πlk 2
L
) ]
( 1)
式中 : l为沿 x 轴正方向的鳍面基线长度 ; L 为 l最大 值 ; s为沿 y 轴正方向的鳍条长度 , θ为鳍条绕其基 点摆动时与 y 轴正方向的夹角 ; θ 最大值 ; ω max为 θ ε 为鳍条摆动的频率 ; 0 为鳍条摆动的初始相位 ; k 为 模拟的完整波形的个数 , 一般取 k = 1 ～115, 即呈现 一个至一个半完整的波形 。 鉴于前述的仿生学观测及数学描述 , 所设计的 模拟波动鳍运动的仿生推进器由 n ( n ∈N ) 个可独 立运动的鳍条摆动装置模块及相应的驱动阀路组 成 , 这些鳍条摆动装置模块在驱动阀路的作用下有 序摆动而形成波动鳍面 。首先设计鳍条摆动装置如 图 3 所示 , 其为一个扁平状摆动液压缸 , 内 、 外摆杆 (外摆杆又称为鳍条 ) 通过转轴连接 。通过交替对 油孔 1 和油孔 2 注入高压液压油 , 即可推动摆杆作 往复摆动 。其次设计一个能够控制流体驱动这 n 根 [ 10 ] 鳍条的方向阀 , 即旋转式分配阀 , 如图 4 所示 。 旋转式分配阀主体直径方向上的一对支路油孔连接 单根鳍条摆动装置上的两个油孔 。
1 波动鳍结构
如图 1 所示 ,根据对仿生对象“ 尼罗河魔鬼 ” 鱼 活体的游动过程的观察 ,对其波动鳍的结构及其波动 运动推进过程中的性状做出进一步的描述如下 : 鳍面 附着在鱼体背部上的基线为一条曲线 ; 鳍面上每根鳍 条绕基线上相应连接点摆动的幅度不一定相同 ,在一 定范围内受鱼体肌肉的控制 ,并与当前水流压力有 关 ;在稳态巡游过程中 ,每根鳍条的摆动规律基本固 [ 7, 8 ] [9] 定 。鳍面各个参数的数学描述如图 2所示 。 波动鳍曲面形状的表达式为
(国防科技大学 机电工程与自动化学院 ,长沙 410073)
徐海军
摘 要 : M PF 推进模式鱼类的高效 、 低扰动游动特性 ,逐渐受到水下机器人研究者的广泛关注 。以 “ 尼罗河魔鬼 ” 鱼的柔性长背鳍为仿生对象 ,设计了一种液压驱动的模拟柔性长背鳍波动运动的仿 生推进器 。详细介绍了该仿生推进器的结构和工作原理 , 并建立了相应的运动学模型 。在 MAT2 LAB 中 ,根据运动学模型分析了鳍条高度 、 鳍面基线的不同组合下鳍面的运动效果 。初步开展了 该仿生推进器试验装置的试验 。计算仿真和试验结果表明 : 液压驱动的仿生推进器运行流畅 、 结构 和运动参数调整有效 ,完全可以模拟仿生对象的运动 。 关 键 词 : 液压驱动 ; 波动鳍 ; 仿生推进器 ; 阀 ; 运动学 中图分类号 : TH122 文献标识码 : A 文章编号 : 1003 2 8728 ( 2010 ) 09 2 1243 2 05
式中 :φi 为第 i根鳍条相对于第 1 根鳍条的初始相 π 位 ,φi = ・ i。
图 5 波动鳍仿生推进器n源自213 波动鳍整体形状方程
2 仿生推进器运动学建模 211 旋转式分配阀建模
对于旋转式分配阀 , 其作用是将进油管输入的 液压油通过内部管道结构分时 、 有序地分配到 n 个 相邻的支路油管中 , 并收受另外 n 个相邻的支路油 管的回油 。设输入流量为 Q in , 输出流量为 Qout , 第 i
[ 3, 4 ]
,具有效率高 、 流场扰动小等显著特点 。受
此启发可知 ,当仿生推进器采用 M PF 推进模式 , 载 体主体可以不发生变形 , 这一特点十分适合特殊外 形的水下航行器高机动 、 高隐蔽性等特殊要求
[5]
收稿日期 : 2009 09 17 基金项目 : 国防基础科研项目 (D28200613 ) 和国家自然科学基金项 目 ( 60805037) 资助 作者简介 : 徐海军 ( 1981 - ) ,博士研究生 , 研究方向为水下机器人技 术、 新型机械传动技术 、 虚拟样机技术等 , xuhaijun - 1999
Abstract: The fish in median and /or paired fins (M PF ) mode has excellent s w imm ing characteristics of high effi2 ciency, high speed and low disturbance, which has been attracting more and more researchers′ interest . In this pa2 per, a hydraulic 2driven bionic thruster is designed to im itate the fish Gymnarchus niloticus′ s long2flexible undulate fin. The kinem atic model of the bionic thruster is built up after a detailed study of its structure and mechanism. In MATLAB , w ith the kinem atic model, some comparative analysis has been carried out on the thruster under several combinations of different ribbin length and baseline shape. In addition, p rim ary experim ents have been done on the bionic thruster . The results of sim ulation and experim ents revealed that the bionic thruster works s moothly, and its structure and kinem atic parameters are controllable. kind of bionic thruster is feasible. Key words: hydraulic trans m ission; undulate fin; bionic thruster; valve; kinematics It also p roves theoretically and experi m entally that this new
x ( l, s, t) = l
θ( s, t) ) = scos[ θ ωt +ε y ( l, s, t) = scos ( max sin ( 0 θ( s, t) ) = s sin [ θ ωt +ε z ( l, s, t) = s sin ( max sin ( 0 -
πlk 2
L
) ]
・1 2 4 4 ・
机械科学与技术
第 29 卷
地对多个运动模块进行周期性 、 有序地驱动 。常见 的驱动方式为采用伺服电机 (舵机 ) 在电信号的控 制下 ,对单个运动模块进行驱动 ,这种方式一般在验 证功能 、 获取实验数据的时候采用 。作为进一步提 高推进能力的尝试 , 还有一种采用凸轮机构的波动 鳍仿生推进器 ,其可以在一定的结构参数固定下 ,简 [6] 化系统结构 。从已有的试验结果看 , 前述两 种 M PF模式仿生推进器主要存在驱动能力不足 、 驱动 结构无法更改 、 不推进时流体阻力系数高等不足 。 为进一步促进波动鳍仿生推进的机理研究和试 验分析 ,提高波动鳍仿生推进器的推进能力 ,设计了 一种基于液压驱动的波动鳍仿生推进器 。该仿生推 进器不仅能够装载不同长度的鳍条 , 而且运动模块 的空间位置可以根据载体的设计需求调整 。在液压 系统的驱动下 ,每根鳍条可以承受不同的负载 ,从而 使得该仿生推进器所呈现的波形能够被动地适应外 界负载的变化 。这两个特点使得液压驱动的仿生推 进器无论是结构上还是运动功能上 , 都具一定的 “ 柔性 ” 特性 ,这对于仿生对象推进性能的提高具有 相当的重要性 。
D esign and K i n ema tic Ana lysis of a B ion ic Thruster D r iven by a Hydraulic System
Xu Haijun, Pan Cunyun, Zhang Daibing, Xie Haibin
(College of M echatronic Engineering and Automation, National University of Defense Technology, Changsha 410073)
式中 :φ0 为由阀芯的转动引起的相邻两个支路油孔 π 2・ 的流量相位差 ,φ ・k。 0 =
n
212 鳍条摆动装置建模
图 4 旋转式流体分配阀
如图 5 所示 , 将 n 个鳍条摆动装置模块按仿生 对象鳍条基线形状排列好并用一个长条状支架固 定 , 然后将其分别连接到旋转式流体分配阀周向上 的 n 对支路油孔上 , 通过鳍条夹持具有一定弹性的 乳胶皮作为鳍面蒙皮 。当向旋转式流体分配阀连续 注入高压液压油 , 并用伺服电机驱动旋转式分配阀 转动时 , 鳍条即呈现有相位差的有序摆动 ,带动鳍面 [ 11 ] 蒙皮呈现波形 。
b, 由于流体不可压缩 , 则可以得到如下方程 q d t = b・ ( R ∫
t1 i t 2 [ 12 ～14 ]
。
2
- r ) ・ ωi d t
t1
2
∫
t 2
即
qi = ωi ・ ( R - r ) ・b
2 2
( 4)
根据公式 ( 3 )有 ωi =
qi (R - r ) b
2 2
= Q in n ( 5)
sign ( sin (ω t +φ0 ( i - 1 ) ) )
(R - r ) b
2 2
设第 i根鳍条长度为 li , 鳍条与内摆杆转动角度 相同 , 则在 t时刻鳍条上末端点的坐标为 ( xi , yi , zi ) xi = D ・ i