鄧佳琦，段世杰，張秋宇

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

近年來(lái)，地球的資源日益匱乏，人類對(duì)海洋資源的開(kāi)發(fā)利用逐漸占據(jù)重要地位。水下機(jī)器人（Unmanned Underwater Vehicle，UUV） 應(yīng)運(yùn)而生，它是人類探索、開(kāi)發(fā)和保護(hù)海洋資源的重要工具。傳統(tǒng)水下機(jī)器人采用整體耐壓殼或開(kāi)放式框架結(jié)構(gòu)，螺旋槳推進(jìn)，推進(jìn)效率低，易被海草、漁網(wǎng)等纏繞，且會(huì)對(duì)水下生物造成一定危害。為此，本文設(shè)計(jì)了一種采用SMA 絲來(lái)驅(qū)動(dòng)的水下增程式推進(jìn)裝置。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及背景

2012年，浙江大學(xué)劉芳芳[1]撰寫的論文中將柔性鰭波動(dòng)推進(jìn)模式與傳統(tǒng)的魚(yú)類身體／尾鰭（Body and/or Caudal Fin，BCF） 推進(jìn)模式進(jìn)行對(duì)比，屬于中央鰭／對(duì)鰭（Median and/or Paired Fin，MPF） 推進(jìn)模式，具有低速下高效、高機(jī)動(dòng)性和低流體擾動(dòng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，為未來(lái)水下推進(jìn)器的仿生設(shè)計(jì)提供了新的選擇。采用此種推進(jìn)模式的仿生推進(jìn)器不僅適用于遠(yuǎn)距離航行，還具有小范圍機(jī)動(dòng)靈活、抗擾動(dòng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)海洋資源的勘探、技術(shù)裝備開(kāi)發(fā)甚至軍事方面均具有重要的理論研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

由上述烏賊肌肉結(jié)構(gòu)的研究，制造出基于柔性鰭波動(dòng)推進(jìn)模式的推進(jìn)器，但沒(méi)有將兩種模式同時(shí)實(shí)現(xiàn)[2]，也沒(méi)有采用智能材料研制的驅(qū)動(dòng)器，因此，無(wú)法完全體現(xiàn)烏賊的游動(dòng)特點(diǎn)。本文主要采用形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，SMA） 絲研制的驅(qū)動(dòng)器，使水下機(jī)器人具有烏賊的耐壓強(qiáng)、靈活度高等特點(diǎn)。

2 研發(fā)方案

2.1 工作原理

外部電源通電時(shí)， 擠壓管上的SMA 絲收縮，擠壓管中的水流從出水端噴出，擠壓管采用了HDPE 塑料薄膜，SMA 絲收縮時(shí)受到的阻力減小；采用呈集束設(shè)置的多個(gè)擠壓管，每次多個(gè)SMA 絲通電后產(chǎn)生收縮空間更大，排出的水更多，從而大大提高了裝置的噴射推進(jìn)路程。外部電源斷電時(shí)，SMA 絲伸長(zhǎng)，擠壓管恢復(fù)初始狀態(tài)，使水流通過(guò)單向閥進(jìn)入到殼體內(nèi)，然后通過(guò)多個(gè)進(jìn)水端進(jìn)入到擠壓管中，將擠壓管充滿水，隨即完成一次噴射操作，之后快速通斷電，即可持續(xù)進(jìn)行水下推進(jìn)[3]。見(jiàn)圖1。

圖1 一種SMA 絲驅(qū)動(dòng)的水下增程式推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的水下推進(jìn)裝置一般采用螺旋槳推進(jìn)，在行進(jìn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲。本文設(shè)計(jì)的一種SMA 絲徑向驅(qū)動(dòng)的水下推進(jìn)裝置，解決了現(xiàn)有的螺旋槳水下推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲，造成水下隱身性能差的問(wèn)題。該推進(jìn)裝置腔體為彈性橡膠材質(zhì)且呈圓筒狀結(jié)構(gòu)，其兩端一體固接有擋板，兩個(gè)擋板上同軸開(kāi)設(shè)有通孔，出口單向閥和入口單向閥一一對(duì)應(yīng)穿裝在兩個(gè)通孔內(nèi)，若干徑向壓條均勻固設(shè)在腔體圓周方向的表面且均與腔體的中心軸線平行設(shè)置，SMA 絲驅(qū)動(dòng)組件同軸套設(shè)在腔體上且與腔體緊密接觸，徑向壓條位于SMA 絲驅(qū)動(dòng)組件與腔體之間，SMA 絲驅(qū)動(dòng)組件通電時(shí)沿腔體徑向收縮，斷電時(shí)恢復(fù)。通過(guò)控制SMA 絲的快速通斷電，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)推進(jìn)裝置的無(wú)聲連續(xù)推進(jìn)動(dòng)作[4]。

1） 該推進(jìn)裝置殼體呈圓筒狀，殼體的兩端分別固定連接進(jìn)水單向閥和出水單向閥，在殼體內(nèi)部分別固定連接第一固定板和第二固定板。其中第一固定板上開(kāi)設(shè)了多個(gè)進(jìn)水孔，每個(gè)進(jìn)水孔固定連接在進(jìn)水端上，進(jìn)水端的一端固定連接了呈圓筒狀的擠壓管，擠壓管背離進(jìn)水端的一端固定連接在出水端；第二固定板上開(kāi)設(shè)了多個(gè)出水孔，每個(gè)出水端固定連接在相對(duì)應(yīng)的出水孔側(cè)壁上，多個(gè)擠壓管上設(shè)置擠壓裝置，每個(gè)擠壓管內(nèi)部側(cè)壁固定連接多個(gè)依次排列的彈性圈。

2） 擠壓裝置包括正極導(dǎo)線、負(fù)極導(dǎo)線和多個(gè)SMA 絲，每個(gè)SMA 絲等距纏繞固定在對(duì)應(yīng)的擠壓管上，多個(gè)SMA 絲的一端均與正極導(dǎo)線連接，多個(gè)SMA 絲的另一端均與負(fù)極導(dǎo)線連接。SMA 絲運(yùn)動(dòng)過(guò)程中運(yùn)用了彈性機(jī)制，SMA 絲通電后受熱，發(fā)生逆相變而收縮；SMA 絲斷電后冷卻，彈性能釋放，促使SMA 回復(fù)[5]。

3） 每個(gè)進(jìn)水端均設(shè)計(jì)為錐形，進(jìn)水孔與進(jìn)水端開(kāi)口較大的一側(cè)對(duì)應(yīng)相連接；同時(shí)，每個(gè)出水端也設(shè)計(jì)為錐形，出水端的較小開(kāi)口一側(cè)與對(duì)應(yīng)的出水孔連接。

3 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

將正、負(fù)極導(dǎo)線與外部電源相連，當(dāng)接通電源時(shí)，每個(gè)擠壓管上的SMA 絲將收縮，同時(shí)收縮各擠壓管，將各擠壓管中的水流通過(guò)出水端噴出；各擠壓管出水端錐形的較小開(kāi)口一側(cè)與出水孔連接，使噴出的水流速度加快；水流從出水單向閥噴出后，產(chǎn)生的推動(dòng)速度更快，SMA 絲收縮時(shí)受到的阻力更小，更容易對(duì)擠壓管充分?jǐn)D壓，可從擠壓管排出的水流更多。同時(shí)，采用呈集束設(shè)置的多個(gè)擠壓管，可以在殼體有限的空間內(nèi)部，每次多個(gè)SMA絲通電后產(chǎn)生的收縮空間更大，排出的水流更多[6]，進(jìn)而大大提高了裝置的推進(jìn)路程。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的一種基于SMA 絲驅(qū)動(dòng)的水下增程式推進(jìn)裝置構(gòu)思巧妙、結(jié)構(gòu)合理，通過(guò)呈集束設(shè)置的多個(gè)擠壓管，可以進(jìn)一步壓縮殼體內(nèi)有限的空間，增加了排水量，提高了推進(jìn)功率[7]。傳統(tǒng)的水下噴射機(jī)器人采用螺旋槳來(lái)驅(qū)動(dòng)，而本文設(shè)計(jì)的推進(jìn)機(jī)器人采用智能材料SMA 絲來(lái)驅(qū)動(dòng)。以烏賊為研究對(duì)象，對(duì)其游動(dòng)機(jī)理和外套膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，提出了一種基于SMA 絲驅(qū)動(dòng)的水下增程式推進(jìn)裝置，SMA 絲是仿外套膜最佳的驅(qū)動(dòng)器，這是因?yàn)镾MA 絲具有較大的應(yīng)變和應(yīng)力，結(jié)構(gòu)類似烏賊的環(huán)狀肌肉，便于布置和嵌入到仿外套膜結(jié)構(gòu)中[8]。在與已有的研究基礎(chǔ)上提出增程機(jī)構(gòu)這一創(chuàng)新點(diǎn)?；诖耍蔀橐院笱邪l(fā)烏賊原型提供借鑒作用。