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

1、在地球資源日趨緊張的21世紀，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(yīng)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(fù)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(jié)締組織纖維構(gòu)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(zhì)。本文提出的形狀記憶合金(Shape memory alloy，SMA)驅(qū)動的機器烏賊原型，模擬烏賊的復(fù)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(jié)構(gòu)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(guān)鍵

3、部件的肌肉性靜水骨骼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)參數(shù)?；诩∪庑造o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(yīng)變很小，外套膜外徑應(yīng)變在-8％左右，與SMA的最大應(yīng)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(jié)構(gòu)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(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(yīng)的游動動作。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(jié)合SMA的Brinson本構(gòu)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(fù)的動作。柔性鰭單元具有彎曲角度大、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)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(zhì)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(zhuǎn)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(guān)鍵結(jié)構(gòu)。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(zhuǎn)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(fù)的動作。SMA彈簧驅(qū)動的單次脈沖噴射推進器驗證了噴射推進的可行性。設(shè)計了平行布絲和垂直布絲兩種SMA絲驅(qū)動的仿外套膜結(jié)構(gòu)，

7、并結(jié)合Brinson本構(gòu)模型建立了動作理論模型。應(yīng)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(jié)構(gòu)都達到了-6%以上的最大內(nèi)側(cè)應(yīng)變。研制了仿外套膜推進器，其中采用平行布絲結(jié)構(gòu)的仿外套膜質(zhì)量799g。實驗中該推進器的最大外徑應(yīng)變?yōu)?8.8%，且在0.6-1.2s內(nèi)平均速度為56mm/s。
　　本文對機器烏賊原型的關(guān)鍵技術(shù)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