1、第三篇第三篇仿仿生机械生机械设计设计与分与分析析第九章第九章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及其的机械及其设设计计第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第一节 水中游动的动物概述第一节 水中游动的动物概述一、游动类型鱼类能游泳，主要是靠身体两侧肌肉的收缩和鱼鳍摆动的协调。以图示鲫鱼为例，鱼鳍分为胸鳍、腹鳍、背鳍、臀鳍和尾鳍；每条鱼都有两个胸鳍和两个腹鳍，对 称地长在身体两侧，主要用来控制方向和刹车。而背鳍、臂鳍和尾鳍都只有一个，用来保持身体的平衡。3第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第一节 水中游动的动物概述鳍鳍的的功功能能腹腹鳍鳍一一
2、对对，位于身体下方，相当于后肢，保持身体的，位于身体下方，相当于后肢，保持身体的稳稳定定性性尾尾鳍鳍一个：主要推一个：主要推动动身体前身体前进进臀臀鳍鳍一个，位于身体后下方，保持身体平一个，位于身体后下方，保持身体平衡衡鱼鳍的功能：了解鱼鳍功能，对于设计仿生机械鱼有重要意义。背背鳍鳍一个：位于身体上方，防止身体行一个：位于身体上方，防止身体行倾倾斜斜侧侧翻，用于控制位姿翻，用于控制位姿。胸胸鳍鳍一一对对：位于身体两：位于身体两侧侧，用控制方向、制，用控制方向、制动动，也可，也可缓缓慢运慢运动动。臀鳍腹鳍尾鳍背鳍胸鳍4第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第一节 水中游
3、动的动物概述不同种类的水中动物，由于在水中生活环境的不同，其鱼鳍的分布相差很大。5第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第一节 水中游动的动物概述2、鲸豚类鲸、海豚等哺乳动物是水生动物，但不属于鱼类，和鱼的游泳姿势也不相同。如图所示的海豚，仅有背鳍一个，前鳍一对，尾鳍一个。臀鳍已经退化。尾鳍与其轴面垂直，上下摆动身体可实现直线游动。其他鳍的功能与鱼类相同。6第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第一节 水中游动的动物概述3、水母类水母钟状身体下面有一些特殊的肌肉，能扩张和收缩；或者说，水母通过收缩外壳挤压内腔的方式，改变内腔体积，喷出腔内的水
4、，通过喷水推进的方式进行移动。内腔扩张，水流慢慢吸入，充满内腔；然后，内腔迅速收缩，将水流挤出腔体，水流喷出产生的推力使水母沿身体轴向的方向运动。7第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第一节 水中游动的动物概述一、游动方式游动方式主要有三种类型喷喷射水流推射水流推进进摆动摆动身体身体为为主的推主的推进进摆摆动动尾尾鳍为鳍为主的推主的推进进摆动身体8喷射水流摆动尾鳍摆动尾鳍游游动方方式式第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第一节 水中游动的动物概述体型平扁的鳐类和魟类，它们的胸鳍演化为身体边缘的体盘，如图所示。当胸鳍上下扇动成波浪形运动可使
5、身体前进。但在一些长形的鱼类，如带鱼的背鳍、电鳗的臀鳍，海鳗的背鳍和臀鳍都很长，当急速前进时，它们和整个躯体的波动一致。推动鱼体缓慢游动时，则靠单独波动来推动身体。一些体型短小的鱼类，如图所示的比目鱼，也通过长形的背鳍与臀鳍前后波动帮助鱼体徐徐前进，而图示的海马体型特殊，运动能力弱，主要以细小的背鳍起推动作用。9第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第二节游动机理分析第二节 游动机理分析一、卡门涡街现象流体在以适当的速度流经物体后，其中一侧的旋涡顺时针方向转动，另一旋涡则反方向旋转，这两排旋涡相互交错排列，开始时，这两列线涡分别保持自身的运动特性，接着它们互相干扰，互
6、相吸引，而且干扰越来越大，形成非线性的所谓涡街,称之为 卡门涡街。10第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计卡门涡街现象：为流体密度 v：为前方来流的流速：为流体运动粘性系数L：为物体尺寸，如障碍物为球体，则为直径，若为飞机，则为机翼长度等。11第二节游动机理分析第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计二维圆柱低速定常绕流的流型只与Re数有关。(a)在Re1时，流场中的惯性力与粘性力相比居次要地位，圆柱上下游的流线前后对称，此Re数范围的绕流称为斯托克斯区。第二节游动机理分析12第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计卡
7、门涡街现象使障碍物后方流体形成一个反向流动，根据作用于反作用原理，障碍物自然受到与水流相反的作用力。13第二节游动机理分析第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计二、反卡门涡街现象卡门涡街生物旋涡产生向前的水流，如果把旋涡反向，旋涡可产生向后的水流。鱼尾的摆动就是制造反卡门涡街，产生向后的水流，从而推动身体前进。身后水流方向身后水流方向反卡门涡街障碍物卡门涡街鱼第二节游动机理分析14第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计三、摆动身体前进机理分析第二节游动机理分析15第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计四、鱼类游动的推
8、动力鱼类游动的推动力有三种：1、尾鳍摆动产生的尾涡推动力2、惯性推动力：当鱼体摆动时，除自身动量改变外，还带动周围流体改变动量，这部分动量会产生附加惯性力，大小为：前进方向Fxym 被带动流体的附加质量16v鱼体横向摆动速度第二节游动机理分析第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计3、鱼体前缘吸力当水流过鱼体上曲率很大的钝前缘和尾鳍前缘时,局部流速增大,形成低压区,产生前缘吸力,也构成一部分推力，占总推力的10%左右。鱼在游动时，真正的推动力是这三部分作用力之和。第二节游动机理分析前进方向xy前缘负压区17第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计
9、第三节 仿生机械鱼的设计与分析第三节 仿生机械鱼的设计与分析一、机构简图设计1、鱼体的体型设计鱼类大致有如下四种体型：1纺锤型(又称梭型)：这种体型的鱼类，头、尾稍尖，身体中段较粗大，其横断面呈椭圆形，侧视呈纺锤状。如所示锦鲤即为梭形体型。2侧扁型：鱼体较短，两侧很扁而背腹轴高，侧视略呈菱形。图示鳊鱼为侧扁形体形。18第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第三节 仿生机械鱼的设计与分析1、鱼体的体型设计3平扁型：这类鱼的形体特点是鱼体背腹平扁，左右轴明显地比背腹轴长。这种体型刚好和侧扁型相反，从前方看去鱼体像一条横线，如图所示鳐鱼为平扁形体型。4圆筒型(棍棒型):鱼体
10、较长，其横断面呈圆形，侧视呈棍棒状，如鳗鲡、黄鳝等属此种类型。图示黄鳝即为圆筒形体型。19第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计二、鱼类骨骼结构与机构简图鱼的外骨骼包括鳞甲、鳍条和棘刺等；内骨骼包括头骨、脊柱和附肢骨骼。脊柱由体椎和尾椎两种脊椎骨组成。体椎附有肋骨，尾椎无肋骨。每个脊椎的椎体前后两面都是凹形的，故称之为双凹椎体，这是鱼类所特有的骨骼结构。附肢骨骼是指支持鱼鳍的骨骼。支持背鳍、臀鳍和尾鳍的骨骼是不成对的奇鳍骨骼；支持胸鳍和腹鳍的骨骼为成对的偶鳍骨骼。第三节 仿生机械鱼的设计与分析20第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第三节
11、仿生机械鱼的设计与分析根据鱼类的骨骼结构可画出对应机构简图图中背鳍、臀鳍和尾鳍都是一个，而且是单自由度的转动构件，二个胸鳍和腹鳍都是2个单自由度的运动副组合构件，满足胸鳍、腹鳍向外和前后方向的划水动作。脊椎骨关节也用转动副代替，工程设计中，一般小于10个。采用36个骨关节的居多。该鱼类的机构简图具有通用性21第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第三节 仿生机械鱼的设计与分析鲸豚类的机构简图鲸类、海豚类动物的脊椎骨与鱼类有些差别，但基本组成很相近。图示为海豚的骨骼结构图。22第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第三节 仿生机械鱼的设计与分析
12、二、总体设计鱼类游动时，身体摆动部分主要依靠身体的后三分之一的摆动，所以仿生机器鱼的骨关节一般小于6个关节，不超过四个关节。每个关节处安置一个舵机，头部安装电池，视觉传感器以及控制电路，无线接收与发射装置等，外部包装减摩材料。总体设计的原理图如图所示。23第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第三节 仿生机械鱼的设计与分析各种仿生机器鱼的游动机构基本相同，但鳍的数量却相差很大。其原因是大都省略器平衡作用的背鳍、腹鳍和臀鳍，这是为了节省空间和减轻重量，仅保留非常必要的胸鳍和尾鳍。但是形象逼真、性能良好的仿生机器鱼还是具有全部鱼鳍的。图示为几种典型的仿生机械鱼结构示意图，
13、24第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第三节 仿生机械鱼的设计与分析典型仿生机械鱼的结构示意图。25第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计典型仿生机械鱼的结构示意图。第三节 仿生机械鱼的设计与分析26第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计外形图第三节 仿生机械鱼的设计与分析摆尾结构图27第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计典型仿生机械鱼的内部结构第三节 仿生机械鱼的设计与分析28第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计仿生机器鱼游动图第三节 仿生机械鱼的设计与分
14、析29第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计四、鱼的摆尾游动方程第三节 仿生机械鱼的设计与分析b:尾鳍竖直方向的最大高度，也称展长bbb30第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计2、尾鳍摆动推进力方程1997年，BAhlbom通过人工尾鳍推进装置试验研究得出，鳍部的推力 F的方程为：第三节 仿生机械鱼的设计与分析k:液体的固有常数，对于水，k=40：水密度h:尾鳍浸入水中高度 A:鱼鳍摆动幅度f:鱼鳍摆动频率31第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计3、鱼体的水中阻力方程鱼在游动过程中受到的阻力主要有鱼体表面和水的摩
15、擦力，鱼的形体阻力，以及鱼鳍产生的涡流阻力。把一个与鱼体等价的长形物体在水中拖动，使长形物体与鱼体的雷诺数相同，这样鱼体在前进中受到的阻力等价于被拖动的物体在流体中受到的阻力。流体中的细长体受到的阻力与流体密度成正比与流体流动的速度的平方成正比，与过水面积成正比。即：第三节 仿生机械鱼的设计与分析32第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第三节 仿生机械鱼的设计与分析33第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第三节 仿生机械鱼的设计与分析4、尾鳍摆动角速度尾鳍近似按照正弦规律摆动，最大摆动幅角为，摆动频率为f。尾鳍摆动角；摆动角速度：摆动角加
16、速度尾鳍在极限位置时，速度为零，加速度达到最大值；中间位置时，速度最大，加速度为零。34第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计5、摆尾关节电机扭矩的计算第三节 仿生机械鱼的设计与分析质心点的位移为对时间球导数，可求出质心速度。当速度达到最大值，此时的最大速度为：由水阻力公式，最大水阻力35第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计则关节电机的驱动力矩为：第三节 仿生机械鱼的设计与分析可求解最大水阻力当前进36第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计376、鱼体波动方程推进运动包含鱼体的波动和尾鳍的摆动两部分。鱼类运动时鱼体
17、主干部分波幅很小，明显的波动主要集中在身体后 1/3 部分，鱼体波特征为一波幅逐渐加大，由头部至尾鳍传播的行波。在尾鳍与身体连接的狭窄区域(尾柄)达到最大值，特别明显的侧向位移仅仅发生在尾鳍及尾柄部分。在机器鱼游动过程中鱼体的头部不产生波动，但不是静止不动，而是做微小幅度的摆动，对推进运动起到平衡作用。第三节 仿生机械鱼的设计与分析第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第三节 仿生机械鱼的设计与分析坐标原点鱼体波尾鳍鱼体波可以通过波幅包络线与正弦曲线的合成来进行数学描述：身体横向位移（波幅),最大波幅为x：X 轴坐标值；38第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机
18、械及的机械及设设计计第三节 仿生机械鱼的设计与分析K：身体波波数，：身体波波长)；：二次波幅包络线系数；：线性波幅包络线系数；：身体波频率，当鱼体的前部刚度很大，身体波幅限制在身体的后1/3 部分，并且在末端达到最大值。所以在设计中不需要复杂机构来产生足够的柔韧性来模拟鱼体的多个鱼体波。第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第三节 仿生机械鱼的设计与分析7、鱼鳍摆动攻角的选择：鱼类主要通过尾部脱卸出来的涡环或涡圈产生推进力，普通鱼类尾部运动轨迹如图所示，其中有两个重要的角度参数：攻角和角度。角度指尾鳍运动轨迹与鱼类整体游动轨迹之间的夹角。40第九第九章章仿仿动动物水中
19、游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第三节 仿生机械鱼的设计与分析41第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第四节 仿生机械水母的设计与分析第四节 仿生机械水母的设计与分析一、水母的基本结构水母可以分为三大部分：圆伞形或钟状的身体，触器和口腕。水母通过内伞腔体产生收缩运动，由垂管（口）排出腔体内的水，从而向后喷射出水流来使水母向前推进。水母在舒张过程中由口中吸水，经由辅管、环管到达内伞腔，从而完成吸水动作，准备进行下一次的喷水推进。通过这种喷水推进的方法，水母便能向相反的方向游动。水母的触手可以捕食、改变运动方向。42第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及
20、的机械及设计设计第四节 仿生机械水母的设计与分析图示为仿生水母整体的四分之一剖视图和横切面图；钟状体结构即外伞，包覆和保护着水母内部的其他结构；而内伞腔体在水母的运动过程中充满水，排水产生的体积变化是水母的主要推进方式。43第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设计设计第四节 仿生机械水母的设计与分析二、水母机构设计1、水母主体机构的设计水母主体机构指其运动推进系统。在仿生机械水母的设计中，经常采用曲柄滑块机构作为仿生水母的主体运动机构，这是受到雨伞机构的启发。44第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设计设计第四节 仿生机械水母的设计与分析在仿生机械水母的
21、设计中，也经常采用曲柄滑块机构和四杆机构的组合，作为仿生水母的主体运动机构。45第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设计设计第四节 仿生机械水母的设计与分析2、水母触手机构的设计水母的触手是水母的重要组成部分，可以捕食，帮助水母改变游动方向，分布在触手上的传感系统可以感知水流、波浪，甚至能预知天气变化。图示水母触手机构中，ABCD为滑块机构，DGFE为铰链四杆机构，级杆组HIB连接到构件FG和构件BC上。其自由度为：46第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设计设计第四节 仿生机械水母的设计与分析该触手机构简图的对应的结构图如下A固定硅胶孔IHJFGDEC
22、B第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设计设计第四节 仿生机械水母的设计与分析水母触手很多，为简化触手机构的自由度和控制，常用一个端面凸轮控制多个触手。端面凸轮驱动的直动滚子从动件就是触手机构的主动件。48水母触手机构的三维视图如下：第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设计设计第四节 仿生机械水母的设计与分析49第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第五节 仿生机械墨鱼的设计与分析一、墨鱼的结构：墨鱼的身体可分为 3 部分：头、足和躯干。头呈球形，位于身体前端，口位于头部顶端。足已经进化为腕和漏斗；一般有5对腕，各腕内侧带有4行
23、柄状吸盘，其中一对腕特别长，称为触腕，用于捕食。第五节 仿生机械墨鱼的设计与分析足（腕）躯干头50第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第五节 仿生机械墨鱼的设计与分析墨鱼的生态学方位是有口的一方为前方，躯干为后方。漏斗位于头的腹侧，用于喷射海水之用。其腹面两侧各有一椭圆形的软骨凹陷，称闭锁槽，与外套膜腹侧左右的闭锁突相吻合，称为闭锁器，可控制外套膜孔的开闭，见图所示。漏斗前端呈筒状喷嘴，露在外套膜外，喷嘴内有舌瓣，可防止海水逆流。51第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第五节 仿生机械墨鱼的设计与分析二、墨鱼的游动机理分析：墨鱼是依靠高效
24、的喷射推进和高效率的鳍波动推进的复合方式来实现游动。可以实现快速地向前或者向后游动，而且可以瞬时改变游动方向。墨鱼的喷射推进过程可分为充水和喷射两个主要的阶段充水过程：漏斗内的舌瓣闭合，外套膜与漏斗连接处的闭锁器打开，外套膜扩张，利用外套膜腔内的负压将海水从外套膜孔口处吸入，将外套膜腔充满。52第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第五节 仿生机械墨鱼的设计与分析喷射过程：外套膜和漏斗连接处的闭锁器首先闭合，漏斗内的舌瓣张开，外套膜强有力地收缩，将外套膜腔内的水沿着漏斗喷出，墨鱼依靠喷射的反作用力获得推力。漏斗前部的喷嘴可以在腹面的半球内向任意方向转动，从而控制喷射推
25、力的方向，实现灵活、迅速的改变53第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第五节 仿生机械墨鱼的设计与分析图a示为外套膜放射性肌肉横向伸张时，外套腔体积增大，从外套腔孔口吸入海水；图b所示为外套膜放射状肌肉横向收缩，纵向伸张，外套膜腔体积变小，将海水从漏斗喷嘴喷射出来。图c为外套膜充水过程，图9d为外套膜放水过程，实现推进运动。(a)(b)(d)54第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第五节 仿生机械墨鱼的设计与分析除去喷射推进外，另一个运动方式是鳍的波动推进，并提供80%左右的升力和50%的水平推力。墨鱼的喷射推和摆鳍运动的叠加，实现了墨鱼
26、的前进、升降、偏航、翻滚和俯仰等多种运动方式。55第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第五节 仿生机械墨鱼的设计56与分析三、仿生机械墨鱼的设计：仿生机械墨鱼的游动主要依靠喷射和鳍的运动，因此仿生机器墨鱼的设计重点是鳍和推进系统的设计。1.鳍的设计墨鱼鳍分布于外套膜外侧周边，鳍能够实现高柔性、大变形的波动运动，呈曲面状态运动。这是得益于其特殊的肌肉结构，用机械手段模仿墨鱼鳍单元的结构和动作原理，可采用以图示的下两种方法。第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第五节 仿生机械墨鱼的设计与分析（1）连杆机构类的鳍在墨鱼外套膜周边设置多个单自由度
27、的摆动副，可摆动的构件称为鳍条，也称致动器。鳍条之间用高强度的聚合物膜覆盖，形成墨鱼的柔性鳍。每个鳍条用微舵机驱动，控制各鳍条的摆动角度和摆动时序，可实现墨鱼鳍的复杂曲面运动，进而实现墨鱼的各种游泳姿态；控制摆动频率，可控制游动速度。此类设计过程简单，方法成熟，但仿生墨鱼的重量过大。57第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第五节 仿生机械墨鱼的设计与分析（2）采用Ti-Ni基 SMA丝Ti-Ni基 SMA丝是指Ti-Ni shape memory alloys，是一种新型钛镍记忆合金材料，应用广泛。Ti-Ni基 SMA丝，通电后可以产生弯曲变形，用以作为鳍条的摆动，
28、许多鳍条的不同摆动，从而带动鳍膜作复杂曲面运动。SMA安装在墨鱼外套膜上，并设有接线端子，采用直接通电加热方式驱动。SMA 材料因形变回复量和回复应力大、能量密度高等优点，较其它智能材料更适合作为模拟墨鱼水平鳍横肌纤维的致动器。在墨鱼外套膜边缘安置多个SMA丝，以皮蒙之，则形成柔性墨鱼鳍。第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第五节 仿生机械墨鱼的设计与分析Ti-Ni基 SMA丝的工作原理如下：当A面的SMA 丝加热收缩时，柔性鳍单元向A面方向弯曲，此时相反侧B面的SMA丝被拉伸，并产生弹、塑性变形，同时在弹性体和蒙皮中存储弹性能；当A面的SMA丝停止加热时，柔性鳍单
29、元利用弯曲过程中存储的弹性能使鳍单元回复，然后B面的 SMA丝开始加热，带动柔性鳍单元向B面方向弯曲，同样使A面的SMA丝被拉伸，弹性体和蒙皮中存储弹性能，当B面的SMA停止加热时，柔性鳍单元回复到初始的伸直状态。这样的动作过程往复进行，鳍单元实现周期性的弯曲动作，实现鳍的复杂曲面运动，满足各种游动位姿。59第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第五节 仿生机械墨鱼的设计60与分析（2）喷射推进系统的设计墨鱼喷射推进系统的设计也有两种方式。其一是采用泵的吸水与排水方式实现喷射推进；其二是外套膜采用SMA结构，利用记忆合金的变形实现外套膜腔的扩大与缩小，从而实现排水与进
30、水式的喷射推进运动。介绍少第二种喷射推进系统的设计仿生外套膜是仿生喷射系统的主要部件。仿生外套膜由硅胶体、筋条、支撑块和SMA 丝组成。第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第五节 仿生机械墨鱼的设计与分析仿生外套膜采用整体硅胶灌注成型，在硅胶内嵌入筋条、支撑块和SMA 丝，利用硅胶固化后的柔性和不可压缩特性实现仿生外套膜的柔性大变形和整体的耐压结构，利用SMA 丝的收缩运动模拟墨鱼外套膜环状肌纤维的收缩运动。为确保仿生外套膜能够在收缩过程中保持光滑的圆弧形均匀收缩，在SMA 丝外部包裹铁氟龙软管以减少SMA丝收缩时对硅胶的影响，SMA 丝仅穿过筋条，不固定在筋条上，
31、每根SMA 丝的两端穿过仿生外套膜的上端面和基体底面，固定在基体上，通过改变固定位置可以调节SMA 丝的长度，从而控制SMA 丝应变量，实现不同的收缩量。61第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第五节 仿生机械墨鱼的设计62与分析仿生墨鱼推进系统设计的难点是外套膜腔体的伸张与收缩运动引起的腔体体积变化，其他诸如喷嘴、阀门管道之类的设计比较简单，这里不再叙述。墨鱼触腕主要用于捕食，可参考水母的触手的设计方法。实现外套膜腔体的体积变化，进而完成吸水与排水，还可以在外套膜腔体内安装脉冲水泵。通过脉冲泵的工作，实现充水与放水是最简单的设计，也是最可靠的设计。第九第九章章仿仿动动物水中游物水中游动动的机械及的机械及设设计计第九章结束63
