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仿生机器蝠鲼动力学建模及试验研究

陈国军 林羊龙 金俊 陈巍 杨雪

陈国军, 林羊龙, 金俊, 等. 仿生机器蝠鲼动力学建模及试验研究[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 1-8 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0107
引用本文: 陈国军, 林羊龙, 金俊, 等. 仿生机器蝠鲼动力学建模及试验研究[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 1-8 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0107
CHEN Guojun, LIN Yanglong, JIN Jun, CHEN Wei, YANG Xue. Dynamic Modeling and Experimental Study of Biomimetic Manta Ray Robot[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0107
Citation: CHEN Guojun, LIN Yanglong, JIN Jun, CHEN Wei, YANG Xue. Dynamic Modeling and Experimental Study of Biomimetic Manta Ray Robot[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0107

仿生机器蝠鲼动力学建模及试验研究

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0107
基金项目: 国家自然科学基金(62201249); 江苏省农业科技自主创新资金项目(CX(21)1007); 浙江省农作物收获装备技术重点实验室开放课题(2021KY03、2021KY04); 南京工程学院高等教育研究课题(2023GJYB22); 南京工程学院研究生教育教学改革课题(2022YJYJG04).
详细信息
    作者简介:

    陈国军(1981-), 男, 硕士, 高级实验师, 主要研究方向为机器人感知与控制

  • 中图分类号: U674.94

Dynamic Modeling and Experimental Study of Biomimetic Manta Ray Robot

  • 摘要: 仿生蝠鲼机器鱼独特的胸鳍摆动推进方式更适合风浪干扰环境下长航时水下作业需求, 国内外已经开展了相关研究, 但目前仿生机器蝠鲼研究中存在驱动能力弱, 控制精度低, 仿生效果差等问题。文中以蝠鲼为仿生原型, 分析其生物学特性和运动机理, 构建运动学模型和动力学模型, 为仿生机器蝠鲼的系统设计提供了理论依据, 设计了机械结构和控制系统, 通过模拟波浪干扰环境下的直线前游、原地转弯和动态沉浮等试验, 测试了仿生机器蝠鲼在复杂环境下的性能, 验证了仿生机器蝠鲼的运动性能和应用前景。

     

  • 图  1  游动时胸鳍运动周期图

    Figure  1.  Graph of pectoral fin movement cycle

    图  2  胸鳍外形轮廓曲线图

    Figure  2.  Outline curve of pectoral fins

    图  3  运动学模型坐标系

    Figure  3.  Coordinate system of kinematic model

    图  4  仿生机器蝠鲼整体结构图

    Figure  4.  Overall structure diagram of robotic manta ray

    图  5  仿生机器蝠鲼控制系统设计

    Figure  5.  Control system of robotic manta ray

    图  6  有波浪干扰下直线前游试验陀螺仪数据

    Figure  6.  Gyroscope data for straight-line forward test under wave interference

    图  7  有波浪干扰下原地转弯试验螺仪数据

    Figure  7.  Gyroscope data for in-situ turning test under wave interference

    图  8  有波浪干扰下上浮游动试验螺仪数据

    Figure  8.  Gyroscope data for floating test with wave interference

    图  9  有波浪干扰下下沉游动试验螺仪数据

    Figure  9.  Gyroscope data for sinking test under wave interference

    图  10  仿生机器蝠鲼运动试验

    Figure  10.  Movement test of robotic manta ray

    表  1  仿生机器蝠鲼相关参数

    Table  1.   Parameters of robotic manta ray

    功能参数描述
    总尺寸(长×宽×高)48 cm×70 cm×8 cm
    总质量8.5 kg
    胸鳍尺寸(长×宽×高)35 cm×27 cm×4 cm
    胸鳍质量1.7 kg
    胸鳍摆动机构驱动方式舵机驱动, 左右3关节, 共6个舵机
    尾鳍摆动机构驱动方式舵机驱动, 1个舵机
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    表  2  续航测试试验数据

    Table  2.   Data of endurance test

    机器人型号续航时间/h续航里程/km
    BW Space Pro0.924.27
    GLADIUS MINI0.854.78
    仿生机器蝠鲼1.184.85
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-09-18
  • 修回日期:  2023-10-23
  • 录用日期:  2023-10-30
  • 网络出版日期:  2024-01-18

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