基于SMA柔性驅動器的機器魚設計與試驗*

夏期榮，董二寶，楊 杰

(中國科學技術大學 精密機械與精密儀器系，安徽 合肥 230027)

近幾十年來，機器魚已經成為水中機器人的研究熱點。其驅動方式也從電動機舵機驅動[1-5]擴展至各類智能材料[6-9](SMA、IPMC和PZT)驅動，電動機驅動的機器魚游動性能優于智能材料機器魚，但其存在結構相對復雜、質量大和有噪聲的問題。智能材料驅動的機器魚雖然性能不及電動機驅動的機器魚，但其結構簡單，且可以較好地仿生自然界魚的游動行為，其中，形狀記憶合金(SMA)具有高回復力、較大的輸出力和長使用壽命的優點[10]，適用作為水下機器魚的驅動器。

本文利用SMA絲制作了一款雙向柔性驅動器，該驅動器每側布置有4路獨立輸出SMA絲，可實現驅動器4級精確的彎曲角度輸出；以該柔性驅動器為魚尾，設計了一塊仿鯵科類機器魚；基于驅動器4路SMA獨立控制的特點，提出了一種輪詢加熱控制策略；并試驗比較了驅動器擺動幅度和擺動頻率對機器魚直游行為的影響。

1 柔性驅動器系統設計和彎曲特性

1.1 柔性驅動器系統設計

1.1.1 柔性驅動器制作工藝流程

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

1)柔性驅動模塊以內部PCB板和SMA絲為核心驅動部件，PCB板分別在兩端固定，將SMA絲有序穿入PCB板上預留的孔內，并且通過PCB板上的焊接孔外接導線控制(見圖1a)。

圖1 SMA柔性驅動器的制作工藝流程

2)將編號固定的SMA絲和PCB板放置于圖1b所示的模具當中。模具由SolidWorks軟件設計而成，而后用3D打印機打印成型。模具本身被設計分成2塊，這是因為模具本身的總長度略小于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。模具兩端分別設計有用于固定PCB板的限位凸臺，用于保證PCB板不會在澆筑過程中脫落。

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，且具有很好的流動性。當向PDMS液體中加入質量比為1∶10的固化劑并將其置于高溫環境下，即可實現PDMS的固化。固態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，將恒溫箱的溫度設為45 ℃，固化時間約為2 h，固化完成的柔性驅動模塊如圖1c所示。

4)將制作好的柔性驅動模塊利用HS-862粘合膠分別粘貼于彈簧鋼兩側，放置一段時間后，即可得到最后的柔性驅動器(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，當機器魚在水下工作時，可有效防止SMA絲和PCB板短路，同時也不會因為SMA絲的發熱而變軟甚至融化，因此非常適用于該柔性驅動器。

1.1.2 柔性驅動器控制

柔性驅動器控制的關鍵在于實現對SMA絲通電加熱和斷電冷卻這2種狀態的切換，通過對柔性驅動器兩側SMA絲循環的加熱和冷卻，可實現驅動器雙向的彎曲運動。基于此，本文以MOS管為核心設計了用于驅動器控制的開關驅動電路，選取STM32F103系列單片機作為主控板。MOS管驅動電路原理圖如圖2所示。該開關電路有1個輸入口和1個輸出口，分別為CON1和Sample1。CON1接STM32的GPIO引腳PE9，該GPIO引腳的模式設為推挽輸出，通過PE9口置0置1的切換，可實現整個開關電路的通斷；Sample1口接STM32的PA0口，PA0為單片機的ADC口，可實時采集采樣電阻的電壓值。柔性驅動器共有8路SMA絲，則需要8組MOS管驅動電路，設計完成的電路板如圖3所示。

圖2 MOS管驅動電路原理圖

圖3 PCB電路板

1.2 柔性驅動器彎曲特性

該柔性驅動器實現彎曲運動是依靠形狀記憶合金絲的形變。在加熱過程中，SMA發生相變，其材料內部結構由低溫馬氏體轉變為高溫奧氏體，宏觀體現為SMA絲縮短，從而拉動驅動器朝受熱變形的SMA絲一側發生彎曲。當SMA絲停止加熱時，由于彈簧鋼和PDMS自身回復力以及驅動器另一側SMA絲的拉力，驅動器可回復到初始狀態。通過交替加熱兩側SMA絲，可實現驅動器往復的彎曲運動。

柔性驅動器作為機器魚的驅動源，其擺動特性直接決定了機器魚的游動性能。由圖1可知，驅動器兩側分別由4路獨立SMA絲組成，從而當選擇不同的加熱路數時，該柔性驅動器的彎曲幅度也會發生變化。不同的彎曲幅度對應著機器魚不同的魚尾擺動幅度，魚尾的擺動幅度又將直接影響機器魚自身的游動速度；故本文首先對驅動器彎曲幅度特性進行了試驗。利用設計好的SMA絲驅動電路，設定SMA驅動電壓為22 V，加熱時間為500 ms，用以確保SMA絲可實現完全相變。

試驗結果見表1。驅動器兩側加熱不同路數SMA絲，彎曲角度值接近相等，且加熱路數越多，彎曲角度越大，故而基于該驅動器實現機器魚的正常直游動作。圖4所示為驅動器在4路同時加熱條件下，驅動器的最大彎曲角度，最大值為64°。

表1 驅動器不同加熱路數下彎曲幅度

圖4 驅動器的最大彎曲角度

2 機器魚的設計和制作工藝

2.1 機器魚結構設計

根據SMA柔性驅動器的特點，本文以自然界中鯵科類魚為仿生對象(見圖5a)，該鯵科魚的推進方式為身體/尾鰭推進型(BCF型)，主要依靠其身體的后1/3配合尾鰭擺動以實現水下的游動行為。本文在SolidWorks軟件中根據該真實魚類尺寸，建立了等比例3D機器魚模型(見圖5b)。其中，對機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器魚水下的游動效率。該機器魚主要包括前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 機器魚仿生對象及三維結構模型

2.2 機器魚制作工藝

機器魚制作工藝如下。

1)將仿鯵科類三維機器魚模型進行分解，并設計出對應零件。

2)將機器魚的前2/3固定魚身部分分為上、下魚頭兩部分進行裝配，內部為空腔，用以添加配重塊，以完成后期機器魚的配平工作；上、下魚頭裝配后完成對柔性驅動器的固定；最后用連接件連接驅動器和尾鰭。因為BCF型的推進方式主要依賴其后1/3身體和尾鰭推進，故暫不考慮其胸鰭、背鰭等魚鰭對機器魚的影響，這些魚鰭也并未制作加入到實際裝配完成的機器魚中。用3D打印機將設計好的零件打印成型，然后進行裝配，即得到圖6所示的機器魚。

圖6 裝配完成的機器魚

3)制作機器魚的柔性身體部分。當機器魚殼體、驅動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器魚殼體后部，其尺寸大小與機器魚殼體及尾部尺寸相匹配，然后使用聚氨酯發泡劑澆筑于模具當中；發泡劑發泡完成后，取下模具，即可得到最終制作完成的機器魚(見圖8)。

圖7 柔性魚體部分制作

圖8 制作完成的機器魚

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

3 機器魚的控制策略和游動試驗

3.1 機器魚的控制策略

本文SMA柔性驅動器控制的關鍵在于對SMA絲通電加熱和斷電冷卻這2種狀態的切換，通過對柔性驅動器兩側SMA絲循環的加熱和冷卻，可實現驅動器雙向的彎曲運動，從而實現機器魚魚尾的擺動。基于此原理，確定了機器魚的加熱策略(見圖9)，設柔性驅動器一側為A，另一側為B。假設機器魚擺動頻率為f，則機器魚擺動周期為：

(1)

1個周期內，驅動單側擺動時間為T/2，加熱時間t1=200 ms，則就被加熱的SMA絲而言，其冷卻時間為：

t2=T-t1

(2)

圖9 機器魚控制策略圖

形狀記憶合金存在熱積累的問題，在SMA絲不斷加熱過程中，若冷卻時間過短，SMA絲不能及時冷卻至常溫，SMA內部奧氏體無法相變為馬氏體，則SMA絲將保持相變后的長度，無法回復到正常狀態，直接影響驅動器的彎曲性能。采用上述加熱策略，若在相對較低的頻率下可完成正常工作，但是當驅動器彎曲頻率過高，即冷卻時間過短時，驅動器彎曲性能大大降低。基于上述問題，并考慮到驅動器兩側具有4路獨立SMA絲的特點，本文提出了一種輪詢加熱策略。假設驅動器A、B兩側的4路SMA絲分別為A-1、A-2、A-3、A-4和B-1、B-2、B-3、B-4，將每側的SMA絲兩兩分組，分別為A-12、A-34、B-12和B-34，依次進行輪詢加熱，輪詢加熱策略如圖10所示。假設機器魚的擺動頻率與圖9相同為f，第1個1/2周期加熱A-12，第2個1/2周期加熱B-12，第3個1/2周期加熱A-34，第4個1/2周期加熱B-34。如此SMA在經歷相同加熱時間t1后，其冷卻時間為：

t2=2T-t1

(3)

圖10 輪詢加熱策略

SMA絲的冷卻時間延長了1個周期T，如此可有效提高驅動器有效使用時長，也為SMA的控制提供了一種簡單有效的思路。

3.2 機器魚直游試驗

在自然界中，魚類的游動行為有2種基本類型：巡游直行和轉彎。柔性機器魚的游動依賴于SMA柔性驅動器。通過柔性驅動器的雙向對稱彎曲運動，可實現機器魚的直游動作，而如果兩側的SMA絲選擇不同的加熱路數，驅動器將會產生不對稱的游動行為，如此便可實現機器魚的轉向動作。本節將對驅動器的擺動頻率和擺動幅度對機器魚的直游性能的影響進行試驗研究。試驗環境如圖11所示，試驗水槽的外形尺寸為150 cm×70 cm×100 cm(長×寬×高)，在水槽上方放置攝像機記錄機器魚動作。

圖11 機器魚試驗環境

通過選擇驅動器中SMA絲不同的加熱路數，可實現柔性驅動器四級擺動幅度的較精確控制；因此，為了驗證驅動器擺動幅度對機器魚游速的影響，試驗過程中，機器魚分別在0.75、1和1.25 Hz的擺動頻率的條件下，對驅動器兩側SMA絲進行1路、2路、3路和4路加熱，得到的試驗結果如圖12所示。由圖12可知，在同一擺動頻率下，機器魚魚尾的擺動幅度越大，速度越高。

圖12 機器魚游速和擺動幅度的關系

為了掌握機器魚魚尾擺動頻率對機器魚游速的影響，同時驗證輪詢加熱自身的優劣性，在試驗過程中，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器魚游速和擺動頻率的關系(見圖13)。從圖13可以看出，采用第1種加熱策略，當魚尾擺動頻率<1.75 Hz時，機器魚游速隨魚尾的擺動頻率提高而加快，但是當擺動頻率>1.75 Hz時，機器魚游速反而下降。這是因為當擺動頻率過大時，SMA自身熱積累問題嚴重，導致驅動器的擺動幅度大大減小。也就是說，采用第1種加熱策略時，機器魚的極限擺動頻率為1.75 Hz；而當采用輪詢加熱時，由于SMA絲的冷卻時間延長，驅動器的極限擺動頻率提升至2.25 Hz，且游速也得到進一步提高。機器魚的最高游速可達102 mm/s。

圖13 機器魚游速和擺動頻率的關系

4 結語

本文基于SMA絲設計了一款雙向柔性驅動器，該驅動器的每一側布置有4路獨立控制的SMA絲，并基于該驅動器設計了一款柔性魚尾的機器魚。基于驅動器的自身特點提出了一種輪詢控制策略，并對機器魚的直游行為進行了試驗研究，得出了如下結論。

1)驅動器擺動幅度和擺動頻率對機器魚的游速有著直接影響，擺動幅度越大，驅動器擺動頻率越高，機器魚游速越高。

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