CN106428494A - 一种基于空间并联机构的水下矢量推进器 - Google Patents

Abstract

一种基于空间并联机构的水下矢量推进器属于水下航行及探测技术领域，目的在于解决现有技术存在的推力矢量化程度低、水下机器人灵活性差、结构复杂、重量大、成本高和不利于检修的问题。本发明包括：3‑PSS/S空间并联机构，3‑PSS/S空间并联机构的动平台和静平台通过中间球型铰链连接，三个对称设置的PSS运动支链支撑在动平台和静平台之间；PSS运动支链包括传动轴、移动块、丝杠螺母副和伺服电机，传动轴一端通过铰链和动平台的下端面连接，另一端通过铰链和移动块连接，移动块和丝杠螺母副中的螺母固定连接，伺服电机输出轴和丝杠螺母副的输入轴固定连接；和设置在动平台上的螺旋桨，所述螺旋桨和一个直驱式水下推进电机连接。

Description

一种基于空间并联机构的水下矢量推进器

技术领域

本发明属于水下航行及探测技术领域，具体涉及一种基于空间并联机构的水下矢量推进器。

背景技术

当前，随着科学技术的高速发展，人们对于陆地的开发越来越完善，各种基础设施越来越普及，可以说陆地对于人类的可开发程度越来越小。然而占据地球面积将近三分之二的海洋却仍是一个谜一样的存在。人类要继续发展，势必要探寻深海里掩藏的各种各样的秘密。海底蕴藏着丰富的矿产资源，石油，天然气以及各种稀有矿石是国与国必争之物。所以，越来越多的国家开始了海洋勘探工作，成立了相应的会议组织，研发出了各式海洋探测仪器设备。因此海洋探测设备，诸如船舶，潜艇，鱼雷，水下机器人也出现在人们的视野里。

随着航海事业的发展，船舶，潜艇，水下机器人等设备的应用也越来越广泛，然而矢量推进技术始终是这些设备难以攻克的技术。目前，船舶，潜艇，AUV(无缆水下机器人)等设备多数都是以螺旋桨为推动装置。旋桨转动使水流产生旋转向后的运动，这种旋转向后运动的水流只有平行于桨轴方向的速度分量才能对水下航行器产生有效推力，其具有水流扩展角大、卷吸和掺混能力非常强，一起具有回流区等弱特性，因而大大降低了其推进效率。推力矢量化程度低，特别在航行器转弯时其推力会丧失。

另外，海底形势复杂多变，需要应对诸多的突发状况。水下机器人的机动性应当适应这险峻的形势，所以水下机器人应当能够完成前进，后退，悬停，偏航，原地转弯以及垂直升降等功能。但是就现在而言，大多数的水下机器人并不具备这种技术。水下机器人要转弯，就必须同时调动水平翼和垂直翼两个方向上的舵进行控制，极大地限制了灵活性。

目前，有些水下机器人为了实现矢量推进的功能，在机器人上安装多个螺旋桨推进器，这样虽然也或多或少能够实现矢量推进的作用，却增加了机器人的复杂性，也增加了重量和成本，在不工作时造成浪费，而且不利于检修。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于空间并联机构的水下矢量推进器，解决现有技术存在的推力矢量化程度低、水下机器人灵活性差、结构复杂、重量大、成本高和不利于检修的问题，实现AUV的低转速转向性能。

为实现上述目的，本发明的一种基于空间并联机构的水下矢量推进器包括：

3-PSS/S空间并联机构，所述3-PSS/S空间并联机构包括静平台、PSS运动支链、中间球型铰链和动平台；所述动平台和静平台通过中间球型铰链连接，三个对称设置的PSS运动支链支撑在所述动平台和静平台之间；所述PSS运动支链包括传动轴、移动块、丝杠螺母副和伺服电机，所述传动轴一端通过铰链和所述动平台的下端面连接，另一端通过铰链和移动块连接，所述移动块和所述丝杠螺母副中的螺母固定连接，所述伺服电机输出轴和所述丝杠螺母副的输入轴固定连接；

和设置在所述动平台上的螺旋桨，所述螺旋桨和一个直驱式水下推进电机连接。

所述中间球型铰链包括球头杆、多耳球盖、球座、轴承和中心立柱；所述多耳球盖通过螺钉和所述球座连接，所述球头杆的球头设置在所述多耳球盖内，所述球座下端通过轴承和所述中心立柱一端连接，中心立柱的另一端通过螺纹和静平台连接。

所述水下矢量推进器还包括二级转向机构，所述二级转向机构包括伸缩支架和直线电机，多个所述伸缩支架平行设置，伸缩支架的一端和动平台上端面连接，另一端和防水螺旋将推进器连接，每个伸缩支架和一个直线电机连接。

三个PSS运动支链的传动轴关于中间球型铰链的中心轴对称，三个PSS运动支链的丝杠螺母副圆周均布；

所述传动轴一端通过铰链和所述动平台的下端面连接，另一端通过铰链和移动块连接中的铰链具体为虎克铰。

所述丝杠螺母副倾斜设置，一端和静平台上端面连接，另一端和中间球型铰链的中心立柱连接，下部采用梯形塔架结构支撑。

本发明的有益效果为：本发明的一种基于空间并联机构的水下矢量推进器运用3-PSS/S空间并联机构，结构简单，灵活性强，反应迅速，能够根据海底复杂的地形，做出快速反应。

直接将防水推进器置于动平台，不需设计复杂的防水密封结构，从而解决了因密封泄露问题可能带来的一些安全隐患。

安装有3个独立控制的伺服电机，采用统一筹措，单独控制的控制方式，极大地提高了反应的快速性和准确性，减少反应时间而增加了整个设备的安全性。

使用时，静平台固定在水下机器人上，将推进器置于可倾斜动平台上，使之能够沿不同方向提供动力，规避了传统推进器只能直线推进的缺点，从而能够完成悬停，偏航，原地转弯以及垂直升降等功能。

附图说明

图1为本发明的一种基于空间并联机构的水下矢量推进器的整体结构示意图；

图2为本发明的一种基于空间并联机构的水下矢量推进器中中间球型铰链结构示意图；

图3为3-PSS/S空间并联机构简图；

图4为为本发明的一种基于空间并联机构的水下矢量推进器中实现动平台倾斜的示意图；

其中：1、3-PSS/S空间并联机构，101、静平台，102、PSS运动支链，1021、传动轴，1022、移动块，1023、丝杠螺母副，1024、伺服电机，103、中间球型铰链，1031、球头杆，1032、多耳球盖，1033、球座，1034、轴承，1035、中心立柱，104、动平台，2、防水螺旋桨推进器，3、直驱式水下推进电机，4、二级转向机构，401、伸缩支架，402、直线电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1和附图2，本发明的一种基于空间并联机构的水下矢量推进器包括：

3-PSS/S空间并联机构1，所述3-PSS/S空间并联机构1包括静平台101、PSS运动支链102、中间球型铰链103和动平台104；所述动平台104和静平台101通过中间球型铰链103连接，三个对称设置的PSS运动支链102支撑在所述动平台104和静平台101之间；所述PSS运动支链102包括传动轴1021、移动块1022、丝杠螺母副1023和伺服电机1024，所述传动轴1021一端通过铰链和所述动平台104的下端面连接，另一端通过铰链和移动块1022连接，所述移动块1022和所述丝杠螺母副1023中的螺母固定连接，所述伺服电机1024输出轴和所述丝杠螺母副1023的输入轴固定连接；当动平台104需要向某一方向倾斜时，首先由计算机计算出每一个PSS运动支链102所需完成的移动量，然后根据计算出来的移动量计算出每一个PSS运动支链102所在伺服电机1024所需的脉冲个数或者是通电时间，随即输出相应的脉冲信号激励相应的伺服电机1024，伺服电机1024在激励下带动丝杠绕轴线做圆周运动，丝杠连接的移动块1022通过丝杠螺母副1023的作用也移动相应的移动量。由于移动块1022的移动，使得移动块1022与传动轴1021之间的虎克铰所代表的球面副出现一个相应的转动角度。由于传动轴1021与动平台104之间也是通过虎克铰连接的，传动轴1021的转动最终反映在动平台104在其绕中间球面副的转动上。继而实现了动平台104的倾斜。通过协调动平台104在3个PSS运动支链102的倾斜量，即可实现推进动力的矢量化；

和设置在所述动平台104上的螺旋桨2，所述螺旋桨2和一个直驱式水下推进电机3连接；直驱式水下推进电机3采用封灌密封处理，直驱式水下推进电机3的转子全部灌满胶水，定子也灌满防水胶，实现封灌密封防水。

所述中间球型铰链103包括球头杆1031、多耳球盖1032、球座1033、轴承1034和中心立柱1035；所述多耳球盖1032通过螺钉和所述球座1033连接，所述球头杆1031的球头设置在所述多耳球盖1032内，所述球座1033下端通过轴承1034和所述中心立柱1035一端连接，中心立柱1035的另一端通过螺纹和静平台101连接。静平台101上通过螺纹和中心立柱1035连接，中心立柱1035和球座1033之间通过一个轴承1034保证球座1033能够绕中心立柱1035的轴线做旋转运动。球座1033和多耳球盖1032之间形成了一个圆形空间，与球头杆1031构成了球面转动副。一般球面副由于其结构限制，最大摆动角一般不超过45度。而由于本发明采用的是多耳球盖1032，故而能够增大球头杆1031的摆动角度，使其摆动达到50至60度。球头杆1031与动平台104中心相连，在PSS运动支链102的作用下，动平台104只是绕着球型铰链的球面中心运动。中间球型铰链103的主要作用便是支撑动平台104并提供一个3自由度的约束。所述中间球型铰链103，增大了动平台104的摆动角度，加强了对动平台104的支撑作用。

所述水下矢量推进器还包括二级转向机构4，所述二级转向机构4包括伸缩支架401和直线电机402，多个所述伸缩支架401平行设置，伸缩支架401的一端和动平台104上端面连接，另一端和防水螺旋将推进器2连接，每个伸缩支架401和一个直线电机402连接。直线电机402可以直接驱动。当控制信号输入直线电机402时，伸缩支架401在直线电机402的作用下做直线运动，使得防水螺旋桨推进器2所在平面倾斜一定角度，即实现了矢量推进的二级转向倾斜。

二级转向机构4和3-PSS/S空间并联机构1共同作用，可以使防水螺旋桨推进器2倾斜一定的角度，从而增大矢量推进器的倾斜角。

三个PSS运动支链102的传动轴1021关于中间球型铰链103的中心轴对称，三个PSS运动支链102的丝杠螺母副1023圆周均布；

所述传动轴1021一端通过铰链和所述动平台104的下端面连接，另一端通过铰链和移动块1022连接中的铰链具体为虎克铰。

所述丝杠螺母副1023倾斜设置，一端和静平台101上端面连接，另一端和中间球型铰链103的中心立柱1035连接，下部采用梯形塔架结构支撑。使得推进器结构更加稳定，便于调控。

参见附图3，3-PSS/S空间并联机构1，主要由静平台101与动平台104，及其之间的三个对称的PSS运动支链102和一个中间球型铰链S组成，静平台101由等边三角形代C₁C₂C₃表示，其中心为C₀，动平台104由等边三角形B₁B₂B₃表示，其中心为B₀，中间球型铰链103的中间球面副的球心为O，即机构的转动中心，与B₀重合。由于PSS运动支链102对机构的运动不产生约束，机构的运动情况仅取决于中间球型铰链S，所以其具有绕机构转动中心的三个转动自由度，因此机构的动平台104上的任意一点都被约束在机构的转动中心至该点的球面上。PSS运动支链长度为L₁，静平台边长为L₂，运动支链与中间球型铰链所在中心轴线夹角分别为θ₁，θ₂，θ₃。推进器中心轴线为D，其与静平台的夹角为t。与动平台104相串联的三个移动副轴线汇交机构中线B₀C₀于点H，HA₁的长度为d₁，HA₂的长度为d₂，连杆A₁B₁、A₂B₂、A₃B₃的长度均为L₁，B₀B₁的长度为L₂。

参见附图4，三个对称的PSS运动支链102由一个平面副和2个万向轴组成。通过伺服电机1024带动丝杠做周向运动，使得丝杠上的移动块1022沿着丝杠轴向做直线运动。移动块1022与传动轴1021之间安装有虎克铰，起着球面副的作用。当移动块1022做直线运动时，移动块1022和传动轴1021之间有一个相对的角度转动。传动轴1021与动平台104之间也是通过虎克铰连接的，其作用也相当是一个球面副。传递每个支链的移动量并反映在动平台104的倾斜上。

由于本发明专利采用的是防水螺旋桨推进器2，所以在设计时并不需要过多地考虑密封问题，因而极大地简化了矢量推进器的机械结构，解决了一些或因密封泄漏而引发的安全隐患。所需考虑的问题就是对防水推进器的功率供给，通过控制防水推进器电机的功率控制，调节电机的转速，从而控制矢量推器的推进力的大小，实现推进器的功率调节。

下面结合水下探测设备及AUV可能遇到的状况具体描述矢量推进器所能实现的具体功能。当AUV需要急速转弯时，首先通过转速控制***计算出推进器所需倾斜的最佳角度，然后通过激励信号传输至矢量推进器的PSS运动支链102所在的伺服电机1024上，伺服电机1024随即带动丝杠螺母副1023，丝杠螺母副1023上的移动块1022移动从而带动与移动块1022连接的传动轴1021绕其上的球面副作转动，继而引起传动轴1021与动平台104的相对转动。动平台104由于中间球型铰链S的作用，只能绕着中间球型铰链103的球面副做旋转运动，通过3个PSS运动支链102的共同作用，将动平台104倾斜到预定的倾斜角。一台AUV上安装的矢量推进器不会少于2个，按照4个矢量推进器来说明，则4个推进器在AUV需要急速转弯时，分别倾斜至规定的角度，然后通过功率控制来调节各个推进器的推进力的大小，从而使AUV向着预期的方向行进。

现在大多数水下探测设备都通过排水和吸水来实现垂直升降的，而很少是通过推进的直接作用来实现垂直升降的。排吸水虽能够实现垂直升降的功能，却难以控制升降的速度，并且难以实现整个设备的悬停动作。通过本专利的矢量推进器的作用，能够很好的解决这一问题。首先，当AUV需要垂直上升的时候，状况具体描述矢量推进器所能实现的具体功能。通过转速控制***计算出推进器所需倾斜的最佳角度，然后通过激励信号传输至矢量推进器的PSS运动支链102的伺服电机1024上，伺服电机1024随即带动丝杠螺母副1023，丝杠螺母副1023上的移动块1022移动从而带动与移动块1022连接的传动杆绕其上的球面副作转动，继而引起传动轴1021与动平台104的相对转动。需要说明的是各个推进器向外倾斜的角度应该保持一致，这样就能够抵消水平面上各个方向上的分力。当AUV需要垂直下潜的时候和上升时相近，只是倾斜方向的改变而已。由于结构限制，单个矢量推进器不能实现360度自由旋转，但是运用多个矢量推进器，即可解决此问题。

Claims (6)

1.一种基于空间并联机构的水下矢量推进器，其特征在于，包括：

3-PSS/S空间并联机构(1)，所述3-PSS/S空间并联机构(1)包括静平台(101)、PSS运动支链(102)、中间球型铰链(103)和动平台(104)；所述动平台(104)和静平台(101)通过中间球型铰链(103)连接，三个对称设置的PSS运动支链(102)支撑在所述动平台(104)和静平台(101)之间；所述PSS运动支链(102)包括传动轴(1021)、移动块(1022)、丝杠螺母副(1023)和伺服电机(1024)，所述传动轴(1021)一端通过铰链和所述动平台(104)的下端面连接，另一端通过铰链和移动块(1022)连接，所述移动块(1022)和所述丝杠螺母副(1023)中的螺母固定连接，所述伺服电机(1024)输出轴和所述丝杠螺母副(1023)的输入轴固定连接；

和设置在所述动平台(104)上的螺旋桨(2)，所述螺旋桨(2)和一个直驱式水下推进电机(3)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于空间并联机构的水下矢量推进器，其特征在于，所述中间球型铰链(103)包括球头杆(1031)、多耳球盖(1032)、球座(1033)、轴承(1034)和中心立柱(1035)；所述多耳球盖(1032)通过螺钉和所述球座(1033)连接，所述球头杆(1031)的球头设置在所述多耳球盖(1032)内，所述球座(1033)下端通过轴承(1034)和所述中心立柱(1035)一端连接，中心立柱(1035)的另一端通过螺纹和静平台(101)连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于空间并联机构的水下矢量推进器，其特征在于，所述水下矢量推进器还包括二级转向机构(4)，所述二级转向机构(4)包括伸缩支架(401)和直线电机(402)，多个所述伸缩支架(401)平行设置，伸缩支架(401)的一端和动平台(104)上端面连接，另一端和防水螺旋将推进器(2)连接，每个伸缩支架(401)和一个直线电机(402)连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于空间并联机构的水下矢量推进器，其特征在于，三个PSS运动支链(102)的传动轴(1021)关于中间球型铰链(103)的中心轴对称，三个PSS运动支链(102)的丝杠螺母副(1023)圆周均布。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于空间并联机构的水下矢量推进器，其特征在于，所述传动轴(1021)一端通过铰链和所述动平台(104)的下端面连接，另一端通过铰链和移动块(1022)连接中的铰链具体为虎克铰。

6.根据权利要求2所述的一种基于空间并联机构的水下矢量推进器，其特征在于，所述丝杠螺母副(1023)倾斜设置，一端和静平台(101)上端面连接，另一端和中间球型铰链(103)的中心立柱(1035)连接，下部采用梯形塔架结构支撑。