一種形狀記憶合金絲驅(qū)動(dòng)的仿烏賊水平鰭推進(jìn)器
王揚(yáng)威，王振龍，杭觀榮，李健
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)
摘要：提出并實(shí)現(xiàn)了一種sMA絲驅(qū)動(dòng)的仿烏賊水平鰭推進(jìn)器。通過(guò)分析鰭的生理結(jié)構(gòu)和波動(dòng)規(guī)律，建立了仿馬賊水平鰭推進(jìn)器的波動(dòng)機(jī)構(gòu)原理模型，提出了柔性鰭單元。然后設(shè)計(jì)了形狀記憶合金絲驅(qū)動(dòng)的、基于柔性鰭單元的無(wú)線電遙控仿烏賊水平鰭推進(jìn)器，并對(duì)雙側(cè)10鰭單元的仿烏賊水平鱔推進(jìn)器進(jìn)行了游動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)表明該推進(jìn)器可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)功能，可以實(shí)現(xiàn)8 mm／s的游動(dòng)速度和12。／s的轉(zhuǎn)彎速度，它具有無(wú)噪聲、無(wú)污染、驅(qū)動(dòng)電壓低、機(jī)動(dòng)性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易密封等優(yōu)點(diǎn)，其扁平身體結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)入狹窄復(fù)雜的水下區(qū)域進(jìn)行探測(cè)。
關(guān)鍵詞：烏賊鰭；形狀記憶合金絲；柔性鰭單元；仿烏賊水平鰭推進(jìn)器
中圖分類(lèi)號(hào)：TM38 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2008)05—0057—03
O引 言
市場(chǎng)的需求和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，在海洋開(kāi)發(fā)和相關(guān)領(lǐng)域中運(yùn)用機(jī)器人技術(shù)已引起了各方面的重視。傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)器具有能源利用率低，結(jié)構(gòu)尺寸和重量大，對(duì)環(huán)境擾動(dòng)大，噪聲大，可靠性差，起動(dòng)、加速性能差以及運(yùn)動(dòng)靈活性能差等缺點(diǎn)。近年來(lái)，隨著仿生學(xué)研究的不斷進(jìn)步，科研工作者的目光集中到長(zhǎng)期生活在水下，特別是能在水中自由遨游的魚(yú)類(lèi)的游動(dòng)機(jī)理的研究上。魚(yú)類(lèi)作為自然界最早的真骨類(lèi)脊椎動(dòng)物，種類(lèi)繁多，生活環(huán)境各異。為了攝取食物、逃避敵害、繁殖后代和集群洄游等生存需要，魚(yú)類(lèi)經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的自然選擇，進(jìn)化出了非凡的水中運(yùn)動(dòng)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發(fā)游速下實(shí)現(xiàn)高機(jī)動(dòng)性[1]。利用魚(yú)類(lèi)游動(dòng)機(jī)理推動(dòng)機(jī)器人在水下浮游的想法，伴隨著仿生學(xué)、材料科學(xué)、自動(dòng)控制理論等學(xué)科的發(fā)展成為現(xiàn)實(shí)。在海洋中有很多動(dòng)物的游動(dòng)速度快，而且運(yùn)動(dòng)靈活，這都得益于其自身獨(dú)特的游動(dòng)方式。例如烏賊依靠高推進(jìn)力的噴射和高效率的鰭波動(dòng)復(fù)合推進(jìn)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)游動(dòng)，它在高速游動(dòng)時(shí)主要靠噴水推進(jìn)，在低速游動(dòng)時(shí)主要靠身體兩側(cè)的鰭波動(dòng)推進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)靈活的前進(jìn)和后退。這種推進(jìn)方式具有巨大的仿生價(jià)值。
1烏賊的游動(dòng)機(jī)理
烏賊屬于頭足綱動(dòng)物,是無(wú)脊椎軟體動(dòng)物。烏賊（如圖1所示）在英文中有兩種叫法：一種叫Squid,另一種叫Cuttlefish。從圖上可以看出他們?cè)谕庑紊嫌兴煌琒quid尾部的鰭較小，主要是用來(lái)
保持身體平衡的；而cuttIefish的鰭圍繞在外套膜上，除了保持身體的平衡外，還可以利用其波浪形的運(yùn)動(dòng)推動(dòng)自身前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎等，但噴水推進(jìn)等功能差別不大[2]。
烏賊主要靠噴水推進(jìn)方式實(shí)現(xiàn)快速游動(dòng)，游速****可達(dá)每小時(shí)150 km。烏賊的鰭對(duì)稱(chēng)分布在身體的兩側(cè)，能夠有節(jié)奏的波動(dòng)，用于游動(dòng)和懸浮。雖然外套膜收縮噴水推進(jìn)提供了運(yùn)動(dòng)的主要推力，但是鰭在低速游動(dòng)、保持穩(wěn)定和懸浮時(shí)起到了重要作用。烏賊鰭波動(dòng)推進(jìn)類(lèi)似于魚(yú)類(lèi)中的鰩科模式(Rajiform)[3]，但由于烏賊鰭是柔性的，沒(méi)有骨骼支撐，所以運(yùn)動(dòng)幅度可以更大，靈活性也更強(qiáng)。不同烏賊鰭波動(dòng)時(shí)鰭上橫波波數(shù)不同。
烏賊鰭的肌肉結(jié)構(gòu)如圖2所示：圖中，cT表示交叉斜結(jié)締組織纖維，DF表示背側(cè)結(jié)締組織筋膜，DV表示背腹肌，F(xiàn)c表示鰭軟骨，L表示縱肉，MF表示中央結(jié)締組織筋膜，T表示橫肌，vF表示腹部結(jié)締組織筋膜。游動(dòng)時(shí)橫肌依次規(guī)律收縮使鰭局部向上或向下彎曲，整個(gè)鰭形成波動(dòng)，同時(shí)背腹肌收縮使鰭變薄。烏賊鰭中的橫肌通過(guò)規(guī)律收縮，每個(gè)鰭單元在不同的相位擬合成鰭波動(dòng)的波形。
2仿烏賊水平鰭推進(jìn)器的原理
仿烏賊水平鰭推進(jìn)器是通過(guò)模仿烏賊鰭的生理結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式，利用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方法產(chǎn)生與其類(lèi)似的推進(jìn)波，從而使推進(jìn)器具有這種獨(dú)波動(dòng)仿生推進(jìn)能力，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向功能。仿烏賊水平鰭推進(jìn)器包括兩部分：推進(jìn)器的波動(dòng)機(jī)構(gòu)和推進(jìn)器的控制系統(tǒng)。
推進(jìn)器的波動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)烏賊鰭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，其運(yùn)動(dòng)方式可以簡(jiǎn)化為所有鰭單元按照一定的時(shí)序關(guān)系繞各自的鰭單元基點(diǎn)(鰭單元與機(jī)體的連接點(diǎn))彎曲并帶動(dòng)彈性薄膜形成波。用柔性鰭單元模仿烏賊的橫肌，用彈性薄膜來(lái)連接柔性鰭單元形成波 |
