一種螺旋槳矢量推進(jìn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水下航行器技術(shù)領(lǐng)域，具體的來說，是一種應(yīng)用于水下機(jī)器人的螺旋槳矢量推進(jìn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前水下機(jī)器人采用的推進(jìn)技術(shù)主要有兩種方案:(I)泵射噴水式推進(jìn)器，其推力來源于水泵噴出水流的反作用力。此類推進(jìn)器具有空泡能力強(qiáng)，附體阻力小，保護(hù)性好，噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。但是該推進(jìn)器在水草或雜物較多的水域，進(jìn)水口容易堵塞；且航速較低時(shí)，其推進(jìn)效率較傳統(tǒng)的螺旋槳低。(2)螺旋槳式推進(jìn)器，螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)使水流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)向后的運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生推進(jìn)器向前的運(yùn)動(dòng)。這種旋轉(zhuǎn)向后運(yùn)動(dòng)的水流只有平行于楽軸方向的速度分量才能對(duì)水下航行器產(chǎn)生有效推力，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)器來產(chǎn)生多維方向的推進(jìn)力。與單螺旋槳推進(jìn)結(jié)構(gòu)裝置相比，多螺旋槳推進(jìn)器會(huì)降低低速航行時(shí)的水下定位能力，增加機(jī)器人的航行阻力。而與一般推進(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，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)完全依賴于航行速度，這樣極大地提高了低速航行時(shí)的水下定位能力。
[0003]目前水下機(jī)器人采用的矢量推進(jìn)技術(shù)方案主要有:(I)結(jié)合推力矢量技術(shù)的泵射噴水式推進(jìn)器，該推進(jìn)器因低噪聲已被越來越多的被應(yīng)用到潛艇上。與螺旋槳推進(jìn)方式相比，噴水式推進(jìn)器具有附體阻力小，輻射噪聲低，高速航行時(shí)不產(chǎn)生氣泡等優(yōu)點(diǎn)。但是此類推進(jìn)器是一種矢量噴水組合式推進(jìn)器，噴水推進(jìn)器結(jié)構(gòu)型式要比螺旋槳復(fù)雜的多，使得噴水推進(jìn)器的設(shè)計(jì)和安裝存在困難；另外，噴水推進(jìn)器的重量較普通螺旋槳推進(jìn)器大很多。因此，對(duì)于攜帶負(fù)載和電源受限的中小型水下機(jī)器人來說，這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜且重量較大的推進(jìn)器是不適用的。(2)結(jié)合推力矢量技術(shù)的螺旋槳推進(jìn)器，該推進(jìn)器是通過改變螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)方向來改變推力方向。它分為兩種，部分偏轉(zhuǎn)(螺旋槳)方式和全部偏轉(zhuǎn)(推進(jìn)電機(jī)和螺旋槳)。部分偏轉(zhuǎn)螺旋槳推進(jìn)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大。
[0004]中國專利CN202046433U公開了小型充油全部偏轉(zhuǎn)矢量螺旋槳推進(jìn)器，它克服了噴水推進(jìn)器和部分偏轉(zhuǎn)推進(jìn)器的體積大和機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜等不足之處，其技術(shù)方案是:全部偏轉(zhuǎn)矢量螺旋槳推進(jìn)器包括螺旋槳、推進(jìn)電機(jī)、偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)電機(jī)、擺轉(zhuǎn)電機(jī)、密封艙體和尾筒。其中，回轉(zhuǎn)電機(jī)、擺轉(zhuǎn)電機(jī)分別與偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相連構(gòu)成偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，螺旋槳與推進(jìn)電機(jī)相連構(gòu)成尾部推進(jìn)器，偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和尾部推進(jìn)器分別與尾筒相連構(gòu)成全部偏轉(zhuǎn)矢量推進(jìn)器，其安裝在水下航行器的密封艙體上，可以為水下航行器提供矢量推力。這種推進(jìn)器具有靈活度高和結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，但存在以下缺陷:(I)龐大的末端偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使其在水中承受較大的阻力，從而影響其控制靈活度，并且會(huì)增加偏轉(zhuǎn)電機(jī)的額外負(fù)擔(dān)；(2)推進(jìn)器的電機(jī)是隨螺旋槳直接固定在尾筒末端，這樣會(huì)造成其慣性太大，很難得到較高的控制精度；(3)推進(jìn)電機(jī)與航行器的密封艙體分離，導(dǎo)致推進(jìn)電機(jī)的防水密封存在較大問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決現(xiàn)有螺旋槳矢量裝置中的龐大末端偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其在水中承受較大的阻力和慣性，以及防水密封等關(guān)鍵技術(shù)問題，提供一種具有多維方向推進(jìn)、螺旋槳水中慣性和阻力小且易于防水密封的螺旋槳矢量推進(jìn)器。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
螺旋槳矢量推進(jìn)裝置，包括螺旋槳旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)、螺旋槳偏擺機(jī)構(gòu)以及內(nèi)密封艙整體回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，所述螺旋槳旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)由U運(yùn)動(dòng)副、P運(yùn)動(dòng)副和S運(yùn)動(dòng)副構(gòu)成的UPS運(yùn)動(dòng)支鏈，將安裝于內(nèi)密封艙的推進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給螺旋槳；螺旋槳偏擺機(jī)構(gòu)是滾珠絲杠和工字導(dǎo)軌構(gòu)成的移動(dòng)副，安裝于內(nèi)密封艙內(nèi)，它通過絲杠運(yùn)動(dòng)使得螺旋槳繞密封艙中心軸線發(fā)生偏擺運(yùn)動(dòng)；內(nèi)密封艙整體回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由一對(duì)內(nèi)嚙合齒輪副構(gòu)成，通過內(nèi)嚙合齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)內(nèi)密封艙相對(duì)于外密封艙360°范圍內(nèi)的回轉(zhuǎn)。
[0007]本發(fā)明通過螺旋槳偏擺和內(nèi)密封艙整體回轉(zhuǎn)這兩條獨(dú)立傳動(dòng)鏈的運(yùn)動(dòng)合成，使得推進(jìn)器可實(shí)現(xiàn)一定偏擺角度下的全方位轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0008]本發(fā)明的有益效果是:(1)將偏擺機(jī)構(gòu)安裝于密封艙內(nèi)，艙體外部偏擺轉(zhuǎn)動(dòng)的只有螺旋槳，相對(duì)于艙外安裝偏擺機(jī)構(gòu)來說，艙內(nèi)安裝偏擺機(jī)構(gòu)的螺旋槳所受到水阻力較小，使其靈活性增加，并可減少不必要的能力損失；(2)將推進(jìn)電機(jī)固聯(lián)在滑動(dòng)導(dǎo)軌上，利用移動(dòng)產(chǎn)生螺旋槳軸的擺動(dòng)，通過傳動(dòng)裝置將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到螺旋槳，這樣可有效地減少偏擺過程中的慣性，從而使控制精度提高；(3)采用內(nèi)外兩密封艙結(jié)構(gòu)，能極大的提高推進(jìn)器的防水性能。本發(fā)明具有安裝便利，控制方便，低速轉(zhuǎn)向性能好等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明的水下機(jī)器人螺旋槳矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的偏擺機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中:1螺旋槳，2、13軸承，3外密封艙，4內(nèi)密封艙，5、6錐齒輪對(duì)，7滑動(dòng)塊，8工字導(dǎo)軌，9絲桿固定架，10齒輪，11偏擺電機(jī)，12內(nèi)齒輪，14球副，15花鍵軸套，16花鍵軸，17萬向節(jié)，18滾珠絲杠，19推進(jìn)電機(jī)，20外齒輪，21回轉(zhuǎn)電機(jī)固定底座，22內(nèi)密封艙回轉(zhuǎn)電機(jī)，23內(nèi)密封艙偏擺平臺(tái)。
[0010]
【具體實(shí)施方式】
[0011]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明并不局限于此。
[0012]本發(fā)明包括螺旋槳旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)、螺旋槳偏擺機(jī)構(gòu)以及內(nèi)密封艙整體回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。螺旋槳旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)主要完成將安裝于內(nèi)密封艙的推進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給螺旋槳，可以為水下機(jī)器人提供推進(jìn)力。螺旋槳偏擺機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)螺旋槳回轉(zhuǎn)軸線繞密封艙中心軸線偏擺運(yùn)動(dòng)，在偏擺一定角度后，內(nèi)密封艙整體回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)會(huì)使螺旋槳回轉(zhuǎn)軸線繞密封艙中心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，這兩種偏擺和轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)使得螺旋槳的回轉(zhuǎn)軸線在空間的包絡(luò)線形成一個(gè)圓錐面，從而實(shí)現(xiàn)了螺旋槳推進(jìn)方向的變化。本發(fā)明通過螺旋槳偏擺和內(nèi)密封艙整體回轉(zhuǎn)兩條獨(dú)立傳動(dòng)鏈的運(yùn)動(dòng)合成，使推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)一定偏擺角度下的全方位轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0013]所述的螺旋槳旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)(即UPS運(yùn)動(dòng)支鏈)包括推進(jìn)電機(jī)19、萬向節(jié)17、花鍵軸16、花鍵軸套15、球副14?；ㄦI軸套15的一端由球副14與內(nèi)密封艙4連接，另一端與花鍵軸16連接，花鍵軸16由萬向節(jié)17與推進(jìn)電機(jī)19連接。推進(jìn)電機(jī)19的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過螺旋槳旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)傳遞給螺旋槳1，使其產(chǎn)生向前推進(jìn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
[0014]所述的螺旋槳偏擺機(jī)構(gòu)包括滑動(dòng)塊7、滾珠絲桿18、工字導(dǎo)軌8和偏擺電機(jī)11等。推進(jìn)電機(jī)19固聯(lián)在滑動(dòng)塊7上，滑動(dòng)塊7安裝于工字導(dǎo)軌8上，滑動(dòng)塊7通過螺母副與滾珠絲杠18連接，滾珠絲杠18通過絲杠固定架9固定在內(nèi)密封艙偏擺平臺(tái)23上。偏擺電機(jī)11的轉(zhuǎn)動(dòng)通過一對(duì)錐齒輪5、6換向，并通過滾珠絲杠18驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)塊7沿工字導(dǎo)軌8上移動(dòng)，該移動(dòng)使得由萬向節(jié)17、花鍵軸16、花鍵軸套15和球副14組成的UPS運(yùn)動(dòng)支鏈繞外密封艙3的中心軸線發(fā)生偏擺運(yùn)動(dòng)，偏擺角度范圍約為±30°。
[0015]所述的內(nèi)密封艙整體回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括外密封艙3，內(nèi)密封艙偏擺平臺(tái)23，回轉(zhuǎn)電機(jī)22，軸承2、13，內(nèi)齒輪12和外齒輪20?；剞D(zhuǎn)電機(jī)22通過底座21被固定在外密封艙3上，內(nèi)密封艙4與外密封艙3的頂部和底部分別通過軸承2和軸承13連接?；剞D(zhuǎn)電機(jī)22經(jīng)內(nèi)齒輪12和外齒輪20的嚙合驅(qū)動(dòng)，使得內(nèi)密封艙4相對(duì)于外密封艙3回轉(zhuǎn)。外密封艙3和內(nèi)密封艙4均為中心對(duì)稱的柱體殼式結(jié)構(gòu)，它們的回轉(zhuǎn)中心軸線是重合的，因此，內(nèi)密封艙4可以繞外密封艙3的中心軸線360°范圍內(nèi)回轉(zhuǎn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種螺旋槳矢量推進(jìn)裝置，其特征在于:包括螺旋槳旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)、螺旋槳偏擺機(jī)構(gòu)以及內(nèi)密封艙整體回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，所述螺旋槳旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)由U運(yùn)動(dòng)副、P運(yùn)動(dòng)副和S運(yùn)動(dòng)副構(gòu)成的UPS運(yùn)動(dòng)支鏈，將安裝于內(nèi)密封艙的推進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給螺旋槳；螺旋槳偏擺機(jī)構(gòu)是滾珠絲杠和工字導(dǎo)軌構(gòu)成的移動(dòng)副，安裝于內(nèi)密封艙內(nèi)，它通過絲杠運(yùn)動(dòng)使得螺旋槳繞密封艙中心軸線發(fā)生偏擺運(yùn)動(dòng)；內(nèi)密封艙整體回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由一對(duì)內(nèi)嚙合齒輪副構(gòu)成，通過內(nèi)嚙合齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)內(nèi)密封艙相對(duì)于外密封艙360°范圍內(nèi)的回轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋槳矢量推進(jìn)裝置，其特征在于:所述的螺旋槳偏擺機(jī)構(gòu)包括滑動(dòng)塊、滾珠絲桿、工字導(dǎo)軌和偏擺電機(jī)，推進(jìn)電機(jī)固聯(lián)在滑動(dòng)塊上，滑動(dòng)塊安裝在工字導(dǎo)軌上，滑動(dòng)塊一端連接滾珠絲杠，滾珠絲杠通過絲杠固定架固定在內(nèi)密封艙偏擺平臺(tái)上，偏擺電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過一對(duì)錐齒輪換向，并通過滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)塊沿工字導(dǎo)軌上移動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋槳矢量推進(jìn)裝置，其特征在于:所述的內(nèi)密封艙整體回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括外密封艙，內(nèi)密封艙偏擺平臺(tái)，回轉(zhuǎn)電機(jī)，軸承，內(nèi)齒輪和外齒輪，回轉(zhuǎn)電機(jī)通過回轉(zhuǎn)電機(jī)固定底座固定在外密封艙上，內(nèi)密封艙與外密封艙的頂部和底部分別通過軸承連接，回轉(zhuǎn)電機(jī)經(jīng)內(nèi)齒輪和外齒輪驅(qū)動(dòng)內(nèi)密封艙偏擺平臺(tái)和內(nèi)密封艙相對(duì)于外密封艙360°范圍內(nèi)回轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋槳矢量推進(jìn)裝置，其特征在于:通過螺旋槳偏擺和內(nèi)密封艙整體回轉(zhuǎn)兩條獨(dú)立傳動(dòng)鏈的運(yùn)動(dòng)合成，使推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)一定偏擺角度下的全方位轉(zhuǎn)動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋槳矢量推進(jìn)裝置，其特征在于:螺旋槳的運(yùn)動(dòng)是回轉(zhuǎn)軸線的旋轉(zhuǎn)與回轉(zhuǎn)軸線的偏擺的合成運(yùn)動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)多維方向的推進(jìn)力。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋槳矢量推進(jìn)裝置，其特征在于:外密封艙和內(nèi)密封艙均為中心對(duì)稱的柱體殼式結(jié)構(gòu)，它們的回轉(zhuǎn)中線是重合。
【專利摘要】本發(fā)明公開了螺旋槳矢量推進(jìn)裝置，包括螺旋槳旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)、螺旋槳偏擺機(jī)構(gòu)以及內(nèi)密封艙整體回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，螺旋槳旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)由U運(yùn)動(dòng)副、P運(yùn)動(dòng)副和S運(yùn)動(dòng)副構(gòu)成的UPS運(yùn)動(dòng)支鏈，將安裝于內(nèi)密封艙的推進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給螺旋槳；螺旋槳偏擺機(jī)構(gòu)由滾珠絲杠和工字導(dǎo)軌組成的移動(dòng)副組成，安裝于內(nèi)密封艙內(nèi)，它通過絲杠運(yùn)動(dòng)使得螺旋槳繞密封艙中心軸線發(fā)生偏擺運(yùn)動(dòng)；內(nèi)密封艙整體回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由一對(duì)內(nèi)嚙合齒輪副構(gòu)成，通過內(nèi)嚙合齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)內(nèi)密封艙相對(duì)于外密封艙360°范圍內(nèi)的回轉(zhuǎn)。本發(fā)明通過螺旋槳偏擺和內(nèi)密封艙整體回轉(zhuǎn)兩條獨(dú)立的傳動(dòng)鏈的運(yùn)動(dòng)合成，推進(jìn)器可以實(shí)現(xiàn)一定偏擺角度下的全方位轉(zhuǎn)動(dòng)。該裝置具有安裝便利，控制方便，低速轉(zhuǎn)向性能好等特點(diǎn)。
【IPC分類】B63H23-02, B63H5-125, B63H21-17
【公開號(hào)】CN104787285
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510154320
【發(fā)明人】陳原, 徐瀚, 張榮敏, 高軍
【申請(qǐng)人】山東大學(xué)（威海）
【公開日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年4月3日