[发明专利]一种水下滑翔机机翼及其控制和工作方法

摘要

本发明公开了一种水下滑翔机机翼及其控制和工作方法，属于水下航行器技术领域，滑翔机机翼包括角度可调摆动翼、翼摆动联摆机构、翼摆驱动机构、搭载密封仓、涡轮式发电装置、电磁式发电机构、工作模式切换机构、透水舱以及控制和驱动机构；本发明通过翼摆驱动机构带动角度可调摆动实现滑翔模式、精确观测和运动发电模式和海面波浪发电模式功能；通过设置工作模式切换机构，实现了水下滑翔机中的齿轮啮合和泄力工作状态，同时配合控制机构使水下滑翔机当前的单一滑翔模式，工作效率更高，观测精确更好，进一步提升了水下滑翔机的续航能力；为长航程、大尺度的海洋观测技术和小海域内的低速精确观测提供了坚持的基础。

主权项

1.一种水下滑翔机机翼，其特征在于：包括角度可调摆动翼、翼摆动联摆机构、翼摆驱动机构、搭载密封仓、涡轮式发电装置、电磁式发电机构、工作模式切换机构、透水舱以及控制和驱动机构；角度可调摆动翼，包括上摆翼、下摆翼、上摆翼折页支板、下摆翼折页支板、上摆翼支板转轴、下摆翼支板转轴、上摆臂支板转轴轴芯、下摆臂支板转轴轴套、上摆翼联摆摆臂、下摆翼联摆摆臂和摆翼转轴支撑轴承；角度可调摆动翼共两套，左右对称设置和分布，上摆翼折页支板、下摆翼折页支板、上摆翼支板转轴和下摆翼支板转轴组成了一整套完整的折页弯折机构；上摆翼折页支板和下摆翼折页支板的一端分别嵌入至上摆翼和下摆翼中，并且上摆翼折页支板和下摆翼折页支板的横向宽度与上摆翼和下摆翼的翼长一致；上摆翼支板转轴和下摆翼支板转轴通过轴套和转轴机构组合相互配合，实现上摆翼支板转轴和下摆翼支板转轴相对绕轴心的转动；上摆翼支板转轴和下摆翼支板转轴分别与上摆翼折页支板和下摆翼折页支板的另外一端连接；将来自翼摆动联摆机构的控制力矩分别通过上摆臂支板转轴轴芯、下摆臂支板转轴轴套、上摆翼联摆摆臂和下摆翼联摆摆臂传递至上摆翼支板转轴和下摆翼支板转轴中，最终实现带动上摆翼和下摆翼转动；翼摆动联摆机构，被配置为用于通过翼摆驱动机构中输出轴对输出轴第一推杆的推动作用，实现左侧和右侧上摆翼和下摆翼各自独立的迎流角的改变；包括输出轴第一推杆、推杆直连第一摆臂、第一摆臂转轴、第一摆臂转轴支架、第一万向节、第二摆臂转轴、转轴轴承、第二摆臂转轴支架、第二摆臂、第二摆臂连杆、第一换向节、驱动滑杆、第二换向节、滑杆支架、第二推杆、V形摆臂固定支臂、V形摆臂转轴、V形摆臂第一支臂、V形摆臂第二支臂、V形摆臂第一支臂转轴和V形摆臂第二支臂转轴；翼摆动联摆机构共四套，左右各两套，对称设置和分布，左侧或右侧的两套翼摆动联摆机构呈上下对称分布；其中：①对于左侧上部的翼摆动联摆机构，其结构组成和连接关系描述如下：输出轴第一推杆为直线型推杆形状，两端均设置有圆孔结构和轴承结构，轴承结构放置在圆孔结构的内部，输出轴第一推杆的一端即靠近翼摆驱动机构方向的一端与翼摆驱动机构中的输出轴换向节连接，另一端即靠近透水仓中的前支撑板方向的一端连接述推杆直连第一摆臂的上端点部位；推杆直连第一摆臂呈现上细下宽的纺锤形直线支臂状，其上下两个端部均设置有圆孔结构和轴承结构，轴承结构放置在圆孔结构的内部，推杆直连第一摆臂的上端部与输出轴第一推杆连接并可实现相对转动或推动，其下端部与第一摆臂转轴连接；第一摆臂转轴为转轴机构，其一端通过键槽结构与推杆直连第一摆臂的下端部连接，其另一端与第一万向节的一端连接；推杆直连第一摆臂转动，可带动第一摆臂转轴转动，进而带动第一万向节转动；第一摆臂转轴轴承套接在第一摆臂转轴上，第一摆臂转轴支架设置在第一摆臂转轴轴承的外侧；第一摆臂转轴支架为柱体型支架，其一端即靠近第一摆臂转轴方向的一端设置有通孔，通孔内设置有第一摆臂转轴轴承，其另一端即靠近透水仓中的前支撑板方向的一端与前支撑板连接；第一摆臂转轴支架实现对第一摆臂转轴的支撑作用，同时通过第一摆臂转轴轴承为第一摆臂转轴提供转动载体；第二摆臂转轴为转轴机构，其一端通过键槽结构与第一万向节的另一端连接，其另一端与第二摆臂的一端连接；第一摆臂转轴带动第一万向节转动，进而带动与其连接的第二摆臂转轴转动，进而带动第二摆臂转动；第二摆臂转轴轴承套接在第二摆臂转轴上，第二摆臂转轴支架的一端套接在第二摆臂转轴轴承上，其另一端与透水仓中的前支撑板连接；第二摆臂的两侧设置有圆孔和轴承机构，第二摆臂的另一端与第二摆臂连杆连接；第二摆臂转轴的转动，可带动第二摆臂摆动，进而可带动与其连接的第二摆臂连杆绕第二摆臂摆动，使得第二摆臂连杆具备上下移动能力，此处的上下移动能力并不是严格意义的直线上下运动能力，而是第二摆臂连杆的下端相对于第二摆臂因为小范围半径内运动而造成的上下移动即第二摆臂连杆的下端绕第二摆臂，且以第二摆臂的长度为半径摆动，从而使第二摆臂连杆的上端具有上下移动功能；第二摆臂连杆的一端与第二摆臂连接，另一端与驱动滑杆上的第一换向节连接；第二摆臂连杆的上下移动带动驱动滑杆上的第一换向节上下移动，第二摆臂连杆上非真正意义的上下移动通过第一换向节转变成了真正意义上的直线滑动；第一换向节是一个U形连接机构，U形连接机构的槽口处设置有转轴机构，与第二摆臂连杆连接，U形槽口的上端与驱动滑杆连接；驱动滑杆为直线圆柱体结构，其下端与第一换向节连接，其上端与第二换向节连接；第二摆臂连杆上非真正意义的上下移动经过第一换向节后转换成驱动滑杆上真正意义上的直线滑动，进而带动第二换向节的上下移动；套有滑杆支架套接在驱动滑杆的外侧，起到对其支撑的作用；将驱动滑杆正真意义上的直线运动通过第二换向节转换成第二推杆的非真正意义上的角度可变的直线运动；滑杆支架与第一摆臂转轴支架和第二摆臂转轴支架结构类似，只是作用部位不同，安装固定在透水仓中的前支撑板上，其另外一侧即与驱动滑杆结合部位的端部设置有第二摆臂滑杆转轴，以方便驱动滑杆在其内部上下滑动；第二推杆与第一换向节连接，第二推杆与输出轴第一推杆结构相同；驱动滑杆的上下运动带动第二换向节和第二推杆上下运动，由于第二推杆与V形摆臂转轴连接，因此可带动V形摆臂转轴非真正意义的上下直线运动；V形摆臂固定支臂、V形摆臂第一支臂、V形摆臂第二支臂均为平板结构，V形摆臂转轴为类似折页机构的装置，其一端与V形摆臂第二支臂连接，另一端与V形摆臂第一支臂连接；V形摆臂第一支臂转轴、V形摆臂第二支臂转轴和V形摆臂转轴结构类似，V形摆臂第一支臂转轴与V形摆臂固定支臂和V形摆臂第一支臂连接，V形摆臂固定支臂和V形摆臂第一支臂可绕V形摆臂第一支臂转轴相对转动，第二推杆的上下运动，可带动V形摆臂转轴运动，最终可带动V形摆臂第二支臂移动，进而带动V形摆臂第二支臂转轴移动；V形摆臂第二支臂转轴的一端与V形摆臂第二支臂连接，另一端与上摆臂支板转轴轴套所连接的上摆翼联摆摆臂连接；第二推杆上下运动，带动V形摆臂转轴、V形摆臂第二支臂和V形摆臂第二支臂转轴，进而带动上摆翼联摆摆臂运动，最终带动下摆翼相对水平参考平面的角度转动和调整，改变左侧的下摆翼的迎流角度；②对于左侧下部的翼摆动联摆机构，其结构组成和连接关系：和上述①中的左侧上部的翼摆动联摆机构绝大部分相同；不同的是：V形摆臂第二支臂转轴的一端与V形摆臂第二支臂连接，其另一端与下摆臂支板转轴轴芯所连接的下摆翼联摆摆臂连接；第二推杆上下运动，带动V形摆臂转轴、V形摆臂第二支臂和V形摆臂第二支臂转轴运动，进而带动下摆翼联摆摆臂运动，最终带动上摆翼相对水平参考平面的角度转动和调整，改变左侧的上摆翼的迎流角度；③对于右侧上部的翼摆动联摆机构，其结构组成和连接关系：和上述①中的左侧上部的翼摆动联摆机构绝大部分相同；不同的是：V形摆臂第二支臂转轴的一端与V形摆臂第二支臂连接，其另一端与上摆臂支板转轴轴芯所连接的上摆翼联摆摆臂连接；第二推杆上下运动，带动V形摆臂转轴、V形摆臂第二支臂和V形摆臂第二支臂转轴运动，进而带动上摆翼联摆摆臂运动，最终带动下摆翼相对水平参考平面的角度转动和调整，改变右侧的下摆翼的迎流角度；④对于右侧下部的翼摆动联摆机构，其结构组成和连接关系，和上述①中的左侧上部的翼摆动联摆机构绝大部分相同；不同的是：V形摆臂第二支臂转轴的一端与V形摆臂第二支臂连接，其另一端与下摆臂支板转轴轴套所连接的下摆翼联摆摆臂连接；第二推杆上下运动，带动V形摆臂转轴、V形摆臂第二支臂和V形摆臂第二支臂转轴运动，进而带动下摆翼联摆摆臂运动，最终带动上摆翼相对水平参考平面的角度转动和调整，改变右侧的上摆翼的迎流角度；翼摆驱动机构，被配置为用于通过控制伺服电机的转动，最终可驱动输出轴，进而带动输出轴换向节前进或后退；共有四套，每套包括输出轴换向节、输出轴、驱动前端盖、驱动后端盖、可滑动膜片、涡轮、蜗杆、伺服电机、底座本体、驱动直齿轮、从动齿条、滑块、滑轨、挡板、拉杆、蜗杆支臂、蜗杆支臂轴承、翼摆驱动舱体；其中，驱动前端盖、驱动后端盖和翼摆驱动舱体构成翼摆驱动机构的主体；输出轴换向节和第一换向节、第二换向节结构相同，其一端与输出轴连接，另一端与输出轴第一推杆连接；输出轴的水平直线推拉运动，通过输出轴换向节可将输出轴第一推杆的运动转化成非真正意义上的直线运动；输出轴为直线圆柱机构，其最外侧与输出轴换向节连接，其最内侧与可滑动膜片的中心外端面连接；驱动前端盖和驱动后端盖均为圆盘机构，驱动前端盖的中心处设置有通孔，方便输出轴在其通孔内部伸缩；可滑动膜片的前后伸缩运动可带动输出轴伸缩运动；驱动前端盖与翼摆驱动舱体使用组合密封形式密封，翼摆驱动机构中的翼摆驱动舱体嵌入至搭载密封仓中的前端盖上；可滑动膜片为橡胶材料，呈圆柱形状，内部中空，厚度在2‑5mm之间，可滑动膜片圆柱形的圆形部分和挡板连接，圆柱形四周与驱动前端盖的内壁连接并密封，且其中部外围部分留有部分卷积余地以方便膜片的滚动伸缩；挡板前进或后退时可带动可滑动膜片前进或后退，进而带动输出轴前进或后退；且可滑动膜片保证了整套翼摆驱动机构的密封作用，防止海水进入翼摆驱动机构内；伺服电机安装固定在工作模式切换机构中的伺服电机底座本体上，伺服电机转轴与蜗杆连接，蜗杆与涡轮连接，涡轮与驱动直齿轮连接；伺服电机的转动可带动涡轮转动，进而通过涡轮和蜗杆的配合作用带动驱动直齿轮转动；底座本体为整套翼摆驱动机构的支撑载体，被配置为用于支撑滑轨和工作模式切换机构中的底座本体支臂；驱动直齿轮与从动齿条啮合，从动齿条固定在滑块上，滑块与滑轨配合，相当于导轨结构；驱动直齿轮的转动，可带动从动齿条和滑块在滑轨上的前进和后退；滑块的前端设置有拉杆，拉杆与挡板连接，拉杆作为连接滑块和挡板的载体；滑块在滑轨的前进和后退，可通过拉杆和挡板的连接作用，最终实现带动述可滑动膜片的运动；蜗杆支臂和蜗杆支臂轴承连接，蜗杆支臂为竖直的支撑臂状结构，其下端连接固定在工作模式切换机构中的伺服电机底座本体上，其上端则通过设置的蜗杆支臂轴承与蜗杆的顶部连接，被配置为用于支撑和连接蜗杆；搭载密封仓，为水下滑翔机机翼的驱动和控制核心，包括前端盖、后端盖和舱体；前端盖中设置有四个透孔；在前端盖上设置有左侧涡轮式发电输入水密接口和右侧涡轮式发电输入水密接口，左侧的涡轮式发电装置产生的电能通过左侧涡轮式发电输入水密接口输入；右侧的涡轮式发电装置产生的电能通过右侧涡轮式发电输入水密接口输入；后端盖上设置有供电输入水密接头、发电输出水密接头和控制输入水密接头；供电输入水密接头，被配置为用于通过外界将电能输入搭载密封仓内，供内部的控制板和伺服电机驱动板用；发电输出水密接头，被配置为用于将涡轮式发电装置和电磁式发电机构产生的电能经过控制和驱动机构中的整流稳压模块后输出；控制输入水密接头，被配置为用于通过外界输入控制信号控制翼摆驱动机构工作，进而控制两侧的上摆翼和下摆翼的迎流角度；涡轮式发电装置，被配置为用于通过调整上摆翼和下摆翼的迎流角度的增加，使得涡轮扇叶转动，进而带动扁平防水式发电机产生电能并将电能传输至搭载密封仓内；包括涡轮扇叶、水密缆和固定支架；涡轮式发电装置设置在左右两侧的上摆翼和下摆翼上；涡轮扇叶为扁平式的涡轮风扇，设置在上摆翼和下摆翼的纵向中间处；在涡轮扇叶的扇叶顶端的边缘处设置有导流板，涡轮扇叶连接有转轴，转轴连接有扁平防水式发电机，涡轮扇叶的转动进而带动扁平防水式发电机转动，实现发电功能；水密缆的一端与扁平防水式发电机连接，另一端和对应的左侧涡轮式发电输入水密接口或右侧涡轮式发电输入水密接口连接，将产生的电能传输至整流稳压模块；固定支架与扁平防水式发电机连接，并且固定支还与各自对应的上摆翼和下摆翼连接，被配置为用于将涡轮式发电装置安装固定至上摆翼或下摆翼；电磁式发电机构，被配置为用于通过涡轮的转动，通过联轴器带动电磁发电机实现发电功能；包括电磁发电机、固定支架、联轴器；电磁式发电机构共四套，分别设置在四个翼摆驱动机构内；电磁发电机通过固定支架固定在翼摆驱动机构中的底座本体上，电磁发电机的转轴通过联轴器和翼摆驱动机构中的涡轮连接，电磁发电机与控制和驱动机构中的整流稳压模块连接；工作模式切换机构，包括伺服电机底座本体、底座本体支臂、支臂转轴、底座本体拉簧和拉簧支臂；工作模式切换机构共有四套，分别安装固定在每个翼摆驱动机构内；伺服电机底座本体为平板结构，其上设置有多个加强筋，加强筋与翼摆驱动机构中的伺服电机连接；底座本体支臂为竖直支臂状机构，其下端与翼摆驱动机构中的底座本体连接；支臂转轴设置在底座本体支臂的上端，支臂转轴为折页转轴结构，与伺服电机底座本体连接，伺服电机底座本体通过绕支臂转轴相对底座本体支臂转动，进而带动伺服电机相对翼摆驱动机构中涡轮的啮合和非啮合，实现对输出轴的推动或泄力非驱动状态；拉簧支臂为竖直和水平支臂的组合，其下端固定在翼摆驱动机构中的底座本体上，通过水平支臂连接固定在底座本体拉簧的上端，底座本体拉簧的下端与伺服电机底座本体的顶端即远离靠近底座本体支臂和支臂转轴的一端连接；非控制状态下，由于底座本体拉簧的作用，涡轮和蜗杆处于啮合状态，即通过伺服电机的转动以及涡轮和蜗杆的传动，实现输出轴的伸缩运动；在伺服电机底座本体的端部下方即远离靠近底座本体支臂和支臂转轴的一端设置有衔铁，衔铁的正下方的底座本体处设置有电磁线圈；电磁线圈通电时，会对衔铁产生吸合作用，进而对伺服电机底座本体产生向下的拉力，当该拉力大于底座本体拉簧的拉力时，伺服电机底座本体相对底座本体支臂转动，涡轮和蜗杆开始分离，此时为非啮合状态；实现了输出轴与伺服电机的泄力非驱动模式，若输出轴有外力施加，可带动滑块运动，进而带动涡轮和涡轮所连接的电磁发电机转动，实现发电功能；电磁线圈与控制和驱动机构中的控制板连接实现控制功能；透水仓，包括透水舱体；被配置为用于实现对左侧上摆臂支板转轴轴套和右侧下摆臂支板转轴轴套的支撑作用，最终实现对左侧和右侧的上摆翼和下摆翼支撑作用；透水舱体的前端固定有前支撑板，被配置为用于对所翼摆动联摆机构中的第一摆臂转轴支架、第二摆臂转轴支架、滑杆支架和V形摆臂固定支臂起到支撑作用；控制和驱动机构，安装固定在搭载密封仓内；包括控制板、伺服电机驱动板、整流稳压模块；控制板，分别与四套翼摆驱动机构中的电磁线圈和伺服电机驱动板连接，实现对电磁线圈的通电和断电状态的控制；同时通过对伺服电机驱动板的控制，实现对伺服电机的控制；控制板还通过自身的通讯端口与搭载密封仓中的控制输入水密接头连接，以接收来自外部的控制信号；另外，控制板还与供电输入水密接头连接，以获取电能实现自身控制板的正常供电和控制功能；伺服电机驱动板，被配置为用于通过控制板实现对伺服电机的驱动作用，同时伺服电机驱动板接收来自控制板的控制信号，伺服电机驱动板还与供电输入水密接头连接以通过外部的电能实现对伺服电机的驱动；整流稳压模块，与电磁发电机和涡轮式发电装置中的扁平防水式发电机连接，实现对产生的电能进行整流和稳压，便于输出稳定的电压和电流，整流稳压模块的输出端口与搭载密封仓中的发电输出水密接头连接，便于将稳定的电能输出到外部，共水下滑翔机其它耗电器件使用。