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CN106828843B - 一种水下机器人用姿态调节机构 - Google Patents

一种水下机器人用姿态调节机构 Download PDF

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Abstract

一种水下机器人用运动姿态调节机构,涉及机械工程和水下航行器领域;采用集成一体化设计,采用精密滚珠丝杠滚珠花键,配合球轴承,以及偏置齿轮组、轴向运动齿轮组进行传动,利用一根轴即可实现机构轴向运动、周向运动,实现水下机器人的轴向姿态调节和偏航姿态调节,机构体积小,重量轻,方便装拆,可实现高回转精度、高传动效率,满足水下滑翔机器人的轴向姿态调节和偏航姿态调节;采用轴对称结构的电池组作为轴向运动调节配重,采用轴对称结构的电池组+偏置放在中心轴线之下的电池偏置块作为周向运动调节配重,实现不同的运动调节所带负载不同,减少了运动调节能耗,提高了水下机器人航程。

Description

一种水下机器人用姿态调节机构
技术领域
本发明涉及一种机械工程和水下航行器领域,特别是一种水下机器人用姿态调节机构。
背景技术
水下滑翔机是为了满足当前海洋环境监测与测量的需要,将浮标技术与水下机器人技术相结合研制的一种新型水下航行器,它不仅可以沿垂直剖面进行监测作业,还可以在水平剖面进行大范围的海洋环境测量和监测。
姿态调节机构是该种水下机器人的关键部件之一,小体积、低能耗、高可靠性是保证垂直剖面以及水平剖面大范围滑翔运动的关键,其性能好坏直接影响水下机器人的性能与可靠性。
然而,现有的姿态调节机构结构复杂,所占空间较大,而且只能轴向或者周向调节,功能单一,轴向调节用负载和周向横滚调节用载荷都是同一个,实现各自运动时存在多余能耗,不能满足小型化、轻量化和低能耗的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足,提供一种水下机器人用姿态调节机构,解决了现有机构体积较大、能耗较高、可靠性较低的问题。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的:
一种水下机器人用姿态调节机构,滚珠花键轴、吊挂、吊挂转接件、花键母I、前连接板、花键母I轴承座、轴承内挡圈、圆锥滚子轴承、拉紧杆、左连接板、电池组、中空连接轴、右连接板、丝杠花键主轴、轴向大齿轮、螺母、偏转驱动系统、后连接板、主连接外壳、偏转驱动系统安装板、偏置小齿轮、压紧片I、偏置大齿轮、左挡板、电池配重块、右挡板、轴承顶盖、压紧片II、轴向小齿轮、轴向驱动系统连接块、球轴承I、螺母轴承座、轴向驱动系统、花键母II轴承座、球轴承II和花键母II;
其中,花键母I固定安装在滚珠花键轴上;连接销将轴承内挡圈固定安装在花键母I上,在花键母I和花键母I轴承座之间固定安装圆锥滚子轴承;轴承顶盖安装在圆锥滚子轴承的一端,且花键母I轴承座和轴承顶盖将圆锥滚子轴承轴向压紧;
吊挂转接件安装在花键母I的一端;使用左挡板和右挡板将电池配重块固定在吊挂内,然后将吊挂与吊挂转接件固定连接;将花键母I轴承座与前连接板紧密连接;
左连接板与右连接板分别安装在电池组的轴向两侧,通过拉紧杆将左连接板、右连接板和电池组紧密连接;中空连接轴插入左连接板与右连接板,实现左连接板、右连接板、电池组和中空连接轴紧密连接;
球轴承I沿轨道固定安装在螺母和螺母轴承座之间,实现球轴承I、螺母、螺母轴承座的固定连接;
球轴承II沿轨道装在花键母II和花键母II轴承座之间,实现花键母II轴承座、球轴承II、花键母II的固定连接;
偏转驱动系统安装板固定安装在主连接外壳的一端,所述连接后的螺母轴承座、花键母II轴承座分别从左侧与右侧与主连接外壳的两端固定连接;
丝杠花键主轴沿轴向穿过螺母和花键母II;
偏置大齿轮从右侧固定安装在丝杠花键主轴上,并与花键母II紧密相连;偏转驱动系统固定安装在偏转驱动系统安装板的上部,压紧片I将偏置小齿轮固定安装在偏转驱动系统的伸出轴上;
轴向大齿轮从固定安装在丝杠花键主轴上;螺母固定安装在轴向大齿轮上;轴向驱动系统通过轴向驱动系统连接块,固定安装在主连接外壳的下部,通过压紧片II将轴向小齿轮固定在轴向驱动系统的伸出轴上
主连接外壳固定安装在后连接板上,丝杠花键主轴与中空连接轴固定相连,滚珠花键轴包覆在中空连接轴的外壁,实现滚珠花键轴、中空连接轴、丝杠花键主轴的轴线重合。
在上述一种水下机器人用姿态调节机构,所述偏置小齿轮与偏置大齿轮啮合形成偏置齿轮组进行传动,使得机构可以实现±360°运动。
在上述一种水下机器人用姿态调节机构,所述轴向小齿轮与轴向大齿轮啮合形成轴向运动齿轮组进行传动,配合丝杠花键主轴、螺母,使得机构可以实现轴向往复直线运动。
在上述一种水下机器人用姿态调节机构,所述偏转驱动系统与偏置小齿轮直连后的轴线与丝杠花键主轴、中空连接轴、滚珠花键轴的轴线平行但不重合。
在上述一种水下机器人用姿态调节机构,所述轴向驱动系统与轴向小齿轮直连后的轴线与丝杠花键主轴、中空连接轴、滚珠花键轴的轴线平行但不重合。
在上述一种水下机器人用姿态调节机构,所述花键母I和花键母I轴承座之间装入的一对圆锥滚子轴承,所述圆锥滚子轴承采用面对面方式安装。
在上述一种水下机器人用姿态调节机构,所述电池组是轴向对称结构。
在上述一种水下机器人用姿态调节机构,其特征在于:所述电池配重块是偏置安装在吊挂的中心轴线之下。
本发明与现有技术相比具有如下优点:
(1)本发明采用采用集成化设计,采用精密滚珠丝杠滚珠花键,配合球轴承,以及偏置齿轮组、轴向运动齿轮组进行传动,利用一根轴即可实现轴向运动、周向运动,体积小,重量轻,可实现高回转精度、高传动效率,机构可以实现±360°周向运动、±80毫米轴向往复运动,实现水下滑翔机的轴向姿态调节和偏航姿态调节,可满足多种任务需求;
(2)本发明中,电池组、电池偏置块可以进行±360°周向运动,提高了机构姿态横滚调节范围,进而提高水下机器人的偏航姿态调节范围;
(3)本发明中电池组和安装电池组所用的左连接板、右连接板以及中中空连接轴采用易拆解、易更换的结构,方便装拆,减少了任务准备时间,提高了任务效率;
(4)本发明采用轴对称结构的电池组作为机构进行轴向直线运动、实现水下机器人俯仰姿态变化的调节负载,电池偏置块不运动从而不耗费能量;而采用轴对称结构的电池组+偏置放在中心轴线之下的电池偏置块作为机构进行横滚调节并保证航向稳定性、实现水下机器人偏航姿态变化的调节负载,轴对称结构的电池组旋转所耗费能量很少,实现了轴向调节运动、横滚调节运动所带负载不同,大大减少了多余的运动调节能耗,可提高水下机器人航程;
(5)本发明采用滚珠花键实现轴向运动支撑,并在花键母上设计了一对高精度、大载荷的圆锥滚子轴承,采用面对面方式安装,方便安装与拆卸,能够承受作用在机构上的力和力矩。
附图说明
图1为本发明水下机器人用运动姿态调节机构结构示意图;
图2为本发明运动姿态调节机构前视图;
图3为本发明运动姿态调节机构A-A剖面视图;
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述:
如图1所示为水下机器人用运动姿态调节机构结构示意图,由图可知,一种水下机器人用姿态调节机构,包括:滚珠花键轴1、吊挂2、吊挂转接件3、花键母I4、前连接板5、轴承座6、轴承内挡圈7、圆锥滚子轴承8、拉紧杆9、左连接板10、电池组11、中空连接轴12、右连接板13、丝杠花键主轴14、轴向大齿轮15、螺母16、偏转驱动系统17、后连接板18、主连接外壳19、偏转驱动系统安装板20、偏置小齿轮21、压紧片I22、偏置大齿轮23、左挡板24、电池配重块25、右挡板26、轴承顶盖27、压紧片II28、轴向小齿轮29、轴向驱动系统连接块30、球轴承I31、螺母轴承座32、轴向驱动系统33、花键母II轴承座34、球轴承II35和花键母II36。
将花键母I4装入滚珠花键轴1上,使得花键轴1和花键母I4形成高扭矩式滚珠花键。将轴承内挡圈7装在花键母I4上,在花键母I4和轴承座6之间装入一对圆锥滚子轴承8,使得花键母I4、轴承座6、轴承内挡圈7和圆锥滚子轴承8紧密连接,轴承顶盖27安装在圆锥滚子轴承8的右侧,且轴承座6和轴承顶盖27将圆锥滚子轴承8轴向压紧。
如图2所示为运动姿态调节机构前视图,由图可知,将吊挂转接件3安装在花键母I4的左侧。使用左挡板24和右挡板26将电池配重块25固定在吊挂2内,然后将吊挂2安装在吊挂转接件3的左侧。
将轴承座6与前连接板5紧密连接。
左连接板10与右连接板13分别安装在电池组11的左侧和右侧,使用拉紧杆9将左连接板10、右连接板13和电池组11紧密连接,再将中空连接轴12插入左连接板10与右连接板13,使得左连接板10、右连接板13、电池组11和中空连接轴12紧密连接。
将球轴承I31沿轨道装在螺母16和螺母轴承座32之间,使得球轴承I31、螺母16、螺母轴承座32紧密连接。
将球轴承II35沿轨道装在花键母II36和花键母II轴承座34之间,使得花键母II轴承座34、球轴承II35、花键母II36紧密连接。
将偏转驱动系统安装板20与主连接外壳19连接在一起,再将上述连接后的螺母轴承座32、花键母II轴承座34分别从左侧与右侧与主连接外壳19紧密连接。
将丝杠花键主轴14插入螺母16、花键母II 36,使得丝杠花键主轴14、螺母16和花键母II 36构成精密滚珠丝杠滚珠花键。
将偏置大齿轮23从右侧装入丝杠花键主轴14上,并与花键母II 36紧密相连。将偏转驱动系统17装入偏转驱动系统安装板20的上部,使用压紧片I 22将偏置小齿轮21固定在偏转驱动系统17的伸出轴上。所述偏置小齿轮21与偏置大齿轮23啮合形成偏置齿轮组进行传动,使得机构可以实现±360°运动。
将轴向大齿轮15从左侧装入丝杠花键主轴14上,并与螺母16紧密相连。将轴向驱动系统33通过轴向驱动系统连接块30,装入主连接外壳19的下部,使用压紧片II 28将轴向小齿轮29固定在轴向驱动系统33的伸出轴上。所述轴向小齿轮29与轴向大齿轮15啮合形成轴向运动齿轮组进行传动,配合丝杠花键主轴14、螺母16,使得机构可以实现轴向往复直线运动。
再将主连接外壳19固定安装在后连接板18上,将丝杠花键主轴14、中空连接轴12相连,再将中空连接轴12、滚珠花键轴1紧密连接,使得滚珠花键轴1、中空连接轴12、丝杠花键主轴14的轴线重合。
所述电池组11是轴向对称结构。
所述电池配重块25是偏置放于中心轴线之下的吊挂2内。
所述偏转驱动系统17与偏置小齿轮21直连后的轴线与丝杠花键主轴14、中空连接轴12、滚珠花键轴1的轴线平行但不重合。
所述轴向驱动系统33与轴向小齿轮29直连后的轴线与丝杠花键主轴14、中空连接轴12、滚珠花键轴1的轴线平行但不重合。
所述花键母I4和轴承座6之间装入的一对圆锥滚子轴承8采用面对面方式安装。
所述偏置小齿轮21与偏置大齿轮23啮合形成偏置齿轮组进行传动,使得机构可以实现±360°运动。
所述轴向小齿轮29与轴向大齿轮15啮合形成轴向运动齿轮组进行传动,配合丝杠花键主轴14、螺母16,使得机构可以实现轴向往复直线运动。
本发明采用集成化设计,采用精密滚珠丝杠滚珠花键(丝杠花键主轴14+螺母16+花键母II 36),配合球轴承,以及偏置齿轮组(偏置小齿轮21与偏置大齿轮23)、轴向运动齿轮组(轴向小齿轮29与轴向大齿轮15)进行传动,利用一根轴(丝杠花键主轴14+中空连接轴12+滚珠花键轴1)即可实现轴向运动、周向运动,体积小,重量轻,可实现高回转精度、高传动效率,机构可以实现±360°周向运动、±80毫米轴向往复运动,实现水下滑翔机的轴向姿态调节和偏转姿态调节,可满足多种任务需求。
机构中电池组11、电池偏置块25可以进行±360°周向运动,提高了机构姿态横滚调节范围,进而提高水下机器人的偏航姿态调节范围;
如图3所示为运动姿态调节机构A-A剖面视图,由图可知,电池组11和安装电池组所用的左连接板10、右连接板13以及中空连接轴12采用易拆解、易更换的结构,方便装拆,减少了任务准备时间,提高了任务效率。
本发明采用轴对称结构的电池组作为机构进行轴向直线运动、实现水下机器人俯仰姿态变化的调节负载,电池偏置块不运动从而不耗费能量;而采用轴对称结构的电池组+偏置放在中心轴线之下的电池偏置块作为机构进行横滚调节并保证航向稳定性、实现水下机器人偏航姿态变化的调节负载,轴对称结构的电池组旋转所耗费能量很少,实现了轴向调节运动、横滚调节运动所带负载不同,大大减少了多余的运动调节能耗,可提高水下机器人航程。
姿态调节机构承受的载荷复杂且瞬间量值较大,尤其是承受了较大的滚转力矩,为了将作用在机构上的载荷传递到壳体上,在花键母I4支撑上设计了一对高精度、较大载荷的标准圆锥滚子轴承,采用面对面方式安装,方便安装与拆卸,性价比好,能够承受作用在机构上的力和力矩。
经过项目试验测试,该发明实施例满足能够水下滑翔机器人姿态调节需要,实现所需的俯仰调节、偏航调节;每次姿态调节所需能耗减少,在相同容量的电池组供电情况下,有效延长了水下滑翔机运行时间;电池组安装、拆卸时间均为半小时左右,比起以往的三小时试验准备时间大大减少,提高了试验效率。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种水下机器人用姿态调节机构,其特征在于包括:滚珠花键轴(1)、吊挂(2)、吊挂转接件(3)、花键母I(4)、前连接板(5)、花键母I轴承座(6)、轴承内挡圈(7)、圆锥滚子轴承(8)、拉紧杆(9)、左连接板(10)、电池组(11)、中空连接轴(12)、右连接板(13)、丝杠花键主轴(14)、轴向大齿轮(15)、螺母(16)、偏转驱动系统(17)、后连接板(18)、主连接外壳(19)、偏转驱动系统安装板(20)、偏置小齿轮(21)、压紧片I(22)、偏置大齿轮(23)、左挡板(24)、电池配重块(25)、右挡板(26)、轴承顶盖(27)、压紧片II(28)、轴向小齿轮(29)、轴向驱动系统连接块(30)、球轴承I(31)、螺母轴承座(32)、轴向驱动系统(33)、花键母II轴承座(34)、球轴承II(35)和花键母II(36);
其中,花键母I(4)固定安装在滚珠花键轴(1)上;连接销将轴承内挡圈(7)固定安装在花键母I(4)上,在花键母I(4)和花键母I轴承座(6)之间固定安装圆锥滚子轴承(8);轴承顶盖(27)安装在圆锥滚子轴承(8)的一端,且花键母I轴承座(6)和轴承顶盖(27)将圆锥滚子轴承(8)轴向压紧;
吊挂转接件(3)安装在花键母I(4)的一端;使用左挡板(24)和右挡板(26)将电池配重块(25)固定在吊挂(2)内,然后将吊挂(2)与吊挂转接件(3)固定连接;将花键母I轴承座(6)与前连接板(5)紧密连接;
左连接板(10)与右连接板(13)分别安装在电池组(11)的轴向两侧,通过拉紧杆(9)将左连接板(10)、右连接板(13)和电池组(11)紧密连接;中空连接轴(12)插入左连接板(10)与右连接板(13),实现左连接板(10)、右连接板(13)、电池组(11)和中空连接轴(12)紧密连接;
球轴承I(31)沿轨道固定安装在螺母(16)和螺母轴承座(32)之间,实现球轴承I(31)、螺母(16)、螺母轴承座(32)的固定连接;
球轴承II(35)沿轨道装在花键母II(36)和花键母II轴承座(34)之间,实现花键母II轴承座(34)、球轴承II(35)、花键母II(36)的固定连接;
偏转驱动系统安装板(20)固定安装在主连接外壳(19)的一端,连接后的所述螺母轴承座(32)、花键母II轴承座(34)分别从左侧与右侧与主连接外壳(19)的两端固定连接;
丝杠花键主轴(14)沿轴向穿过螺母(16)和花键母II(36);
偏置大齿轮(23)从右侧固定安装在丝杠花键主轴(14)上,并与花键母II(36)紧密相连;偏转驱动系统(17)固定安装在偏转驱动系统安装板(20)的上部,压紧片I(22)将偏置小齿轮(21)固定安装在偏转驱动系统(17)的伸出轴上;
轴向大齿轮(15)从左侧固定安装在丝杠花键主轴(14)上;螺母(16)固定安装在轴向大齿轮(15)上;轴向驱动系统(33)通过轴向驱动系统连接块(30),固定安装在主连接外壳(19)的下部,通过压紧片II(28)将轴向小齿轮(29)固定在轴向驱动系统(33)的伸出轴上
主连接外壳(19)固定安装在后连接板(18)上,丝杠花键主轴(14)与中空连接轴(12)固定相连,滚珠花键轴(1)包覆在中空连接轴(12)的外壁,实现滚珠花键轴(1)、中空连接轴(12)、丝杠花键主轴(14)的轴线重合。
2.根据权利要求1所述一种水下机器人用姿态调节机构,其特征在于:所述偏置小齿轮(21)与偏置大齿轮(23)啮合形成偏置齿轮组进行传动,使得机构实现±360°运动。
3.根据权利要求1所述一种水下机器人用姿态调节机构,其特征在于:所述轴向小齿轮(29)与轴向大齿轮(15)啮合形成轴向运动齿轮组进行传动,配合丝杠花键主轴(14)、螺母(16),使得机构实现轴向往复直线运动。
4.根据权利要求1所述一种水下机器人用姿态调节机构,其特征在于:所述偏转驱动系统(17)与偏置小齿轮(21)直连后的轴线与丝杠花键主轴(14)、中空连接轴(12)、滚珠花键轴(1)的轴线平行但不重合。
5.根据权利要求1所述一种水下机器人用姿态调节机构,其特征在于:所述轴向驱动系统(33)与轴向小齿轮(29)直连后的轴线与丝杠花键主轴(14)、中空连接轴(12)、滚珠花键轴(1)的轴线平行但不重合。
6.根据权利要求1所述一种水下机器人用姿态调节机构,其特征在于:所述花键母I(4)和花键母I轴承座(6)之间装入的一对圆锥滚子轴承(8),所述圆锥滚子轴承(8)采用面对面方式安装。
7.根据权利要求1所述一种水下机器人用姿态调节机构,其特征在于:所述电池组(11)是轴向对称结构。
8.根据权利要求1所述一种水下机器人用姿态调节机构,其特征在于:所述电池配重块(25)是偏置安装在吊挂(2)的中心轴线之下。
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