实现均匀伸缩和弯曲的二自由度水下航行器变体头锥驱动机构

本发明涉及水下航行器，具体涉及一种实现均匀伸缩和弯曲的二自由度水下航行器变体头锥驱动机构。

背景技术：

1、水下航行器在面对不同航行任务以及不同环境时，为了获得更好航行效果，需要改变水下航行器的外部形状。目前实现变体水下航行器的途径一般有两种，一是航行器机翼的形状能够改变，另一种是头锥的形状能够改变。目前实现变体头锥的驱动方式主要采用分布式驱动，存在如下缺点：一是一些变体头锥驱动器数目较多，造成头锥质量过大，控制复杂，以及刚度较小等缺点，制约了水下航行器变体头锥的实际使用；二是一些变体头锥驱动器少的，无法实现均匀伸缩和弯曲，进而使得水下航行器难以获得较好的空气动力学特性。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种实现均匀伸缩和弯曲的二自由度水下航行器变体头锥驱动机构，驱动器数量少，质量轻，能够实现均匀伸缩和弯曲，稳定性高，适用于航空航天水下航行器上和飞行机器人上。

2、根据本发明实施例的实现均匀伸缩和弯曲的二自由度水下航行器变体头锥驱动机构，包括头锥壳体、两条第一传动支链和两条第二传动支链；

3、其中，所述头锥壳体包括沿基准轴线同轴等间距依次设置的多个子壳体；

4、两条所述第一传动支链和两条所述第二传动支链沿周向交替均布设置在多个所述子壳体的内侧上，两条所述第一传动支链之间彼此镜像对称，两条所述第二传动支链之间彼此镜像对称；每条所述第一传动支链包括设置在两两相邻的所述子壳体之间的rpr支链单元和链接在两两相邻的所述rpr支链单元之间的同步联动机构；每条所述第二传动支链包括设置在两两相邻的所述子壳体之间的rps支链单元；两两相邻的所述子壳体及并联在两两相邻的所述子壳体之间的两个所述rpr支链单元和两个所述rps支链单元构成2-rpr/2-rps二自由度并联机构；

5、所述实现均匀伸缩和弯曲的二自由度水下航行器变体头锥驱动机构的均匀伸缩和弯曲的变体运动通过在位于尾部的所述子壳体上的两个所述rps支链单元各加一个直线驱动器来驱动。

6、根据本发明实施例的实现均匀伸缩和弯曲的二自由度水下航行器变体头锥驱动机构，工作原理为：在需要进行伸缩和弯曲变形时，无论所述子壳体的数目为多少，只需要在尾部的两个所述rps支链单元上各加一个直线驱动器即可。由于存在所述同步联动机构，在自所述头锥壳体的尾部向头部方向上，一个所述2-rpr/2-rps二自由度并联机构的输出运动会同等地转变为下一个所述2-rpr/2-rps二自由度并联机构的输入运动，这使得两两相邻的所述子壳体之间的变形量均相同。当两个直线驱动器的驱动距离相同时，整个所述头锥壳体能够完成伸缩变形，且两两相邻的所述子壳体之间的变形量均相同；当两个直线驱动器的驱动距离不相同时，整个所述头锥壳体能够完成伸缩和弯曲变形，且两两相邻的所述子壳体之间的伸缩变形量和弯曲变形量均相同。

7、根据本发明实施例的实现均匀伸缩和弯曲的二自由度水下航行器变体头锥驱动机构，具有如下的优势：第一、只需要两个驱动器，控制简单，可实现由多个所述子壳体组成的所述头锥壳体的均匀伸缩和均匀弯曲。第二、两两相邻的所述子壳体之间的伸长量和弯曲量均相同。第三、驱动器数量只有两个，相对于现有技术而言，驱动器数量大幅减少，使得本发明实施例的实现均匀伸缩和弯曲的二自由度水下航行器变体头锥驱动机构整体质量轻。第四、所有构件均为刚性、所有铰链均为低副，使得本发明实施例的实现均匀伸缩和弯曲的二自由度水下航行器变体头锥驱动机构稳定性高。第五、可以用在航空航天水下航行器上，也可用在飞行机器人上。

8、在一些实施例中，两两相邻的所述子壳体之间的伸缩变形量和弯曲变形角度均一致。

9、在一些实施例中，每个所述rpr支链单元包括第一连杆、第二连杆、第一铰链基座和第二铰链基座；其中，在同一条所述第一传动支链上，所述第一连杆和所述第二连杆依次交替分布，每个所述rpr支链单元内的所述第一连杆和所述第二连杆之间构成一个移动副，所述第一铰链基座和所述第二铰链基座依次交替分布在多个所述子壳体上，位于尾部的所述子壳体上的所述第一铰链基座或所述第二铰链基座与所述第一连杆之间构成一个转动副，位于头部的所述子壳体上的所述第一铰链基座或所述第二铰链基座与所述第二连杆之间构成一个转动副，位于中间的所述子壳体上的所述第一铰链基座与所述第一连杆和所述第二连杆之间分别构成一个转动副，位于中间的所述子壳体上的所述第二铰链基座与所述第一连杆和所述第二连杆之间分别构成一个转动副。

10、在一些实施例中，位于中间的所述子壳体上的所述第一铰链基座与所述第一连杆及所述第二连杆同轴转动连接，位于中间的所述子壳体上的所述第二铰链基座与所述第一连杆及所述第二连杆的同轴转动连接。

11、在一些实施例中，所述第一铰链基座的转动连接部至所述基准轴线的径向距离小于所述第二铰链基座的转动连接部至所述基准轴线的径向距离。

12、在一些实施例中，在同一条所述第一传动支链上，在位于中间的所述子壳体的内侧固定有所述第一铰链基座的情况下，所述同步联动机构设置在所述第一铰链基座、和与所述第一铰链基座转动连接的所述第一连杆和所述第二连杆上，且所述同步联动机构位于所述第一连杆和所述第二连杆的外侧；在同一条所述第一传动支链上，在位于中间的所述子壳体的内侧固定有所述第二铰链基座的情况下，所述同步联动机构设置在所述第二铰链基座、和与所述第二铰链基座转动连接的所述第一连杆和所述第二连杆上，且所述同步联动机构位于所述第一连杆和所述第二连杆的内侧。

13、在一些实施例中，所述同步联动机构包括滑块、滑块第一连杆和滑块第二连杆；所述滑块与所述第一铰链基座或所述第二铰链基座之间构成一个移动副，所述滑块第一连杆与所述滑块之间构成一个转动副，所述滑块第一连杆与所述第一连杆之间构成一个转动副，所述滑块第二连杆与所述滑块之间构成一个转动副，所述滑块第二连杆与所述第二连杆之间构成一个转动副。

14、在一些实施例中，所述rps支链单元包括球头连杆、转动副连杆、球铰基座和转动副基座，所述球头连杆和所述转动副连杆之间构成一个移动副；所述球头连杆与所述球铰基座之间构成一个球副，所述转动副连杆与所述转动副基座之间构成一个转动副；在同一条所述第二传动支链上，所述球铰基座和所述转动副基座依次交替分布在多个所述子壳体上。

15、在一些实施例中，在同一条所述第二传动支链上，位于尾部的和头部的所述子壳体上的所述球铰基座或所述转动副基座对应地为含一个球铰基座或含一个转动副基座；位于中间的所述子壳体上的所述球铰基座为含两个球铰基座，位于中间的所述子壳体上的所述转动副基座为含两个转动副基座。

16、在一些实施例中，每个所述子壳体中的所有运动副中心均在同一条个平面内。

17、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种实现均匀伸缩和弯曲的二自由度水下航行器变体头锥驱动机构，其特征在于，包括头锥壳体、两条第一传动支链和两条第二传动支链；

2.根据权利要求1所述的实现均匀伸缩和弯曲的二自由度水下航行器变体头锥驱动机构，其特征在于，两两相邻的所述子壳体之间的伸缩变形量和弯曲变形角度均一致。

3.根据权利要求1所述的实现均匀伸缩和弯曲的二自由度水下航行器变体头锥驱动机构，其特征在于，每个所述rpr支链单元包括第一连杆、第二连杆、第一铰链基座和第二铰链基座；其中，在同一条所述第一传动支链上，所述第一连杆和所述第二连杆依次交替分布，每个所述rpr支链单元内的所述第一连杆和所述第二连杆之间构成一个移动副，所述第一铰链基座和所述第二铰链基座依次交替分布在多个所述子壳体上，位于尾部的所述子壳体上的所述第一铰链基座或所述第二铰链基座与所述第一连杆之间构成一个转动副，位于头部的所述子壳体上的所述第一铰链基座或所述第二铰链基座与所述第二连杆之间构成一个转动副，位于中间的所述子壳体上的所述第一铰链基座与所述第一连杆和所述第二连杆之间分别构成一个转动副，位于中间的所述子壳体上的所述第二铰链基座与所述第一连杆和所述第二连杆之间分别构成一个转动副。

4.根据权利要求3所述的实现均匀伸缩和弯曲的二自由度水下航行器变体头锥驱动机构，其特征在于，位于中间的所述子壳体上的所述第一铰链基座与所述第一连杆及所述第二连杆同轴转动连接，位于中间的所述子壳体上的所述第二铰链基座与所述第一连杆及所述第二连杆的同轴转动连接。

5.根据权利要求4所述的实现均匀伸缩和弯曲的二自由度水下航行器变体头锥驱动机构，其特征在于，所述第一铰链基座的转动连接部至所述基准轴线的径向距离小于所述第二铰链基座的转动连接部至所述基准轴线的径向距离。

6.根据权利要求5所述的实现均匀伸缩和弯曲的二自由度水下航行器变体头锥驱动机构，其特征在于，在同一条所述第一传动支链上，在位于中间的所述子壳体的内侧固定有所述第一铰链基座的情况下，所述同步联动机构设置在所述第一铰链基座、和与所述第一铰链基座转动连接的所述第一连杆和所述第二连杆上，且所述同步联动机构位于所述第一连杆和所述第二连杆的外侧；在同一条所述第一传动支链上，在位于中间的所述子壳体的内侧固定有所述第二铰链基座的情况下，所述同步联动机构设置在所述第二铰链基座、和与所述第二铰链基座转动连接的所述第一连杆和所述第二连杆上，且所述同步联动机构位于所述第一连杆和所述第二连杆的内侧。

7.根据权利要求6所述的实现均匀伸缩和弯曲的二自由度水下航行器变体头锥驱动机构，其特征在于，所述同步联动机构包括滑块、滑块第一连杆和滑块第二连杆；所述滑块与所述第一铰链基座或所述第二铰链基座之间构成一个移动副，所述滑块第一连杆与所述滑块之间构成一个转动副，所述滑块第一连杆与所述第一连杆之间构成一个转动副，所述滑块第二连杆与所述滑块之间构成一个转动副，所述滑块第二连杆与所述第二连杆之间构成一个转动副。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的实现均匀伸缩和弯曲的二自由度水下航行器变体头锥驱动机构，其特征在于，所述rps支链单元包括球头连杆、转动副连杆、球铰基座和转动副基座，所述球头连杆和所述转动副连杆之间构成一个移动副；所述球头连杆与所述球铰基座之间构成一个球副，所述转动副连杆与所述转动副基座之间构成一个转动副；在同一条所述第二传动支链上，所述球铰基座和所述转动副基座依次交替分布在多个所述子壳体上。

9.根据权利要求8所述的实现均匀伸缩和弯曲的二自由度水下航行器变体头锥驱动机构，其特征在于，在同一条所述第二传动支链上，位于尾部的和头部的所述子壳体上的所述球铰基座或所述转动副基座对应地为含一个球铰基座或含一个转动副基座；位于中间的所述子壳体上的所述球铰基座为含两个球铰基座，位于中间的所述子壳体上的所述转动副基座为含两个转动副基座。

10.根据权利要求8所述的实现均匀伸缩和弯曲的二自由度水下航行器变体头锥驱动机构，其特征在于，每个所述子壳体中的所有运动副中心均在同一条个平面内。

技术总结本发明公开了一种实现均匀伸缩和弯曲的二自由度水下航行器变体头锥驱动机构，其中，头锥壳体包括多个子壳体；两条第一传动支链和两条第二传动支链沿周向交替均布设置在多个子壳体上；每条第一传动支链包括设置在两两相邻的子壳体之间的RPR支链单元和链接在两两相邻的RPR支链单元之间的同步联动机构；每条第二传动支链包括设置在两两相邻的子壳体之间的RPS支链单元；两两相邻的子壳体及两个RPR支链单元和两个RPS支链单元构成二自由度并联机构；变体头锥驱动机构的均匀伸缩和弯曲的变体运动通过在位于尾部的子壳体上的两个RPS支链单元各加一个直线驱动器来驱动。本发明驱动器数量少，质量轻，能够实现均匀伸缩和弯曲，稳定性高。技术研发人员：刘学翱,吴宏宇,张玉玲,郝宇星受保护的技术使用者：北方工业大学技术研发日：技术公布日：2024/4/29