【摘 要】
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资源环境问题是21世纪人类所要面临的重大问题,陆地上的资源越用越少,于是人类将目光投向了海洋,占地球面积71%的海洋中蕴藏着丰富的生物资源和矿物资源。水下机器人是探测和开发
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资源环境问题是21世纪人类所要面临的重大问题,陆地上的资源越用越少,于是人类将目光投向了海洋,占地球面积71%的海洋中蕴藏着丰富的生物资源和矿物资源。水下机器人是探测和开发海洋资源的重要工具。传统的螺旋桨推进的水下潜器存在动作不灵活、对环境扰动大等缺点,于是模仿水下生物的仿生水下机器人受到研究者的高度关注。软体动物乌贼采用外套膜喷射和鳍波动复合的推进方式,游动灵活、高效、机动性能好。乌贼的肌肉性静水骨骼结构能够产生力,进行动作和改变组织刚度,但体积很难被压缩。乌贼高超的游动本领和良好的转弯机动能力就是得益于肌肉性静水骨骼。本文模拟乌贼外套膜的喷射推进功能和腕鳍的方向控制功能,研制仿乌贼外套膜和腕鳍,为仿乌贼机器人的研究提供支持。 与其它类智能材料相比,形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)具有回复应力大、变形量稳定、稳定工作寿命较长等优点,采用SMA丝作为仿乌贼外套膜和腕鳍的致动器。乌贼全身呈柔性,由于硅胶具有较好的柔性且性质稳定,能够容易地压缩且很快在弹性能作用下回复原状,采用其作为仿乌贼外套膜和腕鳍的基体材料。乌贼在低速游动时,外套膜和腕鳍的动作频率均不高,与SMA动作频率接近;乌贼外套膜外径应变在8%左右,与SMA的最大应变接近。 研制了直筒形和漏斗形的仿乌贼外套膜一共6个,直筒形的外套膜内径收缩应变均大于6%,最大为10%。在单个脉冲作用下,漏斗形的仿乌贼外套膜在1.52s内向前移动了15.29mm,平均速度为10.1mm/s。在10个电压脉冲作用下,6.4s时间内向前运动了84.5mm,平均速度为13.2mm/s。研制了2个仿乌贼腕鳍,最大摆动角度为49°。试验表明采用SMA作为致动器是可行的。
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