柔性水下懸停機器人的液氣相變驅動及制造

張鴻健,韓捷,蔣維濤,牛東,劉紅忠

(西安交通大學機械工程學院,710049,西安)

地球上的海洋面積為3.6億km2,占地球總面積的71%。海洋中蘊含著豐富的漁業資源和化石資源,對人類的生存與社會發展起著重要作用。隨著海洋資源開發進程的推進,海洋資源保護與海洋資源的高效利用對人類社會的進步起著關鍵作用。簡單依靠人力探測是不能滿足對海洋環境保護以及海洋資源開發的迫切需求,為了適應對海洋資源的大規模開發利用,研究和發展用于水下監測、探測的各種水下機器人、水下深潛器、監測平臺已經成為我國[1]和世界各國的重大需求。

早在1960年,美國就研制成功了世界上第一臺水下機器人CURV-1,并利用其成功找到并打撈了一枚遺失在海底的氫彈[2]。此后,水下機器人技術得到越來越多的關注并取得快速發展。目前,水下監測平臺或水下深潛器多采用電機驅動,輔以螺旋槳或葉輪推進。美國Seabotix公司研制了一款用于水下監測的低成本水下航行器LBV150[3],由4個直流無刷推進器驅動,尺寸約為0.5 m,總質量為11 kg,設計下潛深度為150 m,設計速度為1.5 m/s,可實現定深定向運動。此類水下機器人動力充足,工作穩定,但是傳統水下機器人存在多個電機、活塞、連桿、關節、鉸鏈[4]等,多級傳動中能量損失較大,噪聲大,結構復雜且笨重,容易影響甚至破壞水下環境。

水下機器人驅動的另一個思路是仿照海洋生物進行結構設計,采用智能驅動材料如形狀記憶合金、電活性聚合物材料等進行驅動[5]。中國海洋大學王舉田等設計了一款基于SMA驅動的仿水母機器人[6],經測試在12 V電壓下運動速度可達44.4 mm/s。目前,基于智能材料驅動的水下機器人的主要挑戰為[7-8]:①不能完全回避機電驅動和傳動,如以形狀記憶合金作為驅動器,帶動機械傳動系統實現運動時,難以避免機電傳動噪聲;②采用新型驅動材料,如形狀記憶合金、離子聚合物等,難以兼顧驅動力與驅動形變,從而難以適應水下驅動需求。如采用離子聚合物作為驅動材料,雖然所需驅動電壓小,驅動頻率大,但是驅動力和驅動功率較小,導致其工作推力較小,水下移動速度較慢[9-11]。針對愈加復雜的水下環境,柔性軟材料水下機器人成為新的研究方向,軟材料水下機器人通常由彈性高分子聚合物[12]如橡膠、硅膠等制成。軟體機器人變形自由度多,可承受較大變形,柔順性好[13],質量較輕,適合水下壓強較大,環境復雜的特殊工況。氣壓驅動是水下軟體機器人的主要驅動方式之一[14-16],其響應速度快,輸出力大[17],工作噪聲小,不會影響水下生態環境,但氣壓驅動軟體機器人需要外帶氣泵及復雜的氣路控制系統,結構復雜且運動時受線纜約束,運動自由度低。

受河鲀應激防御時體型變化的啟發,本文提出了一種新型的自帶工質、可遠程操控的液氣相變驅動方法,設計并制造了一種基于液氣相變驅動的柔性水下懸停機器人。機器人內設腔體并自帶低沸點液氣相變驅動液體,通過對驅動液體加熱使其部分汽化,產生的飽和蒸氣壓作用在腔體內壁上,使柔性腔體膨脹,從而使懸停機器人的體積發生變化,最終實現懸停機器人的上浮下潛運動與定深懸停。懸停機器人工作功耗低且無噪聲,大大降低了傳統水下機器人機械驅動與傳動導致的噪聲與能量損失,同時自帶工質,體積小質量輕,適合復雜的水下工作環境。

1 懸停機器人設計原理

1.1 懸停機器人結構設計

河鲀體形渾圓,在水中可以靈活旋轉,但是其在水中游動主要依靠胸鰭的推動,移動速度較慢,很容易成為捕食目標。因此,河鲀進化出了一種與一般魚類迥然不同的防御機制,在受到威脅時,會將大量空氣或水吸入其極具彈性的胃中,短時間內使體型膨脹數倍從而嚇退捕食者。本文受河鲀應激防御時體型變化的啟發,設計了一種基于液氣相變驅動的柔性水下懸停機器人。懸停機器人基體由柔性硅橡膠材料制成,外形仿照河鲀設計,外部呈流線型;基體內預設一腔體封裝有低沸點驅動液體,并設有溫控裝置,主要結構如圖1所示。

圖1 懸停機器人結構及驅動原理

懸停機器人通過內部的溫控裝置使內腔封裝的低沸點驅動液體發生液氣相變,在液氣相變過程中,產生的飽和蒸氣壓作用在柔性腔體內壁上,使整個基體體積發生明顯變化,從而改變其浮力。當驅動溫度升高,驅動液體部分汽化,作用在內壁上的飽和蒸氣壓增大,懸停機器人膨脹,體積增大從而浮力增大;當驅動溫度降低,部分氣體液化,作用在內壁上的飽和蒸氣壓減小,懸停機器人收縮,體積減小從而浮力減小。整個過程與河鲀防御時吸排水時體積變化的過程類似。

1.2 液氣相變驅動原理

懸停機器人由柔性基體與低沸點驅動材料構成。在基體內部封裝有低沸點驅動液體,通過加熱驅動液體使部分液體汽化,驅動液體汽化后產生的飽和蒸氣壓作用在柔性腔體內壁上使其膨脹,懸停機器人的體積發生變化從而改變其浮力,最終實現上浮下潛運動與定深懸停,驅動原理如圖1所示。

當驅動溫度超過驅動液體沸點時,驅動液體吸熱并部分汽化,在驅動溫度一定時,液相與氣相保持平衡,液氣相變處于動態平衡。在平衡狀態下,作用在柔性腔體內壁上的壓強為驅動材料在該溫度下的飽和蒸氣壓Ps。飽和蒸氣壓是指在密閉環境中,特定溫度下,與液體處于相平衡的蒸氣所具有的壓強。驅動液體的飽和蒸氣壓Ps表示為[18]

(1)

式中:T為驅動溫度;k1、k2由驅動液體材料決定。同時,考慮懸停機器人的水下工作環境,在腔體外壁作用的靜水壓強為

P0=ρwgh

(2)

式中:h為懸停機器人的工作水深。飽和蒸氣壓與靜水壓強同時作用在腔體的內外壁面上,當驅動溫度T改變時,腔體內驅動液體的飽和蒸氣壓改變,懸停機器人的體積V變化,最終改變其浮力Ff。Ff計算式如下

Ff=ρwgV

(3)

此外,當懸停機器人的浮力Ff與其自身重量相等時,可實現其在水中一定深度處的懸停。

1.3 超彈性材料本構模型

懸停機器人由柔性硅橡膠材料Ecoflex 00-30制成,Ecoflex 00-30屬于超彈性材料。受外力作用時,超彈性材料的幾何特性常表現為非線性變化[19-21],其彈性模量無法使用線性公式描述,常采用應變能密度函數來表示其力學特性。常用的函數模型有Neo-Hookean模型、Mooney-Rivlin模型[22-23]、Yeoh模型等,其中Yeoh模型(縮減多項式模型)通過單軸拉伸實驗數據即可擬合出其應力-應變特性,簡單方便,適合模擬材料應變不超過150%的較大變形。故本文采用Yeoh模型建立Ecoflex 00-30材料的應力應變關系,Yeoh模型應變能密度函數為

(4)

式中:N為材料應變能密度函數階數;Ci0、Di為材料實驗確定的參數;對于Ecoflex 00-30材料認為其完全不可壓縮,取J=1;I1為Green應變張量中的第1個不變量,計算式為

(5)

其中,λ1、λ2、λ3分別為拉伸實驗中測定的軸向、徑向、周向主拉伸比。對于Ecoflex 00-30材料,利用Yeoh雙參數模型即可在一定范圍內擬合出其應力-應變特性[22],Yeoh應變能密度函數可表示為

W=C10(I1-3)+C20(I1-3)2

(6)

2 懸停機器人的結構設計與仿真

2.1 結構設計

懸停機器人整體結構外形仿照河鲀,總體尺寸約為65 mm×30 mm×26 mm,魚身整體呈流線型,在魚身中部設有空腔用于封裝驅動液體,魚身頂部設計為平面,可用于攜帶水下攝像機等負載。懸停機器人基體由柔性硅橡膠材料Ecoflex 00-30制成,Ecoflex 00-30材料的密度為1.07 g/cm3、彈性模量63 kPa、泊松比為0.47。內腔體形狀近似為圓柱體,直徑約為25 mm,長度為30 mm,設計壁厚為3 mm,設計可封裝驅動液體15 mL。驅動液體材料為3MTMNovecTM7000,沸點為35 ℃,密度為0.92 g/cm3。懸停機器人整體設計質量為29 g。

2.2 驅動過程的仿真

通過改變驅動溫度,封裝在懸停機器人內腔的驅動液體發生液氣相變,引起作用在腔體內壁面上的壓力變化,從而使腔體的體積發生變化,實現懸停機器人的浮力變化。通過計算發現,在小于15.5 m的深度范圍內,靜水壓強遠小于驅動液體的飽和蒸氣壓,故仿真分析中忽略靜水壓強對懸停機器人的體積變形影響。當驅動溫度超過驅動液體的沸點時,驅動液體部分汽化,處于液氣平衡共存狀態;當驅動液體不完全轉化為氣體時,在不同的驅動溫度下,相變過程總是處于動態平衡的。懸停機器人在驅動過程中存在3個驅動狀態,如圖2所示。狀態Ⅰ:當驅動液體全部為液態或僅少量液體轉化為氣體時,懸停機器人體積基本保持不變,為液相預膨脹階段。狀態Ⅱ:當加熱到一定驅動溫度時,驅動液體部分或大部分轉變為氣體時,液相與氣相達到液氣平衡時,為液氣平衡膨脹驅動階段。狀態Ⅲ:當驅動液體全部轉變為氣體時,內腔氛圍全部為氣體,腔體外壁張力逐漸達到最大值,約束懸停機器人的最大變形,為氣相平衡階段。在液氣平衡膨脹驅動階段,隨著驅動溫度的不斷升高,液氣相變的轉變程度逐漸加大,懸停機器人體積逐漸增大,為主要驅動階段。當驅動液體全部汽化后,驅動狀態轉變為加熱氣體驅動,隨著驅動溫度的上升,氣體體積變化速率十分緩慢,驅動過程基本停止,故本文主要討論懸停機器人的液氣平衡膨脹驅動階段。

圖2 液氣相變驅動階段

懸停機器人主要發生形變的部分為其內腔體,內腔體形狀可簡化為一直徑為20 mm、長度為30 mm的圓柱體,腔體壁厚為3 mm。懸停機器人采用Yeoh模型通過拉伸試驗測量得到材料應力-應變曲線,通過最小二乘法擬合后得到材料模型參數。對于超彈性材料Ecoflex 00-30,C10=0.12 MPa,C20=0.02 MPa,D1=D2=D3=0。

如前文所述,懸停機器人的最佳工作狀態為驅動液體部分轉化為氣體時,因此仿真只討論液氣平衡膨脹驅動階段(50～100 ℃)。使用Abaqus/Standard有限元模型分析懸停機器人的內腔體,設置仿真模型中的單元屬性為20節點二次六面體單元(C3D20RH),并采用二次雜交公式進行計算以便于收斂。

(a)不同內腔壁厚時的浮力自重比

為設置懸停機器人內腔的最佳壁厚,分別在壁厚為2.5、3、3.5、4、4.5、5 mm的內腔內壁上施加不同驅動溫度下的飽和蒸氣壓,通過仿真計算出在不同驅動溫度下內腔膨脹產生的浮力值,并計算出在不同驅動溫度下浮力與懸停機器人自重比k,用以表征不同壁厚的內腔的膨脹能力,如圖3a所示。仿真結果表明,內腔壁厚越小,浮力與懸停機器人自重比k越大,懸停機器人內腔的膨脹變形能力越強。圖3a說明,當內腔壁厚為2.5 mm時,內腔的膨脹變形能力最強,考慮到在后續的翻模制備過程中(見下文3.1節),如果內腔壁厚過薄會導致內腔變形過大,驅動液體蒸發過程出現泄漏,從而導致懸停機器人失效的情況。圖3a表明,內腔壁厚為3 mm時,其最大浮力自重比(k=2.18)與壁厚為2.5 mm時的情況(k=2.24)相差不大,且驅動溫度范圍更寬,懸停機器人的可控性較壁厚為2.5 mm時更好。另外,壁厚如果過薄,懸停機器人的隔熱能力差,將提高驅動功耗,同時增大對水下懸停機器人周圍環境溫度的影響。故綜合考慮懸停機器人制備工藝要求、低功耗要求與可操控性要求,同時為了不影響水下環境,設置內腔壁厚為3 mm。

此外,在內腔體模型的內壁面上分別施加不同驅動溫度下對應的飽和蒸氣壓,從而獲得在不同驅動溫度下懸停機器人的膨脹效果。通過仿真結果可以發現,懸停機器人內腔體積隨著驅動溫度的升高,發生了明顯的增大。通過提取懸停機器人膨脹后內腔內壁面上各點的總位移,擬合出變形曲線后進行積分,得到懸停機器人變形后的體積,如圖3b所示。根據懸停機器人的溫度-體積曲線可知,通過調整驅動溫度可實現其浮力控制,最終實現懸停機器人的上浮下潛運動與定深懸停。

3 液氣相變驅動實驗及分析

3.1 懸停機器人的制造

(a)制備工藝

采用翻模法制備懸停機器人的基體。模具采用光固化3D打印方法制備,分為外模具和內腔占位模具,制備工藝流程如圖4a所示:①將Ecoflex 00-30的A、B液按質量1∶1比例混合,攪拌5 min后,真空處理3 min去除材料內氣泡;②在外模具和內腔占位模具的表面均勻噴涂脫模劑,靜置30 min;③將模具組裝好后用注射器將Ecoflex 00-30注入模具內,真空處理1 min,去除模具內Ecoflex 00-30的微小氣泡;④40 ℃下固化4～5 h,待懸停機器人固化成型后脫模,使用無水乙醇對懸停機器人超聲清洗8 min,并對進線開口處做親水處理;⑤將Pi加熱薄膜與溫度傳感器清洗后插入內腔中,注入3MTMNovecTM7000液體15 mL,再將新配制的Ecoflex 00-30在140 ℃下預固化2～4 min后,在黏性較大時封住進線入口。封裝時,若存在Ecoflex 00-30固化效果不佳的情況,在Ecoflex 00-30中摻入質量分數為0.05%的碳納米管或石墨烯,激光加熱輔助固化[24],最后制成的懸停機器人實物模型如圖4b所示。此外,懸停機器人通過線纜進行加熱的驅動方式,可進一步優化為采用遠程遙控的無線加熱驅動方式[25],擺脫線纜局限。

3.2 液氣相變驅動實驗及分析

實驗中,利用PID溫度控制儀控制驅動溫度,同時使用溫度傳感器和測力計對懸停機器人在不同溫度下產生的浮力進行測量,如圖5a所示。所采用的溫度傳感器為開普森超細K型熱電偶,溫度測定范圍為0～200 ℃。Pi加熱薄膜插在懸停機器人內腔中,PID溫度控制儀實時控制驅動溫度,內腔環境溫度由溫度傳感器實時反饋。懸停機器人產生的浮力通過一組滑輪改變方向后,通過測力計測量值計算得出。在進行浮力測試前,懸停機器人在設定的驅動溫度下驅動至少5 min,待測力計讀數穩定后再進行測量,最終得到在不同驅動溫度下懸停機器人的浮力,如圖5b所示。

(a)液氣相變驅動實驗

實驗表明,在預膨脹階段,驅動溫度從環境溫度(20 ℃)升高到沸點附近(約50 ℃)時,懸停機器人腔體內的驅動液體絕大部分處于液態,整體未表現出明顯的膨脹變形,產生的浮力小于自重(約為0.29 N),0

懸停機器人可實現定深度懸停,最終懸停高度h表示為

h=h0+vt

(7)

式中:h0初始位置;v為懸停機器人的上浮速度,由驅動溫度決定;t為上浮時間。為了實現懸停機器人的定深度懸停,使懸停機器人初始位置位于水底,首先升高驅動溫度,使懸停機器人上浮;當懸停機器人接近可懸停位置時,降低驅動溫度,使其減速向上,停止在可懸停深度;若上浮高度超過了可懸浮深度,則需要再降低驅動溫度,使其向下運動最終停止在可懸停深度。如圖6所示,當驅動溫度穩定在53 ℃(±2 ℃)時,懸停機器人可懸浮在距水面約180 mm處,懸浮位置精度為±10 mm。根據圖5b,由浮力仿真數據,當驅動溫度設置在55 ℃時,懸停機器人可提供的浮力為0.3 N,約等于懸停機器人的自重,在此驅動溫度下可以實現懸停機器人的水下懸停。實驗中的懸停機器人可懸停驅動溫度與通過仿真得到的可懸停驅動溫度基本一致。

此外,通過調整懸停機器人內腔封裝驅動液體量,可以改變其在不同驅動溫度下的浮力。分別測量了內腔封裝15、20、25 mL時,懸停機器人在特定驅動溫度下的浮力曲線,如圖7a所示。由于內腔封裝液體量的差異,懸停機器人的液氣平衡膨脹階段所對應的的溫度范圍存在差異,而且內腔封裝的驅動液體越多,產生的浮力越大,驅動溫度范圍越寬。當懸停機器人內腔封裝25 mL驅動液體時,驅動溫度范圍可達50～125 ℃,最大可提供0.93 N的浮力,為懸停機器人自重的2.4倍。顯然,只要在懸停機器人內腔封裝更多的低沸點驅動液體,就可以獲得更寬的溫度操控范圍以及更大的浮力。同時,為了驗證懸停機器人驅動能力的可重復性,分別在不同驅動溫度下多次測量了內腔封裝15 mL驅動液體的懸停機器人的浮力,如圖7b所示,懸停機器人在不同的驅動溫度下的浮力變化范圍在±0.02 N以內,浮力變化范圍Δ不超過5%。

(a)變封裝量的浮力測試

4 結 論

(1)本文設計并制造了一種新型的基于液氣相變驅動的柔性水下懸停機器人,通過對封裝在懸停機器人內腔的驅動液體進行加熱,使驅動液體在特定溫度范圍內保持在液氣平衡狀態,使懸停機器人的體積發生變化,從而改變懸停機器人的浮力,實現懸停機器人的上浮下潛運動與定深懸停。實驗結果表明:內腔封裝15 mL驅動液體的懸停機器人最大可提供約為其自重1.95倍的浮力;懸停機器人在驅動溫度為53 ℃時可在水下180 mm處懸停;通過調整其內腔封裝的驅動液體的量,可獲得更大的浮力。

(2)本文所設計的懸停機器人的驅動可重復性較好,相同溫度下多次測量其浮力變化不超過5%。相較于傳統的水下機器人,噪聲小,功耗小,并且由硅橡膠軟材料制成體積較小,非常適合狹窄復雜的水下工況,在很多領域都有很好的應用前景,如水下資源勘探、水下救援等。

(3)本文提出的基于液氣相變驅動的柔性水下懸停機器人,可根據工作環境需求,選用不同沸點的驅動液體,實現多工況驅動,從而拓展該機器人的使用范圍。