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一种并联式水下矢量推进器
申请号	CN201610173313.6	申请日	2016-03-24	公开(公告)号	CN105836081A	公开(公告)日	2016-08-10
申请人	褚宏鹏;			发明人	褚宏鹏; 孙通帅;
摘要	一种并联式水下矢量推进器，主要包括机架、换向台，连接机架、换向台的三条运动支链。每条运动支链均由下连杆、中连杆和上连杆组成，下连杆与机架通过转动副或球副连接，下连杆与中连杆通过转动副或球副连接，中连杆与上连杆通过转动副连接，上连杆与换向台通过转动副或球副连接；三条运动支链之间通过三条耦合连杆和一条中心连杆相互连接，耦合连杆一端与运动支链中的中连杆固联，另一端与中心连杆通过转动副连接。本发明可实现换向台相对机架做两自由度转动，且具有体积小、刚度大、精度高、转动工作空间大等优点，可广泛应用于船舶推进系统。
权利要求	1.一种并联式水下矢量推进器，主要包括机架、换向台、连接机架、换向台的三条运动支链，其特征是：每条运动支链均由下连杆、中连杆和上连杆组成，第一运动支链A中的下连杆A一端与机架通过球副A连接，下连杆A另一端与中连杆A一端通过第二转动副A连接，中连杆A另一端与上连杆A一端通过第三转动副A连接，上连杆A另一端与换向台通过第四转动副A连接；第二运动支链B中的下连杆B一端与机架通过第一转动副B连接，下连杆B另一端与中连杆B一端通过球副B连接，中连杆B另一端与上连杆B一端通过第三转动副B连接，上连杆B另一端与换向台通过第四转动副B连接；第三运动支链C中的下连杆C一端与机架通过第一转动副C连接，下连杆C另一端与中连杆C一端通过球副C连接，中连杆C另一端与上连杆C一端通过第三转动副C连接，上连杆C另一端与换向台通过第四转动副C连接；所述三条运动支链之间通过三条耦合连杆和一条中心连杆相互连接，每条运动支链与中心连杆之间均由一条耦合连杆连接，耦合连杆一端与运动支链中的中连杆固联，耦合连杆另一端与中心连杆通过转动副连接，三条耦合连杆与中心连杆连接的三个转动副的轴线相互重合形成一条轴线，设该条轴线为中心轴线L；所述第二转动副A轴线、第一转动副B轴线、第一转动副C轴线、中心轴线L汇交于一点K；所述第三转动副A轴线、第四转动副A轴线、第三转动副B轴线、第四转动副B轴线、第三转动副C轴线、第四转动副C轴线、中心轴线L汇交于一点G，点G与所述点K不重合。 2.根据权利要求1所述的一种并联式水下矢量推进器，其特征是：所述中心连杆的一端通过第一万向铰与动力输入轴连接，且第一万向铰的转动中心与所述点K重合；中心连杆的另一端通过第二万向铰与动力输出轴连接，且第二万向铰的转动中心与所述点G重合。 3.根据权利要求2所述的一种并联式水下矢量推进器，其特征是：所述动力输出轴与换向台通过换向台轴承连接，换向台轴承的外环与换向台固联，换向台轴承的内环与动力输出轴固联，叶轮与所述动力输出轴固联。 4.根据权利要求2所述的一种并联式水下矢量推进器，其特征是：所述动力输入轴与机架通过机架轴承E和机架轴承F连接，机架轴承E的轴线和机架轴承F的轴线重合，上述两个机架轴承的外环皆与机架固联，两个机架轴承的内环皆与动力输入轴固联。 5.根据权利要求1所述的一种并联式水下矢量推进器，其特征是：所述第二运动支链为主动运动支链，由直线驱动器B驱动，直线驱动器B的输出杆与下连杆B通过第六转动副B连接，直线驱动器B的尾端与机架通过第七转动副B连接，所述第一转动副B轴线、第六转动副B轴线、第七转动副B轴线相互平行；所述第三运动支链为主动运动支链，由直线驱动器C驱动，直线驱动器C的输出杆与下连杆C通过第六转动副C连接，直线驱动器C的尾端与机架通过第七转动副C连接，所述第一转动副C轴线、第六转动副C轴线、第七转动副C轴线相互平行。 6.一种并联式水下矢量推进器，主要包括机架、换向台、连接机架、换向台的三条运动支链，其特征是：每条运动支链均由下连杆、中连杆和上连杆组成，第一运动支链A中的下连杆A一端与机架通过第一球副A连接，下连杆A另一端与中连杆A一端通过第二转动副A连接，中连杆A另一端与上连杆A一端通过第三转动副A连接，上连杆A另一端与换向台通过第四球副A连接；第二运动支链B中的下连杆B一端与机架通过第一转动副B连接，下连杆B另一端与中连杆B一端通过球副B连接，中连杆B另一端与上连杆B一端通过第三转动副B连接，上连杆B另一端与换向台通过第四转动副B连接；第三运动支链C中的下连杆C一端与机架通过第一转动副C连接，下连杆C另一端与中连杆C一端通过球副C连接，中连杆C另一端与上连杆C一端通过第三转动副C连接，上连杆C另一端与换向台通过第四转动副C连接；上述三条运动支链之间通过三条耦合连杆和一条中心连杆相互连接，每条运动支链与中心连杆之间均由一条耦合连杆连接，耦合连杆一端与运动支链中的中连杆固联，耦合连杆另一端与中心连杆通过转动副连接，三条耦合连杆与中心连杆连接的三个转动副的轴线相互重合形成一条轴线，设该条轴线为中心轴线L；所述第二转动副A轴线、第一转动副B轴线、第一转动副C轴线、中心轴线L汇交于一点K；所述第三转动副A轴线、第四转动副A轴线、第三转动副B轴线、第四转动副B轴线、第三转动副C轴线、第四转动副C轴线、中心轴线L汇交于一点G，点G与所述点K不重合。 7.根据权利要求6所述的一种并联式水下矢量推进器，其特征是：所述中心连杆的一端通过第一万向铰与动力输入轴连接，且第一万向铰的转动中心与所述点K重合；中心连杆的另一端通过第二万向铰与动力输出轴连接，且第二万向铰的转动中心与所述点G重合。 8.根据权利要求7所述的一种并联式水下矢量推进器，其特征是：所述动力输出轴与换向台通过换向台轴承连接，换向台轴承的外环与换向台固联，换向台轴承的内环与动力输出轴固联，叶轮与所述动力输出轴固联。 9.根据权利要求7所述的一种并联式水下矢量推进器，其特征是：所述动力输入轴与机架通过机架轴承E和机架轴承F连接，机架轴承E的轴线和机架轴承F的轴线重合，上述两个机架轴承的外环皆与机架固联，两个机架轴承的内环皆与动力输入轴固联。 10.根据权利要求6所述的一种并联式水下矢量推进器，其特征是：所述第二运动支链为主动运动支链，由直线驱动器B驱动，直线驱动器B的输出杆与下连杆B通过第六转动副B连接，直线驱动器B的尾端与机架通过第七转动副B连接，所述第一转动副B轴线、第六转动副B轴线、第七转动副B轴线相互平行；所述第三运动支链为主动运动支链，由直线驱动器C驱动，直线驱动器C的输出杆与下连杆C通过第六转动副C连接，直线驱动器C的尾端与机架通过第七转动副C连接，所述第一转动副C轴线、第六转动副C轴线、第七转动副C轴线相互平行。
说明书全文	一种并联式水下矢量推进器技术领域 [0001] 本发明涉及一种矢量推进器，特别涉及一种并联式水下矢量推进器。技术背景 [0002] 目前用于水下观测、考察和开发的载运器具主要有载人潜水器和无人潜水器，随着水下作业任务的多样化和水下环境的复杂化，研究人员对潜水器的操纵性和机动性提出了更高的要求。在此背景下，采用传统的鳍舵式控制方法的潜水器在一定程度上已经无法满足任务要求，尤其在低速运动时舵的操纵性存在明显的减弱。为提高潜水器的灵活性，研制新型具有矢量推进器的潜水器是有效的解决方案之一。 [0003] 矢量推进也被称为推力转向技术，是指空间运动物体的推进系统除了提供前进推力外，还能同时或单独的在航行体的俯仰、偏航等方向上提供推力和力矩，用以部分或全部取代舵面产生的动力来进行控制。传统的矢量推进器多为串联机构，为使矢量推进器能更加稳定、精确地驱动潜水器在水下按照指定航迹运动，需要进一步地提高矢量推进机构的刚度、运动精度及响应速度。相比传统的串联式矢量推进器，并联式矢量推进器具有结构紧凑、刚度大、精度高等特点，更加适合作为潜水器的矢量推进机构。发明内容 [0004] 为解决上述问题，本发明提供一种并联式水下矢量推进器，该矢量推进器具有空间两转动自由度，且具有体积小、刚度大、转动工作空间大等优点。 [0005] 本发明的技术方案具体如下： [0006] 本发明主要包括机架、换向台、连接机架、换向台的三条运动支链，其有两种连接方式： [0007] 第一种连接方式：每条运动支链均由下连杆、中连杆和上连杆组成，第一运动支链A中的下连杆A一端与机架通过球副A连接，下连杆A另一端与中连杆A一端通过第二转动副A连接，中连杆A另一端与上连杆A一端通过第三转动副A连接，上连杆A另一端与换向台通过第四转动副A连接；第二运动支链B中的下连杆B一端与机架通过第一转动副B连接，下连杆B另一端与中连杆B一端通过球副B连接，中连杆B另一端与上连杆B一端通过第三转动副B连接，上连杆B另一端与换向台通过第四转动副B连接；第三运动支链C中的下连杆C一端与机架通过第一转动副C连接，下连杆C另一端与中连杆C一端通过球副C连接，中连杆C另一端与上连杆C一端通过第三转动副C连接，上连杆C另一端与换向台通过第四转动副C连接。 [0008] 所述三条运动支链之间通过三条耦合连杆和一条中心连杆相互连接，每条运动支链与中心连杆之间均由一条耦合连杆连接，耦合连杆一端与运动支链中的中连杆固联，耦合连杆另一端与中心连杆通过转动副连接，三条耦合连杆与中心连杆连接的三个转动副的轴线相互重合形成一条轴线，设该条轴线为中心轴线L；所述第二转动副A轴线、第一转动副B轴线、第一转动副C轴线、中心轴线L汇交于一点K；所述第三转动副A轴线、第四转动副A轴线、第三转动副B轴线、第四转动副B轴线、第三转动副C轴线、第四转动副C轴线、中心轴线L汇交于一点G，点G与所述点K不重合。 [0009] 所述中心连杆的一端通过第一万向铰与动力输入轴连接，且第一万向铰的转动中心与所述点K重合；中心连杆的另一端通过第二万向铰与动力输出轴连接，且第二万向铰的转动中心与所述点G重合。所述动力输出轴与换向台通过换向台轴承连接，换向台轴承的外环与换向台固联，换向台轴承的内环与动力输出轴固联，叶轮与所述动力输出轴固联。所述动力输入轴与机架通过机架轴承E和机架轴承F连接，机架轴承E的轴线和机架轴承F的轴线重合，上述两个机架轴承的外环皆与机架固联，两个机架轴承的内环皆与动力输入轴固联。 [0010] 所述第二运动支链为主动运动支链，由直线驱动器B驱动，直线驱动器B的输出杆与下连杆B通过第六转动副B连接，直线驱动器B的尾端与机架通过第七转动副B连接，所述第一转动副B轴线、第六转动副B轴线、第七转动副B轴线相互平行；所述第三运动支链为主动运动支链，由直线驱动器C驱动，直线驱动器C的输出杆与下连杆C通过第六转动副C连接，直线驱动器C的尾端与机架通过第七转动副C连接，所述第一转动副C轴线、第六转动副C轴线、第七转动副C轴线相互平行。 [0011] 第二种连接方式：每条运动支链均由下连杆、中连杆和上连杆组成，第一运动支链A中的下连杆A一端与机架通过第一球副A连接，下连杆A另一端与中连杆A一端通过第二转动副A连接，中连杆A另一端与上连杆A一端通过第三转动副A连接，上连杆A另一端与换向台通过第四球副A连接；第二运动支链B中的下连杆B一端与机架通过第一转动副B连接，下连杆B另一端与中连杆B一端通过球副B连接，中连杆B另一端与上连杆B一端通过第三转动副B连接，上连杆B另一端与换向台通过第四转动副B连接；第三运动支链C中的下连杆C一端与机架通过第一转动副C连接，下连杆C另一端与中连杆C一端通过球副C连接，中连杆C另一端与上连杆C一端通过第三转动副C连接，上连杆C另一端与换向台通过第四转动副C连接。 [0012] 上述三条运动支链之间通过三条耦合连杆和一条中心连杆相互连接，每条运动支链与中心连杆之间均由一条耦合连杆连接，耦合连杆一端与运动支链中的中连杆固联，耦合连杆另一端与中心连杆通过转动副连接，三条耦合连杆与中心连杆连接的三个转动副的轴线相互重合形成一条轴线，设该条轴线为中心轴线L；所述第二转动副A轴线、第一转动副B轴线、第一转动副C轴线、中心轴线L汇交于一点K；所述第三转动副A轴线、第四转动副A轴线、第三转动副B轴线、第四转动副B轴线、第三转动副C轴线、第四转动副C轴线、中心轴线L汇交于一点G，点G与所述点K不重合。 [0013] 所述中心连杆的一端通过第一万向铰与动力输入轴连接，且第一万向铰的转动中心与所述点K重合；中心连杆的另一端通过第二万向铰与动力输出轴连接，且第二万向铰的转动中心与所述点G重合。所述动力输出轴与换向台通过换向台轴承连接，换向台轴承的外环与换向台固联，换向台轴承的内环与动力输出轴固联，叶轮与所述动力输出轴固联。所述动力输入轴与机架通过机架轴承E和机架轴承F连接，机架轴承E的轴线和机架轴承F的轴线重合，上述两个机架轴承的外环皆与机架固联，两个机架轴承的内环皆与动力输入轴固联。 [0014] 所述第二运动支链为主动运动支链，由直线驱动器B驱动，直线驱动器B的输出杆与下连杆B通过第六转动副B连接，直线驱动器B的尾端与机架通过第七转动副B连接，所述第一转动副B轴线、第六转动副B轴线、第七转动副B轴线相互平行；所述第三运动支链为主动运动支链，由直线驱动器C驱动，直线驱动器C的输出杆与下连杆C通过第六转动副C连接，直线驱动器C的尾端与机架通过第七转动副C连接，所述第一转动副C轴线、第六转动副C轴线、第七转动副C轴线相互平行。 [0015] 本发明与现有技术相比具有如下优点： [0016] (1)换向台相对机架转动工作空间大，转动角度可达±90度，大大提高了矢量推进器的灵活性；(2)本矢量推进器整体的体积小、结构紧凑、刚度大；(3)换向台运动解耦、便于运动控制；(4)矢量推进器中的三条运动支链之间相互耦合，大大提高了整体结构力学性能，可适用于高速、重载推进器领域中。附图说明 [0017] 图1是本发明实施例1立体结构示意简图. [0018] 图2是本发明实施例1立体结构示意简图. [0019] 图3是本发明实施例2立体结构示意简图. [0020] 图4是本发明实施例2立体结构示意简图. [0021] 图5是本发明局部结构示意简图. 具体实施方式 [0022] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，在所有实施例中，所述Rij表示一个转动副，Sij表示一个球面副，其中i，j为自然数。 [0023] 实施例1 [0024] 如图1、图2及图5所示，是本发明公开的第1个实施例，一种并联式水下矢量推进器，主要包括机架1、换向台2、连接机架1、换向台2的三条运动支链，三条运动支链的具体连接方式如下： [0025] 第一运动支链由下连杆A4、中连杆A5和上连杆A6组成，下连杆A4一端与机架1之间通过球副S11连接，下连杆A4另一端与中连杆A5通过转动副R12连接，上连杆A6一端与中连杆A5通过转动副R13连接，上连杆A6另一端与换向台2之间通过转动副R14连接；第二运动支链由下连杆B4、中连杆B5和上连杆B6组成，下连杆B4一端与机架1之间通过转动副R21连接，下连杆B4另一端与中连杆B5通过球副S22连接；上连杆B6一端与中连杆B5通过转动副R23连接，上连杆B6另一端与换向台2之间通过转动副R24连接；第三运动支链由下连杆C4、中连杆C5和上连杆C6组成，下连杆C4一端与机架1之间通过转动副R31连接，下连杆C4另一端与中连杆C5通过球副S32连接；上连杆C6一端与中连杆C5通过转动副R33连接,上连杆C6另一端与换向台2之间通过转动副R34连接。 [0026] 三条运动支链之间通过三条耦合连杆和一条中心连杆11相互连接，每条运动支链与中心连杆11之间均由一条耦合连杆连接，其中第一耦合连杆A7一端与第一运动支链中的中连杆A5固联，耦合连杆A7另一端与中心连杆11通过转动副R15连接；第二耦合连杆B7一端与第二运动支链中的中连杆B5固联，耦合连杆B7另一端与中心连杆11通过转动副R25连接；第三耦合连杆C7一端与第三运动支链中的中连杆C5固联，耦合连杆C7另一端与中心连杆11通过转动副R35连接。所述转动副R15轴线、转动副R25轴线、转动副R35轴线相互重合形成一条轴线，设该条轴线为中心轴线L。所述转动副R12轴线、转动副R21轴线、转动副R31轴线、中心轴线L汇交于一点K；所述转动副R13的轴线、转动副R14轴线、转动副R23轴线、转动副R24轴线、转动副R33轴线、转动副R34轴线、中心轴线L汇交于一点G，点G与所述点K不重合。 [0027] 所述中心连杆11的一端通过万向铰U1与动力输入轴12连接，且万向铰U1的转动中心与所述点K重合；中心连杆11的另一端通过万向铰U2与动力输出轴14连接，且万向铰U2的转动中心与所述点G重合。所述动力输出轴14与换向台2通过换向台轴承10连接，换向台轴承10的外环与换向台2固联，换向台轴承10的内环与动力输出轴14固联，叶轮3与动力输出轴14固联。所述动力输入轴12与机架1之间通过机架轴承9和机架轴承13连接，机架轴承9的轴线和机架轴承13的轴线重合，上述两个机架轴承的外环皆与机架1固联，两个机架轴承的内环皆与动力输入轴12固联。 [0028] 所述第二运动支链为主动运动支链，由直线驱动器B8驱动，直线驱动器B8的输出杆与第二运动支链中的下连杆B4通过转动副R26连接，直线驱动器B8尾端与机架1通过转动副R27连接，所述转动副R21轴线、转动副R26轴线、转动副R27轴线相互平行。 [0029] 所述第三运动支链为主动运动支链，由直线驱动器C8驱动，直线驱动器C8的输出杆与第三运动支链中的下连杆C4通过转动副R36连接，直线驱动器C8尾端与机架1通过转动副R37连接，所述转动副R31轴线、转动副R36轴线、转动副R37轴线相互平行。 [0030] 实施例2 [0031] 如图3、图4及图5所示，是本发明公开的第2个实施例，一种并联式水下矢量推进器，主要包括机架1、换向台2、连接机架1、换向台2的三条运动支链，三条运动支链的具体连接方式如下： [0032] 第一运动支链由下连杆A4、中连杆A5和上连杆A6组成，下连杆A4一端与机架1之间通过球副S11连接，下连杆A4另一端与中连杆A5通过转动副R12连接，上连杆A6一端与中连杆A5通过转动副R13连接，上连杆A6另一端与换向台2之间通过球副S14连接；第二运动支链由下连杆B4、中连杆B5和上连杆B6组成，下连杆B4一端与机架1之间通过转动副R21连接，下连杆B4另一端与中连杆B5通过球副S22连接；上连杆B6一端与中连杆B5通过转动副R23连接，上连杆B6另一端与换向台2之间通过转动副R24连接；第三运动支链由下连杆C4、中连杆C5和上连杆C6组成，下连杆C4一端与机架1之间通过转动副R31连接，下连杆C4另一端与中连杆C5通过球副S32连接；上连杆C6一端与中连杆C5通过转动副R33连接,上连杆C6另一端与换向台2之间通过转动副R34连接。 [0033] 三条运动支链之间通过三条耦合连杆和一条中心连杆11相互连接，每条运动支链与中心连杆8之间均由一条耦合连杆连接，其中第一耦合连杆A7一端与第一运动支链中的中连杆A5固联，耦合连杆A7另一端与中心连杆11通过转动副R15连接；第二耦合连杆B7一端与第二运动支链中的中连杆B5固联，耦合连杆B7另一端与中心连杆11通过转动副R25连接；第三耦合连杆C7一端与第三运动支链中的中连杆C5固联，耦合连杆C7另一端与中心连杆11通过转动副R35连接。所述转动副R15轴线、转动副R25轴线、转动副R35轴线相互重合形成一条轴线，设该条轴线为中心轴线L。所述转动副R12轴线、转动副R21轴线、转动副R31轴线、中心轴线L汇交于一点K；所述转动副R13的轴线、转动副R23轴线、转动副R24轴线、转动副R33轴线、转动副R34轴线、中心轴线L汇交于一点G，点G与所述点K不重合。 [0034] 所述中心连杆11的一端通过万向铰U1与动力输入轴12连接，且万向铰U1的转动中心与所述点K重合；中心连杆11的另一端通过万向铰U2与动力输出轴14连接，且万向铰U2的转动中心与所述点G重合。所述动力输出轴14与换向台2通过换向台轴承10连接，换向台轴承10的外环与换向台2固联，换向台轴承10的内环与动力输出轴14固联，叶轮3与动力输出轴14固联。所述动力输入轴12与机架1之间通过机架轴承9和机架轴承13连接，机架轴承9的轴线和机架轴承13的轴线重合，上述两个机架轴承的外环皆与机架1固联，两个机架轴承的内环皆与动力输入轴12固联。 [0035] 所述第二运动支链为主动运动支链，由直线驱动器B8驱动，直线驱动器B8的输出杆与第二运动支链中的下连杆B4通过转动副R26连接，直线驱动器B8尾端与机架1通过转动副R27连接，所述转动副R21轴线、转动副R26轴线、转动副R27轴线相互平行。 [0036] 所述第三运动支链为主动运动支链，由直线驱动器C8驱动，直线驱动器C8的输出杆与第三运动支链中的下连杆C4通过转动副R36连接，直线驱动器C8尾端与机架1通过转动副R37连接，所述转动副R31轴线、转动副R36轴线、转动副R37轴线相互平行。

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