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