全部偏转螺旋桨矢量推进机构及水下航行器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及水下航行器技术领域，特别是指一种全部偏转螺旋桨矢量推进机构及具有该机构的水下航行器。
【背景技术】
[0002]我国水下机器人的研制工作目前还处于起步阶段。虽然已经开发了一些产品，但离实际应用尚有很长的一段距离。另一方面，我国在海洋开发、海上石油开采以及军事领域中对水下机器人的需要日益增加并显得日益迫切。
[0003]目前水下机器人多采用螺旋桨推进器作为推进装置。一个单维螺旋桨推进器只能产生一个方向、大小可变的推进力，而当机器人需要进行多个方向导向操纵运动时，比如俯仰和偏转，就需要安装多个单维螺旋桨推进器来产生多维方向推进力。与一般单维螺旋桨推进器不同，矢量推进器除了能提供前进、后退推进力外，还能根据机器人导向操纵任务需求产生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。多个螺旋桨推进器的安装形式，破坏了航行器的结构连续性，降低了航行器的结构强度，增大了航行器重量，增加了成本，同时也使航行器内部的布置受到局限。
[0004]结合推力矢量技术的螺旋桨推进器，是通过改变整个推进系统方向来改变推力方向。它可以分为两种，部分偏转(螺旋桨)方式和全部偏转(推进电机和螺旋桨)方式。部分偏转螺旋桨推进器结构复杂、体积大，而基于少自由度的全部偏转螺旋桨矢量推进机构将为矢量推进方式提供新的设计理念，以实现单机构多维姿态调整的矢量推进技术。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是提供一种全部偏转螺旋桨矢量推进机构及具有该机构的水下航行器，以实现单机构多姿态调整的矢量推进技术，提高水下机器人的低速转向能力和定位能力。
[0006]为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下:
[0007]—方面，提供一种全部偏转螺旋桨矢量推进机构，包括支架，所述支架的上方设置有用作静平台的圆盘，所述支架的下方设置有用作动平台的万向节，其中:
[0008]所述动平台上设置有螺旋桨和推进电机，所述螺旋桨和推进电机相连构成尾部推进器；
[0009]所述动平台和静平台之间设置有偏摆机构和回转机构，所述偏摆机构采用滚珠丝杠和滑块螺母配合传动并通过所述滑块螺母驱动曲柄滑块机构来带动所述螺旋桨发生偏摆，所述回转机构通过空间多杆机构的运动来带动所述螺旋桨发生回转。
[0010]另一方面，提供一种水下航行器，包括上述的全部偏转螺旋桨矢量推进机构。
[0011]本发明具有以下有益效果:
[0012]本发明中，全部偏转螺旋桨矢量推进机构包括动平台和静平台。动平台上设置有螺旋桨和推进电机，螺旋桨与推进电机相连构成尾部推进器，推进电机固联于动平台，直接将旋转运动传递到螺旋桨。静平台即为圆盘，静平台包含着两组运动支链，分别是偏摆机构和回转机构。该两组运动支链和尾部推进器共同构成三自由度全部偏转螺旋桨矢量推进机构。在偏摆机构中，应用了一种电机驱动滚珠丝杠和滑块螺母的运动，和一种以滑块螺母作为驱动的曲柄滑块机构。在回转机构中，应用了一种空间多杆机构的运动，和一种在万向节上面安装尾部推进器的技术。通过偏摆机构和回转机构的配合运动，实现了万向节在空间全方位的转动，固联于其上的尾部推进器也就实现了在空间全方位的转动。
[0013]本发明利用全部偏转螺旋桨矢量推进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动作的调整;全部偏转螺旋桨矢量推进机构的应用，避免了部分偏转螺旋桨推进器结构复杂、体积大的问题;该矢量推进机构在三个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，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;本发明采用的尾部推进器固联于万向节这个平台上，螺旋桨、推进电机具有安装、更换、维修方便简单的优点；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。
【附图说明】
[0014]图1为本发明的全部偏转螺旋桨矢量推进机构实施例一的总体结构示意图；
[0015]图2为图1所示实施例一的部分结构示意图；
[0016]图3为图1所示实施例一的原理简图；
[0017]图4为本发明的全部偏转螺旋桨矢量推进机构实施例二的总体结构示意图一；
[0018]图5为图4所示实施例二的总体结构示意图二；
[0019]图6为图4所示实施例二的部分结构示意图；
[0020]图7为图4所示实施例二的原理简图；
[0021 ]图8为本发明的全部偏转螺旋桨矢量推进机构实施例三的总体结构示意图；
[0022]图9为图8所示实施例三的部分结构示意图；
[0023]图10为图8所示实施例三的原理简图；
[0024]图11为本发明的水下航行器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0025]为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0026]—方面，本发明提供一种全部偏转螺旋桨矢量推进机构，如图1-10所示，包括支架
10、10’、10”，支架10、10’、10”的上方设置有用作静平台的圆盘11、11’、11”，支架10、10’、10”的下方设置有用作动平台的万向节，其中:
[0027]动平台上设置有螺旋桨12、12 ’、12”和推进电机13、13 ’、13”，螺旋桨12、12 ’、12”和推进电机13、13 ’、13”相连构成尾部推进器；
[0028]动平台和静平台之间设置有偏摆机构和回转机构，偏摆机构采用滚珠丝杠和滑块螺母配合传动并通过滑块螺母驱动曲柄滑块机构来带动螺旋桨12、12’、12”发生偏摆，回转机构通过空间多杆机构的运动来带动螺旋桨12、12’、12”发生回转。
[0029]本发明中，全部偏转螺旋桨矢量推进机构包括动平台和静平台。动平台上设置有螺旋桨和推进电机，螺旋桨与推进电机相连构成尾部推进器，推进电机固联于动平台，直接将旋转运动传递到螺旋桨。静平台即为圆盘，静平台包含着两组运动支链，分别是偏摆机构和回转机构。该两组运动支链和尾部推进器共同构成三自由度全部偏转螺旋桨矢量推进机构。在偏摆机构中，应用了一种电机驱动滚珠丝杠和滑块螺母的运动，和一种以滑块螺母作为驱动的曲柄滑块机构。在回转机构中，应用了一种空间多杆机构的运动，和一种在万向节上面安装尾部推进器的技术。通过偏摆机构和回转机构的配合运动，实现了万向节在空间全方位的转动，固联于其上的尾部推进器也就实现了在空间全方位的转动。
[0030]本发明利用全部偏转螺旋桨矢量推进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动作的调整;全部偏转螺旋桨矢量推进机构的应用，避免了部分偏转螺旋桨推进器结构复杂、体积大的问题;该矢量推进机构在三个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，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;本发明采用的尾部推进器固联于万向节这个平台上，螺旋桨、推进电机具有安装、更换、维修方便简单的优点；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。
[0031]下面以三个具体的实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
[0032]需要说明的是，本发明的三个实施例均包括螺旋桨旋转运动传递机构、偏摆机构、回转机构。螺旋桨与推进电机相连构成尾部推进器。螺旋桨旋转运动传递机构是通过安装于万向节上的尾部推进器，为水下机器人提供推进力。偏摆机构主要实现螺旋桨绕中心轴线平面内的偏摆运动。在偏摆一定角度后，回转机构会使螺旋桨绕着中心轴线实现在空间全方位的转动。通过这两种机构的运动，可以使螺旋桨的旋转轴线在空间某个位置处，从而实现了螺旋桨的推进方向的变化。本发明通过偏摆和回转这两条传动链的运动合成，使尾部推进器实现任意偏摆角度下的全方位转动。
[0033]实施例一:
[0034]如图1-3所示，本实施例中，万向节包括万向节a 14和与万向节a 14铰接的万向节b 15，推进电机13设置在万向节a 14上，万向节b 15铰接在支架10的下方中部;这样，螺旋桨旋转运动传递机构包括推进电机13、螺旋桨12等。螺旋桨12与推进电机13相连构成尾部推进器，固联于外部万向节a 14。推进电机13直接将旋转运动传递给螺旋桨12，使其产生旋转运动，为水下机器人提供推进力。尾部推进器以万向节a 14作为平台，通过下面所述的偏摆机构和回转机构实现在空间全方位的转动。
[0035]静平台上设置有偏摆电机16和回转电机17，滚珠丝杠18和滑块螺母19设置在静平台的中部下方，动平台和静平台之间还设置有连杆110、转盘111和丝杠底座112;
[0036]偏摆机构包括偏摆电机16、滚珠丝杠18、滑块螺母19、连杆110、转盘111、万向节a14和万向节b 15，其中偏摆电机16驱动连接滚珠丝杠18(具体可以通过一对啮合齿轮113和齿轮114)，滑块螺母19作为驱动杆依次驱动连接连杆110、转盘111、万向节a 14