用于仿生推進(jìn)的SMA驅(qū)動器研究.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)用于機器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動中。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)的水下機器人。形狀記憶合金驅(qū)動器在水下機器人中的應(yīng)用研究，能推動新型的水下機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)動器的設(shè)計和研究展開的。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在機器人和水下機器人領(lǐng)域中的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀。 其次針對以往從機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)計計算的缺點，建立了簡單的SMA彈簧的力學(xué)本構(gòu)模型，通過對形狀記憶壓簧的壓縮、卸載試驗，來驗證了這個模型的適用性，并與其它文獻(xiàn)的實驗結(jié)果相比較，二者結(jié)論基本一致。 第三，通過對SMA驅(qū)動器驅(qū)動方式和驅(qū)動機理的分析，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，設(shè)計了SMA驅(qū)動器的驅(qū)動元件。 第四，介紹了SMA的電熱驅(qū)動方法和各種冷卻方式及其優(yōu)缺點。分析了影響SMA彈簧響應(yīng)速度的各種因素，并進(jìn)行了仿真計算。同時對SMA驅(qū)動器的溫度響應(yīng)進(jìn)行了實驗研究，并將實驗結(jié)果與理論計算結(jié)果進(jìn)行了對比，得出了某些條件下本文設(shè)計的SMA彈簧的對流換熱系數(shù)。 第五，研究了SMA驅(qū)動器的控制方法，針對SMA的非線性、溫度滯后和時變且受溫度影響很大的特點，采

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