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运用形状记忆合金的弯曲连续结构:

一种新型机器人鱼的设计

摘要

本文介绍了利用有可变形结构和智能材料的具体形状记忆合金（SMAS）对仿生运动系统的研究。我们可能可以用这种材料来探索并制造出无电机和无齿轮的机器人。用形状记忆合金制作出的在水下游泳的鱼形机器人得到了发展。这些执行器适当地弯曲鱼的主干使身体的曲率依次发生变化。这种结构上的安排是受到鱼的红肌的启发，像可以灵活的弯曲但几乎不能压缩的鱼骨一样用来稳定游泳。这篇文章通过介绍目的和从生理学上的灵感得到的机电一体化设计，控制和模拟，进行的动作试验和测试以及结果来回顾这个仿生结构的设计过程。这个工作集中于介绍特定的机电一体化的游泳模式标准是能够得出来的。另外，执行器对于形状记忆合金的基础控制的表现所依靠的执行速度与状态仍在改进中。

1 介绍

水中的生物能在水里自然的移动。因此，依据鱼的运动原理制作的水下机器人是有希望成功的。在过去的一些年里，研究人员从鱼的游泳运动中获得了启发。直到现在，他们中的大部分人仍然依靠伺服电机技术和由线性离散函数确定的结构。还有MIT鱼，它有一个柔软的身体，并用一个电机来产生向后传播的波浪来产生推动力。

实际上，机器人的驱动技术主要由两种执行机构控制：电机/伺服电机和气动/液动。在移动机器人技术中，前者主要被使用，但不包括大腿型机器人。电机的运动通过变速箱、轴承、皮带和其他需要线性驱动的机械装置传输到执行器。虽然成功地应用于无法计数的机器人设备，但这种系统可能是复杂、沉重和笨重的。在水下机器人中，主要用螺旋桨来进行运动和操纵。然而，螺旋桨可能存在气蚀、噪音、效率等问题，可能与植被和其他物体纠缠在一起，并可能对海洋生物造成危险。

备选的主动吸合技术或智能材料中的替代驱动技术在简单、重量和尺寸方面开辟了新的天地。压电纤维复合材料、电活性聚合物和形状记忆合金等材料正被研究成为标准伺服电机技术的潜在替代品。重量和尺寸的潜在增加将允许制造更轻、更简单和更小的机器人。

为了重现鱼类身体的波动运动，智能材料似乎非常适合。实际上，最近几年，这块领域正在兴起。在水下运动领域，智能材料的应用研究主要集中在机电一体化设计和驱动控制方面。就机电一体化设计而言，许多工作都致力于使用压电纤维复合材料制造水翼，或将SMA线嵌入硅树脂等弹性材料中。SMAS也被用作铰链结构中的线性执行器。最后采用了电活性聚合物等新兴材料。

在这项工作中，我们采用了SMAS作为驱动装置。因为他们在低电流和低电压下工作。SMA也非常便宜而且很容易在商业上买到。由于智能材料技术的新颖性，资料和关于其使用的专有技术尚不充分。所以对这些材料的精确控制仍然是个重要挑战。在控制方面，已在试验中获得好结果，证明使用适当的控制，镍钛合金SMA电线可以取得惊人的结果。与文献中以前的方法形成对比，以及一般认为他们的反应速度是有限的，因为慢传热特性和长瞬态与相变过程相关。

在本文中，我们介绍了我们在游泳方面的工作仿生鱼机器人。这个机器人的主要特点是（i）连续可弯曲结构的概念由若干（智能）执行器驱动的机器人，以及（ii）完全缺乏任何标准机械零件，以及

旋转执行机构，即无齿轮和无马达机器人。这些是我们的原型的特色。事实上，原型及以上例子都是使用SMAS启动经典关节（刚性）车身，或用于弯曲水翼以模仿鳍摆动。

论文的组织结构如下。第二节介绍新颖的机电一体化设计。第3节介绍了SMA建模和提议的控制方法，确保基于SMA的执行机构在精度上的可行应用以及驱动速度。第4节简要介绍了游泳模式在鱼类中，突出模仿鱼类的关键方面使用人工对口的运动。第五节介绍与运动模式相关的模拟，目的是证明了这个概念的可行性。同时也介绍了

用于评估在模拟和实验中的概念。第6节报告用样机获得的实验结果

在水中。最后，第7节以论文评论结束。

2 机电一体化概念设计

2.1 生物学基础

鱼弯曲身体游泳，产生向后波浪推进。这种弯曲有不同的方法。鳗形游泳者呈蛇形运动：他们的身体可以分成许多部分从头部到尾部沿着身体重复至少一个完整的波长。相反，亚壳形、壳形和闪电状的游泳者只在下半身左右弯曲，主体和分段数减少到1或2个。（见图1）

图1 不同种类的波浪式游泳；从左到右：鳗鲡形、亚壳形、壳形、闪电状

Ellerby等人解释了稳定游泳期间大多数鱼的力量与它们的横向肌肉组织一起起作用。肌肉收缩和被动式的力学性能身体的组成部分，结合起来产生从鱼头到鱼尾的弯曲度，那些侧肌纤维有节奏地延长和缩短。在持续游泳的低尾拍频率下，慢节奏有氧运动的肌肉为运动提供动力。我们的机电一体化概念从红色或缓慢抽搐的肌肉这样的安排和模仿中获得灵感，即鱼类在稳定的游泳过程中使用的东西，通过基于SMA的肌肉重现。（见图2）

图2 可变形结构的侧视图和上视图（另请参见图4和图5）。插图显示了真正的鱼的红肌的位置

在鱼类中，肌肉纤维是用于弯曲柔韧的几乎不可压缩的轴。这样的轴要么由（粘）弹性梁（脊索）或一系列椎骨的通过椎间盘的连接。我们的机器人鱼受到这一原理的启发，由连续灵活的主干组成。

2.2 概念

对于我们的模型，我们选择了分割身体为三段相同长度。同样大小的段的减少简化了游泳模式的研究并且实现了有足够的自由度，允许不同的要复制的游泳模式。这样的细分允许生殖亚壳形、壳形、雷状游泳模式，甚至是鳗状的游泳，尽管最后一种模式是最通常使用的。（见图3）

图3 身体和尾部波动运动的静止物。所提出的鱼类模型可以同时模拟

亚壳形（顶部）和壳形（底部）游泳。收缩百分比指的是相应的身体部分。

我们的原型的一个关键概念是使用SMA执行器弯曲一个连续的柔性结构，代表主干机器人鱼，由1毫米厚的聚碳酸酯制成。选择这种材料是因为它的温度、冲击力阻力和灵活性。肋骨的附加结构是用于支撑提供机器人的三维形状。总体鱼的长度为30厘米（不包括尾鳍）。（见图4）

采用六个基于SMA的执行机构。它们的长度是身体长度的1/3（即8.5厘米，不计算尾端鳍和头部）并成对放置，与身体以这种方式产生对抗性运动。这种SMA导线的拮抗配置具有一些优点。在增加可控驱动范围方面，因为两个运动方向（收缩和伸长）都可以主动控制。

一种新型的V形电线结构，每一根人工肌肉由单个V形SMA丝组成，缠绕在张紧螺钉上，它能让我们不显著的增加功耗。

在SMAS的操作下，我们的肌肉就像SMA布置的可将身段弯曲至28°，SMA电线仅收缩其长度的约4%。通过增加输入电流，包括处理超负荷SMA操作、收缩的控件可达到0.5s的时间，增加应变高达6%，相当于约36°的弯曲。注意，被动SMA不需要拉伸。这是因为形成被动SMA的弧半径大于形成聚碳酸酯带的弧。（见图5）

图4 鱼骨架结构，包括一个乳胶为基础的水保护皮肤。

图5 可弯曲聚碳酸酯结构原理。这个V形SMA线与脊柱段平行。作为一

收缩，使聚碳酸酯带弯曲。L1是SMA静止时的长度，l2是收缩的SMA长度。这个关系式为l2/l1=弦/弧=sin（theta;/2）/（theta;/2），其中theta;是圆扇形的中心角和H是弧高。名义上的SMA操作，电线收缩导致theta;asymp;56，以及beta;=theta;/2asymp;28。

2.3 基于形状记忆合金的执行机构

SMA是能够通过改变温度来改变其晶体结构（来自奥氏体和马氏体相）的材料。在SMA电线中，这样的温度可以引起电流的变化。焦耳加热引起相位变化，SMA恢复到记忆状态收缩成形。这样，就可以使用SMA线作为线性执行器。

使用的SMA，镍钛诺，最商业化的一种可提供SMAS，是镍和钛（Niti）的合金。其特点是高恢复应力（gt;500兆帕），低恢复应力工作电压（4-5 V），合理的额定工作电压应变（asymp;4%）和长寿命（高达106个周期）。我们有采用直径150mu;m的SMA-niti线在消耗250 mA时，拉力为230 g。室温下，标称收缩时间为1秒。导线的直径尺寸已被选作权衡电流消耗、拉力和收缩时间。

在建模和控制方面，SMAS的行为比许多常见材料更复杂：应力-

应变关系是非线性的，存在滞后现象。很大结果表明，该材料具有可逆性，且与温度有关。出于这些原因，低电平控制电子设备为足够精确的闭环位置控制而开发。控制电子设备在第3.3节。

3 SMA建模与控制

控制设计和调整高度依赖于建模阶段。在SMA建模方面，有很多为捕捉或解释SMAS，尤其是在热机械方面关系和滞后效应。这些型号中的大多数也被称为现象学模型。他们中的一些人用于控制目的，包括Kuribayashi基于实验确定的热机关系的模型，ikuta等人的子层模型和田中的本构模型。

尽管现象学模型提供了观察SMA行为的方法，我们依旧试图简化通过找到精确的线性近似值来建模阶段与我们的SMA执行器的行为相匹配。

3.1 SMA标识

通常认为SMA执行机构速度较慢。由于从加热到冷却的大转变而产生的响应，以及固有的热滞后。共同点是驱动方法都是电加热。大的滞环，以及非线性特性相位变换，也使得SMA执行器难以准确控制。

尽管如此，通过使用一对SMA线，在进行的实验中在可控性方面显示出一些优势。当主动执行器被加热而被动执行器（拮抗）正在冷却，滞后效应因作用于主动执行机构的外部应力高于奥氏体完成温度的非活性物质。另一方面，SMA电阻的变化取决于马氏体含量和应变。前者是高度非线性的温度和应力的滞回函数，而后者是线性的。

使用设计的模型，我们已经验证了电阻曲线上的滞后现象较小。比温度曲线上的迟滞要大。这个问题表明线性近似关系电阻变化r（t）和输入电流i（t）为足以模拟SMA执行器的实际响应加热。（见图6）

图6 测试模型使用V形配置。这个模型对应于鱼的脊骨的一部分，这是一个10times;2 cm2的1 mm厚聚碳酸酯条，长174 mm形状为V形的SMA线。

系统识别过程在模型决定了输入电流（I）必须是多少。应用于SMA执行器，以实现所需的最终提供所需的电阻值（R）鱼骨架结构的弯曲角（beta;）。这个阻力/角度关系也是线性的。

图片显示了模型的性能，当施加300 mA的输入电流。所示角度

为28°。注意电线的速度和张力取决于导线温度升高的速度和程度。在我们的测试中，我们已经验证了这两种反应收缩的时间和百分比可以增加，没有损坏SMA，给它通上约500 mA的电流。（见图7）

图7 实验角度（弯曲结构），beta;asymp;28 ° 处于300毫安电流。

因此，上述识别的线性模型电阻变化r（t）与输入的关系电流I（T）已使用以下一阶定义传递函数：

R(s)/ U(s) = K0 /（1 stau;0） = 0.011/（ 0.52s 1）

其中系数k0=0.011，tau;0=0.525为从开环系统对阶跃的响应中获得输入U（T），U（T）是由控制器2控制。

然后将电阻输出r（t）映射到电压测量值（v=ir）。图8显示了模型的响应，记录了在y（t）=y0至u（t）=u0；阶跃输入从u0应用到U1。

图8 SMA的电压与给定设定点的对比。y1=0.258，y0=0.232，T1=2.725，t0=2.2，t2=4，u1=1，u0=0，数据由实验确定。

为了验证（1）中模型的响应，附录报告了SMA模拟结果使用一个现象学非线性模型来证实本文所采用的线性近似的精度。将此模型与实验测试进行比较的讨论利用识别出的线性模型，提出了表A1总结了这一过程的热机方程现象学模型。结果证实了模型In（1）适用于开发一种调节基于应用输入的电阻变化电流，进一步保持反馈电阻

鱼机器人脊柱的弯曲角度。下一个本节介绍了控制策略和机制来确保机器人的精确运动。

3.2 控制器设置

鱼的可弯曲结构的精确控制由于SMAS的行为，提出了两个主要挑战从加热阶段切换到冷却阶段时：（i）松弛纤维和（ii）有限的驱动速度。

将导线固定在拮抗剂中时会出现松弛问题。SMA的电线在加热时收缩，以及即使没有施加张力，也应在冷却后延伸。因此，被动式电线可以发展出一些冷却时松弛毫米。这种行为被称为双向形状记忆效应。

另一方面，驱动速度的限制由于冷却和加热阶段（在正常运行期间手边的应用程序）。它会影响对抗性配置。

为了解决这两个问题，一个预热机制在闭环控制体系结构中被引入。这个机构通过避免两条导线上的温度来工作。低于最大施加电流的10%当前。这个问题提高了基于SMA的速度执行器，因为一根已经预热的电线可以一旦加热电流达到升高，而冷电线必须首先升高温度到工作状态。

因此，通过确保两个条件：（i）已经暖和的电线和（ii）引起外部应力主动执行器），被动执行器的SMA线可以更快地拉伸，避免松弛问题。这个预热机构一旦预热机制已打开，最小阈值施加电流约为50 mA（最大值的10%电流）。这可以防止非活动完全冷却的合金。另一方面，主动合金必须对被动合金产生外部应力为了加快恢复形状记忆过程在冷却阶段。这个外部压力在执行器的冷却是由于阻尼效应产生的对鱼骨和SMA的拉力。（见图9）

图9 控制方法：（a）预热加热机构；（b）控制信号的行为。

预热步骤由控制装置执行。系统只发送一个小电流的高脉冲一段时间，在150 ms内为500 mA。然后，它向具有从目标电流10%到100%的斜坡的SMA目标电流。对于控制策略，我们使用了一个PID控制器。使用Ziegler-Nichols方法，我们已经调整了基于分析的PID参数（kp、ti、td）值打开/关闭两个循环下的系统。系统已由（1）中确定的模型表示。从对应的实验数据中，我们可以计算以下参数：

tau;0 = t1minus;t0,

资料编号：[3478]