仿生推进装置翼盘变速运动试验测试研究

高 飞,吕建刚,张晓涛,郭劭琰

（军械工程学院火炮工程系，河北 石家庄 050003）

仿生推进装置翼盘变速运动试验测试研究

高 飞,吕建刚,张晓涛,郭劭琰

（军械工程学院火炮工程系，河北 石家庄 050003）

通过模仿水母在水中的推进方式，设计一种新型仿生推进装置。为获得装置的推进性能，前期对翼盘在不同工况下的力学特性进行仿真分析，在此基础上设计翼盘变速运动试验方案，开发推进装置性能测试平台，采集试验样机在不同驱动频率下的试验数据，并对结果进行比对分析。研究表明：该试验能够较精确地反映推进装置参数对其推进性能的影响，其中位移测量结果能够真实反映翼盘在静水中的运动规律，力学测量结果为推进装置结构的进一步优化提供依据。

水母；仿生推进装置；试验；测量

0 引 言

仿生推进是仿生学研究的一个重要方面，有着较快的发展，尤其是对水域生物（如各类鱼、蟹、水母等）的仿生研究[1-5]。对于仿生推进装置性能的研究，理论分析比较复杂，特别是难以顾及诸多因素的影响，因此一般是采用试验方法对研究对象的性能进行研究。本文以水母仿生推进装置为对象，对其推进翼盘在变速运动过程中的流场情况进行试验研究。

1 仿生推进装置简介

仿生推进装置是基于对水母游动原理的研究及扩展而设计，推进装置物理样机及三维模型如图1所示。其基本组成为：曲柄滑块驱动机构、剪式结构串联体机构、合页式推进翼盘、浮箱等。

仿生推进装置基本原理为：曲柄滑块机构驱动剪式结构串联体实现大行程直线往复运动，推进翼盘固定在剪式结构串联体两端，当剪式结构串联体向外伸长时，后翼盘在水流阻力的作用下张开，前翼盘在水流阻力的作用下闭合，后翼盘产生推力，当剪式结构串联体向内收缩时，前翼盘在水流阻力的作用下张开，后翼盘在水流阻力的作用下闭合，前翼盘产生推力，伴随直线运动的往复进行，前后翼盘交替输出推进力。初步试验表明，该装置能够很好的实现水上行进。

2 翼盘运动规律及测试分析

仿生推进装置通过翼盘与水相互作用产生向前的推进力，其运动方式直接影响装置的推进性能。本文通过试验方法，对推进翼盘在水中的变速运动进行测试分析，获取翼盘在不同驱动频率下的推进力以及仿生推进装置在静水中的运动情况，并对翼盘的参数选取及结构优化提供依据。

仿生推进装置由曲柄滑块机构驱动剪式结构串联体，其结构原理如图2（仅示意一半机构）所示。r为曲柄，l为连杆，a点为剪式结构串联体的固定轴位置，b点为翼盘的固定位置，c点为滑块位置，在机架的作用下，c点沿x方向运动，对图中所示的机构进行运动分析，其坐标系如图中所示。

b点为翼盘固定位置，νb即为翼盘运动速度，从式（3）可以看出翼盘在水中的运动规律是一个关于转速的三角函数。驱动机构中曲柄r和连杆l尺寸已知，采用不同的驱动角速度ω，即可得到不同的翼盘运动速度。

3 试验方案设计

仿生推进装置的测试试验主要利用已有的采集设备，在设计的试验方案基础上，搭建测试平台，测量推进翼盘在静水中的运动规律及其产生推进力的大小。

该试验方案原理如图3所示，通过一端固定，另一端与水池壁面上的拉杆与仿生推进装置相连，拉力传感器布置于拉杆末端，两个直线位移传感器用于测量推进翼盘的运动位移，通过控制调节动力源电机的转速，分别对一系列驱动频率下新型推进装置的性能进行测试，该方案可以测量单个或两个翼盘的推进情况。

试验测试时，通过直流电机调速器调节电机转速，由电机的转动驱动剪式结构串联体，最终带动推进翼盘实现直线往复运动。仿生推进装置的浮箱通过拉杆相互固定在水池壁面上，推进装置整体在水面静止不动，此时浮箱受到推进翼盘产生的推进力，串联于拉杆的拉力传感器采集该拉力信号，并且在翼盘运动过程中直线位移传感器KTC可以同时记录翼盘各时刻的位置量。

试验中需要测量的变量有：左右翼盘的运动位移，新型推进装置所能产生的推进力。所需要的传感器有位移传感器和拉力传感器，以及相应传感器的信号隔离及转换设备。具体的传感器及信号转换隔离设备信息如表1所示。

直线位移传感器KTC-1000用于测量左右翼盘的运动位移量，单个翼盘独立安装一个直线位移传感器，各个翼盘的运动位移可进行独立测量。传感器内部导电塑料保证运行顺滑，拉尺外部球铰的接驳方式克服部分传动杆上由于倾斜产生的扭力，保证驱动力适中并朝着拉杆的轴向。传感器的供电和信号输出通过相应的信号隔离器来实现。

直流调速器HW-A-1040A用于调节新型推进装置驱动电机的转速。该调速器采用低损耗PWM技术，工作电压宽（实测DC9V～DC24V均可正常工作）、外形精巧、工作功率大、灵敏度较高，并联式接线方式、安装方便，可用于直流有刷式电机调速，电磁电机调速等。

拉力传感器BLSM50用于测量新型推进装置推进翼盘输出推进力的大小。该传感器为S型结构，通过S型两端的两个M12的螺纹孔实现安装。

4 测试平台介绍

新型推进装置测控系统硬件平台基于美国国家仪器公司（national instruments，NI）的PXI平台，PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）是一种专为工业数据采集与自动化应用量身定制的模块化仪器平台，具备机械、电气与软件等多方面的专业特性[6]。

新型推进装置试验测控系统主要由PXI系统、数据采集卡、电机转速控制电路、传感器以及基于LabVIEW软件平台开发的测控程序5部分组成，原理如图4所示。该系统能够对试验过程中前后推进翼盘的位移量及其输出的推进力进行实时的采集记录。

直线位移传感器KTC-1000用于往复双向的直线位移测量，量程1 000 mm，线性度0.05%，重复准确度0.01 mm，运行速度最高为10 m/s。直流调速器HW-A-1040A的有效工作电压为DC9V～DC24V，控制电机功率为0.01～800W，待机状态时静态电流为0.02A，启动电压为0.2V，额定发热电流30A。拉压力传感器BLSM50拉压均可测量，量程为50kg，灵敏度2.0±0.01mV/V，非线性度≤±0.02%F.S。其供电和信号输出通过相应的信号隔离器BLSM-C实现。信号隔离器的输入电压为DC24V，输出为0～10V。

本测控系统使用的数字采集卡为PXI-6225，该卡具有16位精度，80路模拟输入，2路模拟输出，24路数字I/O，70多个信号调理选项，最高采样频率为250 kS/s。设定系统采样频率为50 kHz，每周期采样点数为5 000，连续采集3路信号，满足实验要求。

LabVIEW软件为NI公司开发的图形化编程环境，应用其开发测控程序具有简单直观、灵活高效的特点[7-9]。LabVIEW软件对数字采集卡AI端口收到的信号滤波，整形后再进行测量与换算。系统对得到的推进力、位移等信息进行显示与记录，由此实现对系统状态的监测并藉此对实验数据进行进一步处理分析。测控系统的监测界面如图5所示。

5 测试结果分析

通过对电机功率的调节，能够使翼盘在3种驱动频率（0.5，0.8，1Hz）下工作。首先对推进装置在不同驱动频率下翼盘的位移和推进力进行测量；进一步固定翼盘张角，对最大张角分别为160°、170°、180°的新型推进装置的右侧推进翼产生的推进力进行测试采集，并对结果进行对比分析。

仿生推进装置在不同驱动频率下翼盘随时间变化的位移曲线如图6所示。可以看出翼盘在不同驱动频率下的位移曲线随时间呈周期性变化，随着驱动频率的增大，变化周期缩短，与理论分析结果一致。曲柄滑块机构驱动剪式结构串联体实现翼盘大行程直线往复运动，在不同驱动频率下翼盘的最大位移相同，均为0.5m。

仿生推进装置在不同驱动频率下翼盘产生的推进力随时间的变化曲线如图7所示。可以看出翼盘能够产生有效的推进力，在不同驱动频率下的推进力曲线随时间呈周期性变化，翼盘产生推进力在一个周期内的变化趋势是一个先增大后减小的过程。由于推进力的大小与翼盘运动速度的平方成正比，随着驱动频率的提高，翼盘运动速度增大，推进力在一个周期内的峰值随之急剧增大。对于不同驱动频率的翼盘，其运动速度与驱动频率成正比，因此增大驱动频率可以提高翼盘产生的推进力。

为研究翼盘在运动过程中，叶片夹角对推进力的影响，将翼盘的两个叶片夹角固定，分别为160°、170°、180°，在不同驱动频率下的推进力曲线如图8、图9、图10所示。

从图中可以看出，翼盘张角固定时，在不同驱动频率下的推进力曲线变化趋势大体相同，但是翼盘张角为160°时样机产生的推进力最大。

实测结果表明该推进装置能够产生有效的推进力，进一步优化参数可以提高装置的推进性能，这为设计高效率推进装置提供了新思路。

6 结束语

仿生推进装置翼盘变速运动试验测试平台能够较好地测量装置的推进性能，通过分析试验样机在不同参数下的测试结果，获得了翼盘在静水中的运动规律以及驱动频率和翼盘张角对推进力的影响。测试结果为仿生推进装置推进性能研究及结构优化提供了依据。

[1]杨春云.一种仿水母机器人的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007.

[2]蔡月日，毕树生.胸鳍摆动推进模式仿生鱼研究进展[J].机械工程学报，2011，47（19）：30-35.

[3]Heathcote S，Wang Z J，Gursul I.Effect of spanwise flexibility on flapping wing propulsion[J].Journal of Fluids and Structures，2008（24）：183-199.

[4]章永华，何建慧，颜钦.仿生机器鲫鱼的设计及运动学实验研究[J].工程设计学报，2011，18（3）：167-173.

[5]王振龙，杭观荣，李健，等.面向水下无声推进的形状记忆合金驱动柔性鳍单元[J].机械工程学报，2009，45（2）：126-131.

[6]付经伦，周嗣京，刘建军.基于虚拟仪器及PXI技术的传感器标定[J].工程物理学报，2006，27（2）：223-225.

[7]杨乐平，李海涛.LabVIEW高级程序设计[M].北京：清华大学出版社，2003：46-79.

[8]陈锡辉.LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2007：1-15.

[9]吴成东.LabVIEW虚拟仪器程序设计及应用 [M].北京：人民邮电出版社，2008：10-26.

Experiment research on foil movement of bionic propulsion

GAO Fei，LÜ Jian-gang，ZHANG Xiao-tao，GUO Shao-yan
（Department of Artillery Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

The configuration of new bionic propulsion device was designed after observing the movement of jellyfish and analyzing morphological changes in the process of generating thrust.In order to obtain the performance of the device，a testing platform was devised and developed to collect experimental data at different working conditions.The results indicate that the experiment is able to get the influence of propulsive performance with different parameters.The movement rule of leaf is reported by measuring its displacement.And the data of mechanical characteristics provides a criterion for propulsion unit design and structure optimization.

jellyfish；biomimetic propulsion；experiment；measurement

Q959.132；V664.3；TP391.9；O311

：A

：1674-5124（2014）04-0083-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.021

2013-10-12；

：2013-12-01

高 飞（1988-），男，河南南阳市人，硕士研究生，专业方向为车辆机电液控制与自动化。