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(中國科學技術(shù)大學工程科學學院精密機械與機密儀器系，安徽 合肥 230026)

0 引言

在過去幾十年里，越來越多的學者關(guān)注軟體機器人的研究，尤其是在仿生軟體機器人方面，如仿生蚯蚓機器人、章魚機器人、仿生機器魚和象鼻機器人[1-4]等。相比于傳統(tǒng)機器人，仿生軟體機器人采用聚氨酯、高分子材料和橡膠聚合物等柔性材料作為基體，使用少量甚至不使用剛性結(jié)構(gòu)，保證了機器人高仿生性的同時，擁有較高的安全性、靈活性，并能更好地在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中運動。以美國為代表的西方國家從20世紀50年代就開始了水下機器人的研究[5-6]，早期的水下機器人以特定功能的水下無人機為主，如深潛機器人、潛艇救生機器人，這類機器普遍存在結(jié)構(gòu)復雜、噪音大、維護難和成本高等問題，一定程度上限制了其應(yīng)用。20世紀后期以來，隨著智能驅(qū)動材料[7-9]研究的深入，一系列基于此類材料的仿生水下機器人被設(shè)計出來[10-11]，這類機器人具有高效率、低噪聲、高機動和高速等優(yōu)點，受到國內(nèi)外學者廣泛的關(guān)注。

水母作為最古老的海洋生物之一[7]，適應(yīng)絕大部分海洋環(huán)境，具有簡單、柔韌的身體結(jié)構(gòu)，游動能量利用率高，噪聲低，成為水下仿生研究對象中的明星[10]。獲取水母運動諸多優(yōu)點最簡單的方式就是模仿它的結(jié)構(gòu)和推進方式，目前國內(nèi)外學者在仿生水母機器人研究方面做了很多工作[10-11]，但這些工作主要集中在水母機器人的運動的實現(xiàn)，忽略了水母機器人的游動性能，這些水母機器人存在游速慢、體積小、需要外接電源、運動模式單一等不足。

在此，通過改進SMA驅(qū)動模塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造工藝，提出了一種新的水母機器人的設(shè)計方案和控制策略。

1 設(shè)計與制作

1.1 SMA驅(qū)動模塊

隨著材料科學的發(fā)展，越來越多基于智能材料柔性驅(qū)動器應(yīng)用在機器人領(lǐng)域，如形狀記憶合金絲驅(qū)動器(SMA)、電活性聚合物驅(qū)動器(EAP)、金屬離子聚合物復合材料驅(qū)動器(IPMC)等，與采用電磁驅(qū)動來實現(xiàn)運動精度和負載要求傳統(tǒng)驅(qū)動器相比，這些柔性驅(qū)動器具有較高的靈活性、兼容性和適應(yīng)性。其中，基于SMA的柔性驅(qū)動器具有結(jié)構(gòu)小巧、變形和力輸出大、驅(qū)動方式簡單，以及可控性相對較高的優(yōu)點[12]。本文將采用SMA完成水母機器人驅(qū)動模塊的設(shè)計制作。SMA驅(qū)動模塊制作工藝流程如圖1a所示，主要分為穿絲、裝模澆注和粘貼回復板3個步驟，其中在裝模時對SMA施加0.5%的預(yù)緊力，以保證驅(qū)動模塊獲得更大的彎曲角度。

SMA驅(qū)動模塊長寬厚分別為100 mm，10 mm，2.5 mm，SMA絲與彈簧鋼的距離為1.5 mm，有效長度為87 mm，由驅(qū)動層、回復層和填充層組成。驅(qū)動層為2組固定安裝在PCB上的SMA(直徑為0.15 mm，相變溫度為90 ℃，最大變性收縮率為4.5%)，SMA的加熱時晶體組織會發(fā)生相變，產(chǎn)生的力和位移輸出；回復層為厚度為0.1 mm的彈簧鋼板，在驅(qū)動模塊加熱彎曲變形時，彈簧鋼存儲彈性勢能，在驅(qū)動模塊冷卻時使其恢復到初始位置；填充層采用具有良好延展性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)嵌合SMA和PCB，以減小驅(qū)動模塊彎曲變形時反向壓應(yīng)力對該模塊性能的影響。該驅(qū)動模塊在電流作用下具有良好的彎曲變形性能，如圖1b所示。

圖1 SMA驅(qū)動模塊制作工藝流程及測試

SMA驅(qū)動模塊的平均電阻為6 Ω，誤差小于0.5 Ω。為獲得驅(qū)動模塊最優(yōu)的驅(qū)動電壓，針對該驅(qū)動模塊在不同加載電壓下進行了一系列電性測試，采用高速攝影機對驅(qū)動模塊彎曲過程進行采集記錄，實驗結(jié)果如圖2所示。加熱過程(圖2a)的實驗結(jié)果表明，隨著加載電壓的升高，驅(qū)動模塊彎曲變形角度有增大的趨勢，且能更快達到最大彎曲角度。冷卻回復過程(圖2b)的實驗結(jié)果表明，過大的加載電壓會導致驅(qū)動模塊出現(xiàn)過沖抖動現(xiàn)象，嚴重影響了回復過程的時間，且存在更大的殘余應(yīng)力，造成驅(qū)動模塊很難恢復到初始狀態(tài)。因此合適的驅(qū)動電壓對于驅(qū)動模塊的性能至關(guān)重要，經(jīng)過試驗分析，當驅(qū)動電壓為20 V時，驅(qū)動模塊表現(xiàn)出相對較優(yōu)的性能，此時該模塊能產(chǎn)生150°的彎曲變形，及2.48 Hz的動作頻率。

圖2 SMA驅(qū)動模塊不同驅(qū)動電壓下的彎曲性能

1.2 仿生水母機器人

水母具有簡單、柔軟的對稱結(jié)構(gòu)[13]，且大多數(shù)水母具有透明或者半透明的鐘狀體結(jié)構(gòu)。作為水母游動的主要結(jié)構(gòu)，鐘狀體的直徑小至2 cm，大至2 m[8]。海月水母作為常見的水母之一，其鐘狀體最大可達45 cm，海月水母機構(gòu)細節(jié)如圖3所示。

圖3 水母結(jié)構(gòu)拓撲

水母鐘狀體外部和內(nèi)部稱為上傘體和下傘體，上表皮和下表皮之間為中凝膠層，凝膠層存在彈性纖維[7]。海月水母動作周期分為2步，下傘體肌肉縮短將鐘狀體內(nèi)部的水排出，形成推進力，同時上傘體和彈性纖維儲存的彈性能量；海月水母沒有回復鐘狀體肌肉，依靠存儲在彈性上傘體和彈性纖維能量回復到釋放狀態(tài)[10]。

為模仿海月水母的結(jié)構(gòu)和動作，利用SMA驅(qū)動模塊設(shè)計如圖4所示的可模塊化組裝水母機器人樣機。該樣機采用6組SMA驅(qū)動模塊呈輻射對稱分布，電池組采用6節(jié)動力電池(NITECORE IMR18650，輸出電壓為3.6 V，最大電流為30 A)環(huán)形分布，電池組有效輸出電壓為20.6 V，電池組及控制電路內(nèi)置在中心盒，鐘狀體使用厚度為1 mm的彈性硅膠蒙皮。該樣機重512 g，密度為1.031 g/cm3,在松弛狀態(tài)如圖4b所示,直徑為210 mm，高度為80 mm。當機器人處于收縮狀態(tài)時(圖4c)直徑為142 mm，高度為88 mm。

圖4 水母機器人樣機

2 控制系統(tǒng)

中樞模式發(fā)生器(CPG)是一種能在缺乏外部傳感和反饋條件下產(chǎn)生節(jié)律輸出生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用于生物節(jié)律運動的控制，具有良好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性[14-15]。目前，CPG模型主要分為2類，即神經(jīng)元模型和非線性振蕩子模型。瑞士科學家Ijspeert等人[14]構(gòu)建的非線性自適應(yīng)耦合模型是典型的非線性振蕩子模型，該模型根據(jù)多個控制輸入產(chǎn)生多個協(xié)調(diào)的節(jié)律信號，具有結(jié)構(gòu)簡單、耦合參數(shù)整定和輸出正弦穩(wěn)定等特點。本文對Ijspeert模型重構(gòu)，并重新定義了模型的輸出，使其能完成水母機器人的步態(tài)生成。重構(gòu)后的模型數(shù)學描述為：

(1)

θi和ri分別為振蕩子i相位和幅值的狀態(tài)變量；fi和Ri分別為振蕩子i的期望頻率與期望幅值；wij和φij(φij=-φji)分別為振蕩子j對振蕩子i的耦合權(quán)重與穩(wěn)態(tài)相位偏置；ai為正常數(shù)，它決定了系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間；Si為系統(tǒng)的輸出。值得注意的是，過大的wij和ai都會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。本文對系統(tǒng)輸出進行了二值化處理，因此期望幅值Ri并不會對系統(tǒng)輸出產(chǎn)生影響，且耦合權(quán)重wij和調(diào)節(jié)常數(shù)ai分別設(shè)置為200和30，期望頻率fi和相位偏置φij為系統(tǒng)的僅有可調(diào)參數(shù)。在上述模型的基礎(chǔ)上,建立如圖5所示的CPG網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)包含6個振蕩子， 編號為振蕩子1～6，分別用水母機器人6個SMA驅(qū)動模塊的控制，各個振蕩子之間的耦合關(guān)系如圖5所示。該系統(tǒng)輸出為頻率、相位差可調(diào)的一組方波信號，不同的頻率和相位差組合對應(yīng)水母機器人不同游動模式。

圖5 CPG網(wǎng)絡(luò)的拓撲

3 實驗結(jié)果

上述提出的水母機器人的結(jié)構(gòu)與控制策略，旨在完成水母機器人多模式游動，為了證明其有效性，進行了一系列水母游動實驗。首先，測試水母機器人在豎直方向上不同頻率的游動效果，如圖6和圖7所示。實驗結(jié)果表明：當游動頻率為2 Hz時，水母機器人獲得最大游動速度為5.28 cm/s，此時雖然水母機器人在游速方面獲得了很好的性能，但由于SMA驅(qū)動模塊在加熱過程存在熱積累現(xiàn)象，會導致水母機器人快速進入熱死寂狀態(tài)，無法長時間持續(xù)游動。水母機器人在1 Hz時游動的時序如圖8所示。

圖6 水母機器人游動過程

圖7 水母機器人速度、游動時間與頻率關(guān)系

當水母機器人的各個SMA驅(qū)動模塊動作頻率不同時，水母機器人兩側(cè)會產(chǎn)生差速，從而可以實現(xiàn)水母機器人轉(zhuǎn)彎游動。且當水母機器人同一側(cè)3個SMA驅(qū)動模塊處于靜止狀態(tài)，另外3個SMA驅(qū)動模塊以2 Hz的頻率動作時，水母機器人可以獲得最小的轉(zhuǎn)彎半徑，如圖9所示，最小轉(zhuǎn)彎半徑為31.95 cm。

圖8 豎直游動(1 Hz)

圖9 轉(zhuǎn)彎游動

4 結(jié)束語

提出了一種新穎的仿生水母機器人設(shè)計制造方案，該機器人采用射流方式推進，結(jié)構(gòu)簡單、易維護、噪聲低、推進效率高，解決了傳統(tǒng)水下機器人采用螺旋槳推進容易受到電纜、海帶和廢棄漁網(wǎng)等纏繞問題。為實現(xiàn)水母機器人周期性收縮釋放動作，采用新的工藝流程和參數(shù)設(shè)計制造了一種基于SMA的驅(qū)動模塊，該模塊能實現(xiàn)大彎曲變形，超過預(yù)期要求。使用中樞模式發(fā)生器(CPG)控制策略，設(shè)計CPG網(wǎng)絡(luò)，用于水母機器人的運動控制，雖然此控制方式不是很穩(wěn)定，但一定程度上實現(xiàn)水母機器人在三維空間中的多模式游動。與參考文獻中提到的幾款水母機器人相比，本機器人具有更高的綜合性能，如更高的仿生學、更大的尺寸和速度、能實現(xiàn)三維游動、無需外部電源等。在接下來的工作中，將會對水母機器人熱死寂問題深入研究，尋求一種可行的有效的解決方案。

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