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基于流体管道冷却的SMA柔性驱动器设计与实验

苏夏  
【摘要】:科研工作者通过仿照柔性生物体结构特性及运动机理,研制出能适应复杂环境的仿生柔性机器人。与刚性机器人不同的是柔性机器人可以改变自身的形状和尺寸,可在勘查、救援、军事及医疗等领域发挥重大的作用。常见的运用在柔性机器人的驱动器有四种:形状记忆合金(SMA)驱动、电活性聚合驱动、气动-液压物理驱动方式和将化学转化为机械能的化学驱动。以上四种驱动器各有优缺点,其中本文研究的SMA丝驱动器具有结构简单,集传感、驱动和执行功能于一体等性能与人体肌肉非常相似。形状记忆合金的散热速度慢是导致的响应频率低的主要因素,这也极大的限制了其运用前景。本文以提高形状记忆合金丝驱动器频率为目标展开研究工作。首先调研了当前国内外柔性机器人以及常见的四种柔性驱动器的发展概况。以形状记忆合金驱动器为研究对象,分析了形状记忆合金驱动器的材料特性和驱动原理,浅析了提高形状记忆合金驱动器频率的重要性,列举了当前冷却形状记忆合金驱动器的常见解决方法。仿照生物的水管道循环系统,探讨了一种新型冷却方式,提出了一种基于微管道冷却的形状记忆合金丝驱动器。该驱动器具备了驱动和冷却功能,提高了形状记忆合金在空气中的冷却速度。文章的主要研究内容有:柔性机器人常见的研究模型,常见柔性驱动器的驱动机理,基于流体管道冷却的形状记忆合金驱动器的结构设计和工艺制作,测试了驱动器的热学性能和稳定性能,具体内容如下:(1)柔性机器人因其具有最贴近生物的柔韧性,而逐渐成为一种备受研究者关注的新的研究领域。当前常作为柔性机器人的驱动器有四种:电活性聚合物驱动、形状记忆合金驱动、液压或气动驱动器和化学驱动器,同时调研每种驱动器的研究现状和优缺点。(2)形状记忆合金驱动器为本文研究对象开展研究。将当前的冷却形状记忆合金驱动的方法归为两种:无动力制冷(包括改变形状记忆合金的直径,使用相变温度较高的形状记忆合金,改变加热占空比,改变加载方式等)和动力制冷(包括水冷、空冷、风冷和加入热传导材料等)。其中流动的水冷效果比较明显,且成本比较低。以水循环冷却为原理,设计出了新型的流体水循环网络冷却的形状记忆合金驱动器。(3)根据微机电加工技术、3D打印技术、浇注等工艺制作基于流体管道冷却的形状记忆合金驱动器,并且经过长时间的微加工工艺摸索,给出了成本较低的最优的工艺方法和条件。实验设计了多种不同的微管道结构,通过实验测试排除法,最后给出了符合当前实验条件的的微管道结构尺寸、形状以及工艺步骤。(4)开展了对冷却效果的实验验证研究,通过实验对比法进行了微管道冷却效果的验证。两组实验对比组即使微管道通入水循环和不通水循环的两种情况下,测量了探测点处温度变化、整体温度云图和角度变化率等变量,给出了通水前后的截止频率图,得出得出了微管道水循环冷却的可行性和高效性。这些实验都证明了微管道冷却方式可以提高形状记忆合金驱动器在空气中的频率和稳定性。


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