CN113959678B - 适用于仿生鱼水动力性能测量的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了适用于仿生鱼水动力性能测量的试验装置，包括环形水槽，所述环形水槽内部设置有安装盘，所述安装盘中心设置有驱动装置，安装盘边缘设置有环形导轨，所述驱动装置连接转台驱动转台转动，所述转台通过滑块沿环形导轨滑动，所述转台远离驱动装置一端安装有可伸缩的深度调节机构，所述深度调节机构连接姿态调整机构，所述姿态调整机构包括舵机和六维力传感器，所述舵机通过舵盘与六维力传感器连接，所述六维力传感器通过连接杆连接被测仿生鱼鱼鳍，所述舵机带动六维力传感器转动，所述六维力传感器转动带动被测仿生鱼鱼鳍动作。本发明具有操作简便，姿态可调，流速稳定的优点。
Description
技术领域
本发明涉及测试装置，具体涉及一种适用于仿生鱼水动力性能测量的试验装置。
背景技术
仿生机器鱼在海洋开发和科学考察研究中具有重要的作用，从20世纪90年代开始，仿生机器鱼的研究成为水下机器人研究领域的热点之一。由于水下环境的复杂性，研发人员在机器鱼实际下水前，通常需要对仿生鱼的推进性能、密封性能进行测试，因此需要设计一种装置对仿生鱼的性能进行测试。
中国专利CN107588885A公开了一种仿生鱼摆尾的压力场测量装置与方法，通过PIV获得鱼体周围流场的速度信息，并基于N-S方程对速度场求解得到鱼体周围的压力场，但该装置无法模拟自然界的水流环境，也无法改变鱼体的姿态，并且CFD方法存在计算时间长，不易收敛等缺陷。中国专利CN202110113994.8公开一种仿蝠鲼胸鳍样机水动力性能试验平台及测试方法，通过循环水槽模拟水流速度，并通过六维力传感器测量推力系数等各项参数，但循环水槽占地面积大、成本高，虽然能够保证流场中心位置流速较为稳定，但受边界层和尺度效应的影响较大，实验数据的准确性也普遍低于拖曳水槽，且无法调整鱼体的实时攻角。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种适用于仿生鱼水动力性能测量的试验装置，解决无法调整仿生鱼姿态，不能模拟自然界水流环境，传统拖曳水槽行程有限的问题。
技术方案：本发明所述的适用于仿生鱼水动力性能测量的试验装置，包括环形水槽，所述环形水槽内部设置有安装盘，所述安装盘中心设置有驱动装置，安装盘边缘设置有环形导轨，所述驱动装置连接转台驱动转台转动，所述转台通过滑块沿环形导轨滑动，所述转台远离驱动装置一端安装有可伸缩的深度调节机构，所述深度调节机构连接姿态调整机构，所述姿态调整机构包括舵机和六维力传感器，所述舵机通过舵盘与六维力传感器连接，所述六维力传感器通过连接杆连接被测仿生鱼鱼鳍，所述舵机带动六维力传感器转动，所述六维力传感器转动带动被测仿生鱼鱼鳍动作。
便于安装盘安装，所述安装盘为法兰式的圆盘，所述安装盘通过螺钉和环形水槽中心的内径壁面相连接。
为了驱动转台转动，所述驱动装置包括电机、齿轮换向箱和阶梯传动轴，所述电机与齿轮换向箱输入端连接，所述齿轮换向箱输出端通过转接盘与安装盘下侧连接，所述阶梯传动轴从上到下直径依次缩小，阶梯传动轴下端安装在齿轮换向箱输出端的输出孔内，阶梯传动轴上端连接转台。
为抵消轴向载荷与径向载荷对传动轴的影响，所述阶梯传动轴通过底座与安装盘上侧连接，所述阶梯传动轴安装在圆柱形套筒内，阶梯传动轴的轴颈两端轴肩处分别安装有圆锥滚子轴承。
优选的是，所述转台为长腰形平台，所述转台通过支撑柱连接滑块。
为了实现伸缩调节，所述深度调节机构包括电动缸、外套筒、内套筒，所述内套筒安装在外套筒内，所述内套筒和外套筒之间设置有轴套，所述外套筒下端与轴套的法兰连接盘连接，所述电动缸的伸缩丝杆穿过转台连接内套筒，所述电动缸通过电机驱动动作。
便于安装姿态调整机构，所述内套筒下端设置有底部端盖，所述底部端盖内安装有舵机支架，所述舵机安装在舵机支架内，所述舵机的输出轴穿过内套筒侧面轴孔连接舵盘。
优选的是，所述六维力传感器为圆柱形空心防水六维力传感器，通过螺钉与舵盘连接。
优选的是，所述连接杆为圆柱形空心杆件，两端为法兰盘，一端与六维力传感器通过螺纹连接，另一端与被测仿生鱼鳍连接。
有益效果：本发明能使仿生鱼在环形水槽中能够完成整周转动，达到模拟自然界来流速度的效果，并且能够根据流速需求实时调节电机转速；解决了多数拖曳水槽实验平台中行程短，无法长时间保持所需速度的问题；能够有效模拟并实时改变胸鳍扑动式仿生鱼水下起伏的运动姿态；能够模拟并实时改变仿生鱼游动时的俯仰角，极大的方便了研究攻角对水动力性能的影响。并且由于六维力传感器与鱼体同步转动，因此不会造成附加扭矩，方便了数据读取，提升了数据的有效性、实时性；由于实验水槽为静水状态，只有被测机器鱼为可动，因此保证了实验装置流速的稳定性；
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为环形水槽的结构示意图；
图3为回转机构结构示意图；
图4为驱动装置在安装盘上部的结构示意图
图5为驱动装置内部结构示意图；
图6为驱动装置在安装盘下部的结构示意图
图7为深度调节机构结构示意图；
图8为深度调节机构内部示意图
图9为姿态调整机构结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1-6所示，本发明公开适用于仿生鱼水动力性能测量的试验装置，包括环形水槽1、回转机构3、深度调节机构2、姿态调整机构4，回转机构3包含安装盘31、导向装置32、驱动装置33，安装盘31为法兰式的圆盘。安装盘31通过螺钉和环形水槽1 的内径壁面顶部相连接，驱动装置包含电机338、阶梯传动轴331、圆锥滚子轴承332、阶梯传动轴安装座333、圆锥滚子轴承335、轴套334、底座336、转接盘337、齿轮换向箱339、转台3310。
其中齿轮换向箱339为直角齿轮换向箱，输入端通过螺钉与电机连接，输出端为孔输入，与安装盘31同轴向上安装。转接盘337为法兰式圆盘，绕圆周方向开有通孔，通过螺栓固定在安装盘31下端面第三层螺纹孔处，转接盘337在与安装盘31贴合的面绕圆周方向开有沉头孔，通过该沉头孔与螺钉将齿轮换向箱339的输出端固定在转接盘 337下端面。
阶梯传动轴331有五段阶梯，从一端到另一端直径依次缩小，中间一段为轴颈，阶梯传动轴331最大段的端面绕圆周方向开有一圈通孔。其中阶梯传动轴331的最小端与减速齿轮箱339的输出孔连接，阶梯传动轴331竖直向上安装。阶梯传动轴331的轴颈两端轴肩处，按照从上往下的顺序安装有第一圆锥滚子轴承332和第二圆锥滚子轴承 335，两个圆锥滚子轴承的内圈与阶梯传动轴331的轴颈采用过渡配合安装，其中第一圆锥滚子轴承332的上表面利用阶梯传动轴331大段第二段的轴肩端面做限位。
阶梯传动轴安装座333整体为圆柱形套筒，端面开有螺孔，两个圆锥滚子轴承的外壁通过过渡配合与阶梯传动轴安装座333两端的内壁配合安装，轴套334为圆柱套筒状，与阶梯传动轴安装座333的内壁过渡配合，安装在两圆锥滚子轴承之间，作为轴承的轴向定位。底座336为法兰式底座，底座336的法兰与安装盘31同轴安装，通过螺钉与安装盘31第二圈螺孔固定，作为圆锥滚子轴承335的下侧轴向定位，底座336的法兰盘还开有绕内壁一圈的沉头孔，用以连接阶梯传动轴安装座333的端面螺孔。
转台3310为长腰形平台，转台沿着长度方向其中一端的底面通过螺栓与阶梯传动轴 331大端端面的通孔连接，转台3310的另一端底面开有圆孔，圆孔周围开有一圈螺孔，螺孔的外圈还开有一圈通孔。转台3310的中心底面位置也开有四个通孔。
导向装置32包含环形导轨323、滑块322、支撑柱321。其中环形导轨323整体呈环形，通过螺钉固定在安装盘31的外侧圆周上表面。滑块322以环形导轨323为导向，能够绕环形导轨做整周运动。支撑柱321两端分别与滑块322上表面和转台3310底面通过螺钉连接。
如图7-8所示，深度调节机构2包含电动缸22、轴套25、电机21、外套筒23、内套筒24。电动缸22为伺服电动缸，其伸缩丝杠末端为法兰圆盘，伸缩丝杠与转台3310 远离阶梯传动轴331的一端底面圆孔同轴安装，电动缸22采用电机21驱动。进一步的，外套筒23为圆柱形薄壁管件，上下端面均开有螺孔，外套筒23与电动缸22的丝杠同轴安装，上端面通过螺钉固定在转台3310圆孔外圈的通孔处。轴套25为圆柱形自润滑铜套，其端面为法兰连接盘，与外套筒23底部端面螺孔通过螺钉固定。内套筒24同样为圆柱形薄壁管件，其两端面上均开有一圈螺纹孔。内套筒24外壁以轴套25的内壁作为导向。内套筒24的底部侧面开有轴孔。电动缸22的伸缩丝杠法兰盘通过螺钉与内套筒24上端面的螺纹孔连接，实现同步伸缩。
如图9所示，姿态调整机构包含舵机41、舵盘42、六维力传感器43、连接杆44、舵机支架46、底部端盖47。底部端盖47通过螺钉将外圈通孔固定在内套筒24的底部螺纹处。所述舵机支架46为常见L形支架，舵机41利用螺纹固定在舵机支架46上，舵机支架46通过螺栓固定在内套筒24的底部端盖内圈通孔上，保证舵机41的输出轴与内套筒24侧面轴孔同轴安装，舵机41的输出轴为花键轴，中心带有螺纹孔。舵盘42 为通用圆形舵盘，中心花键孔与舵机轴的花键配合，中心通过螺钉固定在舵机41的中心螺纹处。六维力传感器43为圆柱形空心防水六维力传感器，通过螺钉将底部与舵盘 42连接，实现与舵机41的同步转动。连接杆44主体为圆柱形空心杆件，两端为法兰盘，一端与六维力传感器43通过螺纹连接，一端与被测鱼鳍45连接。
采用本发明测试时，由电机338驱动齿轮换向箱339，再由阶梯传动轴331驱动转台3310，带动被测鱼鳍45绕环形水槽1进行整周旋转，模拟自然界中不同的来流速度，深度调节机构电机21驱动电动缸22的伸缩丝杆伸缩，使得鱼鳍45能够实时改变起伏高度，舵机41驱动连接杆44，带动鱼鳍45实现攻角的随时调整，并通过六维力传感器 43，实时反馈各项水动力数据。
Claims (9)
1.一种适用于仿生鱼水动力性能测量的试验装置，其特征在于，包括环形水槽(1)，所述环形水槽(1)内部设置有安装盘(31)，所述安装盘(31)中心设置有驱动装置(33)，安装盘(31)边缘设置有环形导轨(323)，所述驱动装置(33)连接转台(3310)驱动转台转动，所述转台(3310)通过滑块(322)沿环形导轨(323)滑动，所述转台(3310)远离驱动装置一端安装有可伸缩的深度调节机构(2)，所述深度调节机构(2)连接姿态调整机构(4)，所述姿态调整机构(4)包括舵机(41)和六维力传感器(43)，所述舵机(41)通过舵盘(42)与六维力传感器(43)连接，所述六维力传感器(43)通过连接杆(44)连接被测仿生鱼鱼鳍，所述舵机(41)带动六维力传感器(43)转动，所述六维力传感器(43)转动带动被测仿生鱼鱼鳍动作。
2.根据权利要求1所述的适用于仿生鱼水动力性能测量的试验装置，其特征在于，所述安装盘(31)为法兰式的圆盘，所述安装盘(31)通过螺钉和环形水槽(1)中心的内径壁面相连接。
3.根据权利要求1所述的适用于仿生鱼水动力性能测量的试验装置，其特征在于，所述驱动装置(33)包括电机、齿轮换向箱(339)和阶梯传动轴(331)，所述电机与齿轮换向箱(339)输入端连接，所述齿轮换向箱(330)输出端通过转接盘(337)与安装盘(31)下侧连接，所述阶梯传动轴(331)从上到下直径依次缩小，阶梯传动轴下端安装在齿轮换向箱输出端的输出孔内，阶梯传动轴上端连接转台。
4.根据权利要求3所述的适用于仿生鱼水动力性能测量的试验装置，其特征在于，所述阶梯传动轴(331)通过直径最大端的底面与安装盘(31)上侧连接，所述阶梯传动轴(331)安装在圆柱形套筒内，阶梯传动轴的轴颈两端轴肩处分别安装有圆锥滚子轴承。
5.根据权利要求1所述的适用于仿生鱼水动力性能测量的试验装置，其特征在于，所述转台(3310)为长腰形平台，所述转台(3310)通过支撑柱(321)连接滑块(322)。
6.根据权利要求1所述的适用于仿生鱼水动力性能测量的试验装置，其特征在于，所述深度调节机构(2)包括电动缸(22)、外套筒(23)、内套筒(24)，所述内套筒(24)安装在外套筒(23)内，所述内套筒(24)和外套筒(23)之间设置有轴套(25)，所述外套筒(23)下端与轴套(25)的法兰连接盘连接，所述电动缸(22)的伸缩丝杆穿过转台(3310)连接内套筒(24)，所述电动缸(22)通过电机驱动动作。
7.根据权利要求6所述的适用于仿生鱼水动力性能测量的试验装置，其特征在于，所述内套筒(24)下端设置有底部端盖(47)，所述底部端盖(47)内安装有舵机支架(46)，所述舵机(41)安装在舵机支架(46)内，所述舵机(41)的输出轴穿过内套筒(24)侧面轴孔连接舵盘(42)。
8.根据权利要求1所述的适用于仿生鱼水动力性能测量的试验装置，其特征在于，所述六维力传感器(43)为圆柱形空心防水六维力传感器，通过螺钉与舵盘连接。
9.根据权利要求1所述的适用于仿生鱼水动力性能测量的试验装置，其特征在于，所述连接杆(44)为圆柱形空心杆件，两端为法兰盘，一端与六维力传感器(43)通过螺纹连接，另一端与被测仿生鱼鳍连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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