用于仿生推進(jìn)的SMA驅(qū)動(dòng)器研究.pdf

1、形狀記憶合金(SMA)是一種新型的智能材料，具有獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)，現(xiàn)在正被廣泛地開發(fā)應(yīng)用于機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)中。鎳鈦基形狀記憶合金具有優(yōu)良的加工性和抗腐蝕性，適用于海洋作業(yè)的水下機(jī)器人。形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器在水下機(jī)器人中的應(yīng)用研究，能推動(dòng)新型的水下機(jī)器人和形狀記憶合金應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。 本文主要是圍繞用于仿生推進(jìn)的SMA驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)和研究展開的。首先介紹了研究用于仿生推進(jìn)的SMA驅(qū)動(dòng)器的目的和意義，敘述了形狀記憶合金(SMA)的開發(fā)

2、過程，總結(jié)了SMA在機(jī)器人和水下機(jī)器人領(lǐng)域中的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀。 其次針對(duì)以往從機(jī)理分析建立的形狀記憶合金力學(xué)本構(gòu)模型過于復(fù)雜、不適合工程設(shè)計(jì)計(jì)算的缺點(diǎn)，建立了簡(jiǎn)單的SMA彈簧的力學(xué)本構(gòu)模型，通過對(duì)形狀記憶壓簧的壓縮、卸載試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證了這個(gè)模型的適用性，并與其它文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，二者結(jié)論基本一致。 第三，通過對(duì)SMA驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)方式和驅(qū)動(dòng)機(jī)理的分析，并根據(jù)魚類身體物理特征，提出了用于仿生推進(jìn)的SMA驅(qū)動(dòng)器的基本結(jié)構(gòu)形式，

3、分析了其關(guān)節(jié)的力學(xué)性能。根據(jù)仿生推進(jìn)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了SMA驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)元件。 第四，介紹了SMA的電熱驅(qū)動(dòng)方法和各種冷卻方式及其優(yōu)缺點(diǎn)。分析了影響SMA彈簧響應(yīng)速度的各種因素，并進(jìn)行了仿真計(jì)算。同時(shí)對(duì)SMA驅(qū)動(dòng)器的溫度響應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得出了某些條件下本文設(shè)計(jì)的SMA彈簧的對(duì)流換熱系數(shù)。 第五，研究了SMA驅(qū)動(dòng)器的控制方法，針對(duì)SMA的非線性、溫度滯后和時(shí)變且受溫度影響很大的特點(diǎn)，采

4、用了模糊控制的方法，對(duì)驅(qū)動(dòng)器的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出了適用于SMA驅(qū)動(dòng)器的模糊控制規(guī)則，并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。 第六，根據(jù)魚類推進(jìn)和游動(dòng)的特點(diǎn)，得到了簡(jiǎn)化的仿生機(jī)器魚的身體特征和運(yùn)動(dòng)推進(jìn)模型。結(jié)合SMA驅(qū)動(dòng)器自身的特性，提出了用于仿生推進(jìn)的多關(guān)節(jié)SMA驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方法。采用增廣Lagrange乘子法，構(gòu)造了優(yōu)化多關(guān)節(jié)SMA驅(qū)動(dòng)的目標(biāo)函數(shù)，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了驅(qū)動(dòng)器的基本結(jié)構(gòu)尺寸。給出了多關(guān)節(jié)SMA驅(qū)動(dòng)器模擬魚類運(yùn)動(dòng)的