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基于形状记忆合金的仿生鳍条结构设计及实验研究

宋艳  
【摘要】: 基于功能材料的柔性仿生鱼鳍的研究是当今水下仿生机器人研究的热点之一。机电系统在工作原理、外形和性能等方面都与动物肌肉存在很大区别,尤其是缺乏类似动物“肌腱”的高性能储能元件。因此,本文在利用更接近肌肉驱动特征的智能材料作为驱动源的柔性仿生鱼鳍研究上做了一些探讨性工作。在如何利用新型智能材料作为驱动源研制仿生鱼鳍方面做了初步尝试和探讨,为仿生水下推进器的发展方向抛砖引玉。 首先,根据文献调研和本课题组研究的经验,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智能材料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,最终选定NiTi形状记忆合金材料。 然后,本文针对柔性仿生鱼鳍的结构特点以及形状记忆合金材料本身的特性,提出了以一对差动方式安装的具有单向形状记忆效应的薄板状形状记忆合金作为鳍条基本单元,以应变传感器检测和反馈形状记忆合金薄板弯曲形变量,以模糊控制作为基本运动控制算法,实现了柔性鱼鳍的摆动和波动运动。通过实验给出了形状记忆合金鳍条弯曲输出力与薄板厚度的关系,鳍条最大偏转角度与厚度的关系以及加热电流占空比与鳍条最大偏转角度的关系,对仿生鱼鳍的设计进行了初步的优化。 最后,为验证所设计的形状记忆合金驱动器的应变反馈性能,进行了驱动系统的偏转实验。由于驱动力和响应频率的相互制约关系,所提出的设计方法和设计的驱动器系统还需要进一步改进和优化。论文最后给出本文研究工作的主要结论和展望。


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