丝驱动柔性可变翼装置及水下航行器的制作方法

本发明属于可变机翼技术领域，尤其涉及一种丝驱动柔性可变翼装置及水下航行器。

背景技术：

目前，能够实现海洋无人化观测的水下传感器搭载设备主要有auv、rov和aug，而水下航行器凭借其低能耗、长时序、长航程的突出优势在海洋观测方面具有显著优势。但海洋环境复杂多变，使得水下航行器难以实现高精度航行和观测，特别是依靠浮力驱动的水下航行器，在强流、温度、盐度等干扰下，水下航行器的滑翔速度、角度等都会受到不同程度的影响，给传感器数据引入了不稳定参量。

为了提高带翼水下航行器的环境适应能力，可变翼水下航行器逐步引起学者的关注。以水下航行器为例，2009年，日本学者arima设计了具有改变机翼攻角能力的可变翼水下航行器模型alex，通过运动仿真和水池试验，验证了可变机翼的优势。usm大学的isa建立了拥有可变机翼的水下航行器动力学模型，并进行了运动仿真。西北工业大学对可变翼混合驱动水下航行器进行了建模与仿真，验证了其具有更强的转弯能力，即航行机动性较高。浙江大学对可变翼(变攻角和后掠角)水下航行器进行了建模与仿真，验证了其具有较高航行机动性。天津大学综合平面五杆机构和双平行四边形机构设计了水下航行器变翼机构。

但是，现有的可变翼装置主要依靠连杆机构或者电机直驱实现，而在实际应用中会使得机翼的体积臃肿、结构复杂，同时在海水中也十分容易腐蚀运动铰链，增加了水下航行器的航行阻力。考虑到水下航行器的机翼多为平板状，带翼型的机翼的宽厚比也较大，故本发明为克服传统可变翼装置的诸多弊端，将丝传动和模块化结构引入可变翼装置，设计了一种丝驱动柔性可变翼装置以及使用此种可变翼装置的水下航行器。

技术实现要素：

本发明针对上述的技术问题，提出一种结构简单、适用于机翼扁平空间、易于驱动和控制的丝驱动柔性可变翼装置及水下航行器，具有可靠性高、成本低、后掠角和展弦比变化范围大、适用范围广、以及便于回收的优点。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

作为本发明的一个方面，提出一种丝驱动柔性可变翼装置，包括机翼本体，以及至少两个间隔分布于所述机翼本体的驱动丝，所述机翼本体包括至少一个基体和尾体，所述驱动丝穿过所述基体连接至所述尾体，从所述基体到所述尾体之间串联有弹性件。

作为优选，所述基体为多个，多个所述基体间隔穿设于所述驱动丝上，相邻的所述基体之间连接有所述弹性件。

作为优选，所述弹性件为弹簧，所述弹簧套设于所述驱动丝上。

作为优选，从所述基体到所述尾体之间串联有连接单元，所述连接单元包括至少一个移动副和至少一个转动副。

作为优选，所述连接单元包括具有滑槽的第一连杆，以及具有凸起的第二连杆，所述凸起卡设于所述滑槽并可相对所述滑槽移动和/或转动。

作为优选，所述驱动丝的材质为金属或者复合材料。

作为优选，所述机翼本体内填充有柔性颗粒填充物，所述机翼本体外覆盖有蒙皮，所述蒙皮为u型，其开口端与距离所述尾体最远的基体连接。

作为优选，所述蒙皮的材质为硅胶或者橡胶，所述柔性颗粒填充物为橡胶体、海绵或者泡沫。

作为优选，所述驱动丝由电机驱动，所述电机位于远离所述尾体的一端。

作为本发明的另一方面，提出一种水下航行器，包括器体，还包括如上所述的丝驱动柔性可变翼装置，所述丝驱动柔性可变翼装置连接于所述器体的两侧。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本可变翼装置通过使用驱动丝连接机翼本体，不同程度地收卷驱动丝，可使得机翼本体伸展收缩变形，从而改变机翼的后掠角和展弦比的大小，释放驱动丝，在弹性件作用下机翼可复原，本发明只需要控制驱动丝收卷的程度，就可以实现机翼后掠角和展弦比不同大小的变化，使得机翼后掠角和展弦比变化可控，具有控制方便的优点；通过驱动丝的方式实现变翼，避免了传统运动副在海水中快速锈蚀进而卡顿的现象，本发明具有可靠性高、结构简单、成本低的优点；

本发明合理利用扁平状机翼的狭小空间进行传动布局，机翼的结构非常简单，体积轻盈，方便加工制作且能够有效降低传动系统对阻力的影响，具有航行阻力小的优点，收卷驱动丝可以使得机翼本体收缩，具有便于回收的优点；

本发明采用模块化设计，根据不同机翼具体情况，可以设计不同数量基体，从而实现较大的后掠角和展弦比的变化范围，具有变化范围大、适用范围广的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供丝驱动柔性可变翼装置的结构示意图；

图2为本发明所提供丝驱动柔性可变翼装置的俯视图；

图3为本发明所提供丝驱动柔性可变翼装置在变翼状态的结构示意图；

图4为本发明所提供丝驱动柔性可变翼装置中连接单元的结构示意图；

图5为本发明所提供丝驱动柔性可变翼装置在变翼状态时相邻基体的几何参数示意图；

图6为本发明所提供水下航行器的结构示意图；

以上各图中：01、丝驱动柔性可变翼装置；1、机翼本体；11、基体；12、尾体；2、驱动丝；3、弹簧；4、连接单元；41、第一连杆；411、滑槽；42、第二连杆；421、凸起；43、压紧环；5、柔性颗粒填充物；6、蒙皮；7、电机；8、水下航行器；81、器体。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

现有技术中可变翼装置大多由连杆机构或者电机直驱实现机翼结构的变化，往往会造成机翼体积臃肿、结构复杂的问题，而且连杆机构中的铰链也比较容易腐蚀。本发明基于此技术问题，考虑到水下航行器的机翼多为平板状，带翼型的机翼的宽厚比也较大，故将丝传动和模块化结构引入可变翼装置，提供以下技术方案：用至少两根驱动丝分别将基体和尾体串起来，通过不同程度的拉动驱动丝，机翼可变为扇形，从而实现机翼后掠角的变化，同时，通过弹簧连接基体和尾体，以实现机翼形状的复位。本发明通过收放驱动丝实现机翼的变形及对后掠角和展弦比大小的控制，非常方便；同时避免了传统运动副在海水中快速锈蚀卡顿的现象，可靠性较高；可变翼装置体态轻盈有效降低了传动系统对阻力的影响，具有航行阻力小的优点，收卷驱动丝可以使得机翼收缩，便于航行器回收；将基体作为模块，根据不同机翼具体情况可以设计不同数量基体，实现较大的后掠角和展弦比的变化范围。

为了更好地理解上述技术方案，下面结合附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

作为本发明的一个方面，参见图1-2所示，提出一种丝驱动柔性可变翼装置01，包括机翼本体1和驱动丝2，驱动丝2至少包括2根，间隔分布在机翼本体1上，机翼本体1包括至少一个基体11和尾体12，驱动丝2穿过基体11连接至尾体12，从基体11到尾体12顺次串联有弹性件，弹性件优选为弹簧3。图示是以6个基体为例进行的展示，基体11可以看做一个个模块，采用此种模块化的设计，可以根据机翼具体情况进行模块数量的适应性设置，所以本发明并不限制基体11的数量；另外，需要说明的是，不同厚度的基体11或尾体12可以实现不同的掠角范围，所以也可以将各个基体11设置成不同的厚度来满足设计要求，本发明也不限制各个基体11的厚度必须一致。

本可变翼装置在安装到水下航行器上时，距离尾体12最远的基体11靠近水下航行器连接，不同程度地收卷驱动丝2，弹簧3压缩，机翼呈扇形，如图3所示，当需要恢复机翼形状时，释放驱动丝2，在弹簧3作用下，机翼可复原。通过对驱动丝2收卷的控制，可以实现机翼后掠角和展弦比的变化，控制非常方便，而且通过驱动丝2的方式实现变翼，避免了传统运动副在海水中快速锈蚀进而卡顿的现象，具有可靠性高、结构简单、成本低的优点；本发明合理利用扁平状机翼的狭小空间进行传动布局，机翼的结构非常简单，体积轻盈，方便加工制作且能够有效降低传动系统对阻力的影响，具有航行阻力小的优点，收卷驱动丝2可以使得机翼本体1收缩，具有便于回收的优点；另外，本发明采用模块化设计，根据不同机翼具体情况，可以设计不同数量基体11，从而实现较大的后掠角和展弦比的变化范围，具有变化范围大、适用范围广的优点。

通过对驱动丝2长度的控制可以实现机翼不同形状的变化，其中，关于驱动丝长度的计算方式如下：如图5所示，为描述方便，定义两根驱动丝分别为驱动丝2_1和驱动丝2_2，相邻的两基体分别为基体11_mi和基体11_mi+1，当基体11_mi+1(i为正整数)相对于基体11_mi发生角度为θ的转动，基体11_mi+1的转轴中心点在点a处，点a到基体11_mi的垂线距离为oa，则此时基体11_mi+1和基体11_mi之间的驱动丝2_1的长度为：

此时，基体11_mi+1和基体11_mi之间的驱动丝2_2的长度为：

尾体12与相邻的基体11之间驱动丝2长度与上述相邻两基体之间的驱动丝长度计算方式相同。将各段驱动丝2的长度相加即可得基体旋转角度θ时所对应的驱动丝2的长度，从而通过控制不同的驱动丝长度实现机翼不同形状的变化。

具体地，驱动丝2的材质为金属或者复合材料，驱动丝2的一端连接电机7，其另一端顺次穿过各个基体11，最终与尾体12连接，基体11上开设有通孔，可供驱动丝2穿过。每两个相邻的基体11之间，以及最后相邻的基体11和尾体12之间都连接有弹簧3，优选地，弹簧3套在驱动丝2上即可，结构简单，省去了为弹簧3设计连接结构，弹簧3的直径大于基体11上通孔的直径，可以保证弹簧3的正常工作。

进一步地，在可变翼装置处于水下时会受到水流、周围物体等各种力的影响，仅靠弹簧3的弹力来实现基体11之间、基体11与尾体12之间的连接，会造成可变翼在水平方向的变形，为了保证机翼本体1的强度、以及连接可靠性，本可变翼装置中还包括刚性的连接单元4，连接单元4连接在每两个相邻的基体11之间，以及相邻的基体11和尾体12之间；为了能够适应机翼本体1的变形，连接单元4包括至少一个移动副和至少一个转动副。

具体地，参见图4所示，连接单元4包括第一连杆41和第二连杆42，第一连杆41上设置有滑槽411，滑槽411可以设计成图示的腰形槽，第二连杆42上设置有凸起421，凸起421可在滑槽411内滑动以及转动。连接单元4除了起到连接、保证强度等作用，还可以起到定位限位作用，例如，可以按照以下要求设计：当凸起421位于滑槽411最左边时，机翼本体1为自然状态的矩形，当凸起421位于滑槽411最右边时，驱动丝2不可再收紧，即使电机7旋转，机翼本体1也不会再发生变化。也就是说，可以用滑槽411的长度来限制机翼本体1的两个极限状态。

具体地，为了防止第一连杆41与第二连杆42的分离，凸起421卡设于滑槽411内，可以通过在凸起421的上端连接压紧环43来防止两者的脱离。压紧环43可以是与凸起421过盈装配。

参见图2所示，以其中一对基体11的连接为例，第一连杆41远离滑槽411的一端连接于左边的基体11上，第二连杆42远离凸起422的一端连接在右边的基体11上。连接单元4与基体11、以及连接单元4与尾体12通过焊接或者螺钉的方式连接。

具体地，机翼本体1内填充有柔性颗粒填充物5，机翼本体1外覆盖有蒙皮6，蒙皮6为u型，u型蒙皮6顺次穿过尾体12、各个基体11，其开口端与距离尾体12最远的基体11连接。蒙皮6的材质为硅胶或者橡胶，柔性颗粒填充物5可以为橡胶体、海绵或者泡沫，也可为其他弹性材料。

作为本发明的又一方面，参见图6所示，提出一种水下航行器8，水下航行器8使用上述的丝驱动柔性可变翼装置01，丝驱动柔性可变翼装置01连接于器体81的两侧。

本发明通过对驱动丝2收卷的控制，可以实现机翼后掠角和展弦比的变化，控制非常方便，而且通过驱动丝2的方式实现变翼，避免了传统运动副在海水中快速锈蚀进而卡顿的现象，具有可靠性高、结构简单、成本低的优点；本发明合理利用扁平状机翼的狭小空间进行传动布局，机翼的结构非常简单，体积轻盈，方便加工制作且能够有效降低传动系统对阻力的影响，具有航行阻力小的优点，收卷驱动丝2可以使得机翼本体收缩，具有便于回收的优点；另外，本发明采用模块化设计，根据不同机翼具体情况，可以设计不同数量基体，从而实现较大的后掠角和展弦比的变化范围，具有变化范围大、适用范围广的优点。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。