[發明專利]用于水下航行器的三自由度仿水翼推進機構及其運動學控制方法

有效

• 申請號: 201710938769.1
• 申請日: 2017-09-26
• 公開（公告）號: CN107804446B
• 公開（公告）日: 2019-04-19
• 發明（設計）人: 王鵬;趙亮;田時雨
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B63H1/36
• 分類號: B63H1/36;B63G8/08;B63C11/52
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

1.一種用于水下航行器的三自由度仿水翼推進機構，其特征在于：由錐齒輪機構、翻轉運動機構、仿生水翼(15)和固定底座四部分組成；所述固定底座包括第一伺服舵機固定件(4)和第二伺服舵機固定件(5)；所述錐齒輪機構包括第一伺服舵機(1)、第一舵盤(16)、第一錐齒輪(8)、第一錐齒輪軸(7)、第一軸向限位螺釘(19)、第二伺服舵機(2)、第二舵盤(17)、第二錐齒輪(10)、第二錐齒輪軸(9)、第二軸向限位螺釘(20)、第三錐齒輪(12)、第三錐齒輪軸(11)、第三軸向限位螺釘(21)和中心支撐架(13)；第一伺服舵機(1)通過第一伺服舵機固定件(4)安裝在水下航行器上，第一伺服舵機(1)輸出軸與第一舵盤(16)連接，第一舵盤(16)與第一錐齒輪軸(7)連接，第一錐齒輪(8)固定在第一錐齒輪軸(7)上，第一錐齒輪軸(7)右端穿過中心支撐架(13)，使用第一軸向限位螺釘(19)限制中心支撐架(13)相對于第一錐齒輪軸(7)的軸向運動；第二伺服舵機(2)通過第二伺服舵機固定件(5)安裝在水下航行器上，第二伺服舵機(2)輸出軸與第二舵盤(17)連接，第二舵盤(17)與第二錐齒輪軸(9)連接，第二錐齒輪(10)固定在第二錐齒輪軸(9)上，第二錐齒輪軸(9)左端穿過中心支撐架(13)，使用第二軸向限位螺釘(20)限制中心支撐架(13)相對于第二錐齒輪軸(9)的軸向運動；第三錐齒輪(12)固定在第三錐齒輪軸(11)上，第三錐齒輪軸(11)下端穿過中心支撐架(13)，使用第三軸向限位螺釘(21)限制中心支撐架(13)相對于第三錐齒輪軸(11)的軸向運動；所述第一錐齒輪(8)、第二錐齒輪(10)、第三錐齒輪(12)的模數、齒數均相等，第一錐齒輪(8)與第三錐齒輪(12)垂直嚙合，第二錐齒輪(10)與第三錐齒輪(12)垂直嚙合；第三錐齒輪(12)初始安裝位置為其中心軸線處于豎直平面；所述翻轉運動機構包括第三伺服舵機(3)、第三舵盤(18)和水翼連接軸(14)；第三伺服舵機(3)輸出軸接第三舵盤(18)，第三舵盤(18)與水翼連接軸(14)連接，水翼連接軸(14)與仿生水翼(15)連接；第三伺服舵機(3)通過伺服舵機連接件(6)與第二錐齒輪軸(9)上端連接。

2.根據權利要求1所述的用于水下航行器的三自由度仿水翼推進機構，其特征在于：所述仿生水翼(15)邊緣具有柔性。

3.一種權利要求1所述用于水下航行器的三自由度仿水翼推進機構的運動學控制方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟一、對三自由度仿水翼推進機構進行運動學建模，抽象出數學模型，以分析指導機構的運動控制；

(a)錐齒輪機構建模；

在第一伺服舵機(1)、第二伺服舵機(2)的驅動下，第三錐齒輪(12)做空間定點轉動；該定點轉動分解為繞自身對稱軸旋轉的自轉運動和繞第一伺服舵機(1)中心軸線旋轉的周轉運動，用自轉角度θ_y和周轉角度θ_p兩個參數確定第三錐齒輪(12)的空間姿態，根據齒輪嚙合關系以及剛體運動學知識，得到第一伺服舵機(1)、第二伺服舵機(2)的轉動角度與第三錐齒輪(12)的姿態角的關系：

根據公式(1)：

θ₁＝θ_p+θ_y,θ₂＝θ_y-θ_p (2)

式中，θ₁為第一伺服舵機(1)的轉動角度，θ₂為第二伺服舵機(2)的轉動角度，θ_y為第三錐齒輪(12)的自轉角度，θ_p為第三錐齒輪(12)的周轉角度；

(b)水翼運動學建模；

第三伺服舵機(3)與第三錐齒輪(12)連接在一起，具有相同的運動規律，第三伺服舵機(3)轉角θ₃直接控制仿生水翼(15)繞軸的橫滾角θ_r，且有

θ₃＝θ_r (3)

式中，θ₃為第三伺服舵機(3)轉角，θ_r為仿生水翼(15)繞軸的橫滾角；

綜上，用θ_y、θ_p和θ_r三個角度確定仿生水翼(15)的空間姿態，描述仿生水翼(15)相對于慣性參考系的空間姿態的矩陣為：

已知水翼上一點在水翼坐標系中的位置坐標^Bp，則該點在慣性參考系中的空間坐標為：

步驟二、建立機構的逆運動學，找到三維空間下的仿生水翼(15)翼尖運動軌跡坐標與機構關節空間下的第一伺服舵機(1)、第二伺服舵機(2)轉角θ₁、θ₂之間的關系；

已知水翼上一點^Bp＝[R 0 0]^T在慣性坐標系中的坐標^Ep＝[p_x p_y p_z]^T，則根據公式(4)：

根據公式(5)求解描述仿生水翼(15)空間姿態角θ_y、θ_p：

根據公式(2)、公式(6)，得到θ₁、θ₂與^Ep＝[p_x p_y p_z]^T關系：

步驟三、輸入所需的仿生水翼(15)翼尖一點^Bp＝[R 0 0]^T在慣性坐標系中的運動軌跡，在目標軌跡上取n個目標軌跡點，這些目標軌跡點在慣性坐標系中的坐標為^Ep_i＝[p_ixi p_iyp_iz]^T,(i＝1,2,3,...,n)，通過公式(7)求解每一個目標軌跡點^Ep_i所對應的第一伺服舵機(1)、第二伺服舵機(2)轉角θ_i1、θ_i2；

步驟四、根據仿生水翼(15)翼尖處于不同位置時的水翼翼板迎水面積，確定仿生水翼(15)翼尖處于不同位置時的水翼橫滾角θ_r，根據公式(3)求解第三伺服舵機(3)轉角θ₃；

步驟五、用步驟三、步驟四求解的機構關節空間下的關節角θ₁、θ₂和θ₃數據直接控制角度輸出的第一伺服舵機(1)、第二伺服舵機(2)和第三伺服舵機(3)，使仿生水翼(15)完成目標運動狀態。