CN113155410B - 一种鳍面性能测试实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种鳍面性能测试实验装置，支承总成分别与水箱以及水箱内设置的测量总成和调节总成连接，测量总成用于测量推进总成运动过程中产生的推进力和推进力矩；调节总成的俯仰调节轴上端与测量总成连接，下端经俯仰调节支撑板与偏转调节座连接，偏转调节座设置在俯仰调节支撑板的两端，分别经偏转锁紧块与偏转调节块的两端连接，偏转调节座和偏转调节块配合，通过偏转锁紧块实现圆周方向固定，偏转调节块的下侧经推进总成与鳍面连接，调节总成用于实现鳍面的俯仰角度调节、偏转角度调节、单鳍和对鳍拓展转换、鳍面舵机间距调节和舵机数量拓展。本发明可以实现鳍面俯仰角度和偏转角度的精确调节，满足鳍面与水流不同角度下的性能测试。

Description

一种鳍面性能测试实验装置

技术领域

本发明属于仿生机器人性能测试技术领域，具体涉及一种鳍面性能测试实验装置。

背景技术

海洋环境中蕴含丰富的资源，随着现代科学技术的蓬勃发展，海洋探索逐步成为海洋科技领域中的重要角色，各国纷纷把海洋资源的探索作为国家发展战略，对于海洋的探测、开发和利用已成为各国科学家的研究重点，同时还在不断加大海洋研究和开发力度。水下机器人作为一种综合人工智能和先进计算机技术的任务控制器，能高效地帮助人类探测、开发和利用海洋资源。

作为水下机器人关键技术之一，水下推进技术一直都是国内外研究者关注的重点，目前实用的推进方式仍以多螺旋桨推进为主。为了适应开发和利用海洋资源的新需求，各国学者都在积极寻找高效、机动灵活的水下推进方式，基于仿生学研究发现，绝大部分鱼类游动效率达到80％以上，并且具备高超的游动技能。在此启发下，科研人员将水下推进器的研究拓展到模拟水下生物游动的仿生推进。根据游动器官不同，国际上较为权威的关于鱼类推进模式的分类是将其分为身体/尾鳍(Body and/or Caudal Fin，BCF)模式和中央鳍/对鳍(Median and/or Pair Fin，MPF)模式两大类，其中MPF模式根据推进方式的不同，又可分为摆动鳍方式和波动鳍方式。由于模仿鱼类MPF模式推进的水下仿生机器人无需载体本身参与推进过程，能起到简化设计结构的作用，还可在姿态灵活操作的同时，有效的避免因身体摆动导致形体阻力增加，因此MPF运动模式由于其结构和运动方式的独特性，使其在水下机器人仿生推进中得到广泛的关注。

鳍面作为MPF推进模式中的关键部件之一，其性能的好坏直接决定了MPF模式推进的水下机器人运动性能，因此对鳍面性能的研究具有重要意义。对于波动鳍鳍面实验研究，不同鳍面角度对于推进器性能有重要影响，但是现有鳍面实验装置缺乏鳍面多角度实验调节以及单鳍或对鳍拓展实验的功能。

因此，为了解决现有仿生波动鳍鳍面实验装置存在的缺乏鳍面多角度实验调节以及单鳍或对鳍拓展实验的功能，对具有多角度调节功能的仿生波动鳍鳍面性能测试实验装置研究具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种鳍面性能测试实验装置，解决现有仿生波动鳍鳍面实验装置存在的缺乏鳍面多角度实验调节以及单鳍或对鳍拓展实验的功能。

本发明采用以下技术方案：

一种鳍面性能测试实验装置，包括支承总成，支承总成设置在水箱的上部，分别与水箱以及水箱内设置的测量总成和调节总成连接，测量总成经调节总成与推进总成连接，测量总成用于测量推进总成运动过程中产生的推进力和推进力矩；调节总成包括俯仰调节轴，俯仰调节轴的上端与测量总成连接，下端经俯仰调节支撑板与偏转调节座连接，偏转调节座设置在俯仰调节支撑板的两端，分别经偏转锁紧块与偏转调节块的两端连接，偏转调节座和偏转调节块配合，通过偏转锁紧块实现圆周方向固定，偏转调节块的下侧经推进总成与鳍面连接，调节总成用于实现鳍面的俯仰角度调节、偏转角度调节、单鳍和对鳍拓展转换、鳍面舵机间距调节和舵机数量拓展。

具体的，俯仰调节轴呈半圆柱结构，两端沿半圆柱平面开有供锁紧块旋转滑动的圆弧槽，沿圆弧面设有供锁紧块固定螺钉移动的凹槽，俯仰调节轴的两端面刻有角度刻度。

进一步的，俯仰调节轴和俯仰调节支撑板之间设置有俯仰调节座，俯仰调节座的上部设有与俯仰调节轴相同半径的圆弧面，俯仰调节座两长边中部设有供锁紧块固定螺钉穿过的通孔，俯仰调节轴能够沿俯仰调节座转动。

具体的，推进总成包括多个舵机固定架，多个舵机固定架间隔设置在偏转调节块上，每个舵机固定架对应连接一个舵机，每个舵机的输出轴依次经对应的舵机臂与鳍条的一端连接，每个鳍条的另一端分别与鳍面连接。

进一步的，偏转调节块的下部通过卡槽与舵机固定架连接，并通过螺栓进行定位，偏转调节块的上部通过偏转锁紧块与偏转调节座连接。

更进一步的，偏转调节块下部设置的卡槽为燕尾槽结构，舵机固定架上对应设置有燕尾结构。

具体的，偏转调节座的下部开有大于°的圆弧孔，沿圆弧孔的弧线环向设有卡槽，卡槽间隔°设置，偏转调节块上部为圆柱结构，圆柱结构的直径与偏转调节座下部圆弧孔的直径相同，沿圆柱结构的弧线环向设有与偏转调节座圆弧孔的弧线环向相同的卡槽。

进一步的，偏转调节座的两侧面均开有与下部相同特征的圆弧孔。

具体的，测量总成包括六轴传感器，六轴传感器设置在传感器固定连杆上，一端与俯仰调节轴连接，传感器固定连杆的一端与支撑总成连接，另一端与俯仰调节支撑板固定连接。

具体的，支撑总成包括承梁，承梁上间隔设置有横向滑块，横向滑块通过横向导轨与行架连接，行架的两端分别通过纵向导轨与水箱连接。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种鳍面性能测试实验装置，能够实现波动鳍鳍面实验过程中鳍面俯仰角度和偏转角度的精确调节，满足鳍面与水流不同角度下的鳍面性能测试；也可以实现舵机数量和舵机之间的间距可拓展装配调节，实现不同参数的鳍面测试；也可以实现单鳍测试，也可以实现对鳍测试，实现对波动鳍鳍面性能的综合测试。

进一步的，通过俯仰调节轴半圆柱结构以及两端面刻有角度刻度实现波动鳍鳍面实验过程中鳍面俯仰角度精确调节。

进一步的，设置的俯仰调节座为俯仰调节轴转动提供旋转基座。

进一步的，推进总成依靠舵机带到鳍条摆动，鳍条带动鳍面运动，产生推力，通过舵机输出频率实现不同运动状态下波动鳍鳍面性能测试。

进一步的，偏转调节块下部通过卡槽与舵机固定支架连接，可实现舵机固定支架安装间距和安装数量的条件，满足鳍面参数下舵机数量和舵机间距的条件，偏转调节块上部通过偏转锁紧块与偏转调节座连接，实现偏转调节块的周向定位，通过调节偏转调节块，实现波动鳍鳍面不同偏转角度下鳍面性能测试。

进一步的，偏转调节块卡槽为燕尾槽结构，可以实现舵机固定架的稳定精确定位。

进一步的，偏转调节座圆弧孔与偏转调节块圆柱结构配合安装，可以沿圆周方向偏转调节，实现波动鳍鳍面不同偏转角度的性能测试。

进一步的，偏转调节座两侧面均开有与下部相同特征的圆弧孔，实现从单鳍到对鳍测试的拓展。

进一步的，测量总成六轴传感器可以实现波动鳍鳍面在任何角度条件下推进力和推进力矩测试。

进一步的，撑总成承载固定整个实验台架，横向滑块可沿横向导轨调节移动，实现波动鳍横向安装位置调节，行架下部连接纵向滑块，可沿纵向导轨纵向移动，实现波动鳍鳍面纵向安装位置调节。

综上所述，本发明可以实现鳍面俯仰角度和偏转角度的精确调节，满足鳍面与水流不同角度下的性能测试，舵机数量和舵机之间的间距可拓展调节，实现不同参数的鳍面测试；可以实现单鳍测试，也可以实现对鳍测试。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明俯仰调节机构示意图；

图3为本发明俯仰调节座结构示意图；

图4为本发明俯仰调节轴结构示意图；

图5为本发明偏转调节结构示意图。

其中：1.承梁；2.横向滑块；3.横向导轨；4.行架；5.纵向滑块；6.锁紧块固定螺钉；7.锁紧块；8.俯仰调节轴；9.俯仰调节座；10.锁紧块固定螺母；11.传感器固定连杆；12.六轴传感器；13.纵向导轨；14.俯仰调节支撑板；15.偏转调节座；16.偏转锁紧块；17.偏转调节块；18.舵机固定架；19舵机；20.舵机臂；21.鳍条；22.鳍面；23.水箱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种鳍面性能测试实验装置，通过偏转调节座和偏转调节块配合实现偏转角度的精确调节，满足鳍面与水流不同角度下的性能测试，通过舵机固定架与偏转调节块的配合，实现舵机数量和舵机之间的间距可拓展调节，实现不同参数的鳍面测试，通过偏转调节座的可拓展特征，可以实现单鳍测试，也可以实现对鳍测试，解决现有仿生波动鳍鳍面实验装置存在的缺乏鳍面多角度实验调节以及单鳍或对鳍拓展实验的功能的问题，实现鳍面性能的准确测试。

请参阅图1，本发明一种鳍面性能测试实验装置，包括支承总成，测量总成，调节总成和推进总成，支撑总成的纵向导轨13安装固定在水箱23的上部，支承总成用于承载和固定测量总成，调节总成和推进总成；测量总成、调节总成和推进总成设置在水箱23内，测量总成经调节总成与推进总成连接，测量总成用于测量推进总成运动过程中产生的推进力和推进力矩，调节总成用于实现鳍面俯仰角度调节、鳍面偏转角度调节、单鳍和对鳍拓展转换、鳍面舵机间距调节和舵机数量的拓展，实现不同参数的鳍面推进性能测量。

支撑总成包括承梁1，横向滑块2，横向导轨3，行架4，纵向滑块5，纵向导轨13；横向滑块2间隔设置在承梁1上，与行架4上的横向导轨3连接，纵向滑块5设置在行架4两端的下方，分别与水箱23上设置的纵向导轨13连接，横向滑块2与横向导轨3之间配合，通过锁紧螺钉固定，纵向滑块5与纵向导轨13之间配合通过锁紧螺钉固定。

测量总成包括传感器固定连杆11和六轴传感器12，传感器固定连杆11的一端与承梁1连接，另一端通过六轴传感器12与调节总成的俯仰调节轴8连接。

调节总成包括俯仰调节轴8，俯仰调节座9，锁紧块7，锁紧块固定螺钉6，锁紧块固定螺母10，俯仰调节支撑板14，偏转调节座15，偏转调节块17，偏转锁紧块16。

请参阅图2，俯仰调节轴8设置在俯仰调节座9内，俯仰调节轴8的上方与六轴传感器12的一端连接，俯仰调节轴8下方的俯仰调节座9设置在俯仰调节支撑板14上，锁紧块固定螺钉6的一端依次贯穿锁紧块7、俯仰调节轴8、俯仰调节座9和俯仰调节支撑板14后通过锁紧块固定螺母10紧固连接，俯仰调节轴8能够沿俯仰调节座9转动，通过俯仰调节轴8，俯仰调节座9，俯仰调节支撑板14，锁紧块7，锁紧块固定螺钉6和锁紧块固定螺母10的配合，实现调节总成俯仰角度的精确调节；俯仰调节支撑板14的两端分别连接偏转调节座15，偏转调节座15通过偏转调节块17与推进总成的舵机固定架18连接，偏转锁紧块16设置在偏转调节座15和偏转调节块17之间。

请参阅图4，俯仰调节轴8呈半圆柱结构，两端沿半圆柱平面开有供锁紧块7旋转滑动的圆弧槽，沿圆弧面设有供锁紧块固定螺钉6移动的凹槽，俯仰调节轴8的两端面刻有角度刻度。

请参阅图3，俯仰调节座9上部设有与俯仰调节轴8相同半径圆弧面，俯仰调节座9两长边中部设有供锁紧块固定螺钉6穿过的通孔，俯仰调节轴8能够沿着俯仰调节座9转动，通过俯仰调节轴8，俯仰调节座9，俯仰调节支撑板14，锁紧块7，锁紧块固定螺钉6，锁紧块固定螺母10的配合，实现调节总成俯仰角度的精确调节，进而带动鳍面俯仰调节，实现鳍面俯仰角度的精确调节；

请参阅图5，偏转调节块17的下部通过卡槽与舵机固定架18连接，偏转调节块17的上部通过偏转锁紧块16与偏转调节座15连接。

偏转调节座15的下部开有大于180°的圆弧孔，沿圆弧弧线环向设有卡槽，卡槽间隔为10°，偏转调节座15两侧面开有与下部相同特征的圆弧孔，偏转调节块17上部为圆柱结构，圆柱直径与偏转调节座15下部的圆弧孔直径相同，沿圆柱弧线环向设有与偏转调节轴弧线环向相同的卡槽，偏转调节座15和偏转调节块17配合，通过偏转锁紧块16实现圆周方向固定，实现调节总成偏转角度的调节，调节精度为10°，进而带动鳍面偏转调节，实现鳍面偏转角度的精确调节；

偏转调节块17下部为平板结构，沿平板中间开有燕尾槽结构，平板两侧开有等间距螺纹通孔；舵机固定架18上部为与偏转调节块17下部燕尾槽配合的燕尾结构，舵机固定架18两侧支出部分上开有与偏转调节块17下部平板两侧相同的螺纹通孔。

六轴传感器12与俯仰调节轴8之间配合通过垫片和螺钉固定。

俯仰调节支撑板14与偏转调节座15之间配合通过锁紧螺钉固定。

偏转调节座15与偏转调节块17直接配合，通过偏转锁紧块16实现圆周方向固定，通过锁紧螺钉实现纵向固定。

请参阅图5，推进总成包括舵机固定架18，舵机19，舵机臂20，鳍条21，鳍面22，多个舵机固定架18间隔设置在偏转调节块17上，每个舵机固定架18对应连接一个舵机19，每个舵机19通过一个舵机臂20与对应鳍条21的一端连接，鳍条21的另一端分别与鳍面22连接；推进总成通过舵机19的电源线和信号线连接外部电源和控制板，控制板根据不同的控制程序调节舵机19的摆动，舵机19的输出轴带动舵机臂20和鳍条21摆动，进而带动鳍面运动；六轴传感器12测量出鳍面运动过程中推进力和推进力矩，实现鳍面推进性能的测试。

偏转调节块17与舵机固定架18之间配合，通过锁紧螺钉和锁紧螺母实现固定。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一种鳍面性能测试实验装置的工作过程如下：

舵机19为防水舵机，舵机19与外部控制板和控制上位机连接，上位机控制控制舵机19转动，带动舵机臂20，鳍条21摆动，进而带鳍面22运动，通过控制上位机控制多个舵机按一定相位差转动，使得鳍面22呈现类正弦波形式摆动，水箱23内液面完全淹没鳍面22，鳍面22摆动过程中产生推进力和推进力矩，传递给六轴传感器12，六轴传感器12外部连接数据采集卡和采集上位机，采集并储存鳍面波动产生的推进力和推进力矩数据，实现波动鳍鳍面性能测试。通过调节偏转调节块17与偏转调节座15之间的配合角度，利用偏转锁紧块16实现周向定位，实现鳍面不同偏转角度的测试，偏转调节块17上部圆周卡槽之间间隔为10°，因此鳍面偏转调节精度为10°；通过俯仰调节轴8和俯仰调节座9之间配合，通过锁紧块固定螺钉6，锁紧块7，锁紧块固定螺母10固定，俯仰调节座9可以沿着俯仰调节轴8转动，进而带动波动鳍鳍面22俯仰转动，实现鳍面22不同俯仰角度条件下性能测试，俯仰调节精度为1°。

当偏转调节块17上部圆柱结构与偏转调节座15下部圆弧孔配合安装，舵机固定架18，舵机19，舵机臂20，鳍条21，鳍面22依次安装固定，此状态下为单鳍实验测试；当偏转调节块17上部圆柱结构分别与偏转调节座15两侧圆弧孔配合安装，舵机固定架18，舵机19，舵机臂20，鳍条21，鳍面22依次安装固定，此状态下为对鳍实验测试。

根据鳍面大小的不同，使用不同数量的舵机进行控制，舵机19安装固定在舵机固定架18上，舵机固定架18通过燕尾结构与偏转调节块17下部的燕尾槽结构配合，根据需要，使用不同数量的舵机和舵机固定架，实现不同数量的舵机拓展调节；舵机固定架18可以沿着燕尾槽移动，通过螺钉螺母定位，实现舵机间距之间的拓展调节。通过舵机数量和舵机间距之间的拓展调节，以达到满足不同鳍面参数的性能测试的目的。

综上所述，本发明一种鳍面性能测试实验装置，具有以下特点：

(1)可以实现鳍面俯仰角度和偏转角度的精确调节，满足鳍面与水流不同角度下的性能测试；

(2)舵机数量和舵机之间的间距可拓展调节，实现不同参数的鳍面测试；

(3)可以实现单鳍测试，也可以实现对鳍测试。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种鳍面性能测试实验装置，其特征在于，包括支承总成，支承总成设置在水箱（23）的上部，分别与水箱（23）以及水箱（23）内设置的测量总成和调节总成连接，测量总成经调节总成与推进总成连接，测量总成用于测量推进总成运动过程中产生的推进力和推进力矩；调节总成包括俯仰调节轴（8），俯仰调节轴（8）的上端与测量总成连接，下端经俯仰调节支承板（14）与偏转调节座（15）连接，偏转调节座（15）设置在俯仰调节支承板（14）的两端，分别经偏转锁紧块（16）与偏转调节块（17）的两端连接，偏转调节座（15）和偏转调节块（17）配合，通过偏转锁紧块（16）实现圆周方向固定，偏转调节块（17）的下侧经推进总成与鳍面（22）连接，调节总成用于实现鳍面（22）的俯仰角度调节、偏转角度调节、单鳍和对鳍拓展转换、鳍面舵机间距调节和舵机数量拓展；

俯仰调节轴（8）呈半圆柱结构，两端沿半圆柱平面开有供锁紧块（7）旋转滑动的圆弧槽，沿圆弧面设有供锁紧块固定螺钉（6）移动的凹槽，俯仰调节轴（8）的两端面刻有角度刻度，俯仰调节轴（8）和俯仰调节支承板（14）之间设置有俯仰调节座（9），俯仰调节座（9）的上部设有与俯仰调节轴（8）相同半径的圆弧面，俯仰调节座（9）两长边中部设有供锁紧块固定螺钉（6）穿过的通孔，俯仰调节轴（8）能够沿俯仰调节座（9）转动；

推进总成包括多个舵机固定架（18），多个舵机固定架（18）间隔设置在偏转调节块（17）上，每个舵机固定架（18）对应连接一个舵机（19），每个舵机（19）的输出轴依次经对应的舵机臂（20）与鳍条（21）的一端连接，每个鳍条（21）的另一端分别与鳍面（22）连接，偏转调节块（17）的下部通过卡槽与舵机固定架（18）连接，并通过螺栓进行定位，偏转调节块（17）的上部通过偏转锁紧块（16）与偏转调节座（15）连接，偏转调节块（17）下部设置的卡槽为燕尾槽结构，舵机固定架（18）上对应设置有燕尾结构；

偏转调节座（15）的下部开有大于180°的圆弧孔，沿圆弧孔的弧线环向设有卡槽，卡槽间隔10°设置，偏转调节块（17）上部为圆柱结构，圆柱结构的直径与偏转调节座（15）下部圆弧孔的直径相同，沿圆柱结构的弧线环向设有与偏转调节座（15）圆弧孔的弧线环向相同的卡槽，偏转调节座（15）的两侧面均开有与下部相同特征的圆弧孔；

测量总成包括六轴传感器（12），六轴传感器（12）设置在传感器固定连杆（11）上，一端与俯仰调节轴（8）连接，传感器固定连杆（11）的一端与支承总成连接，另一端与俯仰调节支承板（14）固定连接；

支承总成包括承梁（1），承梁（1）上间隔设置有横向滑块（2），横向滑块（2）通过横向导轨（3）与行架（4）连接，行架（4）的两端分别通过纵向导轨（13）与水箱（23）连接。