哈尔滨工业大学工学博士学位论文 性、具有传感功能、不需或只需很少的传动部件、可电驱动、可微型化等优 点，智能材料越来越受到关注，其发展及其智能控制理论的进步，将使仿生水 下机器人的结构简化，推进性能提升。 1.2.3.3推进装置的模块化 多数鱼的鱼鳍由很多鳍条和覆盖在其上的鳍膜构成，每根鳍条虽然大小、 形状会有一定的差距，但是总体上是相似的，可认为是一种模块，在仿生模拟 时若采用相同或相似的模块，则可简化推进系统设计。现在己有一些仿生推进 器采用模块化结构，如美国东北大学开发的臀鳍推进器采用了16个相同的模 块。模块的不同组合可形成不同的推进方式，如将臀鳍推进器采用的模块的鳍 条水平放置，则可形成鳐科模式推进动作。 1.2.3.4推进动作的柔性化 现有的仿生推进器具有了一定的动作柔性，如可改变频率、波数、幅度 等，但动作的柔性还远不如水中生物，如Aqua ray的两个胸鳍比起可动作成 “~”形的（即鳍向一个方向动作，而鳍末梢指向相反方向）、可改变鳍面上波 数的真正的鳐鱼的胸鳍，差距还是明显的。推进动作的柔性化将提高游动仿生 水下机器人的推进效率和适应性。 1.2.3.5结构的柔性化 结构的柔性化才能真正实现推进动作的柔性化。大多数游动动物的身体都 是柔性的，游动时不会出现尖锐拐角的情况，从而可延缓身体后部湍流的产 生，吸收流体的湍动，减少湍流、阻力和艉迹。柔性结构还能减小水流等外力 对身体的冲击力，提高生存能力。机器蝌蚪的推进段己表现出了较大的柔性。 1.2.3.6机体耐压能力提高 游动仿生水下机器人若要实用化，必须提高耐压能力以增加潜深。许多机 器鱼采用肋条、肋板加蒙皮的结构，在较大水压下蒙皮会变形，除了可能破 裂、泄露，还会改变浮力，增大阻力，故只能在浅水区域游动。电机驱动结构 较为复杂，不利于耐压。智能材料的应用将简化结构，有利于提高耐压能力。 1.3仿静水骨骼/肌肉性静水骨骼机器人发展概述 动物的骨骼分为外骨骼（如螃蟹的骨骼）、内骨骼（如狗的骨骼）和静水骨骼 -12-
哈尔滨工业大学工学博士学位论文 - 12 - 性、具有传感功能、不需或只需很少的传动部件、可电驱动、可微型化等优 点，智能材料越来越受到关注，其发展及其智能控制理论的进步，将使仿生水 下机器人的结构简化，推进性能提升。 1.2.3.3 推进装置的模块化 多数鱼的鱼鳍由很多鳍条和覆盖在其上的鳍膜构成，每根鳍条虽然大小、 形状会有一定的差距，但是总体上是相似的，可认为是一种模块，在仿生模拟 时若采用相同或相似的模块，则可简化推进系统设计。现在已有一些仿生推进 器采用模块化结构，如美国东北大学开发的臀鳍推进器采用了 16 个相同的模 块。模块的不同组合可形成不同的推进方式，如将臀鳍推进器采用的模块的鳍 条水平放置，则可形成鳐科模式推进动作。 1.2.3.4 推进动作的柔性化 现有的仿生推进器具有了一定的动作柔性，如可改变频率、波数、幅度 等，但动作的柔性还远不如水中生物，如 Aqua ray 的两个胸鳍比起可动作成 “～”形的(即鳍向一个方向动作，而鳍末梢指向相反方向)、可改变鳍面上波 数的真正的鳐鱼的胸鳍，差距还是明显的。推进动作的柔性化将提高游动仿生 水下机器人的推进效率和适应性。 1.2.3.5 结构的柔性化 结构的柔性化才能真正实现推进动作的柔性化。大多数游动动物的身体都 是柔性的，游动时不会出现尖锐拐角的情况，从而可延缓身体后部湍流的产 生，吸收流体的湍动，减少湍流、阻力和艉迹。柔性结构还能减小水流等外力 对身体的冲击力，提高生存能力。机器蝌蚪的推进段已表现出了较大的柔性。 1.2.3.6 机体耐压能力提高 游动仿生水下机器人若要实用化，必须提高耐压能力以增加潜深。许多机 器鱼采用肋条、肋板加蒙皮的结构，在较大水压下蒙皮会变形，除了可能破 裂、泄露，还会改变浮力，增大阻力，故只能在浅水区域游动。电机驱动结构 较为复杂，不利于耐压。智能材料的应用将简化结构，有利于提高耐压能力。 1.3 仿静水骨骼/肌肉性静水骨骼机器人发展概述 动物的骨骼分为外骨骼(如螃蟹的骨骼)、内骨骼(如狗的骨骼)和静水骨骼
第1章绪论 三种[102。静水骨骼没有硬骨骼，而是以具有一定压力的液体实现硬骨骼的支 撑作用，它具有支撑身体结构，进行柔性动作和输出力的能力。肌肉性静水骨 骼是静水骨骼的特例。静水骨骼/肌肉性静水骨骼为柔性机器人的研制提供了 参考，它们很难压缩的特性也为研制耐高压水下机器人提供了可能。现在己有 一些机器人采用了静水骨骼/肌肉性静水骨骼动作原理。 1.3.1静水骨骼 静水骨骼靠常见于小型动物或者水中动物，如蠕虫、水蛭（图1-13(a)、水 母等，其结构为肌肉纤维和结缔组织纤维包围着的、充满一定压力的液体的腔 室，没有充气结构。腔室内液体基本不能压缩，因而即使外界压力较大，静水 骨骼体积也能基本保持不变。文献[103]指出，生理压力中，肌肉组织很难被 压缩，测量表明，在肌肉收缩时肌肉组织体积变化只有0.002%，因而通常认 为静水骨骼体积是恒定的。当肌肉纤维收缩导致静水骨骼在一个方向收缩时， 静水骨骼在其它方向就会膨胀。由于没有硬骨的限制，静水骨骼能够产生很大 的变形，如水蛭能从扁平的长条形变成半球形。科研人员已研究了多种静水骨 骼结构，并对水蛭进行了建模104.1051。 1.3.2肌肉性静水骨骼 肌肉性静水骨骼由美国学者W.M.Kier于1985年提出1o6,用于描述一 类特殊的静水骨骼一一没有或只有很小腔室的静水骨骼，如动物的舌头，乌贼 和墨鱼的外套膜、鳍，象鼻（图1-13(b)等。肌肉性静水骨骼由在三维方向上紧 密排列的肌肉纤维束和大量的胶原纤维结缔组织阵列组成，没有充气结构，基 本不能压缩，因此能承受较大压力变化，通常认为肌肉性静水骨骼的体积恒 定。科研人员己研究的肌肉性静水骨骼有乌贼和墨鱼的腕和触手107,1081、鳍 [109.11o、外套膜1山、蜥蜴舌头等。 1.3.3仿静水骨骼/肌肉性静水骨骼机器人的发展现状 由于研制柔性动作结构难度较大，仿静水骨骼/肌肉性静水骨骼机器人并 不多，国内尚无报道。除了后文1.4.1中介绍基于静水骨骼原理的仿蠕虫水下 机器人，还有：(1)日本东京工业大学研制的基于肌肉性静水骨骼原理的移动 机器人（图1-14(a),由循环蒙皮和爬行器构成211），采用第二代气动爬行器 的机器人高420mm,通过了高300mm的通道：(2)美国克莱姆森大学等研制 的OctArm机械臂（图1-l4(b),它采用伸长型McKibben气动肌肉，模拟章鱼 -13-
第 1 章 绪论 - 13 - 三种[102]。静水骨骼没有硬骨骼，而是以具有一定压力的液体实现硬骨骼的支 撑作用，它具有支撑身体结构，进行柔性动作和输出力的能力。肌肉性静水骨 骼是静水骨骼的特例。静水骨骼/肌肉性静水骨骼为柔性机器人的研制提供了 参考，它们很难压缩的特性也为研制耐高压水下机器人提供了可能。现在已有 一些机器人采用了静水骨骼/肌肉性静水骨骼动作原理。 1.3.1 静水骨骼 静水骨骼靠常见于小型动物或者水中动物，如蠕虫、水蛭(图 1-13(a))、水 母等，其结构为肌肉纤维和结缔组织纤维包围着的、充满一定压力的液体的腔 室，没有充气结构。腔室内液体基本不能压缩，因而即使外界压力较大，静水 骨骼体积也能基本保持不变。文献[103]指出，生理压力中，肌肉组织很难被 压缩，测量表明，在肌肉收缩时肌肉组织体积变化只有 0.002%，因而通常认 为静水骨骼体积是恒定的。当肌肉纤维收缩导致静水骨骼在一个方向收缩时， 静水骨骼在其它方向就会膨胀。由于没有硬骨的限制，静水骨骼能够产生很大 的变形，如水蛭能从扁平的长条形变成半球形。科研人员已研究了多种静水骨 骼结构，并对水蛭进行了建模[104，105]。 1.3.2 肌肉性静水骨骼 肌肉性静水骨骼由美国学者 W. M. Kier 于 1985 年提出[106]，用于描述一 类特殊的静水骨骼——没有或只有很小腔室的静水骨骼，如动物的舌头，乌贼 和墨鱼的外套膜、鳍，象鼻(图 1-13(b))等。肌肉性静水骨骼由在三维方向上紧 密排列的肌肉纤维束和大量的胶原纤维结缔组织阵列组成，没有充气结构，基 本不能压缩，因此能承受较大压力变化，通常认为肌肉性静水骨骼的体积恒 定。科研人员已研究的肌肉性静水骨骼有乌贼和墨鱼的腕和触手[107，108]、鳍 [109，110]、外套膜[111]、蜥蜴舌头等。 1.3.3 仿静水骨骼/肌肉性静水骨骼机器人的发展现状 由于研制柔性动作结构难度较大，仿静水骨骼/肌肉性静水骨骼机器人并 不多，国内尚无报道。除了后文 1.4.1 中介绍基于静水骨骼原理的仿蠕虫水下 机器人，还有：(1)日本东京工业大学研制的基于肌肉性静水骨骼原理的移动 机器人(图 1-14(a))，由循环蒙皮和爬行器构成[112，113]，采用第二代气动爬行器 的机器人高 420 mm，通过了高 300 mm 的通道；(2)美国克莱姆森大学等研制 的 OctArm 机械臂(图 1-14(b))，它采用伸长型 McKibben 气动肌肉，模拟章鱼
哈尔滨工业大学工学博士学位论文 腕的卷曲及偏摆动作，己开发了6代41。这两种机器人并未真正模拟静水 骨骼/肌肉性静水骨骼的实体结构，不能承受住较大外界压力。 a)水蛭6 b)动作中的象鼻 图1-13静水骨骼和肌肉性静水骨骼的例子 Fig.1-13 Examples of hydrostatic skeleton and muscular hydrostat a)移动机器人u3 b)OctArm V机械臂网 图1-14仿静水骨骼和仿肌肉性静水骨骼机器人 Fig.1-14 Robots mimicking hydrostatic skeleton and muscular hydrostatic 1.3.4仿静水骨骼/肌肉性静水骨骼机器人的发展趋势 静水骨骼/肌肉性静水骨骼能具有变形大、体积恒定、能承受较大压力的 优点，现有的仿静水骨骼/肌肉性静水骨骼机器人还未兼具上述优点。今后仿 静水骨骼/肌肉性静水骨骼机器人可向提高变形能力、提高结构刚度变化范围 和提高耐压能力的方向发展。 若能模仿静水骨骼/肌肉性静水骨骼的结构和动作，研制没有空腔的，集 支撑、变形、动作和耐压功能于一体的仿静水骨骼/肌肉性静水骨骼结构，则 可将其用作一种实体动作模块，通过改变形状或进行不同组合，即可用于不同 场合，特别是水下大潜深的高压场合。 用于高压场合时，仿静水骨骼/肌肉性静水骨骼结构的致动器和机体都必 须具有较高的耐压能力。电动机等常规致动器由于结构较大、密封困难等问 题，较难应用，因此致动器可选择没有充气结构的、具有一定柔性的、静水压 影响又较小I7,18的SMA等。近似不可压缩的硅胶等则是机体的理想材料。 与一般仿生水下机器人相比，采用仿静水骨骼/肌肉性静水骨骼结构的机 器人需耐压部分的体积减小，从而使这种机器人具有高于一般仿生机器人的耐 压能力。若进一步模拟动物游动，则将创造出基于静水骨骼/肌肉性静水骨骼 -14-
哈尔滨工业大学工学博士学位论文 - 14 - 腕的卷曲及偏摆动作，已开发了 6 代[114，115]。这两种机器人并未真正模拟静水 骨骼/肌肉性静水骨骼的实体结构，不能承受住较大外界压力。 a) 水蛭[116] b) 动作中的象鼻 图1-13 静水骨骼和肌肉性静水骨骼的例子 Fig. 1-13 Examples of hydrostatic skeleton and muscular hydrostat a) 移动机器人[113] b) OctArm V 机械臂[114] 图1-14 仿静水骨骼和仿肌肉性静水骨骼机器人 Fig. 1-14 Robots mimicking hydrostatic skeleton and muscular hydrostatic 1.3.4 仿静水骨骼/肌肉性静水骨骼机器人的发展趋势 静水骨骼/肌肉性静水骨骼能具有变形大、体积恒定、能承受较大压力的 优点，现有的仿静水骨骼/肌肉性静水骨骼机器人还未兼具上述优点。今后仿 静水骨骼/肌肉性静水骨骼机器人可向提高变形能力、提高结构刚度变化范围 和提高耐压能力的方向发展。 若能模仿静水骨骼/肌肉性静水骨骼的结构和动作，研制没有空腔的，集 支撑、变形、动作和耐压功能于一体的仿静水骨骼/肌肉性静水骨骼结构，则 可将其用作一种实体动作模块，通过改变形状或进行不同组合，即可用于不同 场合，特别是水下大潜深的高压场合。 用于高压场合时，仿静水骨骼/肌肉性静水骨骼结构的致动器和机体都必 须具有较高的耐压能力。电动机等常规致动器由于结构较大、密封困难等问 题，较难应用，因此致动器可选择没有充气结构的、具有一定柔性的、静水压 影响又较小[117，118]的 SMA 等。近似不可压缩的硅胶等则是机体的理想材料。 与一般仿生水下机器人相比，采用仿静水骨骼/肌肉性静水骨骼结构的机 器人需耐压部分的体积减小，从而使这种机器人具有高于一般仿生机器人的耐 压能力。若进一步模拟动物游动，则将创造出基于静水骨骼/肌肉性静水骨骼
第1章绪论 原理的、兼具耐压和游动性能的新型仿生水下机器人。 1.4智能材料在仿生机器人上的应用研究概述 随着机器人和仿生结构的迅猛发展，对高性能的传感器和致动器的需求日 增。电动机、液压或气动致动器存在着结构复杂等问题，由其驱动的仿生机器 人与动物相比差距还较大。智能材料既可为致动器，又可为传感器。能够用来 执行驱动功能的智能材料有SMA、EAP、压电陶瓷、形状记忆聚合物和磁致 伸缩材料等，其中前三种材料研究较为深入，己经具备一定实用功能，下文仅 介绍这三种材料及其在游动仿生水下机器人以外的仿生机器人上的应用。 1.4.1形状记忆合金及其在仿生机器人上的应用 形状记忆合金SMA是指具有形状记忆效应的金属，1963年美国海军武器 实验室偶然发现的TNi合金因温度不同而敲击声不同的现象，是SMA作为一 个独立学科分支的标志事件I。成熟的SMA为热致动，下面以这种SMA为 例说明。形状记忆效应是指材料在塑性变形后，加热到某一温度之上，能回复 到变形前形状的现象。SMA的另一种效应是超弹性效应。 通过不同的处理方式，SMA可具备单程、双程或全程记忆效应，单程记 忆效应SMA记忆效应稳定，应力、应变大，应用较多。单程记忆效应SMA 在低温时变形，加热恢复到原来的形状，冷却后还保持高温状态形状，需要偏 压力驱使其回复到加热前的形状。 SMA在高温状态为具有较大弹性模量的体心立方晶体结构，称为奥氏体 相(A):在低温状态为具有较小弹性模量的低对称性结构，称为马氏体相(M)。 SMA从奥氏体相冷却转变为马氏体相的过程称为马氏体相变，此过程中由于 具有较高对称性的奥氏体产生了多种具有较低对称性的自适应马氏体变体（孪 晶马氏体M,SMA不发生宏观变形。当向孪晶马氏体施加的某一应力超过 临界应力时，SMA在应力方向上产生解孪晶马氏体变体M,出现宏观变形。 应力移去后，变形有所保留。当SMA受热，从马氏体相转化为奥氏体相，发 生为马氏体逆相变（或称奥氏体相变）时，SMA晶格又转变为体心立方，回复 到原来奥氏体相宏观形状[120。图1-15为相变过程及SMA温度一应力相图， o、σ为临界开始、结束应力（点划线表示可能值），CM、C4分别为马氏体 和奥氏体的温度一应力曲线斜率，M表示孪晶和解孪晶马氏体共存，M、 [A、[t、【d表示单向的相变过程，相变方向分别由箭头n“、、m和m标 明。马氏体相变和马氏体逆相变的起始、终了温度分别为M,、M,和A,、 -15-
第 1 章 绪论 - 15 - 原理的、兼具耐压和游动性能的新型仿生水下机器人。 1.4 智能材料在仿生机器人上的应用研究概述 随着机器人和仿生结构的迅猛发展，对高性能的传感器和致动器的需求日 增。电动机、液压或气动致动器存在着结构复杂等问题，由其驱动的仿生机器 人与动物相比差距还较大。智能材料既可为致动器，又可为传感器。能够用来 执行驱动功能的智能材料有 SMA、EAP、压电陶瓷、形状记忆聚合物和磁致 伸缩材料等，其中前三种材料研究较为深入，已经具备一定实用功能，下文仅 介绍这三种材料及其在游动仿生水下机器人以外的仿生机器人上的应用。 1.4.1 形状记忆合金及其在仿生机器人上的应用 形状记忆合金 SMA 是指具有形状记忆效应的金属，1963 年美国海军武器 实验室偶然发现的 TiNi 合金因温度不同而敲击声不同的现象，是 SMA 作为一 个独立学科分支的标志事件[119]。成熟的 SMA 为热致动，下面以这种 SMA 为 例说明。形状记忆效应是指材料在塑性变形后，加热到某一温度之上，能回复 到变形前形状的现象。SMA 的另一种效应是超弹性效应。 通过不同的处理方式，SMA 可具备单程、双程或全程记忆效应，单程记 忆效应 SMA 记忆效应稳定，应力、应变大，应用较多。单程记忆效应 SMA 在低温时变形，加热恢复到原来的形状，冷却后还保持高温状态形状，需要偏 压力驱使其回复到加热前的形状。 SMA 在高温状态为具有较大弹性模量的体心立方晶体结构，称为奥氏体 相(A)；在低温状态为具有较小弹性模量的低对称性结构，称为马氏体相(M)。 SMA 从奥氏体相冷却转变为马氏体相的过程称为马氏体相变，此过程中由于 具有较高对称性的奥氏体产生了多种具有较低对称性的自适应马氏体变体(孪 晶马氏体 Mt )，SMA 不发生宏观变形。当向孪晶马氏体施加的某一应力超过 临界应力时，SMA 在应力方向上产生解孪晶马氏体变体 Md ，出现宏观变形。 应力移去后，变形有所保留。当 SMA 受热，从马氏体相转化为奥氏体相，发 生为马氏体逆相变(或称奥氏体相变)时，SMA 晶格又转变为体心立方，回复 到原来奥氏体相宏观形状[120]。图 1-15为相变过程及 SMA 温度—应力相图， cr σ s 、 cr σ f 为临界开始、结束应力(点划线表示可能值)， CM 、 CA 分别为马氏体 和奥氏体的温度—应力曲线斜率，Mt，d 表示孪晶和解孪晶马氏体共存，[M]、 [A]、[t]、[d]表示单向的相变过程，相变方向分别由箭头 n M、n A 、nt 和 nd 标 明。马氏体相变和马氏体逆相变的起始、终了温度分别为 Ms 、 M f 和 As
哈尔滨工业大学工学博士学位论文 A。当应力变化时，这四个温度会有所变化。 SMA是可电驱动的固态驱动器，可制成螺旋弹簧、丝、薄板等形状，它 与生物肌肉纤维具有可比性2)，具体表现为：()应力一应变关系存在非线 性；(2)在加载一卸载过程中存在应力滞后现象；(3)在恒应变状态下松弛；(4) 在电脉冲刺激下可能动地收缩而产生力：（⑤）放松状态时应力很小：(6)对温度 和力具有传感功能。在微小型应用场合，SMA优势明显，与电动机、内燃机 等相比，当致动器质量小于100g时，SMA的功率密度最高22。虽然存在着 效率低，动作频率低，形状记忆效应会随着动作次数而衰减等问题，但在对能 量利用效率和频率要求不高的场合，SMA较为适用。通过减小直径、改善散 热、采用拮抗布置等方法可提高SMA动作频率。 塑性区 解孪晶马氏体Md M CM 拉伸 CA d 卸载 Md,A [A] 加热，马氏 奥氏体A 体逆相变 d 孪晶马氏体 1冷却，马氏 拉伸卸载后 体相变 M M As A 图1-15SMA相变过程及SMA温度一应力相图（改编自123-12 Fig.1-15 SMA transformations temperature-stress phase diagram(adapted from123-1251) 为了预测SMA复杂的、存在非线性滞后的应力一应变一温度耦合的动作 过程，科研人员提出了多种SMA本构模型。本构模型是反映物质宏观性质的 数学模型，又称本构方程。SMA本构模型可分为细观力学模型和唯象理论模 型26)，其中后者利用SMA自身的某些与相变相关的变量如马氏体体积百分 比，来描述宏观相变过程，得出应力、应变、温度之间的关系，适合于工程计 算，可在一定程度上给出定量值，具有一定的应用价值。唯象理论模型有 Tanaka模型，Liang和Rogers模型，Brinson模型等几种27-l29),其中Brinson 模型需要的12个SMA参数均可通过实验获得，能较为准确地解释形状记忆 -16-
哈尔滨工业大学工学博士学位论文 - 16 - Af 。当应力变化时，这四个温度会有所变化。 SMA 是可电驱动的固态驱动器，可制成螺旋弹簧、丝、薄板等形状，它 与生物肌肉纤维具有可比性[121]，具体表现为：(1)应力—应变关系存在非线 性；(2)在加载—卸载过程中存在应力滞后现象；(3)在恒应变状态下松弛；(4) 在电脉冲刺激下可能动地收缩而产生力；(5)放松状态时应力很小；(6)对温度 和力具有传感功能。在微小型应用场合，SMA 优势明显，与电动机、内燃机 等相比，当致动器质量小于 100 g 时，SMA 的功率密度最高[122]。虽然存在着 效率低，动作频率低，形状记忆效应会随着动作次数而衰减等问题，但在对能 量利用效率和频率要求不高的场合，SMA 较为适用。通过减小直径、改善散 热、采用拮抗布置等方法可提高 SMA 动作频率。 Mf Ms As Af T σ crit cr σ f cr σ s 加热，马氏 体逆相变 冷却，马氏 体相变 卸载 拉伸 解孪晶马氏体 Md 奥氏体 A 孪晶马氏体 拉伸卸载后 CM CA Mt，d Mt，d ，A [d] [t] [A] [M] n d n M n A nt 塑性区 图1-15 SMA 相变过程及 SMA 温度—应力相图(改编自[123-125]) Fig. 1-15 SMA transformations & temperature - stress phase diagram (adapted from [123-125]) 为了预测 SMA 复杂的、存在非线性滞后的应力—应变—温度耦合的动作 过程，科研人员提出了多种 SMA 本构模型。本构模型是反映物质宏观性质的 数学模型，又称本构方程。SMA 本构模型可分为细观力学模型和唯象理论模 型[126]，其中后者利用 SMA 自身的某些与相变相关的变量如马氏体体积百分 比，来描述宏观相变过程，得出应力、应变、温度之间的关系，适合于工程计 算，可在一定程度上给出定量值，具有一定的应用价值。唯象理论模型有 Tanaka 模型，Liang 和 Rogers 模型，Brinson 模型等几种[127-129]，其中 Brinson 模型需要的 12 个 SMA 参数均可通过实验获得，能较为准确地解释形状记忆