基于轮翼复合推进机构的水陆两栖平台及其运动方法与流程

本发明涉及水陆两栖平台，尤其涉及一种基于轮翼复合推进机构的水陆两栖平台及其运动方法。

背景技术：

随着当今世界陆地不可再生资源的过度使用，海洋为人类解决能源危机提供了新的选择，这对我们海洋开发和研究能力提出了新的挑战。

在陆地上，麦克纳姆轮的出现在全方位移动平台上得到了很好的体现，然而这种移动平台仅局限于地面上的运动，难以在水下进行高机动性的工作。在水下，目前已有的水下机器人可实现水下前进/后退、上升/下潜和转弯运动，但遇到狭窄空间需要机器人原地转弯或围绕身体纵轴侧向转体时，却无能为力，水下机动性能尚存在不足，且推进效率较低，同时也缺乏陆地短距离移动的能力。

因此，亟待解决上述问题。

技术实现要素：

发明目的：本发明的第一目的是提供一种可独立控制驱动轮公转和翼片自转使其满足水陆两栖运动模式的基于轮翼复合推进机构的水陆两栖平台。

本发明的第二目的是提供该基于轮翼复合推进机构的水陆两栖平台的运动方法。

技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种基于轮翼复合推进机构的水陆两栖平台，包括平台本体和位于平台左右两侧对称设置的至少4个轮翼复合推进机构，且平台左侧设置左旋的轮翼复合推进机构，平台右侧设置右旋的轮翼复合推进机构；所述轮翼复合推进机构包括可旋转的驱动轮、用于带动驱动轮旋转的第一动力组件、与驱动轮端面平面接触可绕驱动轮中心轴线在端面移动的内圆盘、用于驱动内圆盘移动的第二动力组件、均布于驱动轮上可沿驱动轮轴线方向来回伸缩且可绕自转轴转动的若干个翼片以及用于带动翼片来回伸缩的翼片伸缩组件，每一翼片通过连杆组件与内圆盘可滑动连接；第一动力组件驱动轮公转的同时第二动力组件驱动内圆盘移动，并通过连杆组件带动翼片绕自转轴摆动。

其中，所述连杆组件包括依次连接的翼片连杆和圆盘连杆，其中翼片连杆的一端设有滑轮，该滑轮嵌入翼片的第一滑槽内且可沿其来回滑动，翼片连杆的另一端通过球轴承与圆盘连杆相连接，圆盘连杆的另一端与内圆盘相连接。

优选地，所述第一滑槽沿翼片伸缩方向设置，且该第一滑槽与自转轴轴线方向间隔一定距离。

优选地，所述第一动力组件包括第一驱动电机、与第一驱动电机输出轴相连用于带动驱动轮公转的连接轴以及一端与第一驱动电机相连接且另一端与翼片伸缩组件相连接用于保障第一驱动电机位置固定不动的第一电动伸缩杆，该第一电动伸缩杆的伸缩行程与翼片的伸缩行程相反。

再者，所述第二动力组件包括第二驱动电机、与第二驱动电机输出轴同轴设置的连接盘以及与连接盘偏心设置的控制轴，控制轴与内圆盘圆心相连接，连接盘的中心轴线与驱动轮的中心轴线相重合；第二驱动电机驱动连接盘绕自身中心轴线转动，并通过控制轴带动内圆盘绕驱动轮的中心轴线在驱动轮端面移动。

进一步，所述翼片伸缩组件包括用于均布翼片的伸缩平台、通过轴承与伸缩平台中心轴处相连的l型杆、与l型杆一端相连的第一连杆、与第一连杆一端相连的沿平台前进方向设置的拉伸杆、位于平台本体上且沿平台前进方向的第二滑槽以及用于驱动拉伸杆沿滑槽来回移动的第二电动伸缩杆，其中翼片自转轴上连接有第二连杆，第二连杆通过轴承与伸缩平台相连。

优选地，所述翼片与驱动轮之间通过密封块和密封圈相连接。

本发明一种基于轮翼复合推进机构的水陆两栖平台的运动方法，包括如下步骤：

当水陆两栖平台在陆地上工作时，翼片伸缩组件将翼片回缩，第一驱动电机带动连接轴旋转，连接轴带动驱动轮旋转，第一驱动电机和第二驱动电机同步转动翼片保持初始状态不进行摆动，驱动轮作为平台车轮，与地面接触产生的摩擦力让平台进行运动，分别调节各个轮翼复合推进机构内控制驱动轮转动的第一驱动电机的转速，调节每个第一驱动电机，让转速和方向均相同，可以实现平台的前进与后退，调节两侧第一驱动电机转速，形成左右差速，可以实现平台的转弯运动；

当水陆两栖平台在在水下工作时，翼片伸缩组件将翼片推送至一定长度，第一驱动电机带动驱动轮旋转，第二驱动电机改变每个轮翼复合推进机构内控制轴和内圆盘的周向位置，即控制轴和内圆盘产生偏心，在驱动轮的端面上移动，并通过连杆组件带动翼片绕自转轴摆动；在驱动轮公转的同时，翼片绕自转轴进行摆动，依靠驱动轮的公转及各个翼片的自转共同作用产生所需方向的推进力来运动，通过成对采用轮翼复合推进机构产生的矢量推进力，调节两侧轮翼复合推进机构的推力方向，使其同向，可以实现平台沿推力方向的前进，后退，上浮与下潜运动；调节两侧轮翼复合推进机构的推力方向，使其反向，可以实现平台进行左右旋转与翻转运动；调节前后轮翼复合推进机构的推力方向，使其反向，可以实现平台的前后翻转运动。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

1、本发明的轮翼复合推进机构中可独立控制驱动轮的公转和翼片自转，当在陆地工作时可控制翼片缩回平台内且不自转，仅驱动轮公转，驱动轮类似车轮，可与地面接触产生摩擦力驱动平台前进、后退或转弯运动；当在水下工作时控制驱动轮公转的同时翼片自转摆动，驱动轮公转及各个翼片自转共同作用产生所需方向的推进力，通过成对设置的轮翼复合推进机构产生的矢量叠加推进力，可分别实现平台水下三个方向的平移和转动运动；

2、本发明利用两个电机分别独立控制驱动轮公转和翼片自转，且两个电机分开调节，相互之间不存在影响，控制简单方便，确保平台运动的快速性与准确性；

3、本发明的轮翼复合推进机构的水陆两栖平台在陆地工作时，翼片收缩至平台本体内部，不但消除了翼片与外部物体的碰撞磨损，而且大大减少了翼片带来的前进阻力；在水下工作时，工作原理可知，由翼片与水流接触形成相对攻角产生推力，翼片长度的可变，导致翼片与水流接触面的大小改变，从而改变推力大小，在其他条件不变情况下，翼片伸出越长，推力效果越大；即在水下工作时，可以通过改变翼片伸出的长短在一定程度上改变推力大小，从而改变平台的运动快慢；

4、本发明中利用连杆组件实现模块在水下翼片的摆动规律，连杆组件的结构简单且可确保运动的准确性；

5、本发明可根据所需推力大小和平台规格设计轮翼复合推进机构的个数和单个推进机构内翼片数量，且轮翼复合推进机构呈现对称式分布，能够有效地确保运动的平稳性；

6、本发明在水下操作时，轮翼复合推进机构改变推力方向只需要改变内圆盘的周向位置即可带动翼片摆动，操作简单方便，切换迅速，相比于其他两栖平台在水下的运动灵活性较高；

7、本发明的轮翼复合推进机构在水下具有机动性能好，响应速度快、推进效率高的性能，并且能产生各个方向的推力；加之推进模块公转与自转的分离，因此同时具备陆地移动能力，将机器人的水下运动范围延伸至陆地上，全面提升机器人的作业能力和适应复杂环境的能力；能够很好地解决现有技术中水陆两栖平台运动缓慢，机动性能明显不足等问题。

附图说明

图1为本发明中水陆两栖平台的水陆工作方式转化图；

图2(a)～(g)为本发明中水陆两栖平台水下运动步态图；

图3为本发明中轮翼复合推进机构的工作原理图；

图4为本发明中轮翼复合推进机构的俯视图；

图5为本发明中轮翼复合推进机构的结构示意图；

图6为本发明中第一动力组件的结构示意图；

图7为本发明中翼片伸缩组件的结构示意图；

图8为本发明中两侧各安装三个左/右旋轮翼复合推进机构的平台结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明一种基于轮翼复合推进机构的水陆两栖平台包括平台本体1和位于平台左右两侧对称设置的至少4个轮翼复合推进机构，且平台左侧设置左旋的轮翼复合推进机构，平台右侧设置右旋的轮翼复合推进机构；该轮翼复合推进机构包括驱动轮2、内圆盘3、带自转轴4的翼片5、连杆组件、第一动力组件、第二动力组件和翼片伸缩组件。本发明的翼片5均布于驱动轮上可沿驱动轮轴线方向来回伸缩且可绕自转轴4转动，翼片5与驱动轮2之间通过密封块25和密封圈26相连接，保障翼片在密封块内可自由移动，密封块在密封圈内可自由转动，实现防水密封；其中本发明的翼片5均布于驱动轮上可沿驱动轮轴线方向来回伸缩且可绕自转轴4转动，密封块25的截面形状与翼片5截面形状一致，且略大于翼片截面，密封块25与翼片5之间留有的间隙内填充有一层密封圈，密封块25与驱动轮2之前通过密封圈26连接，密封块25和密封圈26的厚度与驱动轮壁厚一致；可保证翼片在密封块内可自由移动，密封块在密封圈内可自由转动，实现防水密封。翼片伸缩组件用于带动翼片来回伸缩，第一动力组件驱动轮2公转的同时第二动力组件驱动内圆盘3移动，并通过连杆组件带动翼片5绕自转轴4摆动。

如图6所示，驱动轮2由第一动力组件驱动旋转，该第一动力组件包括第一驱动电机11、与第一驱动电机输出轴相连用于带动驱动轮公转的连接轴12以及一端与第一驱动电机11相连接且另一端与翼片伸缩组件的伸缩平台17相连接用于保障第一驱动电机11位置固定不动的第一电动伸缩杆13，该第一电动伸缩杆13的伸缩行程与翼片的伸缩行程相反，即第一电动伸缩杆13的固定端与第一驱动电机相连，伸缩端与伸缩平台相连，伸缩平台伸出时第一电动伸缩杆缩回同等距离，伸缩平台缩回时第一电动伸缩杆伸出同等距离；从而实现第一电动伸缩杆和伸缩平台的总距离不变，即保障第一驱动电机11位置固定不动。

内圆盘3包括两圆盘和连接两圆盘的保障圆盘连杆，该内圆盘3的两圆盘周向上均布有若干个连接孔，内圆盘3的一圆盘表面与驱动轮端面平面接触可绕驱动轮中心轴线在端面移动，该内圆盘3由第二动力组件驱动其沿平面移动。第二动力组件包括第二驱动电机14、与第二驱动电机输出轴同轴设置的连接盘15以及与连接盘偏心设置的控制轴16，控制轴16与内圆盘3圆心相连接，连接盘15的中心轴线与驱动轮2的中心轴线相重合；第二驱动电机14驱动连接盘15绕自身中心轴线转动，并通过控制轴16带动内圆盘3绕驱动轮的中心轴线在驱动轮2端面移动。

如图4和图5所示，翼片5均布于驱动轮2上可绕自转轴4转动，每一翼片5通过连杆组件与内圆盘3的连接孔相连接，连杆组件包括依次连接的翼片连杆6和圆盘连杆7，其中翼片连杆6的一端设有滑轮8，该滑轮8嵌入翼片5的第一滑槽9内且可沿其来回滑动，第一滑槽9沿翼片伸缩方向设置，且该第一滑槽与自转轴轴线方向间隔一定距离。翼片连杆6的另一端通过滚动轴承10与圆盘连杆7相连接，圆盘连杆7的另一端与内圆盘3相连接。其中翼片连杆6可采用一整根杆件或2根杆件通过螺栓或焊接连接固定形成。本发明的控制轴16和自转轴4的连线方向与叶弦线方向垂直，因此只需要确定控制轴16的周向位置，就能确定推进机构在水下的推力方向。

如图7所示，本发明的翼片伸缩组件包括用于均布翼片的伸缩平台17、通过轴承18与伸缩平台中心轴处相连的l型杆19、与l型杆一端相连的第一连杆20、与第一连杆一端相连的沿平台前进方向设置的拉伸杆21、位于平台本体上且沿平台前进方向的第二滑槽22以及用于驱动拉伸杆沿滑槽来回移动的第二电动伸缩杆23，其中翼片自转轴上连接有第二连杆24，第二连杆24通过轴承18与伸缩平台17相连。本发明的翼片伸缩组件能保证轮翼复合推进机构在水下运动时，驱动轮2公转且翼片5能围绕自转轴4自转的同时，能带动伸缩圆台17一起旋转。

该水陆两栖平台在陆地上工作时，该平台内的翼片伸缩组件将翼片回缩，仅保留驱动轮，通过驱动轮旋转与地面产生摩擦力来实现其平面运动，通过调节每个轮翼复合推进机构中驱动轮的电机转速大小，分别实现平台的前进、后退及转弯运动；在水下，该平台内翼片伸缩组件将翼片伸展至所需长度，翼片展长可通过该翼片伸缩组件动态调整。通过采用轮翼复合推进机构，即依靠驱动轮公转及各个翼片自转的共同击水作用，产生所需方向的推进力来实现运动，通过成对采用左/右旋轮翼复合推进机构，使每个推进机构产生不同方向的推进力，进而实现平台的水下三维平移及转动运动。

该水陆两栖平台在陆地上工作时，翼片伸缩组件将翼片5回缩，第一驱动电机11带动连接轴12旋转，连接轴12带动驱动轮2旋转，第一驱动电机11和第二驱动电机14同步转动翼片5保持初始状态不进行摆动，驱动轮2类似平台车轮，与地面接触产生的摩擦力可以让平台进行运动，分别调节各个推进机构内控制驱动轮转动的第一驱动电机的转速，平台能够完成前进，后退和转弯运动。该平台在水下工作时，翼片伸缩组件将翼片推送至一定长度，之后采用轮翼复合推进机构实现运动，第一驱动电机11带动驱动轮2旋转，第二驱动电机14改变每个推进机构内控制轴16和内圆盘3的周向位置，即控制轴16和内圆盘3产生偏心，在驱动轮2的端面上移动，并通过连杆组件带动翼片5绕自转轴4摆动。在驱动轮2公转的同时，翼片5绕自转轴4进行摆动，依靠驱动轮的公转及各个翼片的自转共同作用产生所需方向的推进力来运动，通过成对采用推进机构产生的矢量推进力，可分别实现该平台水下三个方向的平移及转动运动。

水陆两栖平台在陆地上运动时，调节每个第一驱动电机11，让转速和方向均相同，可以实现平台的前进与后退，调节两侧第一驱动电机11转速，形成左右差速，可以实现平台的转弯运动；平台在水下运动时，调节两侧推进机构的推力方向，使其同向，可以实现平台沿推力方向的前进，后退，上浮与下潜运动；调节两侧推进机构的推力方向，使其反向，可以实现平台进行左右旋转与翻转运动；调节前后推进机构的推力方向，使其反向，可以实现平台的前后翻转运动。

如图2(a)～2(g)所示，为水陆两栖平台水下运动的步态图。本发明采用左右两侧各安装2个轮翼复合推进机构，两侧分别实现左旋和右旋，且每个推进机构均含有4个翼片。平台水下运动时，如图2(a)、2(b)、2(c)和2(f)所示，调节两侧推进机构的推力方向，使其同向，可以实现平台沿推力方向的前进、后退、上浮、下潜和竖直方向的运动；如图2(d)和2(g)所示，调节两侧推进机构的推力方向，使其反向，可以实现平台进行左右旋转与翻转运动；如图2(e)所示，调节前后推进机构的推力方向，使其反向，可以实现平台的前后翻转运动。

如图3所示，以4片的翼片轮翼复合推进机构为例：当控制轴16和内圆盘3与驱动轮2存在偏心时，此时推进机构处于非零滑脱状态，翼片5与水流的相对攻角不为0，会产生垂直叶弦线方向的升力和沿叶弦线方向的阻力，将力进行受力分解，前进方向的分力相互叠加，垂直前进方向分力相互抵消，最终推力方向垂直于中心点和控制轴所在位置的连线。在公转速度方向为逆时针旋转时，推进机构形成推力方向将沿箭头方向。因此通过改变控制轴16的位置，可快速任意改变推力大小和方向。

该水陆两栖平台本体左侧安装左旋的轮翼复合推进机构，右侧安装右旋的轮翼复合推进机构。推进机构内的驱动轮与平台本体内第一驱动电机相连，控制轴与连接盘相连，平台内的第二驱动电机带动连接盘旋转从而改变控制轴的周向位置。如图8所示，平台本体左右侧都至少有2个轮翼复合推进机构。安装2个推进机构时，推进机构分别安装在平台的头部和尾部；多个推进机构可以在互相不产生干涉的情况下对称安装。轮翼复合推进机构的翼片数一般有4、6或者更多并且在驱动轮一侧面的圆周方向等间距排布，可以根据水下运动所需推力大小和平台装置的复杂程度综合考虑推进模块数量和翼片数量。