李 健，袁岳勝，桑學(xué)夫，趙曉明

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱150040)

0 引 言

21 世紀(jì)人類越來(lái)越重視探索海洋世界，水下機(jī)器人作為一種有力的工具得到了廣泛的應(yīng)用。商業(yè)應(yīng)用中，水下機(jī)器人能完成石油和天然氣行業(yè)的海底測(cè)繪。水下機(jī)器人也廣泛用于開(kāi)展各種軍事任務(wù)，如探測(cè)水下礦山、潛艇的探測(cè)和監(jiān)測(cè)。其他用途還包括海底動(dòng)物的遷移、檢測(cè)化學(xué)藥劑。受到大自然的啟發(fā)，科學(xué)研究者根據(jù)海洋生物的形態(tài)特征和運(yùn)動(dòng)方式研制出仿生魚［1］、仿生蝦［2］、仿生海龜［3］等各種仿生水下機(jī)器人，以滿足各種需求。目前研究較多的電機(jī)驅(qū)動(dòng)式水下推進(jìn)方式具有噪聲大、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜和靈活性低的缺點(diǎn)。如果能利用智能材料為驅(qū)動(dòng)源就可以避免這些缺點(diǎn)。智能材料使得仿生水下機(jī)器人研究有了新突破，也成為了仿生機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

水母是水生環(huán)境中重要的浮游生物，屬于刺絲胞動(dòng)物。水母在運(yùn)動(dòng)時(shí)，其外傘傘體首先收縮，其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致內(nèi)腔體積的減小，進(jìn)而將腔內(nèi)的水噴出，在噴出水的反推力作用下帶動(dòng)水母進(jìn)行移動(dòng)。水母身體具有很強(qiáng)的柔性，推進(jìn)頻率低，噪聲小。而且還可以持續(xù)的保持低能耗，高效率。如果能將水母的這種游動(dòng)性能應(yīng)用到仿生水下機(jī)器人，那將極大地提升水下機(jī)器人的性能。由此，研究水母自主游動(dòng)的推進(jìn)器有巨大的價(jià)值。國(guó)內(nèi)外利用智能材料研制了各種各樣的仿生水下機(jī)器人，但對(duì)仿生水母機(jī)器人的研究成果比較有限，總得來(lái)講，可以分為兩大類:觸手推進(jìn)式仿生水母機(jī)器人和噴水推進(jìn)式仿生水母機(jī)器人。在觸手推進(jìn)式仿生水母機(jī)器人方面，國(guó)內(nèi)哈爾濱工程大學(xué)研制了兩種不同結(jié)構(gòu)的仿生機(jī)器水母［4-5］，一種是將SMA 絲纏繞在水母?jìng)泱w周向上產(chǎn)生收縮作用，另外一種是利用SMA 絲直接對(duì)傘體內(nèi)部的擺臂產(chǎn)生拉動(dòng)動(dòng)作，兩種機(jī)器水母的末端都附上了IPMC 驅(qū)動(dòng)的觸手，具備一定的推進(jìn)能力。德國(guó)費(fèi)斯通公司研制的仿生機(jī)器水母由密封艙及8 根觸手推進(jìn)器構(gòu)成［6］，該觸手推進(jìn)器由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)往復(fù)的彎曲動(dòng)作，產(chǎn)生的推進(jìn)力推動(dòng)機(jī)器水母前進(jìn)。韓國(guó)智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制實(shí)驗(yàn)室利用IPMC致動(dòng)器為驅(qū)動(dòng)材料，并模仿海月水母的形態(tài)研制仿生水母的傘體結(jié)構(gòu)［7］。在噴水推進(jìn)式仿生水母機(jī)器人方面，維吉尼亞理工學(xué)院在仿生水母機(jī)器人研究方面做了大量工作，無(wú)論是形態(tài)還是動(dòng)作特征已經(jīng)非常接近活體水母。分別研制了IPMC 驅(qū)動(dòng)的仿生水母機(jī)器人［8］，采用8 個(gè)驅(qū)動(dòng)單元時(shí)速度可達(dá)1.5 mm/s，功率為1. 14 W;SMA 驅(qū)動(dòng)的Robojelly［9］，重量為242 g，直徑為164 mm，平均功率17 W左右;利用化學(xué)燃料作為能量來(lái)源對(duì)嵌入的SMA 致動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)［10］，也取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。這些噴水推進(jìn)式的仿生水母機(jī)器人都沒(méi)能將控制電路和電源集成，形成自主游動(dòng)。除此之外，本課題組在利用SMA 絲驅(qū)動(dòng)的仿生水下機(jī)器人方面做了大量的研究工作［11-12］。

本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，首先分析了水母的肌肉結(jié)構(gòu)及游動(dòng)機(jī)制，其次在對(duì)水母?jìng)泱w進(jìn)行改造的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)應(yīng)用SMA 絲作為驅(qū)動(dòng)器的柔性驅(qū)動(dòng)單元。并設(shè)計(jì)了內(nèi)嵌6 個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的仿生傘體推進(jìn)器，對(duì)該推進(jìn)器進(jìn)行了推進(jìn)力理論分析及CFD 外形仿真。最后研制了仿生傘體推進(jìn)器樣機(jī)。

1 水母肌肉結(jié)構(gòu)和推進(jìn)機(jī)制的研究

水母屬于無(wú)脊椎動(dòng)物，其身體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，水母的運(yùn)動(dòng)主要由外傘完成，傘體內(nèi)部有多種肌肉組織，通過(guò)肌肉組織的收縮帶動(dòng)傘體收縮，使內(nèi)傘腔體體積減小，腔體內(nèi)部的水被排出，完成噴水動(dòng)作，水母通過(guò)水流的反作用力向前運(yùn)動(dòng)，之后，水母?jìng)泱w內(nèi)部的肌肉組織在收縮過(guò)程中產(chǎn)生的彈性勢(shì)能逐漸釋放，使傘體緩慢恢復(fù)到最初的狀態(tài)，內(nèi)傘腔體體積增大，水重新流入腔體內(nèi)部，完成吸水動(dòng)作，隨后傘體內(nèi)部肌肉組織收縮，進(jìn)行下一次噴水動(dòng)作。水母通過(guò)連續(xù)的噴水動(dòng)作和吸水動(dòng)作向前運(yùn)動(dòng)。

圖1 水母身體結(jié)構(gòu)示意圖

水母的身體呈鈴形或倒置的碗形，或傘形，向外凸出的一面稱外傘面(exumbrella)或上傘面，凹入的一面稱下傘面(subumbrella)，下傘面的中央有一下垂的管稱垂唇(manubrium)，垂唇的游離端為口，傘的邊緣有一圈觸手，水母下傘的邊緣向內(nèi)伸出一圈窄的膜狀結(jié)構(gòu)，稱為緣膜(velum)。一般的水螅水母?jìng)泱w組織如圖2 所示，傘體主要由中膠層和非肌肉上皮組織構(gòu)成，環(huán)形肌肉附著在中膠層內(nèi)側(cè)，位于非肌肉上皮組織和中膠層中央，從水母的頂端到末端都有分布，是水母進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的最主要的肌肉組織，起到控制內(nèi)腔收縮的作用。當(dāng)環(huán)狀肌收縮時(shí)，帶動(dòng)整個(gè)傘體內(nèi)腔收縮，產(chǎn)生噴水作用。并且在傘體收縮的過(guò)程中，一部分能量會(huì)存儲(chǔ)到中膠層和非肌肉上皮組織中，為傘體的擴(kuò)展回復(fù)提供動(dòng)力。軟腭狀圓形肌肉位于水母?jìng)泱w邊緣，由非肌肉上皮組織包裹著，起到輔助環(huán)形肌肉完成水母噴水運(yùn)動(dòng)的作用，內(nèi)外神經(jīng)環(huán)起到控制肌肉收縮的作用［13］。

圖2 水母?jìng)泱w組織示意圖

水母內(nèi)部肌肉組織屬于肌肉性靜水骨骼，肌肉性靜水骨骼是一種缺乏典型體系的類似骨骼的肌肉，人的舌頭、大象的鼻子都屬于肌肉性靜水骨骼。肌肉性靜水骨骼與普通的肌肉不同的是它并不附著在骨骼上，沒(méi)有骨骼支撐但能完成多種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，伸縮效果明顯，并且可以變硬用于支撐，這種特殊的肌肉結(jié)構(gòu)也是水母、烏賊等無(wú)脊椎動(dòng)物運(yùn)動(dòng)不可缺少的條件。

仿生水母所采用的設(shè)計(jì)方法主要是模仿水母的身體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)中肌肉的運(yùn)動(dòng)形式。當(dāng)水母需要運(yùn)動(dòng)時(shí)，由內(nèi)神經(jīng)環(huán)和外神經(jīng)環(huán)給軟腭狀圓形肌肉組織和環(huán)形肌肉輸入肌肉收縮的信號(hào)，軟腭圓形肌肉組織和環(huán)形肌肉屬于肌肉性靜水骨骼，收縮效果非常明顯，能達(dá)到完全擴(kuò)展長(zhǎng)度的40%，環(huán)形肌肉在水母?jìng)泱w內(nèi)部，肌肉的收縮帶動(dòng)傘體的收縮，使腔體內(nèi)部的水由傘體下部噴出，同時(shí)在軟腭狀環(huán)形肌肉組織的收縮下使傘體噴射出的水達(dá)到更高的速度。水母體內(nèi)的肌肉組織和神經(jīng)比較復(fù)雜，所以仿生水母的制作只是模仿環(huán)形肌肉組織的運(yùn)動(dòng)，省略了軟腭狀圓形肌肉組織的運(yùn)動(dòng)，同樣能達(dá)到仿生水母運(yùn)動(dòng)的模仿的效果。由于SMA 絲通電收縮效果僅為4%［12］，不能直接用于模仿水母環(huán)形肌肉結(jié)構(gòu)，故將SMA 絲貼在彈性片的一側(cè)，通過(guò)SMA 絲的收縮帶動(dòng)彈性片彎曲，達(dá)到運(yùn)動(dòng)放大作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)水母環(huán)形肌肉結(jié)構(gòu)的模仿。硅膠澆灌的傘體用于代替水母的中膠層和上皮組織，包裹貼有SMA 絲的彈性片并形成腔體。彈性片在SMA 絲的拉力下彎曲帶動(dòng)硅膠傘體運(yùn)動(dòng)完成對(duì)水母運(yùn)動(dòng)的模仿。

2 驅(qū)動(dòng)傘體的柔性驅(qū)動(dòng)單元

通過(guò)現(xiàn)有的材料及驅(qū)動(dòng)器完全照搬水母?jìng)泱w結(jié)構(gòu)十分困難，因此將實(shí)際傘體整體的動(dòng)作簡(jiǎn)化為其中均勻分布的多個(gè)驅(qū)動(dòng)單元。傘體的剖面動(dòng)作呈現(xiàn)柔性彎曲，因此柔性驅(qū)動(dòng)單元的動(dòng)作能夠模仿實(shí)現(xiàn)這種動(dòng)作。同時(shí)在驅(qū)動(dòng)單元的表面附上柔軟的模仿傘體形狀的硅膠膜，稱之為被動(dòng)傘體，這樣多個(gè)可自由伸縮的驅(qū)動(dòng)單元可帶著被動(dòng)傘體自由收張以增大噴水推進(jìn)性能。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)單元是將SMA 絲內(nèi)嵌式到整體結(jié)構(gòu)之中，還包括了彈性體、支撐體、蒙皮和導(dǎo)線等幾個(gè)構(gòu)成零部件，如圖3 所示。彈性體一般由絕緣的塑料薄片制成，一般厚度為0.3 mm 左右，支撐體可以由萬(wàn)用板獲得，蒙皮可以是乳膠的薄膜，也可以通過(guò)一些流動(dòng)性好的硅橡膠材料實(shí)現(xiàn)。其制作的工藝過(guò)程:首先將SMA 絲緊緊貼附與彈性體之上，考慮到給SMA絲供電的方便性以及增強(qiáng)動(dòng)作效果，將SMA 絲折成“U”型?！癠”型絲材的底端通過(guò)穿過(guò)金屬薄片后，將金屬薄片粘貼在彈性體一端的方式固定?！癠”型絲材的開(kāi)口端則固定于支撐體上，支撐體同樣與彈性體的另一端通過(guò)粘貼的方式固定。通過(guò)支撐體還可以引出2 根導(dǎo)線，以便給SMA 絲通電加熱。在粘貼的過(guò)程中，應(yīng)使SMA 絲緊緊地貼附于彈性體表面上，且狀態(tài)平直，以帶來(lái)好的動(dòng)作效果。最后將蒙皮包覆于整體動(dòng)作單元的外面，起到對(duì)SMA 絲絕緣的作用，同時(shí)還能增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)單元的彈性。

圖3 驅(qū)動(dòng)單元

偏心布置到驅(qū)動(dòng)單元之中的SMA 絲是經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸的。其通斷電過(guò)程中的動(dòng)作原理:當(dāng)需要驅(qū)動(dòng)單元產(chǎn)生彎曲動(dòng)作時(shí)，首先給SMA 絲通電加熱，當(dāng)SMA 絲達(dá)到相變溫度后，其晶相組織發(fā)生奧氏體相變，宏觀上SMA 絲會(huì)產(chǎn)生收縮作用，在SMA 絲收縮中本身應(yīng)力的帶動(dòng)下，整體的驅(qū)動(dòng)單元會(huì)產(chǎn)生彎曲響應(yīng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)單元的彎曲角度達(dá)到一定范圍之后，給SMA 絲斷電，SMA 絲會(huì)逐步冷卻，其冷卻過(guò)程在水中會(huì)更加迅速，伴隨著SMA 絲的冷卻，其晶相組織又會(huì)發(fā)生馬氏體相變，在收縮過(guò)程中存儲(chǔ)于彈性體和蒙皮里的彈性能的作用下，驅(qū)動(dòng)單元會(huì)回復(fù)到初始狀態(tài)，進(jìn)而完成了整個(gè)動(dòng)作循環(huán)。

2.2 驅(qū)動(dòng)單元的理論計(jì)算

仿生水母推進(jìn)器中的驅(qū)動(dòng)單元采用絲徑為0.2 mm 的鎳鈦基SMA 絲，其在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的相變溫度依次為:Mf=43.4℃，Ms=52.2℃，As=51.4℃，Af=58.8℃。SMA 絲最大的應(yīng)力可達(dá)到800 MPa，足以克服彈性體的彎曲應(yīng)力。建立一個(gè)簡(jiǎn)單的SMA驅(qū)動(dòng)單元的幾何模型，如圖4 所示，認(rèn)為SMA 驅(qū)動(dòng)單元在彎曲時(shí)保持圓弧狀態(tài)，當(dāng)彎曲到最大角度時(shí)，SMA 絲的收縮量為δ。

圖4 幾何模型

則可以建立如下關(guān)系式:

式中:R 為驅(qū)動(dòng)單元的彎曲半徑;u 為SMA 絲中心與彈性片型心的距離;β 為驅(qū)動(dòng)單元的彎曲角度;L為彈性片的長(zhǎng)度。

由式(1)、式(2)可以得出:

由此可見(jiàn)，驅(qū)動(dòng)單元的彎曲角度正比于彈性體的長(zhǎng)度，反比于SMA 絲中心與彈性片型心的距離。初步設(shè)計(jì)參數(shù):彈性片的長(zhǎng)度L =50 mm，u =0. 3 mm。當(dāng)SMA 絲的應(yīng)變?yōu)?%時(shí)，單側(cè)最大彎曲角度β 可達(dá)到95°。

2.3 驅(qū)動(dòng)單元?jiǎng)幼鲗?shí)驗(yàn)

在室溫下，驅(qū)動(dòng)單元置于水中，溫度保持22 ℃，給SMA 絲通電，為了提高頻率，把握好散熱時(shí)間。圖5 為通電電壓11. 2 V、脈寬為5 0 0 ms、脈間為1 000 ms 時(shí)驅(qū)動(dòng)單元為最大彎曲角度。結(jié)論:(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊;(2)動(dòng)作無(wú)噪聲，動(dòng)作幅度大;(3)模塊化程度高，可多個(gè)合并一起作為水下機(jī)器人推進(jìn)器。因此，基于該驅(qū)動(dòng)單元具備研制出仿生化程度高的仿生水母推進(jìn)器的可行性。

3 水母?jìng)泱w設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及推進(jìn)力計(jì)算

設(shè)計(jì)放生水母時(shí)將驅(qū)動(dòng)單元鑲嵌在水母?jìng)泱w內(nèi)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)水母?jìng)泱w一起運(yùn)動(dòng)。水母?jìng)泱w推進(jìn)結(jié)構(gòu)由頭艙、驅(qū)動(dòng)單元、硅膠傘體和艙體四部分組成，結(jié)構(gòu)如圖6 所示。頭艙為一類球形結(jié)構(gòu)，它與艙體連接，作用是降低仿生水母在游動(dòng)時(shí)所受的阻力;頭艙與艙體里邊裝置電路電池及其控制部分。艙體外環(huán)配合一支撐架，在支撐架上固定六個(gè)驅(qū)動(dòng)單元;驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)嵌在硅膠傘體中。

圖5 驅(qū)動(dòng)單元實(shí)驗(yàn)圖

為了建立仿生水母推進(jìn)力的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行如下的簡(jiǎn)化:(1)仿生水母的傘體為半球型;(2)仿生水母的彈性單元彎曲的圓心在中心軸線上;(3)六個(gè)彈性單元均勻分布且傘體面質(zhì)量分布均勻;(4)仿生水母的頭部艙體在運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力和傘體舒張時(shí)的阻力忽略不計(jì)。

基于上述簡(jiǎn)化，仿生水母可建立如圖7 所示的模型。

圖7 中，L 為彈性單元長(zhǎng)度，V1為初始狀態(tài)的體積，V2為任意狀態(tài)的體積，β 為彈性單元彎曲角度。

得:

根據(jù)排出水的體積計(jì)算一次噴水所產(chǎn)生的推進(jìn)力，由動(dòng)能方程:

沖量方程

式中:t 為通電一次傘體收縮的時(shí)間;v 為仿生水母碰水后獲得的速度;m 為仿生水母的質(zhì)量。得:

由此可見(jiàn)，水母推進(jìn)速度取決于驅(qū)動(dòng)單元長(zhǎng)度、通電時(shí)間、自重。當(dāng)驅(qū)動(dòng)單元越長(zhǎng)，通電時(shí)間越長(zhǎng)，重量越輕，水母推進(jìn)的速度就越快。但是驅(qū)動(dòng)單元通電時(shí)間不宜過(guò)久，SMA 記憶合金絲溫度過(guò)高，容易熔化硅膠。通電時(shí)間在0.1 ～2 s。驅(qū)動(dòng)單元的長(zhǎng)度也不宜過(guò)長(zhǎng)，SMA 絲的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，絲的收縮率越小，彎曲效果會(huì)顯著下降。一般長(zhǎng)度在50 ～70 mm效果最好。

3.2 CFD 模型仿真

仿生水母機(jī)器人的最大游速還取決于其外形的減阻特點(diǎn)，因此為了研究游動(dòng)中仿生水母機(jī)器人所受到的阻力情況，在建立仿生水母推進(jìn)器三維模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的手段對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬分析。所建立模型的尺寸:總長(zhǎng)為145 mm，直徑為130 mm。仿真在FLUENT 軟件中進(jìn)行，將仿生水母推進(jìn)器模型置于流場(chǎng)中，流場(chǎng)長(zhǎng)度為模型的3 倍。仿生水母器人的游動(dòng)速度可以通過(guò)固定模型，施加背景流的方式代替，該模型受到的流體的沖力作用可認(rèn)為是外形阻力。在邊界條件的設(shè)置方面，設(shè)置進(jìn)口為速度入口，出口為壓力出口，背景流速為0.1m/s，仿真類似于將模型固定于一定流速的水洞中進(jìn)行流場(chǎng)顯示實(shí)驗(yàn)。

在FLUENT 中求解流體的控制方程，采用一階分離式隱式非穩(wěn)態(tài)求解方案，根據(jù)速度入口條件和三維模型的尺寸，其雷諾數(shù)在5 000 左右，處于層流和湍流的過(guò)渡區(qū)域，計(jì)算模型采用層流粘性模型。周圍流場(chǎng)為水，其密度 為998.2 kg/m3，運(yùn)動(dòng)粘度為1.0 ×10-6m2/s。仿真后得到的仿生水母推進(jìn)器在游動(dòng)中形體上的壓力分布如圖8 所示，從圖8 中可以看出，該模型壓力分布比較均勻，頭部處所受壓力比較集中，因此在今后的改進(jìn)設(shè)計(jì)中可以設(shè)計(jì)流線型更好的結(jié)構(gòu)。

3.3 模具設(shè)計(jì)及樣機(jī)制作

圖6 三維結(jié)構(gòu)

圖7 幾何模型

圖8 仿生水母機(jī)器人游動(dòng)中的靜壓分布圖

傘體剖面線呈現(xiàn)彎曲狀態(tài)，SMA 絲將平順地鑲嵌到傘體內(nèi)部，將決定傘體的動(dòng)作效果。硅膠傘體由模具鑄成，模具由上模和下模組成，如圖9 所示。其中上模分為1、2、3 三部分，上模1 為無(wú)底透明碗狀，四周有一注?？?2 為薄壁圓柱狀，與1 緊密配合;3 為圓臺(tái)狀，支撐水母艙體。下模分為A、B 兩部分，下模A 為環(huán)狀，承接上模2;下模B 為圓柱底座，承接下模A，且圓周開(kāi)有方槽，槽底有螺紋孔，下模B 底面同樣開(kāi)有通孔，注模時(shí)方槽螺紋孔用于固定彈性體，底面通孔用于固定上模3。注模時(shí)將整體模具與水母主體固定連接，通過(guò)注?？讓⒐枘z注入上模1 與3 之間的空隙中，硅膠膜將彈性體與蒙皮完全包住，帶硅膠完全凝固后脫模，則水母?jìng)泱w制作完成。澆灌出的實(shí)物如圖9 所示，該仿生水母推進(jìn)器總重425 g，長(zhǎng)144 mm，外徑130 mm。

圖9 模具

圖10 實(shí)物

4 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)水母肌肉結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)出水母?jìng)泱w噴水式推進(jìn)器，利用SMA 絲作為驅(qū)動(dòng)源，制作驅(qū)動(dòng)單元。將6 個(gè)驅(qū)動(dòng)單元均布鑲嵌在硅膠傘體里，用驅(qū)動(dòng)單元帶動(dòng)硅膠傘體實(shí)現(xiàn)噴水推進(jìn)。建立了水母推進(jìn)力及推進(jìn)速度的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)仿生水母機(jī)器人的外形進(jìn)行了仿真。設(shè)計(jì)出硅膠傘體模型和澆灌模具，制作出放生水母推進(jìn)器樣機(jī)。

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