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

背景技術(shù)：

二十一世紀被稱為人類開發(fā)、利用海洋的“海洋世紀”。對于水下一些作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，作業(yè)難度大的場合，潛艇無法順利完成任務(wù)。而近些年來，水下無人航行器技術(shù)發(fā)展很快，廣泛應(yīng)用于上述場合，以及廣泛用于水下資源的探測、水域環(huán)境監(jiān)測、堤壩的勘探與監(jiān)測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器。推進器是將發(fā)動機產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)換成航行器前進所必須的推力的裝置。目前常用于航行器的推進器有：單螺旋槳、噴水推進器、撲翼推進器，撲翼推進器分為單自由度撲翼推進器、雙自由度撲翼推進器；推進器一般為剛性翼。國內(nèi)學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方向，一是對于撲翼材料的研究，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；另一種是多個關(guān)節(jié)連接，這需要由多個伺服電機驅(qū)動。缺點是伺服電機的驅(qū)動不易密封，容易進水。多個伺服電機之間協(xié)調(diào)性差，難形成穩(wěn)定的正弦波。由于機構(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動性變差，不利于復(fù)雜海洋環(huán)境生存、作業(yè)。

發(fā)明專利CN104386228A中公開了“一種魚尾式撲翼混合動力水下滑翔機構(gòu)型”。此滑翔機機體兩側(cè)安裝滑翔翼，機體內(nèi)部安裝浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)改變滑翔機姿態(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。但實際上，由于對推進機理定量的研究不足，造成樣機的實際效果和理論預(yù)測具有差距，沒有體現(xiàn)出優(yōu)勢。同時，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，造成航行器的機動性差。

發(fā)明專利CN1074302A中提出一種“基于柔性撲翼推進的仿生水下機器人”。屬于單自由度柔性撲翼范疇。電動機通過齒輪驅(qū)動兩組曲柄搖桿最終在翼根軸上輸出往復(fù)循環(huán)旋轉(zhuǎn)。柔性翼面會產(chǎn)生一定的變形，水對其產(chǎn)生作用力從而帶動水下機器人運動。然而這種單自由度的裝置機構(gòu)復(fù)雜，翼面形狀難以控制，難以控制水對水下機器人的推力方向，并且難以獲得理想的推動力，無法滿足中小型航行器的快速推進的要求。

技術(shù)實現(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)動裝置。該驅(qū)動裝置推進力大，具有雙向推進和轉(zhuǎn)向功能，適用于無人水下航行器在復(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、舵機架、舵機、舵機安裝板、轉(zhuǎn)向柔性桿、第三轉(zhuǎn)軸、電機座、伺服電機，多個撲翼單元通過調(diào)心塊串聯(lián),并通過第二轉(zhuǎn)軸與支撐座連接分別安裝在底板上對應(yīng)槽孔中，支撐座位于底板兩端部上下對稱安裝，兩個舵機通過舵機架和舵機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之間，且與舵機連接，底板上兩端的撲翼單元通過第三轉(zhuǎn)軸與支撐座連接；伺服電機與電機座固連安裝在底板一端，伺服電機通過聯(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螺孔，調(diào)心塊與第一轉(zhuǎn)軸通過螺釘、螺母緊固，兩個撲翼單元之間通過調(diào)心塊連接。

所述撲翼單元沿底板上槽孔分布至少為十個；兩個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。

所述舵機為防水舵機。

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)動裝置，包括多個撲翼單元，撲翼單元之間通過調(diào)心塊連接；通過第二轉(zhuǎn)軸與支撐座連接分別安裝在底板上對應(yīng)槽孔中，支撐座位于底板兩端部上下對稱安裝，兩個舵機分別位于底板上兩端部，且通過舵機架和舵機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之間，且轉(zhuǎn)向柔性桿與舵機連接，底板上兩端的撲翼單元通過第三轉(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。兩個撲翼單元之間相位角為90度。伺服電機與電機座固連安裝在底板一端；伺服電機通過聯(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)動裝置,具有雙向推進的功能，電機順時針轉(zhuǎn)動時、翼面正向不斷變換，產(chǎn)生正向的推力。工作時，電機帶動第二轉(zhuǎn)軸。第二轉(zhuǎn)軸帶動第一級調(diào)心塊，第一級調(diào)心塊上的軸帶動第一級柔性桿擺動，第二級調(diào)心塊和第一級調(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)動力，反之產(chǎn)生向后的推力。當舵角不為零時，會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)動裝置,驅(qū)動電機為直流無刷電機，以進行精確控制，平滑調(diào)速。通過轉(zhuǎn)向舵機，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)動裝置，可提高小型水下自主航行器和仿生水下機器人的搭載能力，完成雙向推進和轉(zhuǎn)向，機動性和模塊化程度高；提高了在復(fù)雜環(huán)境中的生存能力和作業(yè)能力。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明一種小型水下航行器柔性撲翼驅(qū)動裝置作進一步詳細說明。

圖1為本發(fā)明水下航行器柔性撲翼驅(qū)動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)動裝置結(jié)構(gòu)軸測圖。

圖3為本發(fā)明的舵機與轉(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)動裝置裝配示意圖。

圖5為本發(fā)明的伺服電機安裝部位示意圖。

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.舵機架 12.舵機 13.舵機安裝板 14.轉(zhuǎn)向柔性桿15.第三轉(zhuǎn)軸 16.電機座 17.伺服電機

具體實施方式

本實施例是一種小型水下航行器柔性撲翼驅(qū)動裝置。

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

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

參閱圖1～圖5，本實施例水下航行器柔性撲翼驅(qū)動裝置，包括撲翼單元、底板8、支撐座9、第二轉(zhuǎn)軸10、舵機架11、舵機12、舵機安裝板13、轉(zhuǎn)向柔性桿14、第三轉(zhuǎn)軸15、電機座16、伺服電機17；多個撲翼單元通過調(diào)心塊串聯(lián),并通過第二轉(zhuǎn)軸10與支撐座9連接分別安裝在底板8上對應(yīng)槽孔中，支撐座9位于底板8兩端部上下對稱安裝共有四個。兩個舵機12分別位于底板8兩端部,通過舵機架11和舵機安裝板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12之間，且與舵機12連接，底板8上兩端的撲翼單元通過第三轉(zhuǎn)軸15與支撐座9連接；伺服電機17與電機座16固連安裝在底板8一端，伺服電機17通過聯(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，同時減少了翼柔性桿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，限制兩個法蘭軸承2的軸向移動。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螺孔，調(diào)心塊6與第一轉(zhuǎn)軸3通過螺釘5、螺母4緊固，兩個撲翼單元之間通過調(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。通過螺釘5實現(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的端面進行緊貼定位。

本實施例中柔性桿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，通過十級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，通過伺服電機17驅(qū)動正弦翼面的不斷變化，從而產(chǎn)生單向推進力。

舵機12采用防水舵機，舵機12安裝在舵機架11上，舵機安裝板13用于定位安裝舵機架11。舵機12的舵盤和轉(zhuǎn)向柔性桿14連接，用于調(diào)整轉(zhuǎn)向翼面，從而控制整個機構(gòu)的轉(zhuǎn)向。當轉(zhuǎn)向柔性桿14和柔性桿7之間距離大，舵機12帶動轉(zhuǎn)向柔性桿14成一定舵角，產(chǎn)生偏航力矩，航行器轉(zhuǎn)彎。