一种自主式水下航行器的并联矢量推进机构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种自主式水下航行器的并联矢量推进机构，包括静平台和动平台，所述静平台上设有螺旋桨主推电机，所述动平台上设有螺旋桨传动轴系，所述静平台与所述动平台之间设有三组支链，所述三组支链包括两组六自由度UPS主动支链和一组两自由度U支链，所述静平台、动平台和三组支链组成了两自由度球面三杆并联机构，所述两自由度U支链与所述动平台固联，所述两自由度U支链垂直于动平台所在平面；所述静平台和所述动平台之间还设有一SPS传动支链，所述SPS传动支链用于将主推电机的转矩和运动传递到所述螺旋桨传动轴系中。本发明具有低速转向性能好，刚度高，运动精度高，运动相应速度快等优点。
【专利说明】一种自主式水下航行器的并联矢量推进机构
【技术领域】
[0001]本发明涉及海洋探测工具领域，更具体地说，是涉及一种AUV的推进器结构。
【背景技术】
[0002]AUV是水下机器人中的一种，它是无缆式水下机器人，习惯上把它称为自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)。随着AUV应用范围的不断扩大，设计者对AUV水下作业任务能力和复杂环境的适应能力提出了更高的要求，尤其对AUV操纵性和机动性提出了更高的要求。在此背景下，传统的鳍舵式控制方法在一定程度上已经不能满足AUV在水下运动的复杂程度和灵活性的要求，尤其在低速运动时，舵的操纵效果明显减弱，因此研制新型矢量推进装置是有效的解决方案之一。矢量推进也被称为推力转向技术，是指空间运动物体的推进系统除了提供前进推力外，还能同时或单独地在航行体的俯仰、偏航、横滚和反推力等方向上提供推进力和力矩，用以部分或全部取代舵面产生的动力来进行控制。为了使矢量推进机构更加顺利的保证AUV能够顺利地在水下按照指定航迹作业，需要在现有基础上提高矢量推进机构的刚度，运动精度及相应速度。
【发明内容】
[0003]针对上述现有技术，本发明提出一种自主式水下航行器的并联矢量推进机构，该机构具有低速转向性能好，刚度高，运动精度高，运动相应速度快等优点。
[0004]为了解决上述技术问题，本发明一种自主式水下航行器的并联矢量推进机构，包括静平台和动平台，所述静平台上设有螺旋桨主推电机，所述动平台上设有螺旋桨传动轴系，所述静平台与所述动平台之间设有三组支链，所述三组支链包括两组六自由度UfS主动支链和一组两自由度U支链，所述静平台、动平台和三组支链组成了两自由度球面三杆并联机构，所述两自由度U支链与所述动平台固联，所述两自由度U支链垂直于动平台所在平面；所述静平台和所述动平台之间还设有一SPS传动支链，所述SPS传动支链用于将主推电机的转矩和运动传递到所述螺旋桨传动轴系中。
[0005]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0006](I)本发明采用并联结构，提高了机构的刚度，相应速度和运动精度。
[0007](2)本发明采用两自由度球面机构，两电机协同控制能够使螺旋桨轴线快速达到所需要角度，且不产生自由度不足或者冗余。
[0008](3)本发明中所有部件都和电机套筒连接，只有电机套筒和机架相连，这样的设计也避免了由于机架刚度不足在矢量机构运动中造成误差。
[0009](4)本发明采用传动支链将主推电机的运动和转矩传递到螺旋桨轴系，避免直接将电机安放在动平台上，减小了并联机构的质量和惯量，进一步优化了矢量推进机构的动力学性能。
【专利附图】
【附图说明】[0010]图1是本发明并联矢量推进机构的外观图；
[0011]图2是本发明并联矢量推进机构中U￡S支链简图；
[0012]图3是本发明并联矢量推进机构中SPS传动支链简图；
[0013]图4是本发明并联矢量推进机构的机构简图。
[0014]图中:
[0015]1-螺旋桨主推电机，2-电机套筒，3-UPS主动支链，31-胡克铰链，32-电机套筒连接件，33-伸缩杆上部，34-球铰链，4-螺旋桨传动轴系，5-2自由度的U支链，6-SPS传动支链，61-连接螺旋桨主推电机的等速万向节，62-花键连接，63-连接螺旋桨传动轴系的等速万向节。
【具体实施方式】
[0016]下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步详细地描述。
[0017]本发明一种自主式水下航行器的并联矢量推进机构，包括静平台和动平台，所述静平台上设有螺旋桨主推电机，所述动平台上设有螺旋桨传动轴系，所述静平台与所述动平台之间设有三组支链，所述三组支链包括两组六自由度U￡S主动支链和一组两自由度U支链，所述静平台、动平台和三组支链组成了两自由度球面三杆并联机构，所述两自由度U支链与所述动平台固联，所述两自由度U支链垂直于动平台所在平面；所述静平台和所述动平台之间还设有一 SPS传动支链，所述SPS传动支链用于将主推电机的转矩和运动传递到所述螺旋桨传动轴系中。
[0018]下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述。
[0019]本发明实施例结构如图1所示，以电机套筒2作为静平台，机构中的运动部件包括:两组六自由度U￡S主动支链，该U￡S主动支链的结构简图如图2所示，一组两自由度U支链和动平台以及其上的螺旋桨传动轴系组成，其中，两自由度U支链和动平台固联，上述三组支链和静、动平台组成了两自由度球面三杆并联机构。为了将转矩从位于静平台即电机套筒2中的螺旋桨主推电机I传递到动平台上的螺旋桨传动轴系4，本发明中在静平台与动平台之间增加了一 SPS传动支链，该SPS传动支链的结构简图如图3所示。在本发明并联矢量推进机构运动中，SPS传动支链不为矢量推进机构运动提供力和力矩也不影响机构的总自由度，只负责传递螺旋桨主推电机运动和转矩。本发明并联矢量推进机构简图如图4所示。
[0020]结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述。
[0021]矢量推进装置整体外观图中，I为螺旋桨主推电机；2为电机套筒，该电机套筒2在整个并联矢量推进机构中充当机架即静平台的作用，3为UES主动支链，4为螺旋桨传动轴系，5为两自由度的U支链，本发明中两自由度U支链和动平台固结，并保证两自由度U支链垂直于动平台所在平面，6为SPS传动支链，该SPS传动支链6负责将螺旋桨主推电机I的转矩和运动传递到螺旋桨传动轴系4中。
[0022]图2为U￡S主动支链简图，其中31为胡克铰链；32为电机套筒连接件，电机套筒内安装有作为螺旋桨主推电机的步进电机和与该电机相连的丝杠-螺母传动副，并配有压力补偿装置，以适合深水状态下使用；33为UES主动支链的伸缩杆，其一端通过螺纹连接件与上述丝杠-螺母传动副中的螺母相连，其一端通过球铰链34与动平台相连。在并联矢量推进机构运动中，整个U￡S支链拥有六个自由度，其中轴向伸缩的￡自由度受到步进电机的控制。通过控制步进电机的转角、转速可以在两组U￡S主动支链协同工作的情况下控制螺旋桨末端的转角和转速，使其做两自由度球面运动，从而满足矢量推进的要求。
[0023]图3示出了 SPS传动支链的结构，其中61为连接螺旋桨主推电机I的等速万向节；62为花键连接件，63为连接螺旋桨传动轴系4的等速万向节。在并联矢量推进机构运动中，该SPS传动支链既不对动平台提供约束也不产生主动运动，只负责将螺旋桨主推电机I的转矩传递到螺旋桨传动轴系4中。由于该SPS传动支链的存在，可以使将螺旋桨主推电机I设计在机架即静平台上，并且在外部阻力不是很大情况下仍然能精确的将螺旋桨主推电机I的转动传递到螺旋桨传动轴系4中。这样避免了现有技术中动平台上装备质量过大导致的整个机构惯性过大的问题，同时，也减小了机构运动中电机所需要输出的转矩，从而减小所需电机的额定转矩、功率以及转子的转动惯量，不但降低了整个系统的成本，也使得机构构型更加紧凑，便于更加合理的规划AUV尾部空间。
[0024]图4为本发明并联矢量推进机构的结构简图，通过此图可以明显的看出该机构中各支链和动、静两个平台的连接情况。其中B1B2B3平面为静平台，A1A2A3平面为动平台。支链BA、B2A2为六自由度U￡S支链，在B2处通过胡克铰链与静平台连接，并在A1' A2处通过球铰链与动平台连接。B3A3为两自由度U支链，在B3处通过胡克铰链与静平台连接，在A3处于动平台固连并且B3A3垂直于动平台。根据AUV尾部空间和机构对称性的需要使B1B2B3与A1A2A3为等腰直角三角形即aa=ab=45°。BQ、AQ分别为直角三角形B1B2B3与A1A2A3的内心，在BtlAtl处通过等速万向节连接的花键轴组成了 SPS传动支链，可以把主推电机转动η传递到螺旋桨末端A4处。在运动学和动力学反解中，B3-x3y3z3为固定坐标系，通过固定坐标系，可以衍生出U￡S支链的定坐标2)以及动坐标系Bn-unvnwn(η=I，2)。规定螺旋桨末端在竖直平面内转角为θ3，在水平面内转角为Ψ3，通过运动分析和动力学逆解得到螺旋桨末端在规定情况下运动时两U￡S支链中作动电机所需要的转角、转速和转矩。
[0025]以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，元件造型、连接方式不经创造性的设计，与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种自主式水下航行器的并联矢量推进机构，包括静平台和动平台，所述静平台上设有螺旋桨主推电机，所述动平台上设有螺旋桨传动轴系，所述静平台与所述动平台之间设有三组支链，所述三组支链包括两组六自由度UES主动支链和一组两自由度U支链，所述静平台、动平台和三组支链组成了两自由度球面三杆并联机构，其特征在于； 所述两自由度U支链与所述动平台固联，所述两自由度U支链垂直于动平台所在平面； 所述静平台和所述动平台之间还设有一 SPS传动支链，所述SPS传动支链用于将主推电机的转矩和运动传递到所述螺旋桨传动轴系中。
【文档编号】B63G8/08GK103538709SQ201310492614
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月18日 优先权日:2013年10月18日
【发明者】张宏伟, 王树新, 郑炎, 魏东杰 申请人:天津大学