NiTi记忆合金动态特性实验研究及其在仿生机器鱼上的应用

【摘要】：鱼类经过十亿年以上的进化，形成的高效、高机动游动特性与传统机电式水下推进器的低推进效率和低机动特性形成鲜明对比，传统机电式推进器的低功重比无法满足微小型仿生机器鱼的驱动要求，采用智能材料作为驱动源已经成为仿生机器人领域的一大热点。根据文献调研和本课题组多年研究的经验，形状记忆合金因大功重比、集驱动传动和传感与一身、变形大等优点使得它在微型或小型应用领域具有独特的应用前景。本文在多种功能材料的比较分析基础上，选择适合小型仿生机器鱼驱动要求的50.8at％-Ni-Ti基形状记忆合金材料，以Tanaka-Liang-Brinson形状记忆合金本构模型要求的参数作为静态实验研究的特性参数和动态实验的评价指标，通过中低应变速率范围的动态拉伸实验获得材料特性参数与应变速率的敏感性；对Brinson拉伸本构模型进行修正，并和普通弹簧公式结合，推导出形状记忆合金弹簧驱动元件的力学特性公式；在小应变条件下，基于弹簧驱动元件的力学特性公式和实验研究中得到的材料特性参数，分析了形状记忆合金弹簧差动式驱动器的设计方法，推导了工作中任意温度、载荷和变形之间的驱动器热力学特性方程；最后对所设计的单关节仿生机器鱼系统进行了动力学建模和分析，对形状记忆合金驱动器控制进行初步分析，在开环条件下进行了若干响应特性实验。 首先，本文通过对鱼类游动模式和游动机理的分析，选择具有最优推进效率和最快推进速度的鲹科加新月型尾鳍的推进模式。由几种常用功能材料在驱动性能上的分析比较，选择适合仿生机器鱼驱动的NiTi基形状记忆合金。通过对鲹科加新月型尾鳍的运动学参数和尾鳍形状参数的分析，获得仿生机器鱼系统驱动器基本性能设计参数：驱动力、变形位移和工作频率。由仿生原理和鲫鱼巡游动作机理分析，确定形状记忆合金螺旋弹簧差动式驱动器结构。 然后，选择应用较为广泛的Tanaka-Liang-Brinson形状记忆合金本构模型来作为驱动器设计的理论基础。因形状记忆合金材料行为特性受非线性、热力学条件、加载历程影响，特性差异大；同时，目前工程应用缺乏相关手册来提供所选材料的特性参数，故以这些模型要求的参数变量作为NiTi合金材料待求的