一种形状记忆合金丝驱动的仿乌贼水平鳍推进器
王扬威，王振龙，杭观荣，李健
(哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)
摘要：提出并实现了一种sMA丝驱动的仿乌贼水平鳍推进器。通过分析鳍的生理结构和波动规律，建立了仿马贼水平鳍推进器的波动机构原理模型，提出了柔性鳍单元。然后设计了形状记忆合金丝驱动的、基于柔性鳍单元的无线电遥控仿乌贼水平鳍推进器，并对双侧10鳍单元的仿乌贼水平鳝推进器进行了游动试验。试验表明该推进器可以实现前进、后退、左右转功能，可以实现8 mm／s的游动速度和12。／s的转弯速度，它具有无噪声、无污染、驱动电压低、机动性好、结构简单容易密封等优点，其扁平身体结构能够进入狭窄复杂的水下区域进行探测。
关键词：乌贼鳍；形状记忆合金丝；柔性鳍单元；仿乌贼水平鳍推进器
中图分类号：TM38 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(2008)05—0057—03
O引 言
市场的需求和相关技术的发展带动了机器人技术的发展，在海洋开发和相关领域中运用机器人技术已引起了各方面的重视。传统螺旋桨推进器具有能源利用率低，结构尺寸和重量大，对环境扰动大，噪声大，可靠性差，起动、加速性能差以及运动灵活性能差等缺点。近年来，随着仿生学研究的不断进步，科研工作者的目光集中到长期生活在水下，特别是能在水中自由遨游的鱼类的游动机理的研究上。鱼类作为自然界最早的真骨类脊椎动物，种类繁多，生活环境各异。为了摄取食物、逃避敌害、繁殖后代和集群洄游等生存需要，鱼类经过亿万年的自然选择，进化出了非凡的水中运动能力，既可以在持久游速下保持低能耗、高效率，也可以在拉力游速或爆发游速下实现高机动性[1]。利用鱼类游动机理推动机器人在水下浮游的想法，伴随着仿生学、材料科学、自动控制理论等学科的发展成为现实。在海洋中有很多动物的游动速度快，而且运动灵活，这都得益于其自身独特的游动方式。例如乌贼依靠高推进力的喷射和高效率的鳍波动复合推进方式来实现游动，它在高速游动时主要靠喷水推进，在低速游动时主要靠身体两侧的鳍波动推进，可以实现灵活的前进和后退。这种推进方式具有巨大的仿生价值。
1乌贼的游动机理
乌贼属于头足纲动物,是无脊椎软体动物。乌贼（如图1所示）在英文中有两种叫法：一种叫Squid,另一种叫Cuttlefish。从图上可以看出他们在外形上有所不同，Squid尾部的鳍较小，主要是用来
保持身体平衡的；而cuttIefish的鳍围绕在外套膜上，除了保持身体的平衡外，还可以利用其波浪形的运动推动自身前进、后退和转弯等，但喷水推进等功能差别不大[2]。
乌贼主要靠喷水推进方式实现快速游动，游速****可达每小时150 km。乌贼的鳍对称分布在身体的两侧，能够有节奏的波动，用于游动和悬浮。虽然外套膜收缩喷水推进提供了运动的主要推力，但是鳍在低速游动、保持稳定和悬浮时起到了重要作用。乌贼鳍波动推进类似于鱼类中的鳐科模式(Rajiform)[3]，但由于乌贼鳍是柔性的，没有骨骼支撑，所以运动幅度可以更大，灵活性也更强。不同乌贼鳍波动时鳍上横波波数不同。
乌贼鳍的肌肉结构如图2所示：图中，cT表示交叉斜结缔组织纤维，DF表示背侧结缔组织筋膜，DV表示背腹肌，Fc表示鳍软骨，L表示纵肉，MF表示中央结缔组织筋膜，T表示横肌，vF表示腹部结缔组织筋膜。游动时横肌依次规律收缩使鳍局部向上或向下弯曲，整个鳍形成波动，同时背腹肌收缩使鳍变薄。乌贼鳍中的横肌通过规律收缩，每个鳍单元在不同的相位拟合成鳍波动的波形。
2仿乌贼水平鳍推进器的原理
仿乌贼水平鳍推进器是通过模仿乌贼鳍的生理结构和运动方式，利用新型结构设计和控制方法产生与其类似的推进波，从而使推进器具有这种独波动仿生推进能力，实现前进、后退、制动、转向功能。仿乌贼水平鳍推进器包括两部分：推进器的波动机构和推进器的控制系统。
推进器的波动机构根据乌贼鳍的结构进行简化，其运动方式可以简化为所有鳍单元按照一定的时序关系绕各自的鳍单元基点(鳍单元与机体的连接点)弯曲并带动弹性薄膜形成波。用柔性鳍单元模仿乌贼的横肌，用弹性薄膜来连接柔性鳍单元形成波动鳍面。通过柔性鳍单元的弯曲带动弹性薄膜波动，图3为波动机构的理论模型，图中虚线表示柔性鳍单元弯曲状态。乌贼鳍的波动波形可以看成是黪由每一条横肌的相位拟合而成的，所以波动机构的模型就是通过每个柔性鳍单元弯曲运动的相位来拟合出运动波形。
推进器的控制系统的主要功能是通过单片机控制鳍单元的通电时间和规律运动，使推进器的波动机构实现规律的波动。推进器的控制系统包括控制信号收发模块、处理器模块和驱动模块。控制信号通过收发模块接收后传到处理器模块，由处理器模块对信号进行判别，转入相应的控制程序输出触发信号，控制驱动模块来驱动鳍单元。
3基于形状记忆合金(SMA)的柔性鳍单元
国内外广泛使用的仿生机器人的致动器主要有：电机[5]、压电陶瓷[6]、电流驱动聚合物[7,8]和sMA[9,10]。用传统电机致动器设计仿生推进器，存在结构复杂、体积大、频率低、可控性差等问题，难以满足驱动要求，因此目前有越来越多的研究机构开始研究基于压电陶瓷、电聚合物和sMA等智能材料的仿生致动器。
sMA是一种集传感、驱动和执行功能于一体的智能材料，它在相变过程中产生的回复力很大，它的功重比(功率重量比)要远远大于电机，近年来在仿生机器人中应用较广泛。
柔性鳍单元的模型如图4所示，由基体、弹性体、蒙皮和形状记忆合金(简称sMA)丝组成。蒙皮粘接在弹性体上，弹性体连接在基体上，基体连接在波动推进器上。sMA丝嵌入在蒙皮和弹性体之间。用sMA丝的收缩模仿乌贼鳍的横肌，而弹性体和蒙皮相当于交叉斜结缔组织纤维、筋膜、其它肌肉纤维和皮层。
弹性体的主要作用是储存弹性能和作为sMA丝的附着基体。要求弹性体有适当的弹性模量，使鳍单元弯曲时存储弹性能。
柔性鳍单元的蒙皮的主要作用是防止sMA丝漏电、储存弹性能和粘结sMA与弹性体。sMA丝采用电加热方式驱动，如果与水接触将产生漏电，将影响sMA丝的加热相变。
4仿乌贼水平鳍推进器验证模型
4．1单柔性鳍单元摆动
用于试验的柔性鳍单元如图5所示，双面布SMA丝，柔性鳍单元摆动段长49 mm，鳍单元宽14 mm。采用电压12 v的直流电源，在水温17℃条件下，通电时间O．005～0．08 s，间隔0．005 s，进行试验。鳍单元在0．06～O 08 s时，弯曲角度均为90。。表明通电时间0 06 s时，SMA的温度已超过逆相变结束温度。
采用脉宽0．06 s，两面通电时间间隔1.8 s，水温为21 oC，试验柔性鳍单元在12 V电压下的摆动情况。SMA丝通电加热到逆相变温度时迅速收缩，鳍单元弯曲角度达到****96。，如图6所示。
4．2推进器的波动机构
乌贼鳍在波动时，每一条横肌收缩带动鳍局部产生弯曲变形，许多条横肌并列按规律收缩使整个鳍面形成波形。为了试验多鳍单元协调运动时整个鳍面的波动情况，制作双侧对称10鳍单元波动机构，模拟乌贼鳍的波动。波动机构如图7所示。
机构每侧有5个柔性鳍单元，鳍单元中心间距35 mm，鳍单元通过乳胶薄膜连接形成波动鳍面。试验结果表明，推进器的波动机构动作协调，动作柔性好，运动灵活，可以实现前后波动及两侧不同方向的波动。
4.3仿乌贼水平鳍推进器
仿乌贼水平鳍推进器的控制系统主要由2262与sc2272的无线遥控集成电路模块和
PIcl6F877A单片机构成。单片机扩展一片可编程并行接口芯片82G55AP，82G55AP的控制端口直接与Hcl6F877A单片机连接，而数据端口通过一片数据锁存器Hc373与PIcl6t。877A单片机连接。82G55AP的24路输出端口与MOsFET元件IRF311的控制端相连。无线遥控模块的控制信号与PIcl6F877A的电平变化中断端口连接，单片机的Rc端口作为输出口，用于控制Hc373和82G55APRD端口作为数据端口，经Hc373锁存后传给82C55AP输出。
采用无线遥控来控制仿乌贼水平鳍推进器游动，如图8所示。通电时间80 ms，水温20oC，对推进器进行试验。
试验表明，仿乌贼水平鳍推进器可以实现8mm／s的直线游动，通过改变波动方向推进器可以灵活的前进和后退，还可以实现12。／s的转弯速度。
5结语
本文针对海洋中游动比较灵活的乌贼的游动机理进行分析，对其鳍波动推进方式进行适当简化，模仿乌贼鳍的生理结构建立了仿乌贼水平鳍推进器的理论模型，设计制作了仿乌贼水平鳍推进器验证模型。试验表明仿乌贼水平鳍推进器可以很好地模仿乌贼鳍的波动游动，推进器可以实现8mm／s的游动速度，还可以实现12。／s的转弯速度。这种推进器具有无噪声、无污染、驱动电压低、机动性好、结构简单容易密封、形状记忆合金可承受高压等优点，其扁平身体结构使其能够进入狭窄复杂的水下区域进行探测。利用它可以探测海洋，寻找和检测海域中受污染的地方，也可以用来勘探地形。
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