基于SMA 絲驅動的水下增程式推進裝置研究*

鄧佳琦，段世杰，張秋宇

（東北林業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

近年來，地球的資源日益匱乏，人類對海洋資源的開發利用逐漸占據重要地位。水下機器人（Unmanned Underwater Vehicle，UUV） 應運而生，它是人類探索、開發和保護海洋資源的重要工具。傳統水下機器人采用整體耐壓殼或開放式框架結構，螺旋槳推進，推進效率低，易被海草、漁網等纏繞，且會對水下生物造成一定危害。為此，本文設計了一種采用SMA 絲來驅動的水下增程式推進裝置。

1 國內外研究現狀及背景

2012年，浙江大學劉芳芳[1]撰寫的論文中將柔性鰭波動推進模式與傳統的魚類身體／尾鰭（Body and/or Caudal Fin，BCF） 推進模式進行對比，屬于中央鰭／對鰭（Median and/or Paired Fin，MPF） 推進模式，具有低速下高效、高機動性和低流體擾動等顯著優點，為未來水下推進器的仿生設計提供了新的選擇。采用此種推進模式的仿生推進器不僅適用于遠距離航行，還具有小范圍機動靈活、抗擾動能力強的特點，對海洋資源的勘探、技術裝備開發甚至軍事方面均具有重要的理論研究價值和廣闊的應用前景。

由上述烏賊肌肉結構的研究，制造出基于柔性鰭波動推進模式的推進器，但沒有將兩種模式同時實現[2]，也沒有采用智能材料研制的驅動器，因此，無法完全體現烏賊的游動特點。本文主要采用形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，SMA） 絲研制的驅動器，使水下機器人具有烏賊的耐壓強、靈活度高等特點。

2 研發方案

2.1 工作原理

外部電源通電時， 擠壓管上的SMA 絲收縮，擠壓管中的水流從出水端噴出，擠壓管采用了HDPE 塑料薄膜，SMA 絲收縮時受到的阻力減小；采用呈集束設置的多個擠壓管，每次多個SMA 絲通電后產生收縮空間更大，排出的水更多，從而大大提高了裝置的噴射推進路程。外部電源斷電時，SMA 絲伸長，擠壓管恢復初始狀態，使水流通過單向閥進入到殼體內，然后通過多個進水端進入到擠壓管中，將擠壓管充滿水，隨即完成一次噴射操作，之后快速通斷電，即可持續進行水下推進[3]。見圖1。

圖1 一種SMA 絲驅動的水下增程式推進裝置結構示意圖

2.2 結構模型設計

傳統的水下推進裝置一般采用螺旋槳推進，在行進過程中會產生一定的噪聲。本文設計的一種SMA 絲徑向驅動的水下推進裝置，解決了現有的螺旋槳水下推進系統產生噪聲，造成水下隱身性能差的問題。該推進裝置腔體為彈性橡膠材質且呈圓筒狀結構，其兩端一體固接有擋板，兩個擋板上同軸開設有通孔，出口單向閥和入口單向閥一一對應穿裝在兩個通孔內，若干徑向壓條均勻固設在腔體圓周方向的表面且均與腔體的中心軸線平行設置，SMA 絲驅動組件同軸套設在腔體上且與腔體緊密接觸，徑向壓條位于SMA 絲驅動組件與腔體之間，SMA 絲驅動組件通電時沿腔體徑向收縮，斷電時恢復。通過控制SMA 絲的快速通斷電，可實現整個推進裝置的無聲連續推進動作[4]。

1） 該推進裝置殼體呈圓筒狀，殼體的兩端分別固定連接進水單向閥和出水單向閥，在殼體內部分別固定連接第一固定板和第二固定板。其中第一固定板上開設了多個進水孔，每個進水孔固定連接在進水端上，進水端的一端固定連接了呈圓筒狀的擠壓管，擠壓管背離進水端的一端固定連接在出水端；第二固定板上開設了多個出水孔，每個出水端固定連接在相對應的出水孔側壁上，多個擠壓管上設置擠壓裝置，每個擠壓管內部側壁固定連接多個依次排列的彈性圈。

2） 擠壓裝置包括正極導線、負極導線和多個SMA 絲，每個SMA 絲等距纏繞固定在對應的擠壓管上，多個SMA 絲的一端均與正極導線連接，多個SMA 絲的另一端均與負極導線連接。SMA 絲運動過程中運用了彈性機制，SMA 絲通電后受熱，發生逆相變而收縮；SMA 絲斷電后冷卻，彈性能釋放，促使SMA 回復[5]。

3） 每個進水端均設計為錐形，進水孔與進水端開口較大的一側對應相連接；同時，每個出水端也設計為錐形，出水端的較小開口一側與對應的出水孔連接。

3 創新點及應用

將正、負極導線與外部電源相連，當接通電源時，每個擠壓管上的SMA 絲將收縮，同時收縮各擠壓管，將各擠壓管中的水流通過出水端噴出；各擠壓管出水端錐形的較小開口一側與出水孔連接，使噴出的水流速度加快；水流從出水單向閥噴出后，產生的推動速度更快，SMA 絲收縮時受到的阻力更小，更容易對擠壓管充分擠壓，可從擠壓管排出的水流更多。同時，采用呈集束設置的多個擠壓管，可以在殼體有限的空間內部，每次多個SMA絲通電后產生的收縮空間更大，排出的水流更多[6]，進而大大提高了裝置的推進路程。

4 結束語

筆者設計的一種基于SMA 絲驅動的水下增程式推進裝置構思巧妙、結構合理，通過呈集束設置的多個擠壓管，可以進一步壓縮殼體內有限的空間，增加了排水量，提高了推進功率[7]。傳統的水下噴射機器人采用螺旋槳來驅動，而本文設計的推進機器人采用智能材料SMA 絲來驅動。以烏賊為研究對象，對其游動機理和外套膜的結構進行研究，提出了一種基于SMA 絲驅動的水下增程式推進裝置，SMA 絲是仿外套膜最佳的驅動器，這是因為SMA 絲具有較大的應變和應力，結構類似烏賊的環狀肌肉，便于布置和嵌入到仿外套膜結構中[8]。在與已有的研究基礎上提出增程機構這一創新點。基于此，可為以后研發烏賊原型提供借鑒作用。