三自由度并聯(lián)型矢量推進(jìn)裝置及具有該裝置的水下機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水下航行器領(lǐng)域，特別是指一種三自由度并聯(lián)型矢量推進(jìn)裝置及具有該裝置的水下機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002]海洋約占地球表面積的71%，蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源和海洋生物資源，開(kāi)發(fā)機(jī)動(dòng)靈活的水下機(jī)器人對(duì)推動(dòng)海洋資源探測(cè)技術(shù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。螺旋槳推進(jìn)器是保障水下機(jī)器人機(jī)動(dòng)靈活作業(yè)的關(guān)鍵裝置，單個(gè)螺旋槳推進(jìn)器只能產(chǎn)生大小可變而方向固定(沿轉(zhuǎn)動(dòng)軸方向)的推進(jìn)力，而當(dāng)機(jī)器人需要進(jìn)行不同方向?qū)虿倏v運(yùn)動(dòng)時(shí)，比如俯仰和偏轉(zhuǎn)，就需要安裝多個(gè)螺旋槳推進(jìn)器來(lái)產(chǎn)生多維姿態(tài)推進(jìn)力。與單個(gè)推進(jìn)裝置相比，多個(gè)螺旋槳推進(jìn)器會(huì)降低機(jī)器人的機(jī)動(dòng)靈活性、增加機(jī)器人的航行阻力和降低低速航行時(shí)的可控能力。與一般推進(jìn)器不同，矢量推進(jìn)器除了能提供前進(jìn)推進(jìn)力外，還能根據(jù)機(jī)器人導(dǎo)向操縱任務(wù)需求產(chǎn)生其它多維方向上的推進(jìn)力，從而使得水下機(jī)器人在低速航行時(shí)的導(dǎo)向操縱運(yùn)動(dòng)不會(huì)完全依賴(lài)于航行速度，這樣提高了水下機(jī)器人低速航行時(shí)的可控性和水下定位能力。
[0003]目前，對(duì)矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)構(gòu)型研究?jī)H局限于傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)構(gòu)或Stewart六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)構(gòu)的自重負(fù)荷比大，很難適應(yīng)深海重壓環(huán)境，雖然六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)在靈活性和自重負(fù)荷比方面能滿(mǎn)足導(dǎo)向操縱動(dòng)作要求，但是其工作空間小、結(jié)構(gòu)和控制較復(fù)雜，也很難應(yīng)用于工程實(shí)際。少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)由于自由度數(shù)少，使設(shè)計(jì)制造更為簡(jiǎn)化，而關(guān)鍵導(dǎo)向操縱動(dòng)作也不需要空間全部的六個(gè)自由度，因此將少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于水下機(jī)器人矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)中會(huì)為未來(lái)水下機(jī)器人的推進(jìn)方式提供新的設(shè)計(jì)理念。因此，當(dāng)前急需對(duì)三自由度并聯(lián)型水下機(jī)器人矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的研究，以實(shí)現(xiàn)單機(jī)構(gòu)多維姿態(tài)調(diào)整的矢量推進(jìn)技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)單機(jī)構(gòu)多維姿態(tài)調(diào)整的三自由度并聯(lián)型矢量推進(jìn)裝置及具有該裝置的水下機(jī)器人。
[0005]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供技術(shù)方案如下:
[0006]—方面，提供一種三自由度并聯(lián)型矢量推進(jìn)裝置，包括螺旋槳、螺旋槳傳動(dòng)軸、靜平臺(tái)、動(dòng)平臺(tái)、第一 90°弧形連桿、第二 90°弧形連桿、45°弧形連桿和萬(wàn)向節(jié)，其中:
[0007]所述動(dòng)平臺(tái)為中空?qǐng)A柱形，所述動(dòng)平臺(tái)位于所述靜平臺(tái)的一側(cè)，所述靜平臺(tái)的一側(cè)設(shè)置有第一和第二偏擺電機(jī)固定架，所述第一和第二偏擺電機(jī)固定架上分別設(shè)置有第一和第二偏擺電機(jī)；
[0008]所述第一 90°弧形連桿的兩端以轉(zhuǎn)動(dòng)副方式連接在所述第一偏擺電機(jī)和動(dòng)平臺(tái)之間，從而形成第一組運(yùn)動(dòng)支鏈；
[0009]所述第二 90°弧形連桿的一端和所述45°弧形連桿的一端以轉(zhuǎn)動(dòng)副方式連接，所述第二 90°弧形連桿的另一端和所述45°弧形連桿的另一端以轉(zhuǎn)動(dòng)副方式連接在所述第二偏擺電機(jī)和動(dòng)平臺(tái)之間，從而形成第二組運(yùn)動(dòng)支鏈；
[0010]所述第一組和第二組運(yùn)動(dòng)支鏈中的所有轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)匯交于所述動(dòng)平臺(tái)的中心；
[0011]所述靜平臺(tái)的另一側(cè)中部設(shè)置有螺旋槳主推電機(jī)，所述螺旋槳主推電機(jī)的輸出軸穿過(guò)所述靜平臺(tái)，所述輸出軸的末端經(jīng)所述螺旋槳傳動(dòng)軸連接所述螺旋槳，所述萬(wàn)向節(jié)固連在所述輸出軸和螺旋槳傳動(dòng)軸之間，所述動(dòng)平臺(tái)以圓柱副方式套設(shè)在所述螺旋槳傳動(dòng)軸上，從而形成第三組運(yùn)動(dòng)支鏈。
[0012]進(jìn)一步的，所述靜平臺(tái)為圓盤(pán)形。
[0013]進(jìn)一步的，所述第一和第二偏擺電機(jī)固定架在所述靜平臺(tái)上間隔90°。
[0014]進(jìn)一步的，所述萬(wàn)向節(jié)為十字軸式剛性萬(wàn)向節(jié)。
[0015]進(jìn)一步的，所述動(dòng)平臺(tái)上的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)的夾角為90°。
[0016]進(jìn)一步的，所述第二偏擺電機(jī)依次經(jīng)所述第二 90°弧形連桿和45°弧形連桿連接至所述動(dòng)平臺(tái)。
[0017]另一方面，提供一種水下機(jī)器人，包括上述的三自由度并聯(lián)型矢量推進(jìn)裝置。
[0018]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0019]本發(fā)明在靜平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)之間形成有三組運(yùn)動(dòng)支鏈，本發(fā)明利用三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)改變了螺旋槳的空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了水下機(jī)器人的偏轉(zhuǎn)和俯仰等空間姿態(tài)調(diào)整動(dòng)作；中間運(yùn)動(dòng)傳遞支鏈實(shí)現(xiàn)了螺旋槳主推電機(jī)與螺旋槳之間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞；該三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)與螺旋槳推進(jìn)器的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了單機(jī)構(gòu)多姿態(tài)的運(yùn)動(dòng)功能，省去了鰭舵等復(fù)雜的輔助結(jié)構(gòu)構(gòu)型，使水下機(jī)器人的結(jié)構(gòu)更加緊湊，同時(shí)該機(jī)構(gòu)可單套安裝使用，具有模塊化應(yīng)用、便于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)；本發(fā)明所采用的并聯(lián)機(jī)構(gòu)在三個(gè)伺服電機(jī)的協(xié)同控制下，能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制，同時(shí)響應(yīng)速度快，能夠使螺旋槳迅速達(dá)到所需的空間姿態(tài)。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本發(fā)明的三自由度并聯(lián)型矢量推進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖一；
[0021]圖2為本發(fā)明的三自由度并聯(lián)型矢量推進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖二；
[0022]圖3為本發(fā)明的三自由度并聯(lián)型矢量推進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖三。
【具體實(shí)施方式】
[0023]為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0024]名詞解釋:
[0025]轉(zhuǎn)動(dòng)副:revolutejoint，簡(jiǎn)稱(chēng) R ;
[0026]萬(wàn)向節(jié)副:universaljoint，簡(jiǎn)稱(chēng) U;
[0027]圓柱副:cylinderpair，簡(jiǎn)稱(chēng) C ;
[0028]本發(fā)明中涉及的運(yùn)動(dòng)副的組合方式包括:RR、RRR、RUC0
[0029]90°弧形連桿和45°弧形連桿:指的是連桿的兩個(gè)連接處軸線(xiàn)所夾的圓心角分別為90。和45。ο
[0030]—方面，本發(fā)明提供一種三自由度并聯(lián)型矢量推進(jìn)裝置，如圖1-3所示，包括螺旋槳1、螺旋槳傳動(dòng)軸2、靜平臺(tái)7、動(dòng)平臺(tái)8、第一90°弧形連桿9、第二 90°弧形連桿12、45°弧形連桿13和萬(wàn)向節(jié)5，其中:
[0031]動(dòng)平臺(tái)8為中空?qǐng)A柱形，動(dòng)平臺(tái)8位于靜平臺(tái)7的一側(cè)，靜平臺(tái)7的一側(cè)(同側(cè))設(shè)置有第一偏擺電機(jī)固定架10和第二偏擺電機(jī)固定架4，第一偏擺電機(jī)固定架10和第二偏擺電機(jī)固定架4上分別設(shè)置有第一偏擺電機(jī)11和第二偏擺電機(jī)3 ;
[0032]第一 90°弧形連桿9的兩端以轉(zhuǎn)動(dòng)副方式連接在第一偏擺電機(jī)11和動(dòng)平臺(tái)8之間，從而形成第一組運(yùn)動(dòng)支鏈(即RR運(yùn)動(dòng)支鏈，具體的，第一 90°弧形連桿9的一端可以與第一偏擺電機(jī)11的輸出軸固連，第一偏擺電機(jī)11的旋轉(zhuǎn)即可構(gòu)成主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)副R，而第一90°弧形連桿9的另一端可以通過(guò)另一轉(zhuǎn)動(dòng)副R與動(dòng)平臺(tái)8連接)；
[0033]第二 90°弧形連桿12的一端和45°弧形連桿13的一端以轉(zhuǎn)動(dòng)副方式連接，第二90°弧形連桿12的另一端和45°弧形連桿13的另一端以轉(zhuǎn)動(dòng)副方式連接在第二偏擺電機(jī)3和動(dòng)平臺(tái)8之間，從而形成第二組運(yùn)動(dòng)支鏈(即RRR運(yùn)動(dòng)支鏈，具體的，45°弧形連桿13的一端可以與第二偏擺電機(jī)3的輸出軸固連，第二偏擺電機(jī)3的旋轉(zhuǎn)即可構(gòu)成主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)副R，45°弧形連桿13的另一端可以通過(guò)另一轉(zhuǎn)動(dòng)副R與第二 90°弧形連桿12的一端連接，而第二 90°弧形連