水下機(jī)器人設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)概述目錄TOC\o"1-3"\h\u1295水下機(jī)器人設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)概述 1116051.1軟體作動(dòng)器 1262581.2形狀記憶合金 2150131.1.1形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn) 2156781.1.2形狀記憶合金簡(jiǎn)介 3323611.3水下機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式 3203991.1.1電磁驅(qū)動(dòng) 337031.1.2機(jī)械驅(qū)動(dòng) 4101151.1.3智能材料驅(qū)動(dòng) 4216701.1.4流體驅(qū)動(dòng) 51.1軟體作動(dòng)器人們對(duì)流體驅(qū)動(dòng)軟體作動(dòng)器的研究已有60多年歷史[4]。在上世紀(jì)九十年代，日本學(xué)者Suzumorj等人發(fā)明了一種具有三方向自由度的柔性?shī)A持器，該夾持器的動(dòng)力由氣電混合能源所提供，如圖1.1所示。夾持器可以實(shí)現(xiàn)最基本的抓取物品動(dòng)作，不過(guò)相比實(shí)現(xiàn)的功能，其控制系統(tǒng)非常復(fù)雜。圖1.1四指柔性抓手2011年，哈佛大學(xué)喬治團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種多腔體氣動(dòng)軟體抓手(圖1.2)。該夾持器具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性，但夾持器端部彎曲幅度較小，對(duì)抓持物體的包裹程度較小，端部接觸力較小，抓持物體的穩(wěn)定性不夠高。在喬治團(tuán)隊(duì)研究基礎(chǔ)上，葛洛威等人制作了兩種采用多腔結(jié)構(gòu)和纖維加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水下生物取樣軟件夾具(圖1.3)。圖1.2多腔體氣動(dòng)軟體抓手圖1.3海底生物軟體抓手1.2形狀記憶合金1.1.1形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)在20世紀(jì)30年代，瑞典人奧蘭德在金鎘合金（后來(lái)，對(duì)銅鋅合金中的研究中也發(fā)現(xiàn)了相同的現(xiàn)象）中首次觀察到“記憶”效應(yīng)，即當(dāng)合成金屬在某一溫度下承受有限的塑性形變時(shí)，可以通過(guò)加熱的方式，使該合金恢復(fù)到其形變的初始形狀，在后來(lái)的研究中，人們將這種效應(yīng)歸納為形狀記憶效應(yīng)。形狀以及合金才誕生幾十年，相比起其他學(xué)科，其還是一個(gè)新生事物，但由于其優(yōu)良的材料特性，已經(jīng)在航空航天等特種領(lǐng)域得到了較為深度的應(yīng)用。圖1.4形狀記憶合金1.1.2形狀記憶合金簡(jiǎn)介形狀記憶合金具有變形恢復(fù)能力的核心原因在于材料的變形過(guò)程中內(nèi)部發(fā)生的熱彈性馬氏體相變。SMA晶體材料中具有兩種相：處于高溫狀態(tài)時(shí)的奧氏體相，處于低溫狀態(tài)時(shí)的馬氏體相。在不同的熱環(huán)境下，形狀記憶合金材料表現(xiàn)出兩種截然不同的性能[10]。總體來(lái)講，根據(jù)形狀記憶合金的恢復(fù)過(guò)程，我們將形狀記憶效應(yīng)分為三大類(lèi)：?jiǎn)纬逃洃浶?yīng)、雙程記憶效應(yīng)、全程記憶效應(yīng)。形狀記憶合金(SMA)是一種新型智能材料，其基本材料特性包括形狀記憶效應(yīng)、耐腐蝕、高阻尼、超彈性等，在特殊應(yīng)用領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。1.3水下機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式為了模擬鐘狀體的變形和水母的游動(dòng)形式，科學(xué)家研究了不同的驅(qū)動(dòng)方法，可分為機(jī)械傳動(dòng)方式、智能材料驅(qū)動(dòng)方式、電磁驅(qū)動(dòng)方式和流體驅(qū)動(dòng)方式等。1.1.1電磁驅(qū)動(dòng)許多類(lèi)似水母的微型機(jī)器人使用電磁驅(qū)動(dòng)器。意大利工程研究人員Tortora和韓國(guó)全南大學(xué)的Koyoungho都在開(kāi)發(fā)磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人。這個(gè)由電磁驅(qū)動(dòng)的類(lèi)似水母的機(jī)器人體型小巧靈活，但也正是由于體積較小，無(wú)法裝載更大的蓄電池，導(dǎo)致續(xù)航比較有限。圖1.5韓國(guó)國(guó)立大學(xué)電磁驅(qū)動(dòng)型觸手?jǐn)[動(dòng)式AUV1.1.2機(jī)械驅(qū)動(dòng)采用機(jī)械傳動(dòng)方式的人工水母，多用電機(jī)作為動(dòng)力源，采用剛性連桿進(jìn)行傳動(dòng)。美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)VILLANUEVA團(tuán)隊(duì)以水母為仿生對(duì)象所研制的機(jī)器人，含有多個(gè)電機(jī)，用以驅(qū)動(dòng)8個(gè)機(jī)械臂，機(jī)械臂上下震動(dòng)，帶動(dòng)仿生蹼運(yùn)動(dòng)，形成排水過(guò)程，從而模擬水母的動(dòng)作過(guò)程。國(guó)內(nèi)方面也有進(jìn)行相關(guān)的研究，比如哈爾濱工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)使用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)多個(gè)機(jī)械臂，模仿水母鐘形身體的收縮和放松。圖1.6弗吉尼亞大學(xué)機(jī)械型觸手?jǐn)[動(dòng)式AUV通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)可實(shí)現(xiàn)仿生游動(dòng)，但由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)缺乏柔順性，難以針對(duì)一些復(fù)雜水體環(huán)境，很難深入洞穴、溝壑或縫隙等環(huán)境進(jìn)行作業(yè)。為了提高人工水母的環(huán)境適應(yīng)性，科研工作者逐步研究采用柔性體直接驅(qū)動(dòng)仿水母游動(dòng)裝置。1.1.3智能材料驅(qū)動(dòng)弗吉尼亞理工大學(xué)的BRESSERS將八根形狀記憶合金（SMA）線用作推進(jìn)裝置，將其加熱以達(dá)到彎曲形態(tài)，用此形態(tài)模仿生物水母鐘形體收縮的狀態(tài)，伸直形態(tài)模擬松弛狀態(tài)；中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)楊潔教授等由形狀記憶合金絲和聚氯乙烯制成的柔性智能彎曲片用作機(jī)器人水母的作動(dòng)器，并在外部覆以有機(jī)硅層用于實(shí)現(xiàn)水母鐘形結(jié)構(gòu)的收縮和松弛狀態(tài)模擬。哈爾濱工業(yè)大學(xué)王振龍教授等人設(shè)計(jì)了具有仿生結(jié)構(gòu)的觸手，并在其上安裝了獨(dú)特的形狀記憶合金絲，使觸手?jǐn)[動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生噴水推進(jìn)作用。哈爾濱工程大學(xué)云春團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)了一種由形狀記憶合金和離子導(dǎo)電聚合物薄膜（ICPF）驅(qū)動(dòng)的類(lèi)似水母的微型機(jī)器人。這些水母的運(yùn)動(dòng)力來(lái)自于形狀記憶合金等智能材料，此類(lèi)材料易于控制，方便且靈活。但是這些材料的應(yīng)變很小，使得人造機(jī)械水母難以模擬正常生物水母鐘形體在作動(dòng)過(guò)程中的三維表面變形，進(jìn)一步，其絲狀或片狀智能材料的彎曲變形驅(qū)動(dòng)力也比較小，且能量效率提升空間較為有限。圖1.7美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)SMA型觸手?jǐn)[動(dòng)式AUV1.1.4流體驅(qū)動(dòng)一種新型的流體驅(qū)動(dòng)軟件驅(qū)動(dòng)器為仿生水母的發(fā)展提供了新的可能性。軟體材料具有更好的柔性、更簡(jiǎn)單的形式、更大的變形量，已在機(jī)器人、智能制造、仿生機(jī)械等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[4]。而流體可以均勻迅速地充滿(mǎn)軟體容腔，且隨軟體容腔形狀的不同，呈現(xiàn)多種形態(tài)。采用此類(lèi)軟體材料，美國(guó)大西洋大學(xué)ENGEBERG博士研制了一款機(jī)器水母，包含一個(gè)剛性鐘狀殼體和若干觸須，觸須內(nèi)有流體腔室，內(nèi)置水泵會(huì)將水吸入或排出觸須，觸須彎曲而在水中擺動(dòng)，使水母游動(dòng)。目前關(guān)于基于觸手?jǐn)[動(dòng)的AUV運(yùn)動(dòng)模型的研究成果比較有限，另外，現(xiàn)有的軟體作動(dòng)器設(shè)計(jì)更多地依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)，動(dòng)作形式可控性不足，軟體材料的綜合性能也亟待提高，如何根據(jù)水母運(yùn)動(dòng)模型和軟體驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作特性，建立更準(zhǔn)確的流體驅(qū)動(dòng)軟體AUV運(yùn)動(dòng)模型并根據(jù)此模型改進(jìn)其運(yùn)動(dòng)特性成為亟需研究的課題。圖1.8美國(guó)大西洋大學(xué)流體驅(qū)動(dòng)