一種形狀記憶合金絲驅(qū)動的仿烏賊水平鰭推進器
王揚威，王振龍，杭觀榮，李健
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)
摘要：提出并實現(xiàn)了一種sMA絲驅(qū)動的仿烏賊水平鰭推進器。通過分析鰭的生理結(jié)構(gòu)和波動規(guī)律，建立了仿馬賊水平鰭推進器的波動機構(gòu)原理模型，提出了柔性鰭單元。然后設(shè)計了形狀記憶合金絲驅(qū)動的、基于柔性鰭單元的無線電遙控仿烏賊水平鰭推進器，并對雙側(cè)10鰭單元的仿烏賊水平鱔推進器進行了游動試驗。試驗表明該推進器可以實現(xiàn)前進、后退、左右轉(zhuǎn)功能，可以實現(xiàn)8 mm／s的游動速度和12。／s的轉(zhuǎn)彎速度，它具有無噪聲、無污染、驅(qū)動電壓低、機動性好、結(jié)構(gòu)簡單容易密封等優(yōu)點，其扁平身體結(jié)構(gòu)能夠進入狹窄復(fù)雜的水下區(qū)域進行探測。
關(guān)鍵詞：烏賊鰭；形狀記憶合金絲；柔性鰭單元；仿烏賊水平鰭推進器
中圖分類號：TM38 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)05—0057—03
O引 言
市場的需求和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展帶動了機器人技術(shù)的發(fā)展，在海洋開發(fā)和相關(guān)領(lǐng)域中運用機器人技術(shù)已引起了各方面的重視。傳統(tǒng)螺旋槳推進器具有能源利用率低，結(jié)構(gòu)尺寸和重量大，對環(huán)境擾動大，噪聲大，可靠性差，起動、加速性能差以及運動靈活性能差等缺點。近年來，隨著仿生學(xué)研究的不斷進步，科研工作者的目光集中到長期生活在水下，特別是能在水中自由遨游的魚類的游動機理的研究上。魚類作為自然界最早的真骨類脊椎動物，種類繁多，生活環(huán)境各異。為了攝取食物、逃避敵害、繁殖后代和集群洄游等生存需要，魚類經(jīng)過億萬年的自然選擇，進化出了非凡的水中運動能力，既可以在持久游速下保持低能耗、高效率，也可以在拉力游速或爆發(fā)游速下實現(xiàn)高機動性[1]。利用魚類游動機理推動機器人在水下浮游的想法，伴隨著仿生學(xué)、材料科學(xué)、自動控制理論等學(xué)科的發(fā)展成為現(xiàn)實。在海洋中有很多動物的游動速度快，而且運動靈活，這都得益于其自身獨特的游動方式。例如烏賊依靠高推進力的噴射和高效率的鰭波動復(fù)合推進方式來實現(xiàn)游動，它在高速游動時主要靠噴水推進，在低速游動時主要靠身體兩側(cè)的鰭波動推進，可以實現(xiàn)靈活的前進和后退。這種推進方式具有巨大的仿生價值。
1烏賊的游動機理
烏賊屬于頭足綱動物,是無脊椎軟體動物。烏賊（如圖1所示）在英文中有兩種叫法：一種叫Squid,另一種叫Cuttlefish。從圖上可以看出他們在外形上有所不同，Squid尾部的鰭較小，主要是用來
保持身體平衡的；而cuttIefish的鰭圍繞在外套膜上，除了保持身體的平衡外，還可以利用其波浪形的運動推動自身前進、后退和轉(zhuǎn)彎等，但噴水推進等功能差別不大[2]。
烏賊主要靠噴水推進方式實現(xiàn)快速游動，游速****可達每小時150 km。烏賊的鰭對稱分布在身體的兩側(cè)，能夠有節(jié)奏的波動，用于游動和懸浮。雖然外套膜收縮噴水推進提供了運動的主要推力，但是鰭在低速游動、保持穩(wěn)定和懸浮時起到了重要作用。烏賊鰭波動推進類似于魚類中的鰩科模式(Rajiform)[3]，但由于烏賊鰭是柔性的，沒有骨骼支撐，所以運動幅度可以更大，靈活性也更強。不同烏賊鰭波動時鰭上橫波波數(shù)不同。
烏賊鰭的肌肉結(jié)構(gòu)如圖2所示：圖中，cT表示交叉斜結(jié)締組織纖維，DF表示背側(cè)結(jié)締組織筋膜，DV表示背腹肌，F(xiàn)c表示鰭軟骨，L表示縱肉，MF表示中央結(jié)締組織筋膜，T表示橫肌，vF表示腹部結(jié)締組織筋膜。游動時橫肌依次規(guī)律收縮使鰭局部向上或向下彎曲，整個鰭形成波動，同時背腹肌收縮使鰭變薄。烏賊鰭中的橫肌通過規(guī)律收縮，每個鰭單元在不同的相位擬合成鰭波動的波形。
2仿烏賊水平鰭推進器的原理
仿烏賊水平鰭推進器是通過模仿烏賊鰭的生理結(jié)構(gòu)和運動方式，利用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制方法產(chǎn)生與其類似的推進波，從而使推進器具有這種獨波動仿生推進能力，實現(xiàn)前進、后退、制動、轉(zhuǎn)向功能。仿烏賊水平鰭推進器包括兩部分：推進器的波動機構(gòu)和推進器的控制系統(tǒng)。
推進器的波動機構(gòu)根據(jù)烏賊鰭的結(jié)構(gòu)進行簡化，其運動方式可以簡化為所有鰭單元按照一定的時序關(guān)系繞各自的鰭單元基點(鰭單元與機體的連接點)彎曲并帶動彈性薄膜形成波。用柔性鰭單元模仿烏賊的橫肌，用彈性薄膜來連接柔性鰭單元形成波動鰭面。通過柔性鰭單元的彎曲帶動彈性薄膜波動，圖3為波動機構(gòu)的理論模型，圖中虛線表示柔性鰭單元彎曲狀態(tài)。烏賊鰭的波動波形可以看成是黲由每一條橫肌的相位擬合而成的，所以波動機構(gòu)的模型就是通過每個柔性鰭單元彎曲運動的相位來擬合出運動波形。
推進器的控制系統(tǒng)的主要功能是通過單片機控制鰭單元的通電時間和規(guī)律運動，使推進器的波動機構(gòu)實現(xiàn)規(guī)律的波動。推進器的控制系統(tǒng)包括控制信號收發(fā)模塊、處理器模塊和驅(qū)動模塊。控制信號通過收發(fā)模塊接收后傳到處理器模塊，由處理器模塊對信號進行判別，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的控制程序輸出觸發(fā)信號，控制驅(qū)動模塊來驅(qū)動鰭單元。
3基于形狀記憶合金(SMA)的柔性鰭單元
國內(nèi)外廣泛使用的仿生機器人的致動器主要有：電機[5]、壓電陶瓷[6]、電流驅(qū)動聚合物[7,8]和sMA[9,10]。用傳統(tǒng)電機致動器設(shè)計仿生推進器，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、頻率低、可控性差等問題，難以滿足驅(qū)動要求，因此目前有越來越多的研究機構(gòu)開始研究基于壓電陶瓷、電聚合物和sMA等智能材料的仿生致動器。
sMA是一種集傳感、驅(qū)動和執(zhí)行功能于一體的智能材料，它在相變過程中產(chǎn)生的回復(fù)力很大，它的功重比(功率重量比)要遠遠大于電機，近年來在仿生機器人中應(yīng)用較廣泛。
柔性鰭單元的模型如圖4所示，由基體、彈性體、蒙皮和形狀記憶合金(簡稱sMA)絲組成。蒙皮粘接在彈性體上，彈性體連接在基體上，基體連接在波動推進器上。sMA絲嵌入在蒙皮和彈性體之間。用sMA絲的收縮模仿烏賊鰭的橫肌，而彈性體和蒙皮相當于交叉斜結(jié)締組織纖維、筋膜、其它肌肉纖維和皮層。
彈性體的主要作用是儲存彈性能和作為sMA絲的附著基體。要求彈性體有適當?shù)膹椥阅Ａ浚滚拞卧獜澢鷷r存儲彈性能。
柔性鰭單元的蒙皮的主要作用是防止sMA絲漏電、儲存彈性能和粘結(jié)sMA與彈性體。sMA絲采用電加熱方式驅(qū)動，如果與水接觸將產(chǎn)生漏電，將影響sMA絲的加熱相變。
4仿烏賊水平鰭推進器驗證模型
4．1單柔性鰭單元擺動
用于試驗的柔性鰭單元如圖5所示，雙面布SMA絲，柔性鰭單元擺動段長49 mm，鰭單元寬14 mm。采用電壓12 v的直流電源，在水溫17℃條件下，通電時間O．005～0．08 s，間隔0．005 s，進行試驗。鰭單元在0．06～O 08 s時，彎曲角度均為90。。表明通電時間0 06 s時，SMA的溫度已超過逆相變結(jié)束溫度。
采用脈寬0．06 s，兩面通電時間間隔1.8 s，水溫為21 oC，試驗柔性鰭單元在12 V電壓下的擺動情況。SMA絲通電加熱到逆相變溫度時迅速收縮，鰭單元彎曲角度達到****96。，如圖6所示。
4．2推進器的波動機構(gòu)
烏賊鰭在波動時，每一條橫肌收縮帶動鰭局部產(chǎn)生彎曲變形，許多條橫肌并列按規(guī)律收縮使整個鰭面形成波形。為了試驗多鰭單元協(xié)調(diào)運動時整個鰭面的波動情況，制作雙側(cè)對稱10鰭單元波動機構(gòu)，模擬烏賊鰭的波動。波動機構(gòu)如圖7所示。
機構(gòu)每側(cè)有5個柔性鰭單元，鰭單元中心間距35 mm，鰭單元通過乳膠薄膜連接形成波動鰭面。試驗結(jié)果表明，推進器的波動機構(gòu)動作協(xié)調(diào)，動作柔性好，運動靈活，可以實現(xiàn)前后波動及兩側(cè)不同方向的波動。
4.3仿烏賊水平鰭推進器
仿烏賊水平鰭推進器的控制系統(tǒng)主要由2262與sc2272的無線遙控集成電路模塊和
PIcl6F877A單片機構(gòu)成。單片機擴展一片可編程并行接口芯片82G55AP，82G55AP的控制端口直接與Hcl6F877A單片機連接，而數(shù)據(jù)端口通過一片數(shù)據(jù)鎖存器Hc373與PIcl6t。877A單片機連接。82G55AP的24路輸出端口與MOsFET元件IRF311的控制端相連。無線遙控模塊的控制信號與PIcl6F877A的電平變化中斷端口連接，單片機的Rc端口作為輸出口，用于控制Hc373和82G55APRD端口作為數(shù)據(jù)端口，經(jīng)Hc373鎖存后傳給82C55AP輸出。
采用無線遙控來控制仿烏賊水平鰭推進器游動，如圖8所示。通電時間80 ms，水溫20oC，對推進器進行試驗。
試驗表明，仿烏賊水平鰭推進器可以實現(xiàn)8mm／s的直線游動，通過改變波動方向推進器可以靈活的前進和后退，還可以實現(xiàn)12。／s的轉(zhuǎn)彎速度。
5結(jié)語
本文針對海洋中游動比較靈活的烏賊的游動機理進行分析，對其鰭波動推進方式進行適當簡化，模仿烏賊鰭的生理結(jié)構(gòu)建立了仿烏賊水平鰭推進器的理論模型，設(shè)計制作了仿烏賊水平鰭推進器驗證模型。試驗表明仿烏賊水平鰭推進器可以很好地模仿烏賊鰭的波動游動，推進器可以實現(xiàn)8mm／s的游動速度，還可以實現(xiàn)12。／s的轉(zhuǎn)彎速度。這種推進器具有無噪聲、無污染、驅(qū)動電壓低、機動性好、結(jié)構(gòu)簡單容易密封、形狀記憶合金可承受高壓等優(yōu)點，其扁平身體結(jié)構(gòu)使其能夠進入狹窄復(fù)雜的水下區(qū)域進行探測。利用它可以探測海洋，尋找和檢測海域中受污染的地方，也可以用來勘探地形。
|
