王揚威　于　凱　王振龍

1.南京航空航天大學(xué),南京,210016　　2.哈爾濱工業(yè)大學(xué),哈爾濱,150001

形狀記憶合金絲驅(qū)動仿生波動鰭推進器設(shè)計與實驗研究

王揚威1于凱1王振龍2

1.南京航空航天大學(xué),南京,2100162.哈爾濱工業(yè)大學(xué),哈爾濱,150001

研究了一種形狀記憶合金(SMA)絲驅(qū)動的仿生波動鰭推進器。在分析墨魚鰭肌肉結(jié)構(gòu)和運動機制的基礎(chǔ)上，建立了鰭波動運動學(xué)模型，研制了基于SMA絲驅(qū)動柔性鰭單元的仿生波動鰭推進器，并進行了試驗研究。結(jié)果表明，仿生推進器能實現(xiàn)與墨魚鰭相似的柔性運動，波幅和推進力隨SMA絲的驅(qū)動脈沖寬度的增加而增大，鰭波動推進力呈周期性變化，瞬時推力在驅(qū)動脈沖寬度80 ms時達到最大值180 mN。

墨魚鰭；形狀記憶合金絲；柔性鰭單元；仿生波動鰭

0　引言

水生生物的身體/尾鰭推進(body and caudal fin,BCF)模式具有較好的高速游動性能,其仿生樣機和游動機理的研究雖取得了大量成果[1-2],但仿生樣機的游動性能還無法與生物媲美。中央鰭/對鰭推進(median and/or paired fin,MPF)模式能實現(xiàn)6個自由度方向上的精確機動游動,具有高機動性、高效性以及良好的穩(wěn)定性和可控性，更利于水下作業(yè),逐漸成為仿生水下機器人研究領(lǐng)域的熱點[3]。

近年來,文獻[4-9]相繼模仿不同生物研制了MPF模式推進仿生水下機器人。這些機器人都將電機作為驅(qū)動器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，推進鰭面的柔性難以與生物媲美，且游動有噪聲。文獻[10-12]將智能材料作為驅(qū)動器,簡化了執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)了柔性鰭面的無聲推進游動，但其游動性能還不理想。

本文以墨魚為仿生對象，分析其胸鰭柔性運動機制,研制形狀記憶合金(shape memory alloy,SMA)絲驅(qū)動的仿生波動鰭推進器，并對推進性能進行相關(guān)試驗研究。

1　墨魚鰭的形態(tài)特征及肌肉結(jié)構(gòu)

墨魚屬于軟體動物門頭足綱,其身體結(jié)構(gòu)如圖1所示。墨魚身體除烏賊骨和嘴部的顎外沒有硬骨骼支撐,通過胸鰭的波動運動和外套膜的噴射推進，能實現(xiàn)前進、快速后退和翻滾等游動動作。

圖1　墨魚外形圖

墨魚的鰭呈窄帶形(對稱分布在軀干的兩側(cè)),鰭的波動運動為游動提供推進力。墨魚鰭的肌肉結(jié)構(gòu)屬于肌肉性靜水骨骼結(jié)構(gòu),肌肉的伸縮運動使鰭面呈現(xiàn)不同的波形[13]。鰭波動運動過程中，墨魚鰭肌肉(圖2)里面上下對稱、并排排列分布的橫肌纖維按特定規(guī)律均勻收縮，使鰭面形成與游動推進方向反向傳播的波形，推動周圍的流體來獲得推進力。

圖2　墨魚鰭肌肉結(jié)構(gòu)[14]

2　墨魚鰭波動運動建模

墨魚鰭里面橫肌纖維的收縮運動是形成鰭面波形的主要動力，將每一對上下對稱的橫肌纖維定義為一個鰭面單元體結(jié)構(gòu)，整個墨魚鰭的波動運動實質(zhì)上是每一個鰭單元的柔性彎曲擺動運動的擬合運動。

如圖3所示,為描述墨魚鰭的空間柔性波動運動，建立了隨體坐標(biāo)系OBXBYBZB和鰭單元坐標(biāo)系OFXFYFZF,XB軸由墨魚尾部指向頭部,ZB軸和ZF由墨魚腹部指向背部,YF軸由鰭基線指向鰭面邊緣。為建立墨魚鰭的運動學(xué)模型,依據(jù)墨魚鰭的形態(tài)和運動特征,作如下簡化:鰭面為無厚度曲面，對稱分布在軀干兩側(cè)；鰭的基線為沿軀干周圍的弧線(在鰭波動的過程中，形狀和長度保持不變);鰭由并排排列、在OFYFZF平面內(nèi)作周期性正弦柔性彎曲擺動的鰭單元組成，每個鰭單元在彎曲過程中始終保持圓弧形，相鄰鰭單元擺動的相位差相同。

圖3　墨魚鰭坐標(biāo)系

圖4顯示了鰭單元的彎曲擺動狀態(tài),鰭單元長度方向上任意點Q(x,y,z)的坐標(biāo)可表示為

(1)

式中,r為彎曲擺動的圓弧半徑,m;θ為鰭單元坐標(biāo)系下Q點對應(yīng)的圓心角,(°)。

圖4　鰭單元運動狀態(tài)

圓心角θ隨時間t的變化可表示為

θ(t)=θmaxsin(ωt+θ0)

(2)

式中,θmax為最大圓心角,(°);ω為擺動的角速度,rad/s;θ0為初始相位角,(°)。

基于簡化假設(shè),在鰭單元周期性擺動過程中,Q點對應(yīng)鰭單元段的弧長l為常量。因r=l/θ,可得

(3)

假設(shè)Q點所在鰭單元的基點在隨體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(xB0,yB0,0),則墨魚鰭的運動學(xué)方程可表示為

(4)

式中,α為YF軸和YB軸的夾角,(°)。

3　仿生波動鰭推進器的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1SMA絲驅(qū)動柔性鰭單元

SMA絲的收縮運動與墨魚鰭橫肌纖維的收縮運動相似，通過對稱布置的SMA絲的差動收縮運動可以實現(xiàn)與墨魚鰭單元相似的柔性彎曲擺動運動。SMA絲驅(qū)動的柔性鰭單元(圖5)由基體、彈性體、硅膠蒙皮和SMA絲組成。兩根SMA絲對稱分布在彈性體兩側(cè)， SMA絲和彈性

圖5　SMA絲驅(qū)動鰭單元結(jié)構(gòu)

體分別固定在基體上。硅膠蒙皮覆蓋在SMA絲外部，并與彈性體黏結(jié)為一體。兩側(cè)SMA絲的交替收縮牽拉作用能夠使柔性鰭單元產(chǎn)生周期性的往復(fù)柔性擺動運動。

制作的柔性鰭單元(圖6)的厚度為3 mm,寬度為7 mm,彎曲段長度為50 mm,單面SMA絲的數(shù)量為2。柔性鰭單元的彈性體選用0.25 mm厚聚乙烯,蒙皮材料為704硫化硅橡膠,TiNi基SMA絲直徑為0.15 mm。

圖6　柔性鰭單元

3.2仿生波動鰭推進器

仿生波動鰭的外形參照墨魚鰭的形態(tài),將兩側(cè)對稱的墨魚鰭簡化為一個鰭面整體。仿生波動鰭中，SMA絲驅(qū)動柔性鰭單元的數(shù)量越多，對墨魚柔性鰭面的模擬越好，控制系統(tǒng)也越復(fù)雜。為減少柔性鰭單元數(shù)量，在柔性鰭面中，采用等間距嵌入柔性鰭單元的方式，通過柔性鰭單元的柔性擺動來帶動柔性鰭面，從而實現(xiàn)與墨魚鰭柔性波動相似的運動。為保證仿生波動鰭能呈現(xiàn)完整的正弦波形，單側(cè)鰭面中鰭單元不應(yīng)少于5個。為此，設(shè)計由11個柔性鰭單元和柔性鰭面構(gòu)成的仿生波動鰭，如圖7所示，兩側(cè)對稱排布5個鰭單元，可實現(xiàn)一個完整波長的鰭面運動，尾部布置一個柔性鰭單元來配合鰭面波動。

圖7　仿生波動鰭結(jié)構(gòu)示意圖

為保證柔性鰭面能夠在柔性鰭單元的帶動下形成與墨魚鰭相似的推進波,選用彈性好的人體硅膠作為柔性鰭面的材料。通過專用模具將柔性鰭單元固定,然后灌注人體硅膠,通過加熱固化制成仿生波動鰭推進器,見圖8。仿生波動鰭推進器長280 mm,寬260 mm,鰭面寬50 mm,總質(zhì)量(不包括固定板)為142 g。

圖8　仿生波動鰭推進器

4　仿生波動鰭推進器水動力實驗研究

4.1仿生波動鰭推進器試驗臺

為了研究仿生波動鰭推進器的波動運動和推進過程中產(chǎn)生推進力的變化，搭建了仿生水下試驗臺。如圖9所示，試驗臺由水箱、固定支架、力傳感器、控制系統(tǒng)和PC機組成。為消除仿生波動鰭俯仰運動對測量的影響，仿生波動鰭通過前后兩個力傳感器與固定支架相連。固定支架安裝在水箱上部，控制系統(tǒng)通過導(dǎo)線與仿生波動鰭中的SMA絲相連。力傳感器數(shù)據(jù)通過PCI-1710HG數(shù)據(jù)采集卡上傳至計算機。

圖9　仿生水下試驗臺

4.2柔性鰭單元和仿生波動鰭推進器實驗研究

為研究SMA絲驅(qū)動鰭單元的彎曲擺動柔性，在驅(qū)動電壓11.1 V和驅(qū)動脈沖寬度80ms條件下進行了實驗研究。實驗結(jié)果表明，SMA絲驅(qū)動鰭單元能實現(xiàn)的最大彎曲角為84°，彎曲擺動運動呈近似圓弧形(圖10)。

圖10　鰭單元彎曲擺動狀態(tài)

為研究仿生波動鰭推進器的推進性能，利用研制的水下試驗臺進行了一系列水動力性能測試。水溫為20℃，SMA絲的驅(qū)動電壓為11.1 V，驅(qū)動脈寬為30～80 ms，鰭單元內(nèi)布置在彈性體兩側(cè)的SMA絲的動作相位差取驅(qū)動脈寬的10倍,相鄰鰭單元之間的驅(qū)動相位差為驅(qū)動脈寬加40 ms。

圖11　鰭波動圖像序列

SMA絲的驅(qū)動脈寬為60 ms時,仿生波動鰭的波動運動如圖11所示。由圖11可以看出:基于SMA絲驅(qū)動柔性鰭單元的仿生波動鰭能夠?qū)崿F(xiàn)與墨魚鰭相似的波動運動;在整個波動運動周期內(nèi),各柔性鰭單元的擺幅差異導(dǎo)致鰭面呈現(xiàn)非等幅波動。

圖12所示為60 ms驅(qū)動脈沖寬度的波動鰭產(chǎn)生的推進力隨時間變化的曲線。從圖12可以看出：仿生鰭在波動運動過程中，能夠產(chǎn)生推進力，且推進力呈周期性變化；仿生鰭波動運動產(chǎn)生的平均推力為正值，即平均推力方向與鰭波動時鰭面波的傳播方向相反。

圖12　推力隨時間變化曲線

不同驅(qū)動脈沖寬度條件下,仿生鰭的平均波幅和瞬時最大推進力的變化曲線如圖13所示。結(jié)果表明,仿生波動鰭的最大瞬時推力和平均波幅隨著SMA絲的驅(qū)動脈寬增加而增大，80 ms驅(qū)動脈寬的瞬時推力最大值達到180 mN。

圖13　波幅和瞬時推力變化曲線

5　結(jié)語

SMA絲驅(qū)動仿生波動鰭推進器具有結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動方便和推進無噪聲等優(yōu)點,柔性波動運動能更好地實現(xiàn)渦流的精確控制。研究結(jié)果為后續(xù)仿生波動鰭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和高效控制策略研究奠定了基礎(chǔ)。該項研究為未來高性能仿生水下機器人研制提供了一種新的仿生推進器形式。

[1]魏清平,王碩,譚民,等.仿生機器魚研究的進展與分析[J].系統(tǒng)科學(xué)與數(shù)學(xué),2012,32(10):1274-1286.

Wei Qingping,Wang Shuo,Tan Min,et al.Research Development and Analysis of Biomimetic Robotic Fish[J].Journal of Systems Science and Mathematical Sciences,2012,32(10):1274-1286.

[2]劉煥興,蘇玉民,張曦,等.尾鰭柔性變形對仿金槍機器魚自主游動的影響[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2014，42(3):117-121.

Liu Huanxing,Su Yumin,Zhang Xi,et al.Effect of Caudal-fin Flexible Deformation on Self-propelled Swimming of a Tuna-like Bio-mimetic Underwater Vehicle[J].Journal of Huazhong University of Science and Technology(Nature Science Edition),2014,42(3):117-121.

[3]王田苗,楊興幫,梁建宏.中央鰭/對鰭推進模式的仿生自主水下機器人發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J].機器人,2013,35(3):352-362,384.

Wang Tianmiao,Yang Xingbang,Liang Jianhong.A Survey on Bionic Autonomous Underwater Vehicles Propelled by Median and/or Paired Fin Mode[J].Robot,2013,35(3):352-362,384.

[4]Rahman M M，Sugimori S，Miki H，et al. Braking Performance of a Biomimetic Squid-like Underwater Robot[J]. Journal of Bionic Engineering，2013，10：265-273.

[5]Cloitre A,Subramaniam V,Patrikalakis N,et al.Design and Control of a Field Deployable Batoid Robot[C]//The Fourth IEEE RAS/EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics.Roma,2012:24-27.

[6]Cao Y,Bi S,Cai Y,et al.Applying Coupled Nonlinear Oscillators to Imitate Swimming Modes of Cow-nosed Rays[C]//Proceeding of the IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics(ROBIO).Shenzhen,China,2013:552-557.

[7]楊少波,韓小云,邱靜,等.仿牛鼻鲼機器魚胸鰭的時間非對稱擺動研究[J].中國機械工程,2011,22(5):588-591,596.

Yang Shaobo,Han Xiaoyun,Qiu Jing,et al.Research on Pectoral Fins Oscillating Asymmetrically in Time of a Cownose-like Robotic Fish[J].China Mechanical Engineering,2011,22(5):588-591,596.

[8]Wang G,Ma X,Hu T,et al.Experimental and Analytical Study on Factors Influencing Biomimetic Undulating Fin Propulsion Performance Based on Orthogonal Experimental Design[J].Advanced Robotics,2013,27(8):597-609.

[9]Wei Q P,Wang S,Dong X,et al.Design and Kinetic Analysis of a Biomimetic Underwater Vehicle with Two Undulating Long-fins[J].Acta Automatica Sinica,2013,39(8)：1330-1338.

[10]Takagi K,Yamamura M,Luo Z W,et al.Development of a Rajiform Swimming Robot Using Ionic Polymer Artificial Muscles[C]//IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.Beijing,2006:1861-1866.

[11]Yan Q,Wang L,Liu B,et al.A Novel Implementation of a Flexible Robotic Fin Actuated by Shape Memory Alloy[J].Journal of Bionic Engineering,2012,9(2):156-165.

[12]Wang Z,Wang Y,Li J,et al.A Micro Biomimetic Manta Ray Robot Fish Actuated by SMA[C]//2009 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics(ROBIO).Guilin,China,2009:1809-1813.

[13]Kier W M,Thompson J T.Muscle Arrangement,Function and Specialization in Recent Coleoids[J].Berliner Pal?obiol Abh,2003,3:141-162．

[14]Wang Z,Hang G,Li J,et al.A Micro-robot Fish with Embedded SMA Wire Actuated Flexible Biomimetic Fin[J].Sensors and Actuators A:Physical,2008,144:354-360.

(編輯張洋)

Research on Design and Experiment of a Biomimetic Undulating Fin Propeller Actuated by SMA Wires

Wang Yangwei1Yu Kai1Wang Zhenlong2

1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016 2.Harbin Institute of Technology,Harbin,150001

A study about a biomimetic undulating fin propeller actuated by SMA wires was presented.Firstly,the structure and function of muscular hydrostats of cuttlefish fin were analyzed,and the kinematic model of the cuttlefish’s fin undulatory motion was built.Secondly,a biomimetic undulating fin propeller actuated by SMA wires was developed.Finally,the hydrodynamic performance of the biomimetic propeller was tested.The results show that the flexible fin undulatory motion of biomimetic propeller is similar to fin of cuttlefish.The undulatory amplitude and thrust increases with increasing the actuating pulse width.The instantaneous maximum thrust is 180 mN at actuating pulse width 80 ms.

fin of cuttlefish;shape memory alloy(SMA) wire;flexible fin unit;biomimetic undulating fin

2014-05-08

國家自然科學(xué)基金資助項目(50775049);江蘇省自然科學(xué)基金資助項目(BK20130796);高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目；南京航空航天大學(xué)研究生創(chuàng)新基地(實驗室)開放基金資助項目(KFJJ201437)

TH69;TH122DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.08.004

王揚威,男,1980年生。南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院講師。主要研究方向為仿生機器人和機電控制及自動化。發(fā)表論文20余篇。于凱，男，1991年生。南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院碩士研究生。王振龍,男,1963年生。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。