柱副8。该中间运动支链不为推进机构提供力和力矩，只起到传递主推电机的转矩到螺旋桨推进器的作用。本发明矢量推进机构的结构简图如图3所示。

图2为本发明球面二自由度并联机构简图，该并联机构由静平台、动平台以及四组运动支链组成。其中第一组运动支链RP_C由弧形槽支座15、支架16与弧形滑杆10构成，弧形槽支座15与支架16铰接形成转动副R，弧形滑杆10可以在弧形槽支座15中做圆弧滑动，构成曲线移动副P_C；第二组运动支链RP_CRU由支架17、弧形槽支座18,弧形滑杆19和万向节23构成，其中弧形滑杆19和万向节23铰接，形成转动副22；同理，第三组运动支链由支架20、弧形槽支座21、与弧形滑杆10构成，与第一组运动支链在同一平面上；第四组运动支链由支架28、弧形槽支座27,弧形滑杆26和万向节24构成，与第二组运动支链对称安装，也在同一平面上。上述四组运动支链位于同一球面且相互间隔90°布置，四组运动支链底端四个转动副的转动轴线汇交于一点，即球心位置。通过控制两个伺服电机3、13的转角和转速，可以使该机构在两组驱动支链的作用下，实现球面二自由度的运动。

图3为本发明矢量推进机构的结构简图，其中A₁A₂A₃A₄平面构成了静平台，A₁、A₂、A₃、A₄四点处分别有四个转动副R，该四个转动副位于圆心为O的圆上，相互间隔90°分布，且转动轴线汇交与圆心O，其中A₁、A₂两处连接伺服电机，为驱动关节。B₁、B₂、B₃、B₄四点处为弧形槽支座与弧形滑杆连接而成的四个曲线移动副P_C，其中B₁、B₃之间为弧形滑杆10，即为动平台，动平台与两侧另外两弧形滑杆19、26分别通过转动副R加万向节U连接，在此机构简图中等效为C₁和C₂处的两个球副。在中间运动传递支链中，M点处的转动副连接主推电机1，主推电机1通过万向节4将转矩传递到中间轴6，进一步通过D点处的圆柱副带动螺旋桨运动。螺旋桨推进器在A₁、A₂两点处的伺服电机以及M点处的主推电机的共同作用下，可以变换螺旋桨推进方向和速度，实现矢量推进所需的多种姿态。该新型球面并联机构具有球面机构特点，各支链位置布局简易，为矢量推进控制提供了极大地方便。

本发明并不局限于上述具体实施方式，上述实施例仅仅为示意性的，并不是限制性的，本领域技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的更改元件造型、连接方式等，可以作出很多类似的结构方式及实施例，均在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.水下机器人的矢量推进机构，包括动平台和静平台，螺旋桨的主推电机和传动轴系固联于静平台，动平台和静平台之间有四组运动支链，其特征在于：所述运动支链包括两组RP_C支链和两组RP_CRU支链，两组RP_C支链对称安装，两组RP_CRU支链也对称安装，每组RP_C支链均由弧形槽支座、支架与弧形滑杆构成，两组RP_C支链共用同一个弧形滑杆，该弧形滑杆为动平台；每组RP_CRU支链由支架、弧形槽支座、弧形滑杆和万向节构成；四组运动支链的支架都固定在静平台上，每组支链的弧形槽支座与相应的支架铰接形成转动副R，弧形滑杆可以在相对应的弧形槽支座中做圆弧滑动，构成曲线移动副P_C，每组RP_CRU支链的弧形滑杆和万向节铰接，分别形成转动副，每组RP_CRU支链顶端通过万向节与动平台连接；其中一组RP_C支链和一组RP_CRU支链构成驱动支链，每个支链的转动副R均由电机驱动，另外一组RP_C支链和一组RP_CRU支链构成被动支链，所述动平台、静平台和四组运动支链共同构成球面二自由度并联机构；四组运动支链最下端的四个转动副R位于同一个圆上，且转动轴线汇交于圆心；所述传动轴系为一具有万向节结构的中间运动传递支链，该中间运动传递支链通过转动副与静平台连接，通过圆柱副与动平台连接，形成一条RUC中间传递支链；上述四组运动支链及中间运动传递支链共同构成了一种球面三自由度矢量推进并联机构。

2.根据权利要求1所述的水下机器人的矢量推进机构，其特征在于：所述运动支链每两组支链间隔90°安装于静平台上，两组RP_C支链和两组RP_CRU支链分别在同一平面上。