[发明专利]用于水下航行器的三自由度仿水翼推进机构及其运动学控制方法

权利要求书

1.一种用于水下航行器的三自由度仿水翼推进机构，其特征在于：由锥齿轮机构、翻转运动机构、仿生水翼(15)和固定底座四部分组成；所述固定底座包括第一伺服舵机固定件(4)和第二伺服舵机固定件(5)；所述锥齿轮机构包括第一伺服舵机(1)、第一舵盘(16)、第一锥齿轮(8)、第一锥齿轮轴(7)、第一轴向限位螺钉(19)、第二伺服舵机(2)、第二舵盘(17)、第二锥齿轮(10)、第二锥齿轮轴(9)、第二轴向限位螺钉(20)、第三锥齿轮(12)、第三锥齿轮轴(11)、第三轴向限位螺钉(21)和中心支撑架(13)；第一伺服舵机(1)通过第一伺服舵机固定件(4)安装在水下航行器上，第一伺服舵机(1)输出轴与第一舵盘(16)连接，第一舵盘(16)与第一锥齿轮轴(7)连接，第一锥齿轮(8)固定在第一锥齿轮轴(7)上，第一锥齿轮轴(7)右端穿过中心支撑架(13)，使用第一轴向限位螺钉(19)限制中心支撑架(13)相对于第一锥齿轮轴(7)的轴向运动；第二伺服舵机(2)通过第二伺服舵机固定件(5)安装在水下航行器上，第二伺服舵机(2)输出轴与第二舵盘(17)连接，第二舵盘(17)与第二锥齿轮轴(9)连接，第二锥齿轮(10)固定在第二锥齿轮轴(9)上，第二锥齿轮轴(9)左端穿过中心支撑架(13)，使用第二轴向限位螺钉(20)限制中心支撑架(13)相对于第二锥齿轮轴(9)的轴向运动；第三锥齿轮(12)固定在第三锥齿轮轴(11)上，第三锥齿轮轴(11)下端穿过中心支撑架(13)，使用第三轴向限位螺钉(21)限制中心支撑架(13)相对于第三锥齿轮轴(11)的轴向运动；所述第一锥齿轮(8)、第二锥齿轮(10)、第三锥齿轮(12)的模数、齿数均相等，第一锥齿轮(8)与第三锥齿轮(12)垂直啮合，第二锥齿轮(10)与第三锥齿轮(12)垂直啮合；第三锥齿轮(12)初始安装位置为其中心轴线处于竖直平面；所述翻转运动机构包括第三伺服舵机(3)、第三舵盘(18)和水翼连接轴(14)；第三伺服舵机(3)输出轴接第三舵盘(18)，第三舵盘(18)与水翼连接轴(14)连接，水翼连接轴(14)与仿生水翼(15)连接；第三伺服舵机(3)通过伺服舵机连接件(6)与第二锥齿轮轴(9)上端连接。

2.根据权利要求1所述的用于水下航行器的三自由度仿水翼推进机构，其特征在于：所述仿生水翼(15)边缘具有柔性。

3.一种权利要求1所述用于水下航行器的三自由度仿水翼推进机构的运动学控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、对三自由度仿水翼推进机构进行运动学建模，抽象出数学模型，以分析指导机构的运动控制；

(a)锥齿轮机构建模；

在第一伺服舵机(1)、第二伺服舵机(2)的驱动下，第三锥齿轮(12)做空间定点转动；该定点转动分解为绕自身对称轴旋转的自转运动和绕第一伺服舵机(1)中心轴线旋转的周转运动，用自转角度θ_y和周转角度θ_p两个参数确定第三锥齿轮(12)的空间姿态，根据齿轮啮合关系以及刚体运动学知识，得到第一伺服舵机(1)、第二伺服舵机(2)的转动角度与第三锥齿轮(12)的姿态角的关系：

根据公式(1)：

θ₁＝θ_p+θ_y,θ₂＝θ_y-θ_p (2)

式中，θ₁为第一伺服舵机(1)的转动角度，θ₂为第二伺服舵机(2)的转动角度，θ_y为第三锥齿轮(12)的自转角度，θ_p为第三锥齿轮(12)的周转角度；

(b)水翼运动学建模；

第三伺服舵机(3)与第三锥齿轮(12)连接在一起，具有相同的运动规律，第三伺服舵机(3)转角θ₃直接控制仿生水翼(15)绕轴的横滚角θ_r，且有

θ₃＝θ_r (3)

式中，θ₃为第三伺服舵机(3)转角，θ_r为仿生水翼(15)绕轴的横滚角；

综上，用θ_y、θ_p和θ_r三个角度确定仿生水翼(15)的空间姿态，描述仿生水翼(15)相对于惯性参考系的空间姿态的矩阵为：

已知水翼上一点在水翼坐标系中的位置坐标^Bp，则该点在惯性参考系中的空间坐标为：

步骤二、建立机构的逆运动学，找到三维空间下的仿生水翼(15)翼尖运动轨迹坐标与机构关节空间下的第一伺服舵机(1)、第二伺服舵机(2)转角θ₁、θ₂之间的关系；

已知水翼上一点^Bp＝[R 0 0]^T在惯性坐标系中的坐标^Ep＝[p_x p_y p_z]^T，则根据公式(4)：

根据公式(5)求解描述仿生水翼(15)空间姿态角θ_y、θ_p：

根据公式(2)、公式(6)，得到θ₁、θ₂与^Ep＝[p_x p_y p_z]^T关系：

步骤三、输入所需的仿生水翼(15)翼尖一点^Bp＝[R 0 0]^T在惯性坐标系中的运动轨迹，在目标轨迹上取n个目标轨迹点，这些目标轨迹点在惯性坐标系中的坐标为^Ep_i＝[p_ixi p_iyp_iz]^T,(i＝1,2,3,...,n)，通过公式(7)求解每一个目标轨迹点^Ep_i所对应的第一伺服舵机(1)、第二伺服舵机(2)转角θ_i1、θ_i2；

步骤四、根据仿生水翼(15)翼尖处于不同位置时的水翼翼板迎水面积，确定仿生水翼(15)翼尖处于不同位置时的水翼横滚角θ_r，根据公式(3)求解第三伺服舵机(3)转角θ₃；

步骤五、用步骤三、步骤四求解的机构关节空间下的关节角θ₁、θ₂和θ₃数据直接控制角度输出的第一伺服舵机(1)、第二伺服舵机(2)和第三伺服舵机(3)，使仿生水翼(15)完成目标运动状态。