CN108394542B - 一种波浪能驱动的仿蝠鲼水下推进装置 - Google Patents

一种波浪能驱动的仿蝠鲼水下推进装置 Download PDF

Info

Publication number
CN108394542B
CN108394542B CN201810219156.7A CN201810219156A CN108394542B CN 108394542 B CN108394542 B CN 108394542B CN 201810219156 A CN201810219156 A CN 201810219156A CN 108394542 B CN108394542 B CN 108394542B
Authority
CN
China
Prior art keywords
flexible
wave
propulsion device
flexible pectoral
underwater propulsion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810219156.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108394542A (zh
Inventor
龚也君
黄梓维
詹杰民
蔡文豪
胡文清
潘小殷
罗莹莹
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sun Yat Sen University
Original Assignee
Sun Yat Sen University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sun Yat Sen University filed Critical Sun Yat Sen University
Priority to CN201810219156.7A priority Critical patent/CN108394542B/zh
Publication of CN108394542A publication Critical patent/CN108394542A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108394542B publication Critical patent/CN108394542B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H19/00—Marine propulsion not otherwise provided for
    • B63H19/02—Marine propulsion not otherwise provided for by using energy derived from movement of ambient water, e.g. from rolling or pitching of vessels
    • B63H19/04—Marine propulsion not otherwise provided for by using energy derived from movement of ambient water, e.g. from rolling or pitching of vessels propelled by water current
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T70/00—Maritime or waterways transport
    • Y02T70/50—Measures to reduce greenhouse gas emissions related to the propulsion system
    • Y02T70/5218—Less carbon-intensive fuels, e.g. natural gas, biofuels
    • Y02T70/5236—Renewable or hybrid-electric solutions

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Other Liquid Machine Or Engine Such As Wave Power Use (AREA)
  • Revetment (AREA)

Abstract

本发明涉及一种波浪能驱动的仿蝠鲼水下推进装置，其与水面浮体分别设于柔性脐带缆的两端以构成波浪滑翔器，所述水下推进装置包括与柔性脐带缆连接的固定架，固定架的两侧分别设有柔性胸鳍，且柔性胸鳍为仿蝠鲼胸鳍结构。当水面浮体随波浪上浮时，柔性脐带缆拉拽水下推进装置上升，柔性胸鳍在势能作用下向下摆动，将上升运动转换成向前运动；当水面浮体随波浪下沉时，水下推进装置在自身重力作用下下潜，柔性胸鳍在势能作用下往上摆动，将下降运动转换成向前运动。通过柔性胸鳍与水流的相互作用，驱动水下推进装置向前运动，相对于现有波浪滑翔器的下层滑翔机构，能避免翼板之间的相互绕流影响，进一步提高波浪能转换效率。

Description

一种波浪能驱动的仿蝠鲼水下推进装置
技术领域
本发明涉及波浪能利用与仿生推进技术领域，更具体地，涉及一种波浪能驱动的仿蝠鲼水下推进装置。
背景技术
海洋环境观测技术对于保护开发海洋环境与资源、维护国家海洋权益、增强国家海洋军事与科技实力具有重要的意义。目前应用于海洋水下观测的装备主要包括浮标、潜标、海床基、考察船以及螺旋桨推进的水下机器人和水下滑翔机。随着人类活动向深海、远海的深入，海洋环境观测技术也不断提出新的要求。
无人水面机器人可用于执行危险以及不适合有人船只执行的任务，包括科研、探测、搜救、导航和勘察等。波浪滑翔器作为一种较新的无人水面机器人，利用波浪能向前推进，较传统的水面机器人具有能耗低，续航能力强，噪音小等优点。且经过多次实践应用，技术已经相对成熟，目前已被应用于监测海洋环境要素、海洋灾害预报、海洋科学研究等。
1993年至2000年，美国麻省理工学院研制出名为ARTEMIS的小型无人水面机器人，并完成升级与水中测试。随后，无人水面机器人开始迅速发展。2005年，Roger Hine成立Liquid Robotics公司开始民用与军用波浪滑翔器的研制，并已累计进行数万公里海试。其中下层滑翔机构的转动关节水翼阵列是最为关键的一个部件。理论上，翼板对数越多,下层滑翔机构的推进力越大，但翼板之间存在相互绕流影响,且不能忽略不计,翼板对数越多，翼板之间的相互绕流影响越严重，这大大限制了波浪能的转化效率，使得波浪滑翔器的应用很难突破原有设计波浪转化效率的限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种波浪能驱动的仿蝠鲼水下推进装置，相对于现有波浪滑翔器的下层滑翔机构，能避免翼板之间的相互绕流影响，进一步提高波浪能转换效率。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
提供一种波浪能驱动的仿蝠鲼水下推进装置，其与水面浮体分别设于柔性脐带缆的两端以构成波浪滑翔器，所述水下推进装置包括与柔性脐带缆连接的固定架，固定架的两侧分别设有柔性胸鳍，且柔性胸鳍为仿蝠鲼胸鳍结构。
柔性胸鳍使用纯弹性材料制作，内部质量均匀分布。
上述方案中，当水面浮体随波浪上浮时，柔性脐带缆拉拽水下推进装置上升，柔性胸鳍在势能作用下向下摆动，将上升运动转换成向前运动；当水面浮体随波浪下沉时，水下推进装置在自身重力作用下下潜，柔性胸鳍在势能作用下往上摆动，将下降运动转换成向前运动。本发明通过柔性胸鳍与水流的相互作用，驱动水下推进装置向前运动，以实现滑翔，相对于现有波浪滑翔器的下层滑翔机构，能避免翼板之间的相互绕流影响，进一步提高波浪能转换效率；且无需安装电机等主动驱动柔性胸鳍上下摆动的装置，极大地提高波浪滑翔器的续航能力。
优选地，柔性胸鳍为硅胶结构或橡胶结构。可根据需求使用硬度不同的硅胶或橡胶材料，硬度较大的材料弹性形变较小，力学性能与耐腐蚀性能不同，可适应不同海况的需求。
优选地，在柔性胸鳍的展向方向上，柔性胸鳍的纵向厚度逐渐变薄。展向为从固定架两侧向垂直于固定架长度方向延伸的方向；厚度的差异，使得内部质量均匀分布的柔性胸鳍可以在势能作用下，在展向产生大的弯曲形变，以使柔性胸鳍摆动更顺利地产生推力，进而使滑翔器更顺利地滑翔。
优选地，柔性胸鳍在垂直于展向方向上的长度沿展向逐渐变小。这样设置通过逐渐减小在展向方向上的覆盖面，使得柔性胸鳍在势能作用下摆动更顺畅，进而使滑翔器更顺利地滑翔；另外，这样设置也能减少水流对滑翔器滑翔时的阻力。
优选地，柔性胸鳍的形状可根据需要调整，模仿不同类型蝠鲼的几何外形。如萨宾河魟的胸鳍较薄，摆动时胸鳍径向产生扭摆，形成波动推进方式；大西洋牛鼻鲼的胸鳍较厚，摆动时胸鳍波动较小，近似于拍打推进方式。不同形状的柔性胸鳍形状的稳定性能存在一定差异，可适应不同探测需求。
优选地，一对柔性胸鳍对称分布于固定架的两侧。这样设置使水下滑翔机结构对称，重心位于固定架上，便于提高滑翔时的稳定性。
优选地，柔性胸鳍的尺寸可根据需要调整。尺寸较大的柔性胸鳍在势能作用下的摆动形变更为剧烈，产生的推力更大。
优选地，柔性胸鳍与固定架连接的边缘为流线形结构，且该流线形结构凸向水面浮体方向。这样设置使得柔性胸鳍在固定架长度方向上的位置不在同一水平面，也呈流线形结构，便于在水流的作用下摆动更顺畅。
优选地，柔性胸鳍在展向方向上的边缘为流线形结构。这样设置能减少水流对滑翔器滑翔时的阻力，提高波浪能转换效率。
优选地，固定架上设有用于安装其他结构的缺口。该缺口的设置便于安装舵体、测量仪器等装置。
优选地，连接结构与固定架连接。这样设置便于提高滑翔时的稳定性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明一种波浪能驱动的仿蝠鲼水下推进装置，当水面浮体随波浪上浮时，柔性脐带缆拉拽水下推进装置上升，柔性胸鳍在势能作用下向下摆动，将上升运动转换成向前运动；当水面浮体随波浪下沉时，水下推进装置在自身重力作用下下潜，柔性胸鳍在势能作用下往上摆动，将下降运动转换成向前运动，通过柔性胸鳍与水流的相互作用，驱动水下推进装置向前运动，以实现滑翔，相对于现有波浪滑翔器的下层滑翔机构，能避免翼板之间的相互绕流影响，进一步提高波浪能转换效率；且无需安装电机等主动驱动柔性胸鳍上下摆动的装置，极大地提高波浪滑翔器的续航能力；柔性胸鳍采用纯弹性材料制作，耐海水腐蚀，制作成本低，更换容易。
附图说明
图1为本实施例一种波浪能驱动的仿蝠鲼水下推进装置的结构示意图。
图2为该滑翔器与水流作用时的推进原理图。
图3为本实施例中柔性胸鳍受力时的结构变形模拟图，视角为侧视状态。
图4为本实施例中柔性胸鳍受力时的结构变形模拟图，视角为俯视状态。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例
本实施例一种波浪能驱动的仿蝠鲼水下推进装置，如图1所示，其与水面浮体2分别设于柔性脐带缆1的两端以构成波浪滑翔器，所述水下推进装置3包括与柔性脐带缆1连接的固定架31，固定架31的两侧分别设有柔性胸鳍32，且柔性胸鳍32为仿蝠鲼胸鳍结构。
本实施例中，柔性胸鳍32使用纯弹性材料制作，内部质量均匀分布。
如推进原理图图2所示，当水面浮体2随波浪上浮时，柔性脐带缆1拉拽水下推进装置3上升，柔性胸鳍32在势能作用下向下摆动，将上升运动转换成向前运动；当水面浮体2随波浪下沉时，水下推进装置3在自身重力作用下下潜，柔性胸鳍32在势能作用下往上摆动，将下降运动转换成向前运动。本发明通过柔性胸鳍32与水流的相互作用，驱动水下推进装置3向前运动，以实现滑翔，相对于现有波浪滑翔器的下层滑翔机构，能避免翼板之间的相互绕流影响，进一步提高波浪能转换效率；且无需安装电机等主动驱动柔性胸鳍32上下摆动的装置，极大地提高滑翔器的续航能力。
如图3和图4所示，柔性胸鳍32在一定压力作用下，产生展向弯曲变形，且在俯视图图4中柔性胸鳍32尖端偏离初始位置，这与自然界蝠鲼的胸鳍变形非常类似，也是柔性胸鳍32摆动能将升降运动转化为向前运动的关键。
其中，柔性胸鳍32为硅胶结构或橡胶结构。可根据需求使用硬度不同的硅胶或橡胶材料，硬度较大的材料弹性形变较小，力学性能与耐腐蚀性能不同，可适应不同海况的需求。
另外，在柔性胸鳍32的展向方向上，柔性胸鳍32的纵向厚度逐渐变薄。展向为从固定架31两侧向垂直于固定架31长度方向延伸的方向；厚度的差异，使得内部质量均匀分布的柔性胸鳍可以在势能作用下，在展向产生大的弯曲形变，以使柔性胸鳍32摆动更顺利地产生推力，进而使滑翔器更顺利地滑翔。
其中，柔性胸鳍32在垂直于展向方向上的长度沿展向逐渐变小。这样设置通过逐渐减小在展向方向上的覆盖面，使得柔性胸鳍32在势能作用下摆动更顺畅，进而使滑翔器更顺利地滑翔；另外，这样设置也能减少水流对滑翔器滑翔时的阻力。
另外，柔性胸鳍32的形状可根据需要调整，模仿不同类型蝠鲼的几何外形。如萨宾河魟的胸鳍较薄，摆动时胸鳍径向产生扭摆，形成波动推进方式；大西洋牛鼻鲼的胸鳍较厚，摆动时胸鳍波动较小，近似于拍打推进方式。不同形状的柔性胸鳍形状的稳定性能存在一定差异，可适应不同探测需求。
其中，一对柔性胸鳍32对称分布于固定架31的两侧。这样设置使水下滑翔机结构对称，重心位于固定架31上，便于提高滑翔时的稳定性。
另外，柔性胸鳍32的尺寸可根据需要调整。尺寸较大的柔性胸鳍32在势能作用下的摆动形变更为剧烈，产生的推力更大。
其中，柔性胸鳍32与固定架31连接的边缘为流线形结构，且该流线形结构凸向水面浮体2方向。这样设置使得柔性胸鳍32在固定架31长度方向上的位置不在同一水平面，也呈流线形结构，便于在水流的作用下摆动更顺畅。
另外，柔性胸鳍32在展向方向上的边缘为流线形结构。这样设置能减少水流对滑翔器滑翔时的阻力，提高波浪能转换效率。
其中，固定架31上设有用于安装其他结构的缺口33。该缺口33的设置便于安装舵体、测量仪器等装置。
另外，连接结构1与固定架31连接。这样设置便于提高滑翔时的稳定性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种波浪能驱动的仿蝠鲼水下推进装置，其与水面浮体(2)分别设于柔性脐带缆(1)的两端以构成波浪滑翔器，其特征在于，所述水下推进装置(3)包括与柔性脐带缆(1)连接的固定架(31)，固定架(31)的两侧分别设有柔性胸鳍(32)，且柔性胸鳍(32)为仿蝠鲼胸鳍结构；
柔性胸鳍(32)与固定架(31)连接的边缘为流线型结构，且该流线型结构凸向水面浮体(2)方向；
柔性胸鳍(32)使用纯弹性材料制作，内部质量均匀分布；
当水面浮体(2)随波浪上浮时，柔性脐带缆(1)拉拽水下推进装置上升，柔性胸鳍(32)在势能作用下向下摆动，将上升运动转换成向前运动：当水面浮体(2)随波浪下沉时，水下推进装置在自身重力作用下下潜，柔性胸鳍(32)在势能作用下往上摆动，将下降运动转换成向前运动；
柔性胸鳍(32)的形状可根据需要调整，模仿不同类型蝠鲼的几何外形；
柔性胸鳍(32)在一定压力作用下，产生展向弯曲变形，且柔性胸鳍(32)尖端偏离初始位置。
2.根据权利要求1所述的一种波浪能驱动的仿蝠鲼水下推进装置，其特征在于，柔性胸鳍(32)为硅胶结构或橡胶结构。
3.根据权利要求1所述的一种波浪能驱动的仿蝠鲼水下推进装置，其特征在于，在柔性胸鳍(32)的展向方向上，柔性胸鳍(32)的纵向厚度逐渐变薄。
4.根据权利要求1所述的一种波浪能驱动的仿蝠鲼水下推进装置，其特征在于，柔性胸鳍(32)的弦长沿展向逐渐变小。
5.根据权利要求1所述的一种波浪能驱动的仿蝠鲼水下推进装置，其特征在于，一对柔性胸鳍(32)对称分布于固定架(31)的两侧。
6.根据权利要求1所述的一种波浪能驱动的仿蝠鲼水下推进装置，其特征在于，柔性胸鳍(32)在展向方向上的边缘为流线型形结构。
7.根据权利要求1所述的一种波浪能驱动的仿蝠鲼水下推进装置，其特征在于，固定架(31)上设有用于安装其他结构的缺口(33)。
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种波浪能驱动的仿蝠鲼水下推进装置，其特征在于，连接结构与固定架(31)连接。
CN201810219156.7A 2018-03-16 2018-03-16 一种波浪能驱动的仿蝠鲼水下推进装置 Active CN108394542B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810219156.7A CN108394542B (zh) 2018-03-16 2018-03-16 一种波浪能驱动的仿蝠鲼水下推进装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810219156.7A CN108394542B (zh) 2018-03-16 2018-03-16 一种波浪能驱动的仿蝠鲼水下推进装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108394542A CN108394542A (zh) 2018-08-14
CN108394542B true CN108394542B (zh) 2021-03-30

Family

ID=63091934

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810219156.7A Active CN108394542B (zh) 2018-03-16 2018-03-16 一种波浪能驱动的仿蝠鲼水下推进装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108394542B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109387352A (zh) * 2018-11-12 2019-02-26 江苏科技大学 一种用于波浪驱动无人水面机器人的实验平台
CN109436267B (zh) * 2018-11-27 2020-06-26 中国人民解放军92578部队 用于水下无人平台的洋流推进方法
CN110920814B (zh) * 2019-10-28 2024-02-23 中国海洋大学 一种单体结构波浪滑翔器
CN110775234A (zh) * 2019-11-25 2020-02-11 西北工业大学 一种仿生扑翼水下滑翔器构型
CN111102969A (zh) * 2019-12-27 2020-05-05 自然资源部第三海洋研究所 一种海洋噪声源同步邻近记录装置
CN113291419B (zh) * 2021-05-13 2022-06-21 浙江大学 一种利用微幅波发电的波浪滑翔机及放大机构
CN114464071B (zh) * 2022-03-09 2022-09-30 中山大学 一种仿生蝠鲼模型的稳定释放装置

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120029004A (ko) * 2006-01-20 2012-03-23 리퀴드 로보틱스, 아이엔씨. 웨이브 파워
CN103274039A (zh) * 2013-06-03 2013-09-04 中国电子科技集团公司第三十六研究所 水下滑翔推进器
CN204701760U (zh) * 2015-05-18 2015-10-14 陈丽芬 一种扑翼型仿生水下机器人
CN104943839B (zh) * 2015-07-16 2017-04-19 北京航空航天大学 一种基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人
CN105129055B (zh) * 2015-09-09 2017-03-29 北京南风科创应用技术有限公司 一种rov和一种水下扫描方法
CN106005332A (zh) * 2016-06-02 2016-10-12 上海交通大学 振荡式蹼形推进装置
CN107100786A (zh) * 2017-06-27 2017-08-29 哈尔滨工程大学 缓冲自发电式波浪推进器
CN107323638A (zh) * 2017-06-29 2017-11-07 上海海洋大学 一种仿生蝠鲼装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN108394542A (zh) 2018-08-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108394542B (zh) 一种波浪能驱动的仿蝠鲼水下推进装置
KR101221698B1 (ko) 웨이브 파워
Cai et al. Design and experiments of a robotic fish imitating cow-nosed ray
WO2021012914A1 (zh) 基于海洋牧场水下环境探测的仿生柔性线驱动蝠鲼
US8287323B2 (en) Wave power components
KR20120029004A (ko) 웨이브 파워
Cai et al. Design optimization of a bionic fish with multi-joint fin rays
Fish et al. Stabilization mechanism in swimming odontocete cetaceans by phased movements
CN113428329A (zh) 一种仿类蝙蝠鱼推进方式的水下机器人
CN102678435A (zh) 双向文丘里流体增压鱼摆尾推进桨轮透平机
Arima et al. Development of a solar-powered underwater glider
Cai et al. Design of a robotic fish propelled by oscillating flexible pectoral foils
Xing et al. Wave devouring propulsion: An overview of flapping foil propulsion technology
CN115230925A (zh) 数控可变波形的多关节柔性水下仿生推进器及其控制方法
CN203975197U (zh) 多组合推进式柔性仿生机器鱼
Cui et al. Review of research and control technology of underwater bionic robots
Mannam et al. Biological propulsion systems for ships and underwater vehicles
Brower Design of a manta ray inspired underwater propulsive mechanism for long range, low power operation
Ge et al. Design and analysis of wire-driven tail fin for bionic underwater glider
Ci et al. Design and operation optimization of the flapping fin for AUV propulsion
CN103950529A (zh) 一种水下驱动联动装置
CN113682435A (zh) 一种多连杆式新型波浪滑翔器
CN111924039A (zh) 一种水下高速拖体
CN205669453U (zh) 一种振荡式非对称结构推进装置
Fu et al. Design, development and testing of a new solar-powered bionic underwater glider with multi-locomotion modes

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant