CN107985536B - 一种配备空间并联机构矢量推进器的潜航器 - Google Patents

Abstract

一种配备空间并联机构矢量推进器的潜航器属于潜航器技术领域，目的在于解决现有技术存在的推进效率低、定位困难、转弯缺乏灵活性和悬停不精确的问题。本发明包括：潜航器主体；设置在潜航器主体尾部的尾推装置，提供推进力，并可以调整推进角度；设置在潜航器主体后部并位于尾推装置前端的可旋转副翼；设置在潜航器主体前端的声呐探测装置；设置在潜航器主体下方的起落架；设置在潜航器主体前部两侧的两组基于空间并联机构的矢量推进器；矢量推进器通过可旋转的固定轴与潜航器主体连接，所述矢量推进器能够在与固定轴联结的固定平面内实现正负70度摆动；以及设置在潜航器主体内部的图像信号识别***及中央控制***。

Description

一种配备空间并联机构矢量推进器的潜航器

技术领域

本发明属于潜航器技术领域，具体涉及一种配备空间并联机构矢量推进器的潜航器。

背景技术

由于地形和交通状况的多样性及复杂性，功能单一的交通工具已经无法满足人们的需求，功能单一的交通工具也造成了严重的资源浪费；随着世界各国对海洋资源的不断深入研究，不论是近海还是深海都是各国探究争夺的区域。潜航器是实现海洋开发利用的重要工程装备。它通过搭载各种电子设备、机械装置，快速地潜浮于深海复杂环境中，实现对海洋的勘探、科考、开发、作业等，其技术水平在一定程度上标志着国家海洋资源勘探开发甚至海洋权益维护能力。

我国已进入大规模、多方式开发利用海洋，并推进海洋经济发展方式转变的新时期，科技兴海已经进入新的历史阶段，海洋环境观探测是我国科技兴海和巩固海防过程中的重要研究内容。

近年来，无人水下航行器作为一种新兴的作战力量正在受到各军事大国的高度重视。同时对无人潜航器本身的航行能力、机动性、隐身性等提出了更高的要求。然而，现有技术普遍采用的是螺旋桨为主的推进器，这些常规推进方式明显存在推进效率低、定位困难、转弯缺乏灵活性和悬停不精确等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提出一种配备空间并联机构矢量推进器的潜航器，解决现有技术存在的推进效率低、定位困难、转弯缺乏灵活性和悬停不精确的问题。

为实现上述目的，本发明的一种配备空间并联机构矢量推进器的潜航器包括：

潜航器主体；

设置在所述潜航器主体尾部的一组基于空间并联机构的矢量推进器，该组矢量推进器作为尾推装置，为潜航器主体提供推进力，并可以调整推进角度；

设置在所述潜航器主体后部并位于尾推装置前端的可旋转的副翼，所述副翼通过螺栓安装在与一个伺服电机固联的旋转轴上；

设置在所述潜航器主体前端的声呐探测装置，用于探测潜航器前方的障碍物及路面状况；

设置在所述潜航器主体下方的起落架；

设置在所述潜航器主体前部两侧的两组基于空间并联机构的矢量推进器；所述矢量推进器通过可旋转的固定轴与所述潜航器主体连接，所述矢量推进器能够在与固定轴联结的固定平面内实现正负70度摆动；

以及设置在所述潜航器主体内部的图像信号识别***及中央控制***，声呐探测装置将采集到的前方障碍物及地形模拟信号传输至图像信号识别***，并经图像信号识别***转换为电信号，中央控制***根据图像信号识别***识别的电信号输出控制电流信号控制潜航器各部分动作。

设置在所述潜航器主体前部两侧的两组基于空间并联机构的矢量推进器与潜航器主体的连接为：每个矢量推进器通过螺栓固定在固定轴所在的平面内，固定轴与一个伺服电机的输出轴通过联轴器联结，固定轴设有旋转铰链，铰链与伺服电机联结，通过伺服电机控制固定轴折叠，通过调节伺服电机的转动量来控制矢量推进器的转动角度。

所述矢量推进器包括静平台、运动支链、中间球型铰链、动平台和螺旋桨；所述动平台和静平台通过中间球型铰链连接，三个对称设置的运动支链支撑在所述动平台和静平台之间，螺旋桨设置在所述动平台上，所述螺旋桨和一个直驱式水下推进电机连接；所述运动支链包括传动轴、移动块、丝杠螺母副和驱动电机，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，所述驱动电机输出轴和所述丝杠螺母副的输入轴固定连接。

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。

三个所述运动支链的传动轴关于中间球型铰链的中心立柱对称，三个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。

所述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，另一端和螺旋桨连接，每个伸缩支架和一个直线电机连接。

所述起落架包括：

和所述潜航器主体通过转动副连接的控制连接架；

和所述控制连接架固定连接的菱形支撑架，菱形支撑架平行的两个边分别和控制连接架固定连接，连接位置分别为端部和中间部位，第三个边和与控制连接架固定连接的两个边的另一端铰接；

以及主轮和副轮，所述主轮和副轮分别与菱形支撑架第三个边和与控制连接架端部固定连接的一个边的端部连接。

所述主轮和所述副轮独立驱动。

本发明的有益效果为：本发明的一种配备空间并联机构矢量推进器的潜航器将矢量推进技术应用到潜航器上，使得潜航器的功能更加强大，从而具备悬停，垂直方向上升下落，前进，后退，偏航，原地转弯等能力。潜航器安装有起落架，能够与水下的地面直接接触，具备坐底能力，令潜航器的航行更加高效安全。多种调节机制联合控制潜航器的运作，可旋转副翼的存在使得潜航器具有很高的机动性。前端安装有声呐探测设备，能有收集潜航器前方即将到达的区域地形资料，使得潜航器能够应对水下复杂的地形，及时作出调整以避免事故的发生。

本发明具备大角度的矢量推动能力，结构简便轻巧，能耗低，反应时间短等特点，非常适用于水下无人潜航器。目前国内外还未出现过具备这种矢量推进器的水下潜航器。基于空间并联机构的矢量推进器和水下无人潜航器的结合势必能够使得潜航器的能力大大提高，解下潜航器所面临的复杂问题。本发明改进了背景技术中指出的缺点，进一步提高潜航器的水下航行灵活性及精确性，配备矢量推进器的潜航器不仅能有效地提高潜航器的推进效率，还使其具备悬停，垂直方向上升下落，前进，后退，偏航，原地转弯等能力，完成复杂的航行动作，具备足以应对水下复杂险峻的形势的能力。

附图说明

图1为本发明的一种配备空间并联机构矢量推进器的潜航器整体结构示意图；

图2为本发明的一种配备空间并联机构矢量推进器的潜航器中矢量推进器结构示意图；

图3为本发明的一种配备空间并联机构矢量推进器的潜航器中中间球型铰链结构示意图；

图4为本发明的一种配备空间并联机构矢量推进器的潜航器中起落架结构示意图；

图5为本发明的一种配备空间并联机构矢量推进器的潜航器中障碍规模结构示意图；

其中：1、潜航器主体，2、尾推装置，3、副翼，4、声呐探测装置，5、起落架，501、控制连接架，502、菱形支撑架，503、主轮，504、副轮，6、矢量推进器，601、静平台，602、运动支链，6021、传动轴，6022、移动块，6023、丝杠螺母副，6024、驱动电机，603、中间球型铰链，6031、球头杆，6032、多耳球盖，6033、球座，6034、轴承，6035、中心立柱，604、动平台，605、螺旋桨，606、推进电机，607、二级转向机构，6071、伸缩支架，6072、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-附图5，本发明的一种配备空间并联机构矢量推进器的潜航器包括：

潜航器主体1；

设置在所述潜航器主体1尾部的一组基于空间并联机构的矢量推进器6，该组矢量推进器作为尾推装置2，为潜航器主体提供推进力，并可以调整推进角度；其具体结构参照上述基于空间并联机构的矢量推进器6，其主要作用是为潜航器提供主驱动力，在潜航器处于非坐底状态时为潜航器全部前进驱动力的来源；当潜航器处于坐底状态时，尾推装置2与起落架5共同提供前进驱动力；此外，当潜航器需要急速转弯时，尾推装置2能够为潜航器提供转弯所需的力矩，使得潜航器具备高机动性；

设置在所述潜航器主体1后部并位于尾推装置2前端的可旋转副翼3，所述副翼3通过螺栓安装在与一个伺服电机固联的旋转轴上；当潜航器在航行状态的时候，可以通过控制可旋转副翼3的旋转角度来对潜航器的航行姿态进行微调，所述可旋转副翼3受中央控制***的控制；在潜航器航行过程中，当遇到小型障碍物需要规避时，可旋转副翼3便能够相互配合，通过控制流经潜航器表面的流体的流速大小控制潜航器所受的力，使得潜航器姿态得以微调；

设置在所述潜航器主体1前端的声呐探测装置4，能发射和接收声呐信号，用于探测潜航器前方的障碍物以及路面状况，声呐探测设备会将采集的信号传递给图像信号识别***，然后再由图像信号识别***交由中央控制***处理；

设置在所述潜航器主体1下方的起落架5；

设置在所述潜航器主体1前部两侧的两组基于空间并联机构的矢量推进器6；所述矢量推进器6通过可旋转的固定轴与所述潜航器主体1连接，所述矢量推进器6的固定轴与伺服电机输出轴通过联轴器联结，可通过调节伺服电机的转动量来控制矢量推进器6的摆动角度；可旋转固定轴设有旋转铰链，铰链与伺服电机联结，能够通过伺服电机控制其折叠；

以及设置在所述潜航器主体1内部的图像信号识别***及中央控制***，声呐探测装置4将采集到的前方障碍物及地形模拟信号传输至图像信号识别***，并转换为电信号，中央控制***根据图像信号识别***识别的电信号输出控制电流信号控制潜航器各部分动作。

设置在所述潜航器主体1前部两侧的两组基于空间并联机构的矢量推进器6与潜航器主体1的连接为：每个矢量推进器6通过螺栓固定在固定轴所在的平面内，固定轴与一个伺服电机的输出轴通过联轴器联结，固定轴设有旋转铰链，铰链与伺服电机联结，通过伺服电机控制固定轴折叠，通过调节伺服电机的转动量来控制矢量推进器6的转动角度。

所述矢量推进器6包括静平台601、运动支链602、中间球型铰链603、动平台604和螺旋桨605；所述动平台604和静平台601通过中间球型铰链603连接，三个对称设置的运动支链602支撑在所述动平台604和静平台601之间，螺旋桨605设置在所述动平台604上，所述螺旋桨605和一个直驱式水下推进电机606连接；所述运动支链602包括传动轴6021、移动块6022、丝杠螺母副6023和驱动电机6024，所述传动轴6021一端通过铰链和所述动平台604的下端面连接，另一端通过铰链和移动块6022连接，所述移动块6022和所述丝杠螺母副6023中的螺母固定连接，所述驱动电机6024输出轴和所述丝杠螺母副6023的输入轴固定连接。当动平台604需要向某一方向倾斜时，首先由计算机计算出每一个运动支链602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运动支链602所在驱动电机6024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驱动电机6024，驱动电机6024在激励下带动丝杠绕轴线做圆周运动，丝杠连接的移动块6022通过丝杠螺母副6023的作用也移动相应的移动量。由于移动块6022的移动，使得移动块6022与传动轴6021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6021与动平台604之间也是通过虎克铰连接的，传动轴6021的转动最终反映在动平台604在其绕中间球面副的转动上。继而实现了动平台604的倾斜。通过协调动平台604在3个PSS运动支链602的倾斜量，即可实现推进动力的矢量化。

设置在所述潜航器主体1前部两侧的两组基于空间并联机构的矢量推进器6与潜航器主体1的连接为：每个矢量推进器6通过螺栓固定在固定轴所在的平面内，固定轴与一个伺服电机的输出轴通过联轴器联结，固定轴设有旋转铰链，铰链与伺服电机联结，通过伺服电机控制固定轴折叠，通过调节伺服电机的转动量来控制矢量推进器6的转动角度。

所述中间球型铰链603包括球头杆6031、多耳球盖6032、球座6033、轴承6034和中心立柱6035；所述多耳球盖6032通过螺钉和所述球座6033连接，所述球头杆6031的球头设置在所述多耳球盖6032内，所述球座6033下端通过轴承6034和所述中心立柱6035一端连接，中心立柱6035的另一端通过螺纹和静平台601连接。

三个所述运动支链602的传动轴6021关于中间球型铰链603的中心立柱6035对称，三个运动支链602的丝杠螺母副6023圆周均布。

所述传动轴6021一端通过铰链和所述动平台604的下端面连接，另一端通过铰链和移动块6022连接中的铰链具体为虎克铰。

所述丝杠螺母副6023倾斜设置，一端和静平台601上端面连接，另一端和中间球型铰链603的中心立柱6035连接，下部采用梯形塔架结构支撑。

所述矢量推进器6还包括二级转向机构607，所述二级转向机构607包括伸缩支架6071和直线电机6072，多个所述伸缩支架6071平行设置，伸缩支架6071的一端和动平台604上端面连接，另一端和螺旋桨605连接，每个伸缩支架6071和一个直线电机6072连接。

所述起落架5包括：

和所述潜航器主体1通过转动副连接的控制连接架501；

和所述控制连接架501固定连接的菱形支撑架502，菱形支撑架502平行的两个边分别和控制连接架501固定连接，连接位置分别为端部和中间部位，第三个边和与控制连接架501固定连接的两个边的另一端铰接；

以及主轮503和副轮504，所述主轮503和副轮504分别与菱形支撑架502第三个边和与控制连接架501端部固定连接的一个边的端部连接。

所述主轮503和所述副轮504独立驱动。

有3个起落架5安装于潜航器主体1的下方。当潜航器处于坐底姿态时起落架5放下，与水下地面接触。当水下地面平整时，起落架5，主轮503与地面接触；当水下地面比较高低不平时，此时副轮504被放下，主轮503与副轮504同时接触地面。副轮504放下的动作通过控制连接架501完成。

本发明安装于潜航器前端的声呐探测设备通过发射和接收声呐信号采集潜航器前方的地形资料，然后传递给图像信号识别***，图像信号识别处理之后传递给中央控制***。最后中央控制***选定最优的方案后将动作信号发送给尾推装置2、矢量推进器6、可旋转副翼3以及起落架5；通过中央控制***的统一筹措，再经矢量推进器6和可旋转副翼3的调整作用，潜航器能够快速地作出反应，从而避免事故的发生。

Claims (9)

1.一种配备空间并联机构矢量推进器的潜航器，其特征在于，包括：

潜航器主体(1)；

设置在所述潜航器主体(1)尾部的一组基于空间并联机构的矢量推进器(6)，该组矢量推进器作为尾推装置(2)，为潜航器主体提供推进力，并可以调整推进角度；

设置在所述潜航器主体(1)后部并位于尾推装置(2)前端的可旋转的副翼(3)，所述副翼(3)通过螺栓安装在与一个伺服电机固联的旋转轴上；

设置在所述潜航器主体(1)前端的声呐探测装置(4)，用于探测潜航器前方的障碍物及路面状况；

设置在所述潜航器主体(1)下方的起落架(5)；

设置在所述潜航器主体(1)前部两侧的两组基于空间并联机构的矢量推进器(6)；所述矢量推进器(6)通过可旋转的固定轴与所述潜航器主体(1)连接，所述矢量推进器能够在与固定轴联结的固定平面内实现正负70度摆动；

以及设置在所述潜航器主体内部的图像信号识别***及中央控制***，声呐探测装置将采集到的前方障碍物，地形等模拟信号传输至图像信号识别***，图像信号识别***随后将其转换为电信号，中央控制***根据图像信号识别***识别的信号输出控制电流信号控制潜航器各部分动作；

设置在所述潜航器主体(1)前部两侧的两组基于空间并联机构的矢量推进器(6)与潜航器主体(1)的连接为：每个矢量推进器(6)通过螺栓固定在固定轴所在的平面内，固定轴与一个伺服电机的输出轴通过联轴器联结，固定轴设有旋转铰链，铰链与伺服电机联结，通过伺服电机控制固定轴折叠，通过调节伺服电机的转动量来控制矢量推进器(6)的转动角度。

2.根据权利要求1所述的一种配备空间并联机构矢量推进器的潜航器，其特征在于，所述矢量推进器(6)包括静平台(601)、运动支链(602)、中间球型铰链(603)、动平台(604)和螺旋桨(605)；所述动平台(604)和静平台(601)通过中间球型铰链(603)连接，三个对称设置的运动支链(602)支撑在所述动平台(604)和静平台(601)之间，螺旋桨(605)设置在所述动平台(604)上，所述螺旋桨(605)和一个直驱式水下推进电机(606)连接；所述运动支链(602)包括传动轴(6021)、移动块(6022)、丝杠螺母副(6023)和驱动电机(6024)，所述传动轴(6021)一端通过铰链和所述动平台(604)的下端面连接，另一端通过铰链和移动块(6022)连接，所述移动块(6022)和所述丝杠螺母副(6023)中的螺母固定连接，所述驱动电机(6024)输出轴和所述丝杠螺母副(6023)的输入轴固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种配备空间并联机构矢量推进器的潜航器，其特征在于，所述中间球型铰链(603)包括球头杆(6031)、多耳球盖(6032)、球座(6033)、轴承(6034)和中心立柱(6035)；所述多耳球盖(6032)通过螺钉和所述球座(6033)连接，所述球头杆(6031)的球头设置在所述多耳球盖(6032)内，所述球座(6033)下端通过轴承(6034)和所述中心立柱(6035)一端连接，中心立柱(6035)的另一端通过螺纹和静平台(601)连接。

4.根据权利要求2所述的一种配备空间并联机构矢量推进器的潜航器，其特征在于，三个所述运动支链(602)的传动轴(6021)关于中间球型铰链(603)的中心立柱(6035)对称，三个运动支链(602)的丝杠螺母副(6023)圆周均布。

5.根据权利要求2所述的一种配备空间并联机构矢量推进器的潜航器，其特征在于，所述传动轴(6021)一端通过铰链和所述动平台(604)的下端面连接，另一端通过铰链和移动块(6022)连接中的铰链具体为虎克铰。

6.根据权利要求2所述的一种配备空间并联机构矢量推进器的潜航器，其特征在于，所述丝杠螺母副(6023)倾斜设置，一端和静平台(601)上端面连接，另一端和中间球型铰链(603)的中心立柱(6035)连接，下部采用梯形塔架结构支撑。

7.根据权利要求2所述的一种配备空间并联机构矢量推进器的潜航器，其特征在于，所述矢量推进器(6)还包括二级转向机构(607)，所述二级转向机构(607)包括伸缩支架(6071)和直线电机(6072)，多个所述伸缩支架(6071)平行设置，伸缩支架(6071)的一端和动平台(604)上端面连接，另一端和螺旋桨(605)连接，每个伸缩支架(6071)和一个直线电机(6072)连接。

8.根据权利要求1所述的一种配备空间并联机构矢量推进器的潜航器，其特征在于，所述起落架(5)包括：

和所述潜航器主体(1)通过转动副连接的控制连接架(501)；

和所述控制连接架(501)固定连接的菱形支撑架(502)，菱形支撑架(502)平行的两个边分别和控制连接架(501)固定连接，连接位置分别为端部和中间部位，第三个边和与控制连接架(501)固定连接的两个边的另一端铰接；

以及主轮(503)和副轮(504)，所述主轮(503)和副轮(504)分别与菱形支撑架(502)第三个边和与控制连接架(501)端部固定连接的一个边的端部连接。

9.根据权利要求8所述的一种配备空间并联机构矢量推进器的潜航器，其特征在于，所述主轮(503)和所述副轮(504)独立驱动。

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