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《上海交通大学》 2012年
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基于拮抗原理的仿生致动元件设计

马全超  
【摘要】:伴随着航空航天、医疗、康复及微机电系统等新技术产业的发展,执行系统对功能部件驱动能力、效率及能耗等综合性能要求逐步提高,而传统驱动元件的执行处理模式已不能满足这些使用场合的要求,因此新型高效驱动元件的研发成为高新技术发展的迫切需求。研究者们利用新型材料的智能特性,开发了多种驱动型式的新型致动元件,以满足新兴应用场合的不同需求,但这些新型致动元件受限于系统驱动能力、稳定性、能耗等性能,大多还未达到实用化要求。本文从仿生角度出发,分析了拮抗作用在生物体系统维持高效、稳定运行中的作用机制并提出:基于拮抗作用机制设计的拮抗致动元件有助于提高致动系统的稳定性及能量利用率,且采用高能量密度及良好运动性能材料构建的拮抗部件可提高致动系统的驱动能力。 能量储存及转换机制是拮抗致动元件设计的关键,本研究中设计了由具有高能量密度的永磁体和高弹性的聚合物材料组成的新型磁驱动仿生致动元件,此致动元件同时具有大的磁力输出能力及良好的运动性能。文中探讨了电磁线圈、热敏材料及多铁性材料等作为致动元件系统运动触发机制的可行性。作为初步研究,本文以电磁线圈作为触发形式设计了新型磁驱动仿生致动元件系统。通过理论推导及有限元数值方法,分析了永磁体、弹性体及电磁线圈的结构参数对各构件力学特性的影响,并设计了元件结构;同时分析了以力学匹配方式设计具有特定运动特性的拮抗致动元件系统的理论方法。 为了验证理论分析的有效性,以铜绕线圈作为由NdFeB—硅橡胶组成的磁驱动仿生致动元件的触发形式构建致动元件模型。实验验证了该元件不同运动特性(单向电流控制与双向电流控制)与系统中各元件的力学特性曲线匹配关系。同时,采用测得的力与位移评价系统各元件间能量转化,在实验的两种运动形式中,拮抗元件(弹性体)运动所需能量的88.8%和89.6%由系统中的永磁体对所提供,而系统内部能量的转化效率分别达到了98.2%和96.2%,证明利用系统内部能量的转化可构建高效运动形式。实验中,在1.22A触发电流作用下,磁体提供了相当于8.45倍拮抗元件自重的最大输出力,且系统实现了21%的伸缩量。可知,磁驱动仿生致动元件实现了大的输出力及低能耗致动。实验测试了电磁线圈在不同通电电流下温度变化情况。从实验中也可看到:实现小电流下的电磁线圈触发及更有效的触发形式的研究将有助于进一步提高拮抗致动元件效率及使用范围。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TH703

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