本發(fā)明涉及水下無(wú)人航行器技術(shù)，具體地說(shuō)，涉及一種小型水下航行器柔性撲翼驅(qū)動(dòng)裝置

背景技術(shù)：

二十一世紀(jì)被稱為人類開(kāi)發(fā)、利用海洋的“海洋世紀(jì)”。對(duì)于水下一些作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，作業(yè)難度大的場(chǎng)合，潛艇無(wú)法順利完成任務(wù)。而近些年來(lái)，水下無(wú)人航行器技術(shù)發(fā)展很快，廣泛應(yīng)用于上述場(chǎng)合，以及廣泛用于水下資源的探測(cè)、水域環(huán)境監(jiān)測(cè)、堤壩的勘探與監(jiān)測(cè)以及其它諸多利用海洋資源的方面。

水下航行器必須具有推進(jìn)器。推進(jìn)器是將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成航行器前進(jìn)所必須的推力的裝置。目前常用于航行器的推進(jìn)器有：?jiǎn)温菪龢?、噴水推進(jìn)器、撲翼推進(jìn)器，撲翼推進(jìn)器分為單自由度撲翼推進(jìn)器、雙自由度撲翼推進(jìn)器；推進(jìn)器一般為剛性翼。國(guó)內(nèi)學(xué)者專家也廣泛地研究柔性撲翼，研究方向大大致可分為兩個(gè)方向，一是對(duì)于撲翼材料的研究，翼具有柔性在通電后有一定的波形，并產(chǎn)生向前的推力，這種壓電材料仍處于研究階段；另一種是多個(gè)關(guān)節(jié)連接，這需要由多個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。缺點(diǎn)是伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)不易密封，容易進(jìn)水。多個(gè)伺服電機(jī)之間協(xié)調(diào)性差，難形成穩(wěn)定的正弦波。由于機(jī)構(gòu)的限制，撲翼的速度較慢，產(chǎn)生的推力小，使得水下航行器的搭載能力和機(jī)動(dòng)性變差，不利于復(fù)雜海洋環(huán)境生存、作業(yè)。

發(fā)明專利CN104386228A中公開(kāi)了“一種魚(yú)尾式撲翼混合動(dòng)力水下滑翔機(jī)構(gòu)型”。此滑翔機(jī)機(jī)體兩側(cè)安裝滑翔翼，機(jī)體內(nèi)部安裝浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)。通過(guò)調(diào)節(jié)重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)改變滑翔機(jī)姿態(tài)，尾部安裝柔性撲翼產(chǎn)生推力。理論上，這種方式能產(chǎn)生更高的速度和加速度。但實(shí)際上，由于對(duì)推進(jìn)機(jī)理定量的研究不足，造成樣機(jī)的實(shí)際效果和理論預(yù)測(cè)具有差距，沒(méi)有體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，這種尾部柔性撲翼協(xié)同滑翔翼工作方式的速度低，搭載能力差，轉(zhuǎn)向困難，造成航行器的機(jī)動(dòng)性差。

發(fā)明專利CN1074302A中提出一種“基于柔性撲翼推進(jìn)的仿生水下機(jī)器人”。屬于單自由度柔性撲翼范疇。電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪驅(qū)動(dòng)兩組曲柄搖桿最終在翼根軸上輸出往復(fù)循環(huán)旋轉(zhuǎn)。柔性翼面會(huì)產(chǎn)生一定的變形，水對(duì)其產(chǎn)生作用力從而帶動(dòng)水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。然而這種單自由度的裝置機(jī)構(gòu)復(fù)雜，翼面形狀難以控制，難以控制水對(duì)水下機(jī)器人的推力方向，并且難以獲得理想的推動(dòng)力，無(wú)法滿足中小型航行器的快速推進(jìn)的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了避免現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出一種小型水下航行器柔性撲翼驅(qū)動(dòng)裝置。該驅(qū)動(dòng)裝置推進(jìn)力大，具有雙向推進(jìn)和轉(zhuǎn)向功能，適用于無(wú)人水下航行器在復(fù)雜海洋環(huán)境下的作業(yè)能力。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:包括撲翼單元、底板、支撐座、第二轉(zhuǎn)軸、舵機(jī)架、舵機(jī)、舵機(jī)安裝板、轉(zhuǎn)向柔性桿、第三轉(zhuǎn)軸、電機(jī)座、伺服電機(jī)，多個(gè)撲翼單元通過(guò)調(diào)心塊串聯(lián),并通過(guò)第二轉(zhuǎn)軸與支撐座連接分別安裝在底板上對(duì)應(yīng)槽孔中，支撐座位于底板兩端部上下對(duì)稱安裝，兩個(gè)舵機(jī)通過(guò)舵機(jī)架和舵機(jī)安裝板固定安裝在底板上表面的兩端，轉(zhuǎn)向柔性桿位于支撐座與舵機(jī)之間，且與舵機(jī)連接，底板上兩端的撲翼單元通過(guò)第三轉(zhuǎn)軸與支撐座連接；伺服電機(jī)與電機(jī)座固連安裝在底板一端，伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與第二轉(zhuǎn)軸連接；

所述撲翼單元包括軸套、法蘭軸承、第一轉(zhuǎn)軸、螺母、螺釘、調(diào)心塊、柔性桿,兩個(gè)法蘭軸承安裝在第一轉(zhuǎn)軸上，法蘭軸承與軸套配合連接，柔性桿位于兩個(gè)法蘭軸承中間，柔性桿下方的孔內(nèi)裝有軸承，用于柔性桿串聯(lián)在同一轉(zhuǎn)軸上，軸套用于柔性桿的定位；所述調(diào)心塊為十字形凸塊，調(diào)心塊上軸向有中心螺孔，依孔中心周向均布有四個(gè)螺孔，調(diào)心塊與第一轉(zhuǎn)軸通過(guò)螺釘、螺母緊固，兩個(gè)撲翼單元之間通過(guò)調(diào)心塊連接。

所述撲翼單元沿底板上槽孔分布至少為十個(gè)；兩個(gè)撲翼單元之間相位角為90度。

所述柔性桿與轉(zhuǎn)向柔性桿之間采用硅膠皮連接形成翼面。

所述舵機(jī)為防水舵機(jī)。

第一轉(zhuǎn)軸、法蘭軸承、軸套同軸安裝。

有益效果

本發(fā)明提出的一種小型水下航行器柔性撲翼驅(qū)動(dòng)裝置，包括多個(gè)撲翼單元，撲翼單元之間通過(guò)調(diào)心塊連接；通過(guò)第二轉(zhuǎn)軸與支撐座連接分別安裝在底板上對(duì)應(yīng)槽孔中，支撐座位于底板兩端部上下對(duì)稱安裝，兩個(gè)舵機(jī)分別位于底板上兩端部，且通過(guò)舵機(jī)架和舵機(jī)安裝板固定安裝在底板上，轉(zhuǎn)向柔性桿位于支撐座與舵機(jī)之間，且轉(zhuǎn)向柔性桿與舵機(jī)連接，底板上兩端的撲翼單元通過(guò)第三轉(zhuǎn)軸與支撐座連接；柔性桿與轉(zhuǎn)向柔性桿之間采用硅膠皮連接，形成翼面。兩個(gè)撲翼單元之間相位角為90度。伺服電機(jī)與電機(jī)座固連安裝在底板一端；伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與第二轉(zhuǎn)軸連接。

本發(fā)明小型水下航行器柔性撲翼驅(qū)動(dòng)裝置,具有雙向推進(jìn)的功能，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)、翼面正向不斷變換，產(chǎn)生正向的推力。工作時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)第二轉(zhuǎn)軸。第二轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)第一級(jí)調(diào)心塊，第一級(jí)調(diào)心塊上的軸帶動(dòng)第一級(jí)柔性桿擺動(dòng)，第二級(jí)調(diào)心塊和第一級(jí)調(diào)心塊同心，柔性桿的位置超前90度，之后以此類推。翼面的不斷正弦變化使得產(chǎn)生向前的驅(qū)動(dòng)力，反之產(chǎn)生向后的推力。當(dāng)舵角不為零時(shí)，會(huì)改變裝置整體受力方向，從而轉(zhuǎn)向。

本發(fā)明小型水下航行器柔性撲翼驅(qū)動(dòng)裝置,驅(qū)動(dòng)電機(jī)為直流無(wú)刷電機(jī)，以進(jìn)行精確控制，平滑調(diào)速。通過(guò)轉(zhuǎn)向舵機(jī)，可精確地控制舵角,以及靈活控制轉(zhuǎn)向速度。

本發(fā)明小型水下航行器柔性撲翼驅(qū)動(dòng)裝置，可提高小型水下自主航行器和仿生水下機(jī)器人的搭載能力，完成雙向推進(jìn)和轉(zhuǎn)向，機(jī)動(dòng)性和模塊化程度高；提高了在復(fù)雜環(huán)境中的生存能力和作業(yè)能力。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明一種小型水下航行器柔性撲翼驅(qū)動(dòng)裝置作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

圖1為本發(fā)明水下航行器柔性撲翼驅(qū)動(dòng)裝置的撲翼單元爆炸圖。

圖2為本發(fā)明水下航行器柔性撲翼驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)軸測(cè)圖。

圖3為本發(fā)明的舵機(jī)與轉(zhuǎn)向柔性桿安裝部位示意圖。

圖4為本發(fā)明水下航行器柔性撲翼驅(qū)動(dòng)裝置裝配示意圖。

圖5為本發(fā)明的伺服電機(jī)安裝部位示意圖。

圖中

1.軸套 2.法蘭軸承 3.第一轉(zhuǎn)軸 4.螺母 5.螺釘 6.調(diào)心塊 7.柔性桿 8.底板9.支撐座 10.第二轉(zhuǎn)軸 11.舵機(jī)架 12.舵機(jī) 13.舵機(jī)安裝板 14.轉(zhuǎn)向柔性桿15.第三轉(zhuǎn)軸 16.電機(jī)座 17.伺服電機(jī)

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例是一種小型水下航行器柔性撲翼驅(qū)動(dòng)裝置。

為模擬正弦波單個(gè)翼面的變化規(guī)律，須采用離散的兩個(gè)翼面進(jìn)行采樣模擬；兩個(gè)撲翼單元之間相位角為90度,每一正弦波需要五個(gè)撲翼單元。保證正弦波的翼面不失真，撲翼單元的個(gè)數(shù)有一定的要求,底板上的槽孔軸向分布至少為十個(gè)。

香農(nóng)采樣定理是信息論學(xué)科中的一個(gè)重要基本結(jié)論；采樣是將一個(gè)信號(hào)，即時(shí)間或空間上的連續(xù)函數(shù)，轉(zhuǎn)換成一個(gè)數(shù)值序列，即時(shí)間或空間上的離散函數(shù)。采樣得到的離散信號(hào)經(jīng)保持器后，得到的是階梯信號(hào)，即具有零階保持器的特性。如果信號(hào)是帶限的，并且采樣頻率高于信號(hào)最高頻率的一倍，那么，原來(lái)的連續(xù)信號(hào)可從采樣樣本中完全重建出來(lái)。由此為保證模擬出來(lái)的正弦翼面的變化不失真，本實(shí)施例需最少采用十個(gè)撲翼單元。

參閱圖1～圖5，本實(shí)施例水下航行器柔性撲翼驅(qū)動(dòng)裝置，包括撲翼單元、底板8、支撐座9、第二轉(zhuǎn)軸10、舵機(jī)架11、舵機(jī)12、舵機(jī)安裝板13、轉(zhuǎn)向柔性桿14、第三轉(zhuǎn)軸15、電機(jī)座16、伺服電機(jī)17；多個(gè)撲翼單元通過(guò)調(diào)心塊串聯(lián),并通過(guò)第二轉(zhuǎn)軸10與支撐座9連接分別安裝在底板8上對(duì)應(yīng)槽孔中，支撐座9位于底板8兩端部上下對(duì)稱安裝共有四個(gè)。兩個(gè)舵機(jī)12分別位于底板8兩端部,通過(guò)舵機(jī)架11和舵機(jī)安裝板13固定安裝在底板8上。轉(zhuǎn)向柔性桿14位于支撐座9與舵機(jī)12之間，且與舵機(jī)12連接，底板8上兩端的撲翼單元通過(guò)第三轉(zhuǎn)軸15與支撐座9連接；伺服電機(jī)17與電機(jī)座16固連安裝在底板8一端，伺服電機(jī)17通過(guò)聯(lián)軸器與第二轉(zhuǎn)軸10連接。

撲翼單元包括軸套1、法蘭軸承2、第一轉(zhuǎn)軸3、螺母4、螺釘5、調(diào)心塊6、柔性桿7，兩個(gè)法蘭軸承2安裝在第一轉(zhuǎn)軸3上，法蘭軸承2與軸套1配合連接；柔性桿7裝卡在兩個(gè)法蘭軸承2中間，法蘭軸承2的法蘭邊限制柔性桿7在軸向的移動(dòng)，同時(shí)減少了翼柔性桿7磨損的概率。柔性桿7下方的孔內(nèi)裝有軸承，用于柔性桿7串聯(lián)在同一轉(zhuǎn)軸上，軸套1用于柔性桿7的定位，限制兩個(gè)法蘭軸承2的軸向移動(dòng)。調(diào)心塊6為十字形凸塊，調(diào)心塊6上軸向有中心螺孔，依孔中心周向均布有四個(gè)螺孔，調(diào)心塊6與第一轉(zhuǎn)軸3通過(guò)螺釘5、螺母4緊固，兩個(gè)撲翼單元之間通過(guò)調(diào)心塊6連接。第一轉(zhuǎn)軸3內(nèi)孔為螺紋孔，內(nèi)孔徑為3mm，外徑為5mm。通過(guò)螺釘5實(shí)現(xiàn)調(diào)心塊6和第一轉(zhuǎn)軸3連接，在相鄰的孔中反向安裝螺釘5，用于撲翼單元之間的連接。其中第一轉(zhuǎn)軸3，法蘭軸承2，軸套6同軸心連接。調(diào)心塊6的側(cè)面和第一轉(zhuǎn)軸3的端面進(jìn)行緊貼定位。

本實(shí)施例中柔性桿7與轉(zhuǎn)向柔性桿14之間采用硅膠皮連接形成翼面。由于硅膠屬柔性材料，因而在柔性桿7的相位不斷變化中形成變化的翼面，通過(guò)十級(jí)撲翼單元之間的相位偏轉(zhuǎn)，使柔性桿7之間形成正弦包絡(luò)面，通過(guò)伺服電機(jī)17驅(qū)動(dòng)正弦翼面的不斷變化，從而產(chǎn)生單向推進(jìn)力。

舵機(jī)12采用防水舵機(jī)，舵機(jī)12安裝在舵機(jī)架11上，舵機(jī)安裝板13用于定位安裝舵機(jī)架11。舵機(jī)12的舵盤(pán)和轉(zhuǎn)向柔性桿14連接，用于調(diào)整轉(zhuǎn)向翼面，從而控制整個(gè)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向。當(dāng)轉(zhuǎn)向柔性桿14和柔性桿7之間距離大，舵機(jī)12帶動(dòng)轉(zhuǎn)向柔性桿14成一定舵角，產(chǎn)生偏航力矩，航行器轉(zhuǎn)彎。