柔性水下懸停機(jī)器人的液氣相變驅(qū)動(dòng)及制造

張鴻健,韓捷,蔣維濤,牛東,劉紅忠

(西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,710049,西安)

地球上的海洋面積為3.6億km2,占地球總面積的71%。海洋中蘊(yùn)含著豐富的漁業(yè)資源和化石資源,對(duì)人類(lèi)的生存與社會(huì)發(fā)展起著重要作用。隨著海洋資源開(kāi)發(fā)進(jìn)程的推進(jìn),海洋資源保護(hù)與海洋資源的高效利用對(duì)人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步起著關(guān)鍵作用。簡(jiǎn)單依靠人力探測(cè)是不能滿(mǎn)足對(duì)海洋環(huán)境保護(hù)以及海洋資源開(kāi)發(fā)的迫切需求,為了適應(yīng)對(duì)海洋資源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用,研究和發(fā)展用于水下監(jiān)測(cè)、探測(cè)的各種水下機(jī)器人、水下深潛器、監(jiān)測(cè)平臺(tái)已經(jīng)成為我國(guó)[1]和世界各國(guó)的重大需求。

早在1960年,美國(guó)就研制成功了世界上第一臺(tái)水下機(jī)器人CURV-1,并利用其成功找到并打撈了一枚遺失在海底的氫彈[2]。此后,水下機(jī)器人技術(shù)得到越來(lái)越多的關(guān)注并取得快速發(fā)展。目前,水下監(jiān)測(cè)平臺(tái)或水下深潛器多采用電機(jī)驅(qū)動(dòng),輔以螺旋槳或葉輪推進(jìn)。美國(guó)Seabotix公司研制了一款用于水下監(jiān)測(cè)的低成本水下航行器LBV150[3],由4個(gè)直流無(wú)刷推進(jìn)器驅(qū)動(dòng),尺寸約為0.5 m,總質(zhì)量為11 kg,設(shè)計(jì)下潛深度為150 m,設(shè)計(jì)速度為1.5 m/s,可實(shí)現(xiàn)定深定向運(yùn)動(dòng)。此類(lèi)水下機(jī)器人動(dòng)力充足,工作穩(wěn)定,但是傳統(tǒng)水下機(jī)器人存在多個(gè)電機(jī)、活塞、連桿、關(guān)節(jié)、鉸鏈[4]等,多級(jí)傳動(dòng)中能量損失較大,噪聲大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜且笨重,容易影響甚至破壞水下環(huán)境。

水下機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的另一個(gè)思路是仿照海洋生物進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采用智能驅(qū)動(dòng)材料如形狀記憶合金、電活性聚合物材料等進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[5]。中國(guó)海洋大學(xué)王舉田等設(shè)計(jì)了一款基于SMA驅(qū)動(dòng)的仿水母機(jī)器人[6],經(jīng)測(cè)試在12 V電壓下運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)44.4 mm/s。目前,基于智能材料驅(qū)動(dòng)的水下機(jī)器人的主要挑戰(zhàn)為[7-8]:①不能完全回避機(jī)電驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng),如以形狀記憶合金作為驅(qū)動(dòng)器,帶動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí),難以避免機(jī)電傳動(dòng)噪聲;②采用新型驅(qū)動(dòng)材料,如形狀記憶合金、離子聚合物等,難以兼顧驅(qū)動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)形變,從而難以適應(yīng)水下驅(qū)動(dòng)需求。如采用離子聚合物作為驅(qū)動(dòng)材料,雖然所需驅(qū)動(dòng)電壓小,驅(qū)動(dòng)頻率大,但是驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)功率較小,導(dǎo)致其工作推力較小,水下移動(dòng)速度較慢[9-11]。針對(duì)愈加復(fù)雜的水下環(huán)境,柔性軟材料水下機(jī)器人成為新的研究方向,軟材料水下機(jī)器人通常由彈性高分子聚合物[12]如橡膠、硅膠等制成。軟體機(jī)器人變形自由度多,可承受較大變形,柔順性好[13],質(zhì)量較輕,適合水下壓強(qiáng)較大,環(huán)境復(fù)雜的特殊工況。氣壓驅(qū)動(dòng)是水下軟體機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)方式之一[14-16],其響應(yīng)速度快,輸出力大[17],工作噪聲小,不會(huì)影響水下生態(tài)環(huán)境,但氣壓驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人需要外帶氣泵及復(fù)雜的氣路控制系統(tǒng),結(jié)構(gòu)復(fù)雜且運(yùn)動(dòng)時(shí)受線(xiàn)纜約束,運(yùn)動(dòng)自由度低。

受河鲀應(yīng)激防御時(shí)體型變化的啟發(fā),本文提出了一種新型的自帶工質(zhì)、可遠(yuǎn)程操控的液氣相變驅(qū)動(dòng)方法,設(shè)計(jì)并制造了一種基于液氣相變驅(qū)動(dòng)的柔性水下懸停機(jī)器人。機(jī)器人內(nèi)設(shè)腔體并自帶低沸點(diǎn)液氣相變驅(qū)動(dòng)液體,通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)液體加熱使其部分汽化,產(chǎn)生的飽和蒸氣壓作用在腔體內(nèi)壁上,使柔性腔體膨脹,從而使懸停機(jī)器人的體積發(fā)生變化,最終實(shí)現(xiàn)懸停機(jī)器人的上浮下潛運(yùn)動(dòng)與定深懸停。懸停機(jī)器人工作功耗低且無(wú)噪聲,大大降低了傳統(tǒng)水下機(jī)器人機(jī)械驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)導(dǎo)致的噪聲與能量損失,同時(shí)自帶工質(zhì),體積小質(zhì)量輕,適合復(fù)雜的水下工作環(huán)境。

1 懸停機(jī)器人設(shè)計(jì)原理

1.1 懸停機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

河鲀體形渾圓,在水中可以靈活旋轉(zhuǎn),但是其在水中游動(dòng)主要依靠胸鰭的推動(dòng),移動(dòng)速度較慢,很容易成為捕食目標(biāo)。因此,河鲀進(jìn)化出了一種與一般魚(yú)類(lèi)迥然不同的防御機(jī)制,在受到威脅時(shí),會(huì)將大量空氣或水吸入其極具彈性的胃中,短時(shí)間內(nèi)使體型膨脹數(shù)倍從而嚇退捕食者。本文受河鲀應(yīng)激防御時(shí)體型變化的啟發(fā),設(shè)計(jì)了一種基于液氣相變驅(qū)動(dòng)的柔性水下懸停機(jī)器人。懸停機(jī)器人基體由柔性硅橡膠材料制成,外形仿照河鲀?cè)O(shè)計(jì),外部呈流線(xiàn)型;基體內(nèi)預(yù)設(shè)一腔體封裝有低沸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)液體,并設(shè)有溫控裝置,主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 懸停機(jī)器人結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)原理

懸停機(jī)器人通過(guò)內(nèi)部的溫控裝置使內(nèi)腔封裝的低沸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)液體發(fā)生液氣相變,在液氣相變過(guò)程中,產(chǎn)生的飽和蒸氣壓作用在柔性腔體內(nèi)壁上,使整個(gè)基體體積發(fā)生明顯變化,從而改變其浮力。當(dāng)驅(qū)動(dòng)溫度升高,驅(qū)動(dòng)液體部分汽化,作用在內(nèi)壁上的飽和蒸氣壓增大,懸停機(jī)器人膨脹,體積增大從而浮力增大;當(dāng)驅(qū)動(dòng)溫度降低,部分氣體液化,作用在內(nèi)壁上的飽和蒸氣壓減小,懸停機(jī)器人收縮,體積減小從而浮力減小。整個(gè)過(guò)程與河鲀防御時(shí)吸排水時(shí)體積變化的過(guò)程類(lèi)似。

1.2 液氣相變驅(qū)動(dòng)原理

懸停機(jī)器人由柔性基體與低沸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)材料構(gòu)成。在基體內(nèi)部封裝有低沸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)液體,通過(guò)加熱驅(qū)動(dòng)液體使部分液體汽化,驅(qū)動(dòng)液體汽化后產(chǎn)生的飽和蒸氣壓作用在柔性腔體內(nèi)壁上使其膨脹,懸停機(jī)器人的體積發(fā)生變化從而改變其浮力,最終實(shí)現(xiàn)上浮下潛運(yùn)動(dòng)與定深懸停,驅(qū)動(dòng)原理如圖1所示。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)溫度超過(guò)驅(qū)動(dòng)液體沸點(diǎn)時(shí),驅(qū)動(dòng)液體吸熱并部分汽化,在驅(qū)動(dòng)溫度一定時(shí),液相與氣相保持平衡,液氣相變處于動(dòng)態(tài)平衡。在平衡狀態(tài)下,作用在柔性腔體內(nèi)壁上的壓強(qiáng)為驅(qū)動(dòng)材料在該溫度下的飽和蒸氣壓Ps。飽和蒸氣壓是指在密閉環(huán)境中,特定溫度下,與液體處于相平衡的蒸氣所具有的壓強(qiáng)。驅(qū)動(dòng)液體的飽和蒸氣壓Ps表示為[18]

(1)

式中:T為驅(qū)動(dòng)溫度;k1、k2由驅(qū)動(dòng)液體材料決定。同時(shí),考慮懸停機(jī)器人的水下工作環(huán)境,在腔體外壁作用的靜水壓強(qiáng)為

P0=ρwgh

(2)

式中:h為懸停機(jī)器人的工作水深。飽和蒸氣壓與靜水壓強(qiáng)同時(shí)作用在腔體的內(nèi)外壁面上,當(dāng)驅(qū)動(dòng)溫度T改變時(shí),腔體內(nèi)驅(qū)動(dòng)液體的飽和蒸氣壓改變,懸停機(jī)器人的體積V變化,最終改變其浮力Ff。Ff計(jì)算式如下

Ff=ρwgV

(3)

此外,當(dāng)懸停機(jī)器人的浮力Ff與其自身重量相等時(shí),可實(shí)現(xiàn)其在水中一定深度處的懸停。

1.3 超彈性材料本構(gòu)模型

懸停機(jī)器人由柔性硅橡膠材料Ecoflex 00-30制成,Ecoflex 00-30屬于超彈性材料。受外力作用時(shí),超彈性材料的幾何特性常表現(xiàn)為非線(xiàn)性變化[19-21],其彈性模量無(wú)法使用線(xiàn)性公式描述,常采用應(yīng)變能密度函數(shù)來(lái)表示其力學(xué)特性。常用的函數(shù)模型有Neo-Hookean模型、Mooney-Rivlin模型[22-23]、Yeoh模型等,其中Yeoh模型(縮減多項(xiàng)式模型)通過(guò)單軸拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)即可擬合出其應(yīng)力-應(yīng)變特性,簡(jiǎn)單方便,適合模擬材料應(yīng)變不超過(guò)150%的較大變形。故本文采用Yeoh模型建立Ecoflex 00-30材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,Yeoh模型應(yīng)變能密度函數(shù)為

(4)

式中:N為材料應(yīng)變能密度函數(shù)階數(shù);Ci0、Di為材料實(shí)驗(yàn)確定的參數(shù);對(duì)于Ecoflex 00-30材料認(rèn)為其完全不可壓縮,取J=1;I1為Green應(yīng)變張量中的第1個(gè)不變量,計(jì)算式為

(5)

其中,λ1、λ2、λ3分別為拉伸實(shí)驗(yàn)中測(cè)定的軸向、徑向、周向主拉伸比。對(duì)于Ecoflex 00-30材料,利用Yeoh雙參數(shù)模型即可在一定范圍內(nèi)擬合出其應(yīng)力-應(yīng)變特性[22],Yeoh應(yīng)變能密度函數(shù)可表示為

W=C10(I1-3)+C20(I1-3)2

(6)

2 懸停機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

懸停機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)外形仿照河鲀,總體尺寸約為65 mm×30 mm×26 mm,魚(yú)身整體呈流線(xiàn)型,在魚(yú)身中部設(shè)有空腔用于封裝驅(qū)動(dòng)液體,魚(yú)身頂部設(shè)計(jì)為平面,可用于攜帶水下攝像機(jī)等負(fù)載。懸停機(jī)器人基體由柔性硅橡膠材料Ecoflex 00-30制成,Ecoflex 00-30材料的密度為1.07 g/cm3、彈性模量63 kPa、泊松比為0.47。內(nèi)腔體形狀近似為圓柱體,直徑約為25 mm,長(zhǎng)度為30 mm,設(shè)計(jì)壁厚為3 mm,設(shè)計(jì)可封裝驅(qū)動(dòng)液體15 mL。驅(qū)動(dòng)液體材料為3MTMNovecTM7000,沸點(diǎn)為35 ℃,密度為0.92 g/cm3。懸停機(jī)器人整體設(shè)計(jì)質(zhì)量為29 g。

2.2 驅(qū)動(dòng)過(guò)程的仿真

通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)溫度,封裝在懸停機(jī)器人內(nèi)腔的驅(qū)動(dòng)液體發(fā)生液氣相變,引起作用在腔體內(nèi)壁面上的壓力變化,從而使腔體的體積發(fā)生變化,實(shí)現(xiàn)懸停機(jī)器人的浮力變化。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),在小于15.5 m的深度范圍內(nèi),靜水壓強(qiáng)遠(yuǎn)小于驅(qū)動(dòng)液體的飽和蒸氣壓,故仿真分析中忽略靜水壓強(qiáng)對(duì)懸停機(jī)器人的體積變形影響。當(dāng)驅(qū)動(dòng)溫度超過(guò)驅(qū)動(dòng)液體的沸點(diǎn)時(shí),驅(qū)動(dòng)液體部分汽化,處于液氣平衡共存狀態(tài);當(dāng)驅(qū)動(dòng)液體不完全轉(zhuǎn)化為氣體時(shí),在不同的驅(qū)動(dòng)溫度下,相變過(guò)程總是處于動(dòng)態(tài)平衡的。懸停機(jī)器人在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中存在3個(gè)驅(qū)動(dòng)狀態(tài),如圖2所示。狀態(tài)Ⅰ:當(dāng)驅(qū)動(dòng)液體全部為液態(tài)或僅少量液體轉(zhuǎn)化為氣體時(shí),懸停機(jī)器人體積基本保持不變,為液相預(yù)膨脹階段。狀態(tài)Ⅱ:當(dāng)加熱到一定驅(qū)動(dòng)溫度時(shí),驅(qū)動(dòng)液體部分或大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w時(shí),液相與氣相達(dá)到液氣平衡時(shí),為液氣平衡膨脹驅(qū)動(dòng)階段。狀態(tài)Ⅲ:當(dāng)驅(qū)動(dòng)液體全部轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w時(shí),內(nèi)腔氛圍全部為氣體,腔體外壁張力逐漸達(dá)到最大值,約束懸停機(jī)器人的最大變形,為氣相平衡階段。在液氣平衡膨脹驅(qū)動(dòng)階段,隨著驅(qū)動(dòng)溫度的不斷升高,液氣相變的轉(zhuǎn)變程度逐漸加大,懸停機(jī)器人體積逐漸增大,為主要驅(qū)動(dòng)階段。當(dāng)驅(qū)動(dòng)液體全部汽化后,驅(qū)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧訜釟怏w驅(qū)動(dòng),隨著驅(qū)動(dòng)溫度的上升,氣體體積變化速率十分緩慢,驅(qū)動(dòng)過(guò)程基本停止,故本文主要討論懸停機(jī)器人的液氣平衡膨脹驅(qū)動(dòng)階段。

圖2 液氣相變驅(qū)動(dòng)階段

懸停機(jī)器人主要發(fā)生形變的部分為其內(nèi)腔體,內(nèi)腔體形狀可簡(jiǎn)化為一直徑為20 mm、長(zhǎng)度為30 mm的圓柱體,腔體壁厚為3 mm。懸停機(jī)器人采用Yeoh模型通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)量得到材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn),通過(guò)最小二乘法擬合后得到材料模型參數(shù)。對(duì)于超彈性材料Ecoflex 00-30,C10=0.12 MPa,C20=0.02 MPa,D1=D2=D3=0。

如前文所述,懸停機(jī)器人的最佳工作狀態(tài)為驅(qū)動(dòng)液體部分轉(zhuǎn)化為氣體時(shí),因此仿真只討論液氣平衡膨脹驅(qū)動(dòng)階段(50～100 ℃)。使用Abaqus/Standard有限元模型分析懸停機(jī)器人的內(nèi)腔體,設(shè)置仿真模型中的單元屬性為20節(jié)點(diǎn)二次六面體單元(C3D20RH),并采用二次雜交公式進(jìn)行計(jì)算以便于收斂。

(a)不同內(nèi)腔壁厚時(shí)的浮力自重比

為設(shè)置懸停機(jī)器人內(nèi)腔的最佳壁厚,分別在壁厚為2.5、3、3.5、4、4.5、5 mm的內(nèi)腔內(nèi)壁上施加不同驅(qū)動(dòng)溫度下的飽和蒸氣壓,通過(guò)仿真計(jì)算出在不同驅(qū)動(dòng)溫度下內(nèi)腔膨脹產(chǎn)生的浮力值,并計(jì)算出在不同驅(qū)動(dòng)溫度下浮力與懸停機(jī)器人自重比k,用以表征不同壁厚的內(nèi)腔的膨脹能力,如圖3a所示。仿真結(jié)果表明,內(nèi)腔壁厚越小,浮力與懸停機(jī)器人自重比k越大,懸停機(jī)器人內(nèi)腔的膨脹變形能力越強(qiáng)。圖3a說(shuō)明,當(dāng)內(nèi)腔壁厚為2.5 mm時(shí),內(nèi)腔的膨脹變形能力最強(qiáng),考慮到在后續(xù)的翻模制備過(guò)程中(見(jiàn)下文3.1節(jié)),如果內(nèi)腔壁厚過(guò)薄會(huì)導(dǎo)致內(nèi)腔變形過(guò)大,驅(qū)動(dòng)液體蒸發(fā)過(guò)程出現(xiàn)泄漏,從而導(dǎo)致懸停機(jī)器人失效的情況。圖3a表明,內(nèi)腔壁厚為3 mm時(shí),其最大浮力自重比(k=2.18)與壁厚為2.5 mm時(shí)的情況(k=2.24)相差不大,且驅(qū)動(dòng)溫度范圍更寬,懸停機(jī)器人的可控性較壁厚為2.5 mm時(shí)更好。另外,壁厚如果過(guò)薄,懸停機(jī)器人的隔熱能力差,將提高驅(qū)動(dòng)功耗,同時(shí)增大對(duì)水下懸停機(jī)器人周?chē)h(huán)境溫度的影響。故綜合考慮懸停機(jī)器人制備工藝要求、低功耗要求與可操控性要求,同時(shí)為了不影響水下環(huán)境,設(shè)置內(nèi)腔壁厚為3 mm。

此外,在內(nèi)腔體模型的內(nèi)壁面上分別施加不同驅(qū)動(dòng)溫度下對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓,從而獲得在不同驅(qū)動(dòng)溫度下懸停機(jī)器人的膨脹效果。通過(guò)仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),懸停機(jī)器人內(nèi)腔體積隨著驅(qū)動(dòng)溫度的升高,發(fā)生了明顯的增大。通過(guò)提取懸停機(jī)器人膨脹后內(nèi)腔內(nèi)壁面上各點(diǎn)的總位移,擬合出變形曲線(xiàn)后進(jìn)行積分,得到懸停機(jī)器人變形后的體積,如圖3b所示。根據(jù)懸停機(jī)器人的溫度-體積曲線(xiàn)可知,通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)溫度可實(shí)現(xiàn)其浮力控制,最終實(shí)現(xiàn)懸停機(jī)器人的上浮下潛運(yùn)動(dòng)與定深懸停。

3 液氣相變驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)及分析

3.1 懸停機(jī)器人的制造

(a)制備工藝

采用翻模法制備懸停機(jī)器人的基體。模具采用光固化3D打印方法制備,分為外模具和內(nèi)腔占位模具,制備工藝流程如圖4a所示:①將Ecoflex 00-30的A、B液按質(zhì)量1∶1比例混合,攪拌5 min后,真空處理3 min去除材料內(nèi)氣泡;②在外模具和內(nèi)腔占位模具的表面均勻噴涂脫模劑,靜置30 min;③將模具組裝好后用注射器將Ecoflex 00-30注入模具內(nèi),真空處理1 min,去除模具內(nèi)Ecoflex 00-30的微小氣泡;④40 ℃下固化4～5 h,待懸停機(jī)器人固化成型后脫模,使用無(wú)水乙醇對(duì)懸停機(jī)器人超聲清洗8 min,并對(duì)進(jìn)線(xiàn)開(kāi)口處做親水處理;⑤將Pi加熱薄膜與溫度傳感器清洗后插入內(nèi)腔中,注入3MTMNovecTM7000液體15 mL,再將新配制的Ecoflex 00-30在140 ℃下預(yù)固化2～4 min后,在黏性較大時(shí)封住進(jìn)線(xiàn)入口。封裝時(shí),若存在Ecoflex 00-30固化效果不佳的情況,在Ecoflex 00-30中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的碳納米管或石墨烯,激光加熱輔助固化[24],最后制成的懸停機(jī)器人實(shí)物模型如圖4b所示。此外,懸停機(jī)器人通過(guò)線(xiàn)纜進(jìn)行加熱的驅(qū)動(dòng)方式,可進(jìn)一步優(yōu)化為采用遠(yuǎn)程遙控的無(wú)線(xiàn)加熱驅(qū)動(dòng)方式[25],擺脫線(xiàn)纜局限。

3.2 液氣相變驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)及分析

實(shí)驗(yàn)中,利用PID溫度控制儀控制驅(qū)動(dòng)溫度,同時(shí)使用溫度傳感器和測(cè)力計(jì)對(duì)懸停機(jī)器人在不同溫度下產(chǎn)生的浮力進(jìn)行測(cè)量,如圖5a所示。所采用的溫度傳感器為開(kāi)普森超細(xì)K型熱電偶,溫度測(cè)定范圍為0～200 ℃。Pi加熱薄膜插在懸停機(jī)器人內(nèi)腔中,PID溫度控制儀實(shí)時(shí)控制驅(qū)動(dòng)溫度,內(nèi)腔環(huán)境溫度由溫度傳感器實(shí)時(shí)反饋。懸停機(jī)器人產(chǎn)生的浮力通過(guò)一組滑輪改變方向后,通過(guò)測(cè)力計(jì)測(cè)量值計(jì)算得出。在進(jìn)行浮力測(cè)試前,懸停機(jī)器人在設(shè)定的驅(qū)動(dòng)溫度下驅(qū)動(dòng)至少5 min,待測(cè)力計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定后再進(jìn)行測(cè)量,最終得到在不同驅(qū)動(dòng)溫度下懸停機(jī)器人的浮力,如圖5b所示。

(a)液氣相變驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)表明,在預(yù)膨脹階段,驅(qū)動(dòng)溫度從環(huán)境溫度(20 ℃)升高到沸點(diǎn)附近(約50 ℃)時(shí),懸停機(jī)器人腔體內(nèi)的驅(qū)動(dòng)液體絕大部分處于液態(tài),整體未表現(xiàn)出明顯的膨脹變形,產(chǎn)生的浮力小于自重(約為0.29 N),0

懸停機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)定深度懸停,最終懸停高度h表示為

h=h0+vt

(7)

式中:h0初始位置;v為懸停機(jī)器人的上浮速度,由驅(qū)動(dòng)溫度決定;t為上浮時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)懸停機(jī)器人的定深度懸停,使懸停機(jī)器人初始位置位于水底,首先升高驅(qū)動(dòng)溫度,使懸停機(jī)器人上浮;當(dāng)懸停機(jī)器人接近可懸停位置時(shí),降低驅(qū)動(dòng)溫度,使其減速向上,停止在可懸停深度;若上浮高度超過(guò)了可懸浮深度,則需要再降低驅(qū)動(dòng)溫度,使其向下運(yùn)動(dòng)最終停止在可懸停深度。如圖6所示,當(dāng)驅(qū)動(dòng)溫度穩(wěn)定在53 ℃(±2 ℃)時(shí),懸停機(jī)器人可懸浮在距水面約180 mm處,懸浮位置精度為±10 mm。根據(jù)圖5b,由浮力仿真數(shù)據(jù),當(dāng)驅(qū)動(dòng)溫度設(shè)置在55 ℃時(shí),懸停機(jī)器人可提供的浮力為0.3 N,約等于懸停機(jī)器人的自重,在此驅(qū)動(dòng)溫度下可以實(shí)現(xiàn)懸停機(jī)器人的水下懸停。實(shí)驗(yàn)中的懸停機(jī)器人可懸停驅(qū)動(dòng)溫度與通過(guò)仿真得到的可懸停驅(qū)動(dòng)溫度基本一致。

此外,通過(guò)調(diào)整懸停機(jī)器人內(nèi)腔封裝驅(qū)動(dòng)液體量,可以改變其在不同驅(qū)動(dòng)溫度下的浮力。分別測(cè)量了內(nèi)腔封裝15、20、25 mL時(shí),懸停機(jī)器人在特定驅(qū)動(dòng)溫度下的浮力曲線(xiàn),如圖7a所示。由于內(nèi)腔封裝液體量的差異,懸停機(jī)器人的液氣平衡膨脹階段所對(duì)應(yīng)的的溫度范圍存在差異,而且內(nèi)腔封裝的驅(qū)動(dòng)液體越多,產(chǎn)生的浮力越大,驅(qū)動(dòng)溫度范圍越寬。當(dāng)懸停機(jī)器人內(nèi)腔封裝25 mL驅(qū)動(dòng)液體時(shí),驅(qū)動(dòng)溫度范圍可達(dá)50～125 ℃,最大可提供0.93 N的浮力,為懸停機(jī)器人自重的2.4倍。顯然,只要在懸停機(jī)器人內(nèi)腔封裝更多的低沸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)液體,就可以獲得更寬的溫度操控范圍以及更大的浮力。同時(shí),為了驗(yàn)證懸停機(jī)器人驅(qū)動(dòng)能力的可重復(fù)性,分別在不同驅(qū)動(dòng)溫度下多次測(cè)量了內(nèi)腔封裝15 mL驅(qū)動(dòng)液體的懸停機(jī)器人的浮力,如圖7b所示,懸停機(jī)器人在不同的驅(qū)動(dòng)溫度下的浮力變化范圍在±0.02 N以?xún)?nèi),浮力變化范圍Δ不超過(guò)5%。

(a)變封裝量的浮力測(cè)試

4 結(jié) 論

(1)本文設(shè)計(jì)并制造了一種新型的基于液氣相變驅(qū)動(dòng)的柔性水下懸停機(jī)器人,通過(guò)對(duì)封裝在懸停機(jī)器人內(nèi)腔的驅(qū)動(dòng)液體進(jìn)行加熱,使驅(qū)動(dòng)液體在特定溫度范圍內(nèi)保持在液氣平衡狀態(tài),使懸停機(jī)器人的體積發(fā)生變化,從而改變懸停機(jī)器人的浮力,實(shí)現(xiàn)懸停機(jī)器人的上浮下潛運(yùn)動(dòng)與定深懸停。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:內(nèi)腔封裝15 mL驅(qū)動(dòng)液體的懸停機(jī)器人最大可提供約為其自重1.95倍的浮力;懸停機(jī)器人在驅(qū)動(dòng)溫度為53 ℃時(shí)可在水下180 mm處懸停;通過(guò)調(diào)整其內(nèi)腔封裝的驅(qū)動(dòng)液體的量,可獲得更大的浮力。

(2)本文所設(shè)計(jì)的懸停機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)可重復(fù)性較好,相同溫度下多次測(cè)量其浮力變化不超過(guò)5%。相較于傳統(tǒng)的水下機(jī)器人,噪聲小,功耗小,并且由硅橡膠軟材料制成體積較小,非常適合狹窄復(fù)雜的水下工況,在很多領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景,如水下資源勘探、水下救援等。

(3)本文提出的基于液氣相變驅(qū)動(dòng)的柔性水下懸停機(jī)器人,可根據(jù)工作環(huán)境需求,選用不同沸點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)液體,實(shí)現(xiàn)多工況驅(qū)動(dòng),從而拓展該機(jī)器人的使用范圍。