基于肌肉性靜水骨骼原理的機器烏賊原型關鍵技術研究.pdf

1、在地球資源日趨緊張的21世紀，海洋資源日益凸顯戰(zhàn)略意義。水下機器人(Unmanned underwater vehicle，UUV)是人類探索、開發(fā)和保護海洋資源的重要工具。螺旋槳推進的水下機器人存在流體推進效率低、動作不靈活、噪音大、槳葉會傷害海洋動物等問題。針對這些問題，游動仿生水下機器人如機器魚應運而生，但它們耐壓能力較低。軟體動物烏賊憑借噴射和鰭波動的高效、靈活的復合游動方式，成功地與魚類競技海洋；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締組織纖維構成，沒有硬骨骼，但能支撐身體、產(chǎn)生動作和輸出力，具有不可壓縮、耐高壓等性質。本文提出的形狀記憶合金(Shape memory alloy，SMA)驅動的機器烏賊原型，模擬烏賊的復合游動方式，其仿外套膜、仿烏賊鰭、仿進水膜、腕鰭等準柔性動作結構基于肌肉性靜水骨骼原理，具有耐高壓的能力。
　　對烏賊的游動機理和外套膜、鰭這兩個烏賊游動關鍵

3、部件的肌肉性靜水骨骼結構進行了研究。通過解剖太平洋褶柔魚(短鰭烏賊)，獲得了烏賊身體結構參數(shù)。基于肌肉性靜水骨骼原理，對簡化鰭橫截面和外套膜段橫截面進行了建模和分析。烏賊在低速游動時，噴射和鰭波動頻率均不高，與SMA的動作頻率相接近；烏賊鰭橫肌應變很小，外套膜外徑應變在-8％左右，與SMA的最大應變相接近。這些發(fā)現(xiàn)為研制機器烏賊原型提供了可能。該原型的動作結構采用動物的彈性機制來提高能量利用率。
　　身體和/或尾鰭模式(Body

4、and/or caudal fin propulsion，BCF)和鰩科模式推進的動物的游動動作較為復雜，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，將每個單元的動作簡化為向左右柔性彎曲，則通過將這些彎曲單元串聯(lián)或并聯(lián)組合即能重現(xiàn)相應的游動動作。基于這一設想，研制了模擬烏賊鰭結構的柔性鰭單元，SMA絲模擬橫肌，在動作過程中模擬動物的彈性機制存儲和釋放彈性能，減小能量消耗。結合SMA的Brinson本構模

5、型建立了柔性鰭單元的彎曲動作理論模型。實驗表明柔性鰭單元可在空氣中和水中實現(xiàn)柔性彎曲和回復的動作。柔性鰭單元具有彎曲角度大、結構簡單、質量小、輸出力大、動作無聲和模塊化等優(yōu)點。
　　通過研制采用一個柔性鰭單元的尾鰭推進微型機器魚，驗證了柔性鰭單元用于水下推進的可行性。該機器魚長146mm(采用仿鯽魚型尾鰭時)，質量約30g，實現(xiàn)了仿亞鲹科模式直線游動和仿鲹科模式游動，最大游速112mm/s，最小轉彎半徑136mm。而后利用柔性鰭單

6、元研制了仿烏賊鰭推進器、仿進水膜和腕鰭等機器烏賊原型的關鍵結構。仿烏賊鰭推進器采用10個雙面柔性鰭單元，模擬短鰭烏賊鰭的擺動，實現(xiàn)了40mm/s的最大游動速度和22°/s的最大打轉游動速度。
　　機器烏賊原型的脈沖噴射推進由仿外套膜推進器來實現(xiàn)。仿外套膜采用SMA絲模擬烏賊的環(huán)狀肌，可實現(xiàn)主動收縮、靠彈性能回復的動作。SMA彈簧驅動的單次脈沖噴射推進器驗證了噴射推進的可行性。設計了平行布絲和垂直布絲兩種SMA絲驅動的仿外套膜結構，

7、并結合Brinson本構模型建立了動作理論模型。應用PWM波可提高仿外套膜動作頻率，并減小能量消耗。研制的5個仿外套膜結構都達到了-6%以上的最大內(nèi)側應變。研制了仿外套膜推進器，其中采用平行布絲結構的仿外套膜質量799g。實驗中該推進器的最大外徑應變?yōu)?8.8%，且在0.6-1.2s內(nèi)平均速度為56mm/s。
　　本文對機器烏賊原型的關鍵技術進行了研究，研制了仿烏賊鰭推進器、仿進水膜、腕鰭和仿外套膜推進器，為機器烏賊的實用化奠定了