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仿牛鼻鲼机器鱼倒游性能的胸鳍结构设计与实验

李博 余应明 曹永辉 郝艺伟 潘光 曹勇

李博, 余应明, 曹永辉, 等. 仿牛鼻鲼机器鱼倒游性能的胸鳍结构设计与实验[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 1-8 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0157
引用本文: 李博, 余应明, 曹永辉, 等. 仿牛鼻鲼机器鱼倒游性能的胸鳍结构设计与实验[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 1-8 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0157
LI Bo, YU Yingming, CAO Yonghui, HAO Yiwei, PAN Guang, CAO Yong. Pectoral Fin Structural Design and Experiments on Robotic Cow-nosed ray with Backward Swimming Performance[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0157
Citation: LI Bo, YU Yingming, CAO Yonghui, HAO Yiwei, PAN Guang, CAO Yong. Pectoral Fin Structural Design and Experiments on Robotic Cow-nosed ray with Backward Swimming Performance[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0157

仿牛鼻鲼机器鱼倒游性能的胸鳍结构设计与实验

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0157
详细信息
    作者简介:

    李博:李 博(1987-)男, 硕士, 中级工程师, 主要从事仿生潜航器总体设计与研究

  • 中图分类号: U674.94; TP242

Pectoral Fin Structural Design and Experiments on Robotic Cow-nosed ray with Backward Swimming Performance

  • 摘要: 现有基于摆动胸鳍推进方式的机器鱼有很多突出特点特别是前向游动稳定性, 但倒游性能研究不足, 因此文中针对性讨论摆动胸鳍推进模式的仿牛鼻鲼机器鱼倒游水动力性能; 设计了完整胸鳍结构与分体胸鳍结构等2种胸鳍机构, 通过对比实验测试验证分体胸鳍结构较完整胸鳍结构倒游推力的优越性, 通过推力和电流的比值(${\text{|}}{{\boldsymbol{F}}_{\boldsymbol{x}}}|$/${{I}}$)进一步分析能耗转化效率。实验研究了前游和倒游推力与幅值和频率变化之间的关系, 并且通过采集的电流数据, 整理出2种胸鳍结构在前游和倒游工况下的推力等效效率与幅值和频率变化关系曲线; 分析了2种胸鳍结构产生推力及推力等效效率的原因。实验结果表明, 从推力的角度, 在前游工况下, 2种胸鳍推力值接近; 在倒游工况下, 随着幅值和频率的增加, 分体胸鳍结构倒游推力增加明显, 最大可达0.22 N; 从推力等效效率角度, 在前游工况下, 分体胸鳍结构较完整胸鳍稍差; 在倒游工况下, 随着幅值和频率的增加, 分体胸鳍结构倒游推力等效效率有显著提升。文中对分体胸鳍结构的设计为探究基于摆旋机构推进机器鱼倒游性能提供了参考。

     

  • 图  1  牛鼻鲼标本

    Figure  1.  Cow-nosed ray specimen

    图  2  生物学骨骼分布

    Figure  2.  Biological Skeleton Distribusion

    图  3  仿牛鼻鲼机械鱼模型

    Figure  3.  Robotic cow-nosed ray model

    图  4  实验模型

    Figure  4.  Experiments model

    图  5  摆旋驱动完整胸鳍

    Figure  5.  Complete pectoral fins structure

    图  6  摆旋驱动完整胸鳍

    Figure  6.  Swinging drive complete pectoral fins

    图  7  分体胸鳍鳍板结构

    Figure  7.  Split pectoral fin stucture

    图  8  摆旋驱动分体胸鳍

    Figure  8.  Swinging drive split pectoral fin

    图  9  循环水槽实验平台

    Figure  9.  Circulating water tank experimental platform

    图  10  摆旋机构二维原理图

    Figure  10.  Two dimensional diagram of swing structure

    表  1  循环水槽参数

    Table  1.   Circulating water tank parameters

    流速/(m/s)精度/(m/s)
    0.05~0.5±0.01
    0.5~1.0±0.02
    1.0~1.2±0.03
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    表  2  六维力/力矩传感器参数

    Table  2.   Six dimensional force/torque sensor parameters

    传感器型号量程 分辨率
    FxFy/NFz/NTxTy/NmTz/NmFxFy/NFz/NTxTy/NmTz/Nm
    SI-125-3 125 500 3 3 1/48 1/16 1/1 320 1/2 640
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    表  3  推力对比曲线

    Table  3.   Thrust comparison curve

    幅值/(°)前游推力对比倒游推力对比
    20
    30
    40
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    表  4  推力等效效率对比曲线

    Table  4.   Thrust equivalent efficiency comparison curve

    幅值/(°)前游等效效率倒游等效效率
    20
    30
    40
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-06
  • 修回日期:  2024-01-04
  • 录用日期:  2024-01-05
  • 网络出版日期:  2024-01-16

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