仿生水母機(jī)器人SMA驅(qū)動技術(shù)及試驗(yàn)研究

譚俊哲，閆家政，王樹杰，袁 鵬，司先才

(1.中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.青島市海洋可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

水生生物在游動時，具有效率高、噪聲低和機(jī)動性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，相比于傳統(tǒng)的水下螺旋槳推進(jìn)器，具有明顯的優(yōu)勢[1]。水下生物游動的方式主要分為：身體/尾鰭推進(jìn)模式和中央鰭/對鰭推進(jìn)模式和噴射推進(jìn)模式[2]。其中噴射推進(jìn)是水下生物游動中最為原始、最為簡單的運(yùn)動方式。水下生物的噴射推進(jìn)是通過收縮自身腔體，將腔體內(nèi)液體噴出，從而產(chǎn)生反向的矢量推力，其反向推動力使生物運(yùn)動。

近年來，智能材料的出現(xiàn)，為科技工作者研制仿生驅(qū)動器提供了可能。形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，SMA)、壓電陶瓷(Piezoelectric Transducer，PZT)、電流驅(qū)動聚合物(Ion-exchange Polymer Metal Composite，IPMC)已經(jīng)被成功應(yīng)用于仿生水下機(jī)器人的研制中，用來制造水下生物仿生驅(qū)動器。如美國東北大學(xué)的科研人員，根據(jù)鰻魚的游動機(jī)理，使用形狀記憶合金作為驅(qū)動材料，研制出了仿生七鰓鰻[3]。美國弗吉尼亞大學(xué)研制出了運(yùn)用IPMC驅(qū)動的仿生蝠鲼機(jī)器魚,通過實(shí)際測算，該機(jī)器人的游動速度可以達(dá)到0.74cm/s[4]。哈爾濱工程大學(xué)的科研人員研制出了SMA和IPMC共同驅(qū)動的仿生水母機(jī)器人[5]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)根據(jù)墨魚的游動原理，研制出了基于SMA驅(qū)動的仿生墨魚機(jī)器人[6]。另外哈爾濱工程大學(xué)的科研人員使用IPMC作為驅(qū)動材料，研制出了自主微型機(jī)器魚[7]。

本文以海洋生物水母的噴射推動式游動原理為基礎(chǔ)，采用SMA彈簧作為驅(qū)動材料，對SMA彈簧驅(qū)動仿生水母機(jī)器人技術(shù)的可行性進(jìn)行了研究，研制了基于SMA彈簧驅(qū)動的仿生水母機(jī)器人及其控制電路。并對仿生水母機(jī)器人進(jìn)行了流體力學(xué)數(shù)值模擬，得出了水母在游動過程中不同工況下的阻力分布情況。并對研制的仿生水母進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)表明基于SMA驅(qū)動的仿生水母可以很好地模擬水母的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)沿軸向方向的直線運(yùn)動。

1 SMA彈簧驅(qū)動性能研究

普通金屬材料在外力作用下，會產(chǎn)生彈性形變，當(dāng)外力大于材料的屈服強(qiáng)度后，材料就會產(chǎn)生塑性變形，并且其過程不可逆，而形狀記憶合金在受到外力作用產(chǎn)生塑形變形后，通過加熱使其達(dá)到相變溫度后，能夠恢復(fù)到原來的形狀，并且有力的輸出，通過這種特性，可以使用形狀記憶合金來作為仿生機(jī)器人的驅(qū)動材料。

SMA材料主要分為絲狀和彈簧兩種形式。相同內(nèi)徑的SMA絲和SMA彈簧加熱到相變溫度時，SMA絲產(chǎn)生的應(yīng)力要比SMA彈簧大很多[8]。但由于SMA絲產(chǎn)生的變形量較小，而使用SMA彈簧的徑向變形量較大，為了使仿生水母機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，同時SMA彈簧又可提供足夠的拉力，故選取SMA彈簧作為驅(qū)動器材料。

為了驗(yàn)證SMA彈簧作為仿生機(jī)器人驅(qū)動材料的可行性，且測定SMA在不同驅(qū)動電壓下的響應(yīng)情況，對SMA彈簧進(jìn)行試驗(yàn)研究，其試驗(yàn)裝置工作原理如圖1所示。在室溫為20 ℃的空氣中，選取原長度為8 mm，絲徑為1 mm，相變溫度為45 ℃的SMA(TiNi基)彈簧進(jìn)行試驗(yàn)研究。

圖1 SMA彈簧測試裝置Fig.1 The testing device of SMA spring

為了模擬外部載荷，在SMA彈簧下端掛上質(zhì)量為50 g的砝碼。將SMA彈簧拉長至27 mm，分別對SMA彈簧施加1.5、2和3 V的驅(qū)動電壓，通過位移測量裝置測量每一時刻砝碼的位置，并記錄砝碼的位移數(shù)據(jù)。為了減小測試偶然性帶來的誤差，對不同電壓下SMA彈簧的變化情況進(jìn)行多次測量，然后把測量后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值。繪制SMA彈簧長度和時間曲線圖，如圖2所示。

圖2 SMA彈簧長度—時間曲線圖Fig.2 The length-time curve chart of SMA spring

由圖2可知，在相同的負(fù)載情況下，由于SMA彈簧的驅(qū)動電壓不同，彈簧的形變響應(yīng)速度也不同。驅(qū)動電壓由1.5 V提高到3 V時，SMA彈簧由伸長狀態(tài)恢復(fù)到原狀態(tài)的時間由17 s縮減到6 s，這說明隨著驅(qū)動電壓的提高，SMA彈簧的形變速度也會加快。同時，對于同一驅(qū)動電壓，由于電流熱效應(yīng)的累積，SMA的形變速度會隨著通電時間的增加而變快。

SMA彈簧可以提供的形變量可以是自身彈簧長度的幾倍。同時，通過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，SMA彈簧在負(fù)載一定的情況下，其形變速度符合一定的規(guī)律，故在實(shí)際情況下，可以通過對SMA彈簧驅(qū)動電壓以及通電時間的控制，來控制SMA彈簧的形變速度。以上試驗(yàn)時在室溫為20 ℃的空氣狀態(tài)下進(jìn)行測定的，在對SMA彈簧進(jìn)行水下形變測試時，考慮到水溫等因素的影響，為了使SMA彈簧達(dá)到相變溫度，需要較大的驅(qū)動電壓以及較長的通電時間。

2 基于SMA的直線差動式驅(qū)動器及水母機(jī)器人

2.1 基于SMA的直線差動式驅(qū)動器

水母在游動的過程中，其頭部的上半部分基本保持不動，主要通過身體中下部分的收縮，使其腔體內(nèi)的液體噴出，從而使水母反向運(yùn)動。本文所設(shè)計的仿生水母機(jī)器人結(jié)構(gòu)及其具體尺寸如圖3(a)所示。為了模擬水母在游動時腔體的收縮和擴(kuò)張運(yùn)動，在仿生水母設(shè)計中采用6組曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，均勻分布在仿生水母控制艙體的底端，使用SMA直線推桿驅(qū)動器上下的運(yùn)動帶動曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)腔體的收縮擴(kuò)張過程，且在連桿機(jī)構(gòu)外側(cè)包覆彈性蒙皮，模擬實(shí)現(xiàn)水母的噴射推進(jìn)方式。本設(shè)計中使用的基于SMA的差動式直線推桿驅(qū)動器如圖3(b)所示。

圖3(b)中，驅(qū)動器上下兩段SMA彈簧與推桿頂端相連，電源導(dǎo)線A、B與上段SMA彈簧相連，電源導(dǎo)線B、C與下段SMA彈簧相連。導(dǎo)線B為連接上下兩段SMA彈簧的公共端。在系統(tǒng)初始狀態(tài)下，上下兩段的SMA彈簧均處于微拉伸狀態(tài)，推桿位于中間位置；當(dāng)導(dǎo)線A和導(dǎo)線B通電時，在電流熱效應(yīng)作用下，上段SMA彈簧會發(fā)熱，達(dá)到SMA彈簧的相變溫度后，SMA彈簧開始收縮，帶動推桿向上運(yùn)動，同時推桿作為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的原動件，帶動6組曲柄滑塊機(jī)構(gòu)同時運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)仿生水母腔體的收縮過程，如圖3(c)所示；斷開導(dǎo)線A、B，待SMA彈簧冷卻后，接通導(dǎo)線C和導(dǎo)線B，同樣下段SMA帶動推桿向下運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)仿生水母腔體的擴(kuò)張過程，如圖3(d)所示。如此，反復(fù)以上過程，可實(shí)現(xiàn)仿生水母腔體的收縮和擴(kuò)張過程。

圖3 差動式SMA直線推桿驅(qū)動器及仿生水母三維模型圖Fig.3 Differential SMA liner pushrod actuator and 3D graph of biomimetic jellyfish robot

在SMA直線推桿驅(qū)動器中，其中一段SMA彈簧通電發(fā)生相變后，需要冷卻到一定溫度后才能使另外一段SMA彈簧進(jìn)行通電運(yùn)行，否則會使驅(qū)動器無法運(yùn)作或者降低直線推桿驅(qū)動器的效率。若這樣應(yīng)用到仿生水母機(jī)器人中，就會大大降低游動的效率，所以需要降低SMA彈簧冷卻的時間。為了獲得更高的游動效率，在仿生水母中設(shè)置了冷卻室，冷卻室與頭部部分(即放置電源、控制電路部分)隔離，但與外界直接相通。在控制艙底板處開設(shè)小孔，可以讓水直接進(jìn)入冷卻室，加快SMA彈簧的冷卻速度。由于SMA彈簧在通電的狀態(tài)下不能與水直接接觸，在SMA彈簧的外部套了使用特制的聚烯烴材質(zhì)套管。這樣SMA彈簧就可以與水隔離，同時又加快了冷卻效率。

2.2 SMA直線差動式驅(qū)動器性能研究

為了研究SMA直線差動式驅(qū)動器運(yùn)動速度與負(fù)載的關(guān)系，選取絲徑為1 mm，彈簧內(nèi)徑為12.7 mm的SMA(TiNi基)彈簧制作SMA直線差動式驅(qū)動器進(jìn)行試驗(yàn)研究。使用驅(qū)動電壓為3 V，通過改變負(fù)載的大小，計算在不同負(fù)載下，驅(qū)動器推桿的平均速度。采用如圖1所示的測量裝置，使用砝碼模擬外界負(fù)載，測試SMA直線差動式驅(qū)動器不同時刻下中間推桿的位移量。圖4所示為在不同負(fù)載下，直線推桿驅(qū)動器速度曲線。

圖4 SMA直線推桿驅(qū)動器速度—負(fù)載曲線圖Fig.4 The SMA liner pushrod actuator′s velocity load curve chart

由圖4所示，在相同的驅(qū)動電壓下，隨著負(fù)載的增加，直線推桿驅(qū)動器的平均速度逐漸減小。這是由于負(fù)載的增加，SMA需要提供更大的拉力，這就要求SMA達(dá)到更高的溫度，以獲得足夠的驅(qū)動力。另外在外部負(fù)載過大時，直線推桿的運(yùn)動速度為0，這是由于負(fù)載過大，SMA彈簧加熱完成相變之后仍然無法提供足夠的拉力。同時，當(dāng)負(fù)載過大，直線推桿無法運(yùn)動時，如果長時間的通電，SMA的溫度會一直上升，達(dá)到一定溫度后，SMA彈簧會被重新定義形狀，此時，SMA材料對之前的形狀已不具備記憶效應(yīng)。因此，在SMA材料使用過程中，要注意控制材料的通電電壓、電流及通電時間，以免材料形狀被重定義，失去記憶功能。

2.3 仿生水母機(jī)器人控制系統(tǒng)

仿生水母驅(qū)動器的設(shè)計是仿生水母機(jī)器人運(yùn)動的基礎(chǔ)，而控制系統(tǒng)則是仿生水母機(jī)器人能夠按照人的意愿運(yùn)動的關(guān)鍵。仿生水母機(jī)器人控制系統(tǒng)主要包括電源模塊、單片機(jī)控制模塊、驅(qū)動模塊組成。本文采用的主控芯片為AT89S52單片機(jī)，驅(qū)動模塊采用完整的全橋驅(qū)動芯片加極低內(nèi)阻的MOSFET組成。主要原因記憶合金的電阻較小，要想在較短的時間內(nèi)達(dá)到較高的溫度需要很大的驅(qū)動電流，本文使用的SMA彈簧驅(qū)動電壓最高為12 V，驅(qū)動電流約為10 A。采用單片機(jī)PWM脈沖方式來控制MOSFET的通斷，進(jìn)而控制SMA彈簧溫度的變化?？刂葡到y(tǒng)如圖5所示。

圖5 仿生水母控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The control system structure of biomimetic jellyfish robot

根據(jù)仿生水母機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)律，制定基于SMA彈簧的直線推桿驅(qū)動器的控制流程圖見圖6。

圖6 驅(qū)動器控制流程圖Fig.6 The control flow graph of actuator

3 仿生水母機(jī)器人運(yùn)動阻力數(shù)值模擬

3.1 仿生水母機(jī)器人的動力學(xué)分析

仿生水母機(jī)器人游動時的動力來自于腔體內(nèi)液體壓出時本體所受到的反作用力。SMA彈簧驅(qū)動器帶動直線推桿的運(yùn)動，通過6組曲柄滑塊機(jī)構(gòu)完成腔體的收縮及擴(kuò)張。仿生水母機(jī)器人在游動的過程中，其受到的推力主要集中在沿水母軸線的方向上，故在受力分析時，可以只考慮沿水母軸向方向上的力，而忽略其他方向上的分力。

仿生水母機(jī)器人在水中通過調(diào)節(jié)配重塊的質(zhì)量使重力與浮力相等，使仿生水母機(jī)器人一直處于懸浮狀態(tài)，故在動力學(xué)分析中，忽略重力與浮力。對于仿生水母機(jī)器人，在游動的過程中，在水中主要受到力主要分為四部分：推進(jìn)力T、流體阻力D、加速度反作用力G、慣性力F[9]。其四者的關(guān)系如下：

T=D+G+F。

(1)

由于T為推進(jìn)力，由SMA彈簧驅(qū)動器提供，故可通過對SMA彈簧通電的電壓和通電時間進(jìn)行控制。D為流體阻力，與裝置在前進(jìn)方向上面積投影的大小以及速度的平方成正比。F為慣性力，與水母腔體的體積以及水母游動的加速度成正比。

在沿仿生水母軸線方向，其質(zhì)心的運(yùn)動方程可以表示為：

(2)

在對仿生水母機(jī)器人進(jìn)行實(shí)際的游動時，需使只能在水母軸線方向上運(yùn)動，不允許其有橫滾的運(yùn)動。故要均勻布置六個曲柄滑塊裝置，使其產(chǎn)生的對防生水母軸線的轉(zhuǎn)動合力矩為零。仿生水母繞其軸線轉(zhuǎn)動的運(yùn)動方程可以表示為：

。

(3)

式中：J為仿生水母繞軸線的轉(zhuǎn)動慣量；ω為仿生水母機(jī)器人的轉(zhuǎn)動角速度；M為仿生水母機(jī)器人受到的總的轉(zhuǎn)動力矩；Fi為每個四桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生推力時產(chǎn)生的附加的對軸線的轉(zhuǎn)矩；r為四桿機(jī)構(gòu)到軸線的距離；MD為仿生水母機(jī)器人轉(zhuǎn)動時受到的阻力矩。

3.2 仿生水母運(yùn)動阻力數(shù)值模擬

根據(jù)仿生水母機(jī)器人在實(shí)際游動中的運(yùn)動狀態(tài)，在進(jìn)行數(shù)值計算時使用定長MRF模型，模擬計算仿真時采用的研究對象為不可壓縮液體，流場的入口速度為已知，流場的出口為變量，定義出口邊界條件為outflow。定義流場的表面為wall。選擇基于壓力形式的3D求解器。計算模型設(shè)置為k-epsilon湍流模型，設(shè)置殘差監(jiān)視精度為0.001；設(shè)置迭代計算步數(shù)，計算完成后輸出結(jié)果。

為了獲得仿生水母機(jī)器人腔體變化過程中水母所受流體阻力變化情況，本文選取了仿生水母機(jī)器人在運(yùn)動過程中收縮狀態(tài)、半張開狀態(tài)和完全張開狀態(tài)三種不同的工況進(jìn)行仿真，三種不同工況下，推桿以及曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的參數(shù)如表1所示。

表1 推桿及曲柄滑塊參數(shù)Table 1 The parameters of pushrod and slider-crank

通過對仿生水母模型在三種不同工況下做數(shù)值模擬，得到了仿生水母模型在三種工況下所受游動阻力隨速度的變化情況，如圖7所示。

圖7 水母機(jī)器人游動阻力—速度關(guān)系圖Fig.7 The relationship of biomimetic jellyfish robot′s resistance-velocity

由圖7可知，在三種不同工況下，仿生水母機(jī)器人在游動的過程中，其受到的阻力都會隨著游動速度的增加而增加，在張開完全張開位置，其最大值為8 N，并且阻力的增加速率也在逐漸增加。這是因?yàn)楫?dāng)游動速度增加時，水流對水母機(jī)器人的阻礙作用在增加，并且隨著速度的增大，水流的阻礙作用也會變得越來越明顯。在收縮狀態(tài)和半張開狀態(tài)這兩種工況下，水母機(jī)器人所受到的水流阻力相差不大，這說明在水母機(jī)器人腔體擴(kuò)張的前半段，由于仿生水母機(jī)器人頭部空間的影響，水流速度對其游動性能的影響較小。在同一游動速度下，對比三種不同的工況，水母機(jī)器人所受到的水流阻力在增大，這說明在仿生水母機(jī)器人腔體擴(kuò)張時，水流對水母機(jī)器人的阻礙作用在增加。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證SMA驅(qū)動的仿生水母機(jī)器人的游動性能，對仿生水母機(jī)器人進(jìn)行試驗(yàn)研究。

仿生水母機(jī)器人采用的是單片機(jī)控制系統(tǒng)，為了更方便地調(diào)節(jié)單片機(jī)控制參數(shù)，試驗(yàn)時將控制系統(tǒng)用導(dǎo)線引出外置。試驗(yàn)水溫為20 ℃。分別選取電源電壓為6、9和12 V進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)置上段SMA彈簧通電時的PWM占空比為0.9，下端SMA彈簧通電時的PWM占空比為0.5。其中驅(qū)動電壓為12 V時的控制時序如圖8所示。

圖8 仿生水母控制時序圖Fig.8 Control timing chart of biomimetic jellyfish robot

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同驅(qū)動電壓下水母機(jī)器人游動參數(shù)Table 2 The velocity of biomimetic jellyfish robot under different voltage

由表2可知，當(dāng)驅(qū)動電壓分別為6、9和12 V時，仿生水母機(jī)器人均可實(shí)現(xiàn)單自由度游動，并且平均游動速度與驅(qū)動電壓成正比關(guān)系，當(dāng)驅(qū)動電壓為12 V時，仿生水母機(jī)器人可達(dá)到44.4 mm/s的平均游速。仿生水母游動圖像如圖9所示。

圖9 仿生水母機(jī)器人游動圖Fig.9 The photos of jellyfish robot swimming

5 結(jié)論

本文以水母游動原理為基礎(chǔ)，采用SMA彈簧作為驅(qū)動材料，設(shè)計出一種基于SMA彈簧的差動式直線推動驅(qū)動器。并且以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為傳動裝置，模擬水母的噴射式推進(jìn)方式，設(shè)計出了基于SMA驅(qū)動的仿生水母機(jī)器人，并完成了試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行試驗(yàn)?；谝陨涎芯浚贸鋈缦陆Y(jié)論：

(1) 由于SMA彈簧具有單程記憶效應(yīng)，故在通電后，由于電流的熱效應(yīng)，SMA彈簧會產(chǎn)生收縮變形，并且有力的輸出。同時彈簧的形變速度與驅(qū)動電壓有關(guān)，驅(qū)動電壓越高，SMA彈簧形變速度越快。

(2) 采用直線差動式SMA彈簧驅(qū)動器，可以實(shí)現(xiàn)推桿的往復(fù)運(yùn)動，當(dāng)推桿帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動時，可以模擬水母運(yùn)動時腔體的收縮擴(kuò)張過程。

(3) 通過流體動力學(xué)數(shù)值模擬，得到了仿生水母游動時不同工作狀態(tài)下阻力變化情況，驗(yàn)證了基于SMA彈簧驅(qū)動仿生水母機(jī)器人運(yùn)作的可行性。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，仿生水母完成了基本的直行運(yùn)動，為以后的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

(4) 同時，對基于反饋SMA彈簧精準(zhǔn)控制技術(shù)缺乏一定的理論基礎(chǔ)，故SMA控制技術(shù)將會是下一步工作的重點(diǎn)。