一种无人系统柔性传动的变结构水下推进装置的制作方法

1.本发明涉及两栖机器人技术领域，特别是涉及一种无人系统柔性传动的变结构水下推进装置。


背景技术：

2.两栖机器人同时具备水陆两种通行方式，近年来越来越多地应用在困难的科学研究、紧急的救援任务和高度危险的军事活动等一系列不适合人员来进行操作的任务中。现有的两栖机器人在水域环境中多采用推进器提供动力，而其推进器系统布置决定了两栖无人机在复杂水域环境下的适应性、通过能力以及行驶效率。
3.然而，现有的两栖机器人普遍采用推进器固定的布置方式，而为了提高两栖无人机的稳定性，需要增加其横截面，横截面的增加导致两栖机器人在陆地和水下行驶阻力大，推进器效率低，功耗大，目前绝大多数的推进器不能根据外部环境和任务需求，改变空间分布状态，使其无法通过狭窄区域，环境适应能力差。如中国专利201711018762.4(公开号：cn 107650601 a)提出了一种串联式混合动力水陆两栖机器人，采用喷水推进器的方式在水中行驶，推进的空间位置固定，抵抗海浪扰动能力低，不能根据环境改变状态，适应环境能力差，机构比较复杂，控制难度大。现有技术中也有一些两栖无人机，通过推进器本体形状变化进行推进器体积微调，如中国专利201710434755.6(公开号cn 107225924 a)公开了一种轮浆腿一体的两栖机器人及其控制方法，采用喷水推进器的方式在水中行驶，共有四个推进器，四个推进器空间位置固定，推进器的宽度大于车体宽度，在陆地行驶时阻力大，推进器浆腿位置固定，不能折叠，车体不能通过狭窄区域。
4.由此可见，现有技术下跨域无人系统无法根据外部行驶环境实时改变推进器空间结构来满足不同的工作任务需求，也无法适用复杂狭窄的工作区域，无法适应不同工作环境。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提供一种无人系统柔性传动的变结构水下推进装置，其通过柔性传动实现了非平行轴的传动，满足特定工作需求，控制简单，定位可靠，并具有定位自锁功能，可适用于陆地行驶，或者通过水下高度有限的管道和狭窄区域等多种复杂工作环境。
6.本发明采用的技术方案是：
7.一种无人系统柔性传动的变结构水下推进装置，包括车体本体、推进器、推进器起落机构和柔性传动机构，所述推进器起落机构和所述柔性传动机构分别装设于所述车体本体，所述柔性传动机构与所述推进器起落机构连接，所述推进器装设于所述推进器起落机构，所述车体本体设有无人控制系统和陆地行动系统，所述无人控制系统分别与所述陆地行动系统、所述柔性传动机构和所述推进器连接。
8.进一步地，所述推进器起落机构包括弧形底板、弧形支架和拉簧，所述弧形底板安
装于所述车体本体顶端，所述弧形底板上设有球形转动座，所述弧形支架底端设有球形凸出，所述球形凸出转动式安装于所述球形转动座内，所述拉簧的两端分别与所述弧形底板和所述弧形支架连接，所述推进器设于所述弧形支架顶端。
9.进一步地，所述弧形底板靠近所述球形转动座的位置，设有用于收纳所述弧形支架的收纳槽，所述弧形底板与所述拉簧连接的位置，设有用于容置所述拉簧的弧形槽。
10.进一步地，所述推进器设有两组，所述推进器起落机构匹配所述推进器设置有两组，两组所述推进器起落机构对称分布于所述车体本体顶端的左侧和右侧，位于所述车体本体顶端左侧的所述推进器起落机构分为推进器起落机构a和推进器起落机构b。
11.进一步地，所述柔性传动机构包括支撑底座、齿轮安装框、纵向传动组件、第一横向传动组件和第二横向传动组件，所述支撑底座安装于所述车体本体顶端中心位置，所述齿轮安装框安装于所述支撑底座顶端中心位置，所述纵向传动组件设有纵向锥齿轮，所述第一横向传动组件设有第一锥齿轮，所述第二横向传动组件设有第二锥齿轮，所述第一锥齿轮和所述第二锥齿轮对称装设于所述齿轮安装框的左右两侧，所述纵向锥齿轮安装于所述齿轮安装框的后侧，并分别与所述第一锥齿轮和所述第二锥齿轮啮合连接，所述第一横向传动组件设有第一滑块，所述第二横向传动组件设有第二滑块，两组所述推进器起落机构分别与所述第一滑块和所述第二滑块连接。
12.进一步地，所述纵向驱动组件还设有防水电机、减速器和纵向套筒，所述减速器分别与所述防水电机和所述纵向套筒连接，所述纵向套筒还与所述齿轮安装框及所述纵向锥齿轮连接。
13.进一步地，所述第一横向传动组件还设有联轴器、梯形丝杠和轴承，所述联轴器分别与所述第一锥齿轮和所述梯形丝杠连接，所述支撑底座靠近所述梯形丝杠前端的位置设有前支撑座，所述支撑底座靠近所述梯形丝杠后端的位置设有后支撑座，所述梯形丝杠的前端和后端通过轴承分别与所述前支撑座和所述后支撑座连接，所述第一滑块转动式设于所述梯形丝杠上，所述第一滑块在所述梯形丝杠上滑动的行程等于所述推进器起落机构运动行程，所述第一滑块滑动至所述梯形丝杠左右两端极限位置时，触发无人控制系统发出停止指令，并机械限位所述第一滑块的位置，实现所述推进器起落机构的位置锁定。
14.进一步地，所述第一横向传动组件还设有左导向滑轮件、右导向滑轮件、左柔性绳、右柔性绳、左绳扣和右绳扣，所述左绳扣和所述右绳扣对称设置于所述第一滑块的左右两侧，所述左导向滑轮件和所述右导向滑轮件分别安装于所述支撑底座，且所述左导向滑轮件和所述右导向滑轮件对称分布于所述第一滑块左右两侧，所述左柔性绳的一端与所述左绳扣连接，所述左柔性绳的另一端穿过所述左导向滑轮件，并与所述推进器起落机构a连接，所述右柔性绳的一端与所述右绳扣连接，所述右柔性绳的另一端穿过所述右导向滑轮件，并与所述推进器起落机构b连接。
15.进一步地，所述推进器起落机构a与所述左柔性绳连接的位置，设有导向滑轮a和绳扣a，所述左柔性绳穿过所述导向滑轮a，与所述绳扣a连接，所述推进器起落机构b与所述右柔性绳连接的位置，设有导向滑轮b和绳扣b，所述右柔性绳穿过所述导向滑轮b，与所述绳扣b连接。
16.进一步地，所述第二横向传动组件与所述第一横向传动组件设为一致。
17.进一步地，所述陆地行动系统设有履带，所述推进器设有保护罩。
18.本发明的有益效果如下：
19.1、本发明提供的柔性传动的变结构水下推进装置，在航行过程中，实现了非平行轴的传动，能够在不改变车体宽度的前提下，显著降低推进器高度，并可根据实际需求增加推进器高度和向外伸展推进器间距，而并不用增加车体宽度，实现推进器的空间结构变换，以适用于陆地行驶，或者通过水下高度有限的管道和狭窄区域等各种复杂工作环境；
20.2、本发明提供的柔性传动的变结构水下推进装置通过柔性绳传动，实现了非垂直/非平行轴的传动，满足特定工作需求，滑块的行程等于弧形支架起落状态的行程，通过滑块拉动柔性绳能避免电机转向时柔性绳绕线问题，滑块在梯形丝杠上的机械限位能避免电机多转时，柔性绳被拉断的情况发生，本技术的推进装置，其控制简单，定位可靠；
21.3、本发明提供的柔性传动的变结构水下推进装置，通过一个防水电机结合锥齿轮变向和柔性绳传动可以实现四个推进器自主同步起落，具有自锁功能，结构设计简单，可实现同步控制，操控方法简便。
附图说明
22.图1为本发明的结构示意图；
23.图2为本发明的推进装置处于升起状态的结构示意图；
24.图3为本发明的推进装置处于收回状态的结构示意图；
25.图4为本发明的推进器起落机构的分解结构示意图；
26.图5为本发明的纵向传动组件与第一横向传动组件的分解结构示意图；
27.图6为本发明的推进装置的升起状态和收回状态的高度变化对比示意图；
28.图7为本发明的推进装置处于升起状态的俯视图及推进器分布示意图；
29.图8为本发明的推进装置处于收回状态的俯视图及推进器分布示意图；
30.图9为本发明的推进装置空间结构调整路线分布示意图；
31.附图标记说明：1.车体本体、11.陆地行动系统、111.履带、2.推进器、21.保护罩、3.推进器起落机构、31.弧形底板、311.球形转动座、32.弧形支架、321.球形凸出、33.拉簧、34.推进器起落机构a、341.导向滑轮a、342.绳扣a、35.推进器起落机构b、351.导向滑轮b、352.绳扣b、4.柔性传动机构、41.支撑底座、411.前支撑座、412.后支撑座、4121.端盖、4122.螺母、42.齿轮安装框、43.纵向传动组件、431.纵向锥齿轮、432.防水电机、433.减速器、434.纵向套筒、44.第一横向传动组件、441.第一锥齿轮、442.第一滑块、443.联轴器、444.梯形丝杠、445.轴承、446.左导向滑轮件、447.右导向滑轮件、448.左柔性绳、449、右柔性绳、4410、左绳扣、4411.右绳扣、45.第二横向传动组件、451.第二锥齿轮、452.第二滑块。
具体实施方式
32.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、
以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.如图1～图9所示，本实施例所述的无人系统柔性传动的变结构水下推进装置，包括车体本体1、推进器2、推进器起落机构3和柔性传动机构4，所述推进器起落机构3和所述柔性传动机构4分别装设于所述车体本体1，所述柔性传动机构4与所述推进器起落机构3连接，所述推进器2装设于所述推进器起落机构3，所述车体本体1设有无人控制系统和陆地行动系统11，所述无人控制系统分别与所述陆地行动系统11、所述柔性传动机构4和所述推进器2连接，所述陆地行动系统11设有履带111，所述推进器2设有保护罩21，本实施例中，通过柔性传动机构4，在航行过程中，实现了非平行轴的传动，可以在不改变车体本体宽度的前提下，实现推进器2空间结构变换，以适用于陆地行驶，或者通过水下高度有限的管道和狭窄区域等各种复杂工作环境，通过推进器起落机构3，调整推进器2为升起状态，使本技术的推进装置在水面保持稳定行驶，以及在水中上升、下潜等。
36.在上述实施例的基础上，所述推进器起落机构3包括弧形底板31、弧形支架32和拉簧33，所述弧形底板31安装于所述车体本体1顶端，所述弧形底板31上设有球形转动座311，所述弧形支架32底端设有球形凸出321，所述球形凸出321转动式安装于所述球形转动座311内，所述弧形底板31靠近所述球形转动座311的位置，设有用于收纳所述弧形支架31的收纳槽，所述拉簧33的两端分别与所述弧形底板31和所述弧形支架32连接，所述推进器2设于所述弧形支架32顶端，所述弧形底板31上设有用于安装所述拉簧33的弧形槽，当所述弧形支架32为收回状态时，所述弧形支架32整体被收纳进所述收纳槽内，从而使推进器2的高度和横向宽度最低，实现最大限度的推进器2的空间位置收回调整，此时，所述拉簧33为压缩状态，其长度和所述弧形槽长度相同，拉簧33被容置于所述弧形槽内，弧形支架32在升起过程中拉簧33被拉伸，从而产生拉力，当弧形支架32处于直立状态时，拉簧33拉力最大，本实施例中弧形支架32的设置，当柔性传动机构4拉动弧形支架32绕球形转动座311转动时，弧形支架32的转轴与传动方向既不平行也不垂直，本发明中通过柔性传动可以实现非平行轴转动，弧形支架32的末端优选地设计成弧形，当弧形支架32处于竖直状态时，推进器2处于履带111外侧正上方，该弧形设计能保证推进器2在升起状态时，推进器2横向间距大于车体本体1内侧间距，并根据实际需要调整向外的宽度，保证推进器2直立和降落时的预期位置，并根据实际需求增加高度和向外伸展间距，且无需增加车体宽度，本实施例这样的设置，可以更好地实现推进器2的空间结构变换，以应对不同环境的工作需求。
37.在上述实施例的基础上，所述推进器2设有两组，所述推进器起落机构3匹配所述推进器2设置有两组，两组所述推进器起落机构3对称分布于所述车体本体1顶端的左侧和右侧，位于所述车体本体1顶端左侧的所述推进器起落机构3分为推进器起落机构a 34和推进器起落机构b 35，本实施例中具体示出了本技术的航行器对称设有两组推进器2，即对称设有四个推进器2和四个推进器起落机构3，柔性传动可以实现四个推进器2自主同步起落，
机构设计简单，可实现同步控制，且操控方法简便。
38.在本技术的一个实施例中，所述柔性传动机构4包括支撑底座41、齿轮安装框42、纵向传动组件43、第一横向传动组件44和第二横向传动组件45，所述支撑底座41安装于所述车体本体1顶端中心位置，所述齿轮安装框42安装于所述支撑底座41顶端中心位置，所述纵向传动组件43设有纵向锥齿轮431，所述第一横向传动组件44设有第一锥齿轮441，所述第二横向传动组件45设有第二锥齿轮451，所述第一锥齿轮441和所述第二锥齿轮451对称装设于所述齿轮安装框42的左右两侧，所述纵向锥齿轮431安装于所述齿轮安装框42的后侧，并分别与所述第一锥齿轮441和所述第二锥齿轮451啮合连接，所述第一横向传动组件44设有第一滑块442，所述第二横向传动组件45设有第二滑块452，两组所述推进器起落机构3分别与所述第一滑块442和所述第二滑块452连接，具体地，所述纵向驱动组件43还设有防水电机432、减速器433和纵向套筒434，所述减速器433分别与所述防水电机432和所述纵向套筒434连接，所述纵向套筒434还与所述齿轮安装框42及所述纵向锥齿轮431连接，本实施例中，具体示出，是通过锥齿轮实现两组推进器2的同步起落，其控制容易，操作简便。
39.在本技术的一个实施例中，所述第一横向传动组件44还设有联轴器443、梯形丝杠444和轴承445，所述联轴器443分别与所述第一锥齿轮441和所述梯形丝杠444连接，所述支撑底座41靠近所述梯形丝杠444前端的位置设有前支撑座411，所述支撑底座41靠近所述梯形丝杠444后端的位置设有后支撑座412，所述梯形丝杠444的前端和后端通过轴承445分别与所述前支撑座411和所述后支撑座412连接，所述后支撑座412与所述梯形丝杠444连接位置，设有端盖4121和螺母4122，所述第一滑块442转动式设于所述梯形丝杠444上，所述第一滑块442在所述梯形丝杠444上滑动的行程等于所述推进器起落机构3运动行程，所述第一滑块442滑动至所述梯形丝杠444左右两端极限位置时，触发无人控制系统发出停止指令，并机械限位所述第一滑块442的位置，实现所述推进器起落机构3的位置锁定，具体地，所述第一横向传动组件44还设有左导向滑轮件446、右导向滑轮件447、左柔性绳448、右柔性绳449、左绳扣4410和右绳扣4411，所述左绳扣4410和所述右绳扣4411对称设置于所述第一滑块442的左右两侧，所述左导向滑轮件446和所述右导向滑轮件447分别安装于所述支撑底座41，且所述左导向滑轮件446和所述右导向滑轮件447对称分布于所述第一滑块442左右两侧，所述左柔性绳448的一端与所述左绳扣4410连接，所述左柔性绳448的另一端穿过所述左导向滑轮件446，并与所述推进器起落机构a 34连接，所述右柔性绳449的一端与所述右绳扣4411连接，所述右柔性绳449的另一端穿过所述右导向滑轮件447，并与所述推进器起落机构b 35连接。
40.在本实施例中，具体示出，是通过一个防水电机432，结合三个锥齿轮和柔性绳传动，进行两组推进器2的自主同步起落，滑块在梯形丝杠444上滑动的行程等于弧形支架32起落状态的行程，滑块的机械限位能避免防水电机432多转时，柔性绳被拉断，本技术控制简单，定位可靠，具有自锁功能，该结构具有运动可逆性，机构简洁，可实现同步控制，操控方法简便，单侧传动时，纵向锥齿轮431带动第一锥齿轮441转动，并带动梯形丝杠444转动，第一锥齿轮441绕轴承445旋转，滑块向外滑动，另一侧传动过程相同，左右两个梯形丝杠444旋向相同，防水电机432朝一个方向旋转时，第一滑块442和第二滑块452分别向两侧同步运动，当防水电机432反方向旋转时，第一滑块442和第二滑块452同时向里旋转，从而带动推进器起落机构3升降，实现推进器2的空间位置调整。
41.上述实施例的基础上，所述推进器起落机构a 34与所述左柔性绳448连接的位置，设有导向滑轮a 341和绳扣a 342，所述左柔性绳448穿过所述导向滑轮a 341，与所述绳扣a 342连接，所述推进器起落机构b 35与所述右柔性绳449连接的位置，设有导向滑轮b 351和绳扣b 352，所述右柔性绳449穿过所述导向滑轮b 351，与所述绳扣b 352连接，通过设置导向滑轮a 341和绳扣a 342，可以实现左柔性绳448的导向和固定连接，通过设置导向滑轮b 351和绳扣b 352，可以实现右柔性绳449的导向和固定连接，本实施例中采用第一滑块442和第二滑块452在与各自连接的梯形丝杠444上滑动，拉动柔性绳，本实施例这样的设置，能防止运动过程中卷线和脱线，从而可以保证柔性传动过程的稳定性。
42.在本技术的一个实施例中，所述第二横向传动组件45与所述第一横向传动组件44设为一致，本实施例这样的设置，结构对称，在实现同步控制的同时，便于推进器2的空间结构变换控制。
43.本技术提供的水下推进装置，推进器2通过柔性传动进行驱动和控制，在应用过程中，可以根据行驶环境如：陆地行驶、通过高度有限的隧道及水下管道等有限区域时，本技术的航行器能够在不改变车体宽度的前提下，四个推进器4自主降落改变高度分布和横向间距，弧形支架32的设计能实现推进器2直立和降落时预期位置调整，并根据实际需求增加高度和向外伸展间距，实现推进器2空间结构变换。本发明提供的柔性传动的变结构水下推进器，通过柔性绳传动实现了非垂直/非平行轴的传动，满足特定工作需求，具体地，滑块在梯形丝杠444上滑动的行程等于弧形支架32起落状态的行程，滑块的机械限位能避免防水电机432多转时，柔性绳被拉断，本技术控制简单，定位可靠，具有自锁功能，通过一个防水电机432结合锥齿轮变向和柔性绳传动可以实现四个推进器2自主同步起落，机构简洁，可实现同步控制，操控方法简便。
44.本技术的传动过程如下：
45.当无人系统需要上升、下潜或者水面行驶需要增加稳定时，推进器的高度需要升高时
46.防水电机432正向转动，与其配合的减速器433转动，减速器433带动与其固连的纵向锥齿轮431转动，纵向锥齿轮431带动与其啮合第一锥齿轮441和第二锥齿轮451转动，第一锥齿轮441和第二锥齿轮451的转向相反，第一锥齿轮441和第二锥齿轮451带动与其连接的梯形丝杠444转动，两侧的梯形丝杠444旋向相同，梯形丝杠444上的滑块分别向外滑动，滑块上左右两侧通过绳扣和两根柔性绳连接，同一个滑块分别带动与其连接的两根柔性绳滑动，柔性绳通过两个导向滑轮与弧形支架32连接，在柔性绳的拉力下弧形支架32逐步升起，弧形支架32拉动拉簧33拉伸，在本技术中，滑块的行程设计为等于弧形支架32升起的行程，滑块滑到与前支撑座411接触时，防水电机432停止运转，梯形丝杠444处于自锁转态，弧形支架32底部的球形凸出321和弧形底板31的球形转动座311匹配并保持在固定状态，柔性绳处于紧绷状态，拉簧33被拉伸，此时推进器2间距大于无人系统内侧间距，到达预期高度工作位置；
47.当无人系统在陆地行驶或者欲通过高度有限的水下管道和隧道等工作环境，推进器的高度需要降低时
48.防水电机432反转，通过减速器433带动纵向锥齿轮431转动，纵向锥齿轮431带动与其啮合的第一锥齿轮441和第二锥齿轮451转动，第一锥齿轮441和第二锥齿轮451带动与
其连接的梯形丝杠444转动，梯形丝杠444转动带动滑块向内滑动，柔性绳拉力被释放，拉簧33逐步复位，拉动弧形支架32逐步落下，当滑块和后支撑座412接触时，防水电机432停止运转，拉簧33完全收缩，弧形支架32上的球形凸出321和弧形底板31上的球形转动座311配合，起到机械定位作用，在保证车体本体宽度不变的状态下，推进器2沿弧线向内斜向变换，高度方向显著降低，不会和履带111系统干涉，实现推进器2的空间结构变换。
49.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。