基于SMA 丝驱动的水下增程式推进装置研究*

邓佳琦，段世杰，张秋宇

（东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

近年来，地球的资源日益匮乏，人类对海洋资源的开发利用逐渐占据重要地位。水下机器人（Unmanned Underwater Vehicle，UUV） 应运而生，它是人类探索、开发和保护海洋资源的重要工具。传统水下机器人采用整体耐压壳或开放式框架结构，螺旋桨推进，推进效率低，易被海草、渔网等缠绕，且会对水下生物造成一定危害。为此，本文设计了一种采用SMA 丝来驱动的水下增程式推进装置。

1 国内外研究现状及背景

2012年，浙江大学刘芳芳[1]撰写的论文中将柔性鳍波动推进模式与传统的鱼类身体／尾鳍（Body and/or Caudal Fin，BCF） 推进模式进行对比，属于中央鳍／对鳍（Median and/or Paired Fin，MPF） 推进模式，具有低速下高效、高机动性和低流体扰动等显著优点，为未来水下推进器的仿生设计提供了新的选择。采用此种推进模式的仿生推进器不仅适用于远距离航行，还具有小范围机动灵活、抗扰动能力强的特点，对海洋资源的勘探、技术装备开发甚至军事方面均具有重要的理论研究价值和广阔的应用前景。

由上述乌贼肌肉结构的研究，制造出基于柔性鳍波动推进模式的推进器，但没有将两种模式同时实现[2]，也没有采用智能材料研制的驱动器，因此，无法完全体现乌贼的游动特点。本文主要采用形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA） 丝研制的驱动器，使水下机器人具有乌贼的耐压强、灵活度高等特点。

2 研发方案

2.1 工作原理

外部电源通电时， 挤压管上的SMA 丝收缩，挤压管中的水流从出水端喷出，挤压管采用了HDPE 塑料薄膜，SMA 丝收缩时受到的阻力减小；采用呈集束设置的多个挤压管，每次多个SMA 丝通电后产生收缩空间更大，排出的水更多，从而大大提高了装置的喷射推进路程。外部电源断电时，SMA 丝伸长，挤压管恢复初始状态，使水流通过单向阀进入到壳体内，然后通过多个进水端进入到挤压管中，将挤压管充满水，随即完成一次喷射操作，之后快速通断电，即可持续进行水下推进[3]。见图1。

图1 一种SMA 丝驱动的水下增程式推进装置结构示意图

2.2 结构模型设计

传统的水下推进装置一般采用螺旋桨推进，在行进过程中会产生一定的噪声。本文设计的一种SMA 丝径向驱动的水下推进装置，解决了现有的螺旋桨水下推进系统产生噪声，造成水下隐身性能差的问题。该推进装置腔体为弹性橡胶材质且呈圆筒状结构，其两端一体固接有挡板，两个挡板上同轴开设有通孔，出口单向阀和入口单向阀一一对应穿装在两个通孔内，若干径向压条均匀固设在腔体圆周方向的表面且均与腔体的中心轴线平行设置，SMA 丝驱动组件同轴套设在腔体上且与腔体紧密接触，径向压条位于SMA 丝驱动组件与腔体之间，SMA 丝驱动组件通电时沿腔体径向收缩，断电时恢复。通过控制SMA 丝的快速通断电，可实现整个推进装置的无声连续推进动作[4]。

1） 该推进装置壳体呈圆筒状，壳体的两端分别固定连接进水单向阀和出水单向阀，在壳体内部分别固定连接第一固定板和第二固定板。其中第一固定板上开设了多个进水孔，每个进水孔固定连接在进水端上，进水端的一端固定连接了呈圆筒状的挤压管，挤压管背离进水端的一端固定连接在出水端；第二固定板上开设了多个出水孔，每个出水端固定连接在相对应的出水孔侧壁上，多个挤压管上设置挤压装置，每个挤压管内部侧壁固定连接多个依次排列的弹性圈。

2） 挤压装置包括正极导线、负极导线和多个SMA 丝，每个SMA 丝等距缠绕固定在对应的挤压管上，多个SMA 丝的一端均与正极导线连接，多个SMA 丝的另一端均与负极导线连接。SMA 丝运动过程中运用了弹性机制，SMA 丝通电后受热，发生逆相变而收缩；SMA 丝断电后冷却，弹性能释放，促使SMA 回复[5]。

3） 每个进水端均设计为锥形，进水孔与进水端开口较大的一侧对应相连接；同时，每个出水端也设计为锥形，出水端的较小开口一侧与对应的出水孔连接。

3 创新点及应用

将正、负极导线与外部电源相连，当接通电源时，每个挤压管上的SMA 丝将收缩，同时收缩各挤压管，将各挤压管中的水流通过出水端喷出；各挤压管出水端锥形的较小开口一侧与出水孔连接，使喷出的水流速度加快；水流从出水单向阀喷出后，产生的推动速度更快，SMA 丝收缩时受到的阻力更小，更容易对挤压管充分挤压，可从挤压管排出的水流更多。同时，采用呈集束设置的多个挤压管，可以在壳体有限的空间内部，每次多个SMA丝通电后产生的收缩空间更大，排出的水流更多[6]，进而大大提高了装置的推进路程。

4 结束语

笔者设计的一种基于SMA 丝驱动的水下增程式推进装置构思巧妙、结构合理，通过呈集束设置的多个挤压管，可以进一步压缩壳体内有限的空间，增加了排水量，提高了推进功率[7]。传统的水下喷射机器人采用螺旋桨来驱动，而本文设计的推进机器人采用智能材料SMA 丝来驱动。以乌贼为研究对象，对其游动机理和外套膜的结构进行研究，提出了一种基于SMA 丝驱动的水下增程式推进装置，SMA 丝是仿外套膜最佳的驱动器，这是因为SMA 丝具有较大的应变和应力，结构类似乌贼的环状肌肉，便于布置和嵌入到仿外套膜结构中[8]。在与已有的研究基础上提出增程机构这一创新点。基于此，可为以后研发乌贼原型提供借鉴作用。