夏期榮，董二寶，楊 杰

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 精密機(jī)械與精密儀器系，安徽 合肥 230027)

近幾十年來，機(jī)器魚已經(jīng)成為水中機(jī)器人的研究熱點(diǎn)。其驅(qū)動(dòng)方式也從電動(dòng)機(jī)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)[1-5]擴(kuò)展至各類智能材料[6-9](SMA、IPMC和PZT)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器魚游動(dòng)性能優(yōu)于智能材料機(jī)器魚，但其存在結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、質(zhì)量大和有噪聲的問題。智能材料驅(qū)動(dòng)的機(jī)器魚雖然性能不及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器魚，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且可以較好地仿生自然界魚的游動(dòng)行為，其中，形狀記憶合金(SMA)具有高回復(fù)力、較大的輸出力和長使用壽命的優(yōu)點(diǎn)[10]，適用作為水下機(jī)器魚的驅(qū)動(dòng)器。

本文利用SMA絲制作了一款雙向柔性驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器每側(cè)布置有4路獨(dú)立輸出SMA絲，可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器4級(jí)精確的彎曲角度輸出；以該柔性驅(qū)動(dòng)器為魚尾，設(shè)計(jì)了一塊仿鯵科類機(jī)器魚；基于驅(qū)動(dòng)器4路SMA獨(dú)立控制的特點(diǎn)，提出了一種輪詢加熱控制策略；并試驗(yàn)比較了驅(qū)動(dòng)器擺動(dòng)幅度和擺動(dòng)頻率對(duì)機(jī)器魚直游行為的影響。

1 柔性驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)和彎曲特性

1.1 柔性驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1.1 柔性驅(qū)動(dòng)器制作工藝流程

SMA驅(qū)動(dòng)器由2塊柔性驅(qū)動(dòng)模塊和1塊彈簧鋼組成。制作驅(qū)動(dòng)器的主要工作在于柔性驅(qū)動(dòng)模塊的制作。SMA柔性驅(qū)動(dòng)器的制作工藝流程(見圖1)如下。

1)柔性驅(qū)動(dòng)模塊以內(nèi)部PCB板和SMA絲為核心驅(qū)動(dòng)部件，PCB板分別在兩端固定，將SMA絲有序穿入PCB板上預(yù)留的孔內(nèi)，并且通過PCB板上的焊接孔外接導(dǎo)線控制(見圖1a)。

圖1 SMA柔性驅(qū)動(dòng)器的制作工藝流程

2)將編號(hào)固定的SMA絲和PCB板放置于圖1b所示的模具當(dāng)中。模具由SolidWorks軟件設(shè)計(jì)而成，而后用3D打印機(jī)打印成型。模具本身被設(shè)計(jì)分成2塊，這是因?yàn)槟＞弑旧淼目傞L度略小于SMA絲的長度，從而可以保證在澆筑過程中，SMA絲處于張緊狀態(tài)。模具兩端分別設(shè)計(jì)有用于固定PCB板的限位凸臺(tái)，用于保證PCB板不會(huì)在澆筑過程中脫落。

3)SMA絲和PCB板的密封澆筑材料采用的是聚二甲基硅氧烷(PDMS)，該柔性材料常溫下是一種無色無毒的透明液體，且具有很好的流動(dòng)性。當(dāng)向PDMS液體中加入質(zhì)量比為1∶10的固化劑并將其置于高溫環(huán)境下，即可實(shí)現(xiàn)PDMS的固化。固態(tài)PDMS具有良好的耐熱和防水性，故非常適用于SMA絲的密封及水下環(huán)境的工作。將配比好的PDMS材料倒入澆筑模具中，然后將模具置于恒溫箱中等待固化。溫度越高，PDMS固化速度越快，但是本文考慮到SMA絲本身的相變溫度，將恒溫箱的溫度設(shè)為45 ℃，固化時(shí)間約為2 h，固化完成的柔性驅(qū)動(dòng)模塊如圖1c所示。

4)將制作好的柔性驅(qū)動(dòng)模塊利用HS-862粘合膠分別粘貼于彈簧鋼兩側(cè)，放置一段時(shí)間后，即可得到最后的柔性驅(qū)動(dòng)器(見圖1d)。

本文采用的SMA絲為鈦-鎳合金，直徑為0.15 mm，相變溫度為90 ℃。PDMS具有良好的彈性、防水性及耐熱性，當(dāng)機(jī)器魚在水下工作時(shí)，可有效防止SMA絲和PCB板短路，同時(shí)也不會(huì)因?yàn)镾MA絲的發(fā)熱而變軟甚至融化，因此非常適用于該柔性驅(qū)動(dòng)器。

1.1.2 柔性驅(qū)動(dòng)器控制

柔性驅(qū)動(dòng)器控制的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)對(duì)SMA絲通電加熱和斷電冷卻這2種狀態(tài)的切換，通過對(duì)柔性驅(qū)動(dòng)器兩側(cè)SMA絲循環(huán)的加熱和冷卻，可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器雙向的彎曲運(yùn)動(dòng)。基于此，本文以MOS管為核心設(shè)計(jì)了用于驅(qū)動(dòng)器控制的開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，選取STM32F103系列單片機(jī)作為主控板。MOS管驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖2所示。該開關(guān)電路有1個(gè)輸入口和1個(gè)輸出口，分別為CON1和Sample1。CON1接STM32的GPIO引腳PE9，該GPIO引腳的模式設(shè)為推挽輸出，通過PE9口置0置1的切換，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)開關(guān)電路的通斷；Sample1口接STM32的PA0口，PA0為單片機(jī)的ADC口，可實(shí)時(shí)采集采樣電阻的電壓值。柔性驅(qū)動(dòng)器共有8路SMA絲，則需要8組MOS管驅(qū)動(dòng)電路，設(shè)計(jì)完成的電路板如圖3所示。

圖2 MOS管驅(qū)動(dòng)電路原理圖

圖3 PCB電路板

1.2 柔性驅(qū)動(dòng)器彎曲特性

該柔性驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)彎曲運(yùn)動(dòng)是依靠形狀記憶合金絲的形變。在加熱過程中，SMA發(fā)生相變，其材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)由低溫馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷貖W氏體，宏觀體現(xiàn)為SMA絲縮短，從而拉動(dòng)驅(qū)動(dòng)器朝受熱變形的SMA絲一側(cè)發(fā)生彎曲。當(dāng)SMA絲停止加熱時(shí)，由于彈簧鋼和PDMS自身回復(fù)力以及驅(qū)動(dòng)器另一側(cè)SMA絲的拉力，驅(qū)動(dòng)器可回復(fù)到初始狀態(tài)。通過交替加熱兩側(cè)SMA絲，可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器往復(fù)的彎曲運(yùn)動(dòng)。

柔性驅(qū)動(dòng)器作為機(jī)器魚的驅(qū)動(dòng)源，其擺動(dòng)特性直接決定了機(jī)器魚的游動(dòng)性能。由圖1可知，驅(qū)動(dòng)器兩側(cè)分別由4路獨(dú)立SMA絲組成，從而當(dāng)選擇不同的加熱路數(shù)時(shí)，該柔性驅(qū)動(dòng)器的彎曲幅度也會(huì)發(fā)生變化。不同的彎曲幅度對(duì)應(yīng)著機(jī)器魚不同的魚尾擺動(dòng)幅度，魚尾的擺動(dòng)幅度又將直接影響機(jī)器魚自身的游動(dòng)速度；故本文首先對(duì)驅(qū)動(dòng)器彎曲幅度特性進(jìn)行了試驗(yàn)。利用設(shè)計(jì)好的SMA絲驅(qū)動(dòng)電路，設(shè)定SMA驅(qū)動(dòng)電壓為22 V，加熱時(shí)間為500 ms，用以確保SMA絲可實(shí)現(xiàn)完全相變。

試驗(yàn)結(jié)果見表1。驅(qū)動(dòng)器兩側(cè)加熱不同路數(shù)SMA絲，彎曲角度值接近相等，且加熱路數(shù)越多，彎曲角度越大，故而基于該驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的正常直游動(dòng)作。圖4所示為驅(qū)動(dòng)器在4路同時(shí)加熱條件下，驅(qū)動(dòng)器的最大彎曲角度，最大值為64°。

表1 驅(qū)動(dòng)器不同加熱路數(shù)下彎曲幅度

圖4 驅(qū)動(dòng)器的最大彎曲角度

2 機(jī)器魚的設(shè)計(jì)和制作工藝

2.1 機(jī)器魚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)SMA柔性驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)，本文以自然界中鯵科類魚為仿生對(duì)象(見圖5a)，該鯵科魚的推進(jìn)方式為身體/尾鰭推進(jìn)型(BCF型)，主要依靠其身體的后1/3配合尾鰭擺動(dòng)以實(shí)現(xiàn)水下的游動(dòng)行為。本文在SolidWorks軟件中根據(jù)該真實(shí)魚類尺寸，建立了等比例3D機(jī)器魚模型(見圖5b)。其中，對(duì)機(jī)器魚的尾鰭形狀做了修改，選擇了新月形狀的尾鰭造型。這種形狀的尾鰭具有較大的展弦比，而大展弦比可有效提高機(jī)器魚水下的游動(dòng)效率。該機(jī)器魚主要包括前2/3固體魚身、后1/3部分的柔性魚身以及尾鰭胸鰭等各類魚鰭。

圖5 機(jī)器魚仿生對(duì)象及三維結(jié)構(gòu)模型

2.2 機(jī)器魚制作工藝

機(jī)器魚制作工藝如下。

1)將仿鯵科類三維機(jī)器魚模型進(jìn)行分解，并設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)零件。

2)將機(jī)器魚的前2/3固定魚身部分分為上、下魚頭兩部分進(jìn)行裝配，內(nèi)部為空腔，用以添加配重塊，以完成后期機(jī)器魚的配平工作；上、下魚頭裝配后完成對(duì)柔性驅(qū)動(dòng)器的固定；最后用連接件連接驅(qū)動(dòng)器和尾鰭。因?yàn)锽CF型的推進(jìn)方式主要依賴其后1/3身體和尾鰭推進(jìn)，故暫不考慮其胸鰭、背鰭等魚鰭對(duì)機(jī)器魚的影響，這些魚鰭也并未制作加入到實(shí)際裝配完成的機(jī)器魚中。用3D打印機(jī)將設(shè)計(jì)好的零件打印成型，然后進(jìn)行裝配，即得到圖6所示的機(jī)器魚。

圖6 裝配完成的機(jī)器魚

3)制作機(jī)器魚的柔性身體部分。當(dāng)機(jī)器魚殼體、驅(qū)動(dòng)器及尾鰭打印裝配完成后，將圖7所示的魚體模具固定于機(jī)器魚殼體后部，其尺寸大小與機(jī)器魚殼體及尾部尺寸相匹配，然后使用聚氨酯發(fā)泡劑澆筑于模具當(dāng)中；發(fā)泡劑發(fā)泡完成后，取下模具，即可得到最終制作完成的機(jī)器魚(見圖8)。

圖7 柔性魚體部分制作

圖8 制作完成的機(jī)器魚

根據(jù)SolidWorks軟件中機(jī)器魚模型可知，機(jī)器魚的總體積約為220 cm3，而實(shí)際裝配完成的機(jī)器魚總質(zhì)量為105 g，要實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚在水中浮游，則機(jī)器魚的平均密度應(yīng)約為1 g/cm3(水的密度)；故將100 g鉛塊放置于魚頭空腔內(nèi)用于配重，最后機(jī)器魚質(zhì)量約為205 g，全長為280 mm。

3 機(jī)器魚的控制策略和游動(dòng)試驗(yàn)

3.1 機(jī)器魚的控制策略

本文SMA柔性驅(qū)動(dòng)器控制的關(guān)鍵在于對(duì)SMA絲通電加熱和斷電冷卻這2種狀態(tài)的切換，通過對(duì)柔性驅(qū)動(dòng)器兩側(cè)SMA絲循環(huán)的加熱和冷卻，可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器雙向的彎曲運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚魚尾的擺動(dòng)?；诖嗽?，確定了機(jī)器魚的加熱策略(見圖9)，設(shè)柔性驅(qū)動(dòng)器一側(cè)為A，另一側(cè)為B。假設(shè)機(jī)器魚擺動(dòng)頻率為f，則機(jī)器魚擺動(dòng)周期為：

(1)

1個(gè)周期內(nèi)，驅(qū)動(dòng)單側(cè)擺動(dòng)時(shí)間為T/2，加熱時(shí)間t1=200 ms，則就被加熱的SMA絲而言，其冷卻時(shí)間為：

t2=T-t1

(2)

圖9 機(jī)器魚控制策略圖

形狀記憶合金存在熱積累的問題，在SMA絲不斷加熱過程中，若冷卻時(shí)間過短，SMA絲不能及時(shí)冷卻至常溫，SMA內(nèi)部奧氏體無法相變?yōu)轳R氏體，則SMA絲將保持相變后的長度，無法回復(fù)到正常狀態(tài)，直接影響驅(qū)動(dòng)器的彎曲性能。采用上述加熱策略，若在相對(duì)較低的頻率下可完成正常工作，但是當(dāng)驅(qū)動(dòng)器彎曲頻率過高，即冷卻時(shí)間過短時(shí)，驅(qū)動(dòng)器彎曲性能大大降低?；谏鲜鰡栴}，并考慮到驅(qū)動(dòng)器兩側(cè)具有4路獨(dú)立SMA絲的特點(diǎn)，本文提出了一種輪詢加熱策略。假設(shè)驅(qū)動(dòng)器A、B兩側(cè)的4路SMA絲分別為A-1、A-2、A-3、A-4和B-1、B-2、B-3、B-4，將每側(cè)的SMA絲兩兩分組，分別為A-12、A-34、B-12和B-34，依次進(jìn)行輪詢加熱，輪詢加熱策略如圖10所示。假設(shè)機(jī)器魚的擺動(dòng)頻率與圖9相同為f，第1個(gè)1/2周期加熱A-12，第2個(gè)1/2周期加熱B-12，第3個(gè)1/2周期加熱A-34，第4個(gè)1/2周期加熱B-34。如此SMA在經(jīng)歷相同加熱時(shí)間t1后，其冷卻時(shí)間為：

t2=2T-t1

(3)

圖10 輪詢加熱策略

SMA絲的冷卻時(shí)間延長了1個(gè)周期T，如此可有效提高驅(qū)動(dòng)器有效使用時(shí)長，也為SMA的控制提供了一種簡(jiǎn)單有效的思路。

3.2 機(jī)器魚直游試驗(yàn)

在自然界中，魚類的游動(dòng)行為有2種基本類型：巡游直行和轉(zhuǎn)彎。柔性機(jī)器魚的游動(dòng)依賴于SMA柔性驅(qū)動(dòng)器。通過柔性驅(qū)動(dòng)器的雙向?qū)ΨQ彎曲運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的直游動(dòng)作，而如果兩側(cè)的SMA絲選擇不同的加熱路數(shù)，驅(qū)動(dòng)器將會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱的游動(dòng)行為，如此便可實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的轉(zhuǎn)向動(dòng)作。本節(jié)將對(duì)驅(qū)動(dòng)器的擺動(dòng)頻率和擺動(dòng)幅度對(duì)機(jī)器魚的直游性能的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)環(huán)境如圖11所示，試驗(yàn)水槽的外形尺寸為150 cm×70 cm×100 cm(長×寬×高)，在水槽上方放置攝像機(jī)記錄機(jī)器魚動(dòng)作。

圖11 機(jī)器魚試驗(yàn)環(huán)境

通過選擇驅(qū)動(dòng)器中SMA絲不同的加熱路數(shù)，可實(shí)現(xiàn)柔性驅(qū)動(dòng)器四級(jí)擺動(dòng)幅度的較精確控制；因此，為了驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)器擺動(dòng)幅度對(duì)機(jī)器魚游速的影響，試驗(yàn)過程中，機(jī)器魚分別在0.75、1和1.25 Hz的擺動(dòng)頻率的條件下，對(duì)驅(qū)動(dòng)器兩側(cè)SMA絲進(jìn)行1路、2路、3路和4路加熱，得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，在同一擺動(dòng)頻率下，機(jī)器魚魚尾的擺動(dòng)幅度越大，速度越高。

圖12 機(jī)器魚游速和擺動(dòng)幅度的關(guān)系

為了掌握機(jī)器魚魚尾擺動(dòng)頻率對(duì)機(jī)器魚游速的影響，同時(shí)驗(yàn)證輪詢加熱自身的優(yōu)劣性，在試驗(yàn)過程中，用第1種加熱策略分別加熱2路和4路SMA絲，以及用輪詢加熱策略依次加熱2路SMA絲，得到了3種不同加熱方式下的機(jī)器魚游速和擺動(dòng)頻率的關(guān)系(見圖13)。從圖13可以看出，采用第1種加熱策略，當(dāng)魚尾擺動(dòng)頻率<1.75 Hz時(shí)，機(jī)器魚游速隨魚尾的擺動(dòng)頻率提高而加快，但是當(dāng)擺動(dòng)頻率>1.75 Hz時(shí)，機(jī)器魚游速反而下降。這是因?yàn)楫?dāng)擺動(dòng)頻率過大時(shí)，SMA自身熱積累問題嚴(yán)重，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器的擺動(dòng)幅度大大減小。也就是說，采用第1種加熱策略時(shí)，機(jī)器魚的極限擺動(dòng)頻率為1.75 Hz；而當(dāng)采用輪詢加熱時(shí)，由于SMA絲的冷卻時(shí)間延長，驅(qū)動(dòng)器的極限擺動(dòng)頻率提升至2.25 Hz，且游速也得到進(jìn)一步提高。機(jī)器魚的最高游速可達(dá)102 mm/s。

圖13 機(jī)器魚游速和擺動(dòng)頻率的關(guān)系

4 結(jié)語

本文基于SMA絲設(shè)計(jì)了一款雙向柔性驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器的每一側(cè)布置有4路獨(dú)立控制的SMA絲，并基于該驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)了一款柔性魚尾的機(jī)器魚?；隍?qū)動(dòng)器的自身特點(diǎn)提出了一種輪詢控制策略，并對(duì)機(jī)器魚的直游行為進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出了如下結(jié)論。

1)驅(qū)動(dòng)器擺動(dòng)幅度和擺動(dòng)頻率對(duì)機(jī)器魚的游速有著直接影響，擺動(dòng)幅度越大，驅(qū)動(dòng)器擺動(dòng)頻率越高，機(jī)器魚游速越高。

2)輪詢加熱可有效改善驅(qū)動(dòng)器的熱積累問題，從而提高機(jī)器魚的極限擺動(dòng)頻率，且可使機(jī)器魚獲得更高的游動(dòng)速度。