基于肌肉性靜水骨骼原理的機(jī)器烏賊原型關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、在地球資源日趨緊張的21世紀(jì)，海洋資源日益凸顯戰(zhàn)略意義。水下機(jī)器人(Unmanned underwater vehicle，UUV)是人類(lèi)探索、開(kāi)發(fā)和保護(hù)海洋資源的重要工具。螺旋槳推進(jìn)的水下機(jī)器人存在流體推進(jìn)效率低、動(dòng)作不靈活、噪音大、槳葉會(huì)傷害海洋動(dòng)物等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，游動(dòng)仿生水下機(jī)器人如機(jī)器魚(yú)應(yīng)運(yùn)而生，但它們耐壓能力較低。軟體動(dòng)物烏賊憑借噴射和鰭波動(dòng)的高效、靈活的復(fù)合游動(dòng)方式，成功地與魚(yú)類(lèi)競(jìng)技海洋；它們依靠肌肉性靜水骨骼，活躍于

2、從上千米的深海至海平面的廣闊海域。肌肉性靜水骨骼是由在三維方向上緊密排列的肌肉纖維和結(jié)締組織纖維構(gòu)成，沒(méi)有硬骨骼，但能支撐身體、產(chǎn)生動(dòng)作和輸出力，具有不可壓縮、耐高壓等性質(zhì)。本文提出的形狀記憶合金(Shape memory alloy，SMA)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器烏賊原型，模擬烏賊的復(fù)合游動(dòng)方式，其仿外套膜、仿烏賊鰭、仿進(jìn)水膜、腕鰭等準(zhǔn)柔性動(dòng)作結(jié)構(gòu)基于肌肉性靜水骨骼原理，具有耐高壓的能力。
　　對(duì)烏賊的游動(dòng)機(jī)理和外套膜、鰭這兩個(gè)烏賊游動(dòng)關(guān)鍵

3、部件的肌肉性靜水骨骼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。通過(guò)解剖太平洋褶柔魚(yú)(短鰭烏賊)，獲得了烏賊身體結(jié)構(gòu)參數(shù)?；诩∪庑造o水骨骼原理，對(duì)簡(jiǎn)化鰭橫截面和外套膜段橫截面進(jìn)行了建模和分析。烏賊在低速游動(dòng)時(shí)，噴射和鰭波動(dòng)頻率均不高，與SMA的動(dòng)作頻率相接近；烏賊鰭橫肌應(yīng)變很小，外套膜外徑應(yīng)變?cè)?8％左右，與SMA的最大應(yīng)變相接近。這些發(fā)現(xiàn)為研制機(jī)器烏賊原型提供了可能。該原型的動(dòng)作結(jié)構(gòu)采用動(dòng)物的彈性機(jī)制來(lái)提高能量利用率。
　　身體和/或尾鰭模式(Body

4、and/or caudal fin propulsion，BCF)和鰩科模式推進(jìn)的動(dòng)物的游動(dòng)動(dòng)作較為復(fù)雜，模擬較為困難，但若將前者沿著身體方向、后者沿著鰭寬度方向劃分成足夠多的小單元，將每個(gè)單元的動(dòng)作簡(jiǎn)化為向左右柔性彎曲，則通過(guò)將這些彎曲單元串聯(lián)或并聯(lián)組合即能重現(xiàn)相應(yīng)的游動(dòng)動(dòng)作。基于這一設(shè)想，研制了模擬烏賊鰭結(jié)構(gòu)的柔性鰭單元，SMA絲模擬橫肌，在動(dòng)作過(guò)程中模擬動(dòng)物的彈性機(jī)制存儲(chǔ)和釋放彈性能，減小能量消耗。結(jié)合SMA的Brinson本構(gòu)模

5、型建立了柔性鰭單元的彎曲動(dòng)作理論模型。實(shí)驗(yàn)表明柔性鰭單元可在空氣中和水中實(shí)現(xiàn)柔性彎曲和回復(fù)的動(dòng)作。柔性鰭單元具有彎曲角度大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量小、輸出力大、動(dòng)作無(wú)聲和模塊化等優(yōu)點(diǎn)。
　　通過(guò)研制采用一個(gè)柔性鰭單元的尾鰭推進(jìn)微型機(jī)器魚(yú)，驗(yàn)證了柔性鰭單元用于水下推進(jìn)的可行性。該機(jī)器魚(yú)長(zhǎng)146mm(采用仿鯽魚(yú)型尾鰭時(shí))，質(zhì)量約30g，實(shí)現(xiàn)了仿亞鲹科模式直線游動(dòng)和仿鲹科模式游動(dòng)，最大游速112mm/s，最小轉(zhuǎn)彎半徑136mm。而后利用柔性鰭單

6、元研制了仿烏賊鰭推進(jìn)器、仿進(jìn)水膜和腕鰭等機(jī)器烏賊原型的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。仿烏賊鰭推進(jìn)器采用10個(gè)雙面柔性鰭單元，模擬短鰭烏賊鰭的擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了40mm/s的最大游動(dòng)速度和22°/s的最大打轉(zhuǎn)游動(dòng)速度。
　　機(jī)器烏賊原型的脈沖噴射推進(jìn)由仿外套膜推進(jìn)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。仿外套膜采用SMA絲模擬烏賊的環(huán)狀肌，可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)收縮、靠彈性能回復(fù)的動(dòng)作。SMA彈簧驅(qū)動(dòng)的單次脈沖噴射推進(jìn)器驗(yàn)證了噴射推進(jìn)的可行性。設(shè)計(jì)了平行布絲和垂直布絲兩種SMA絲驅(qū)動(dòng)的仿外套膜結(jié)構(gòu)，

7、并結(jié)合Brinson本構(gòu)模型建立了動(dòng)作理論模型。應(yīng)用PWM波可提高仿外套膜動(dòng)作頻率，并減小能量消耗。研制的5個(gè)仿外套膜結(jié)構(gòu)都達(dá)到了-6%以上的最大內(nèi)側(cè)應(yīng)變。研制了仿外套膜推進(jìn)器，其中采用平行布絲結(jié)構(gòu)的仿外套膜質(zhì)量799g。實(shí)驗(yàn)中該推進(jìn)器的最大外徑應(yīng)變?yōu)?8.8%，且在0.6-1.2s內(nèi)平均速度為56mm/s。
　　本文對(duì)機(jī)器烏賊原型的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，研制了仿烏賊鰭推進(jìn)器、仿進(jìn)水膜、腕鰭和仿外套膜推進(jìn)器，為機(jī)器烏賊的實(shí)用化奠定了