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《哈尔滨工程大学》 2007年
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用于仿生推进的SMA驱动器研究

王宏  
【摘要】: 形状记忆合金(SMA)是一种新型的智能材料,具有独特的形状记忆效应,现在正被广泛地开发应用于机器人的关节驱动中。镍钛基形状记忆合金具有优良的加工性和抗腐蚀性,适用于海洋作业的水下机器人。形状记忆合金驱动器在水下机器人中的应用研究,能推动新型的水下机器人和形状记忆合金应用技术的发展。 本论文主要是围绕用于仿生推进的SMA驱动器的设计和研究展开的。论文首先介绍了研究用于仿生推进的SMA驱动器的目的和意义,叙述了形状记忆合金(SMA)的开发过程,总结了SMA在机器人和水下机器人领域中的研究和应用现状。 其次针对以往从机理分析建立的形状记忆合金力学本构模型过于复杂、不适合工程设计计算的缺点,建立了简单的SMA弹簧的力学本构模型,通过对形状记忆压簧的压缩、卸载试验,来验证了这个模型的适用性,并与其它文献的实验结果相比较,二者结论基本一致。 第三,通过对SMA驱动器驱动方式和驱动机理的分析,并根据鱼类身体物理特征,提出了用于仿生推进的SMA驱动器的基本结构形式,分析了其关节的力学性能。根据仿生推进的特点,设计了SMA驱动器的驱动元件。 第四,介绍了SMA的电热驱动方法和各种冷却方式及其优缺点。分析了影响SMA弹簧响应速度的各种因素,并进行了仿真计算。同时对SMA驱动器的温度响应进行了实验研究,并将实验结果与理论计算结果进行了对比,得出了某些条件下本文设计的SMA弹簧的对流换热系数。 第五,研究了SMA驱动器的控制方法,针对SMA的非线性、温度滞后和时变且受温度影响很大的特点,采用了模糊控制的方法,对驱动器的控制系统进行了设计,根据经验给出了适用于SMA驱动器的模糊控制规则,并用实验进行了验证。 第六,根据鱼类推进和游动的特点,得到了简化的仿生机器鱼的身体特征和运动推进模型。结合SMA驱动器自身的特性,提出了用于仿生推进的多关节SMA驱动器的设计方法。采用增广Lagrange乘子法,构造了优化多关节SMA驱动的目标函数,并进行了优化设计,得到了驱动器的基本结构尺寸。给出了多关节SMA驱动器模拟鱼类运动的控制方法,并进行了实验验证。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TB381;TB17

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