SMA驱动的尺蠖式仿生微型机器人

摘要

微型机器人是微型电子机械系统研究的一个重要分支，是微机电系统的高层次的典型代表。研发几何尺寸为毫米级(甚至更小)的微型机器人是微机电系统领域的一个热点。形状记忆合金(SMA)由于其具有较大的输出力和输出位移而备受关注，采用 SMA驱动器是机器人实现微型化的途径之一。本文研究内容如下：
　　(1)在借鉴他人研究成果的基础上，阐述了形状记忆合金的形状记忆效应及其特殊的机械性能以及各类形状记忆合金驱动器的工作机理。提出并设计了一种偏动式双程形状记忆合金驱动器，并以此驱动器为基础研发了一种仿尺蠖式的依靠摩擦自锁方式行走的微型机器人。
　　(2)首次提出用四连杆机构替代微型机器人的关节型腿，形成了一种新型腿，这种新型腿可以有效改变微驱动器输出力的方向；在四连杆及刚性化脚上淀积不同摩擦系数的材料，通过两者共同作用，实现了微型机器人的摩擦自锁，保证了微型机器人的前进运动。
　　(3)用三维软件Pro/E进行建模，用有限元分析软件ANSYS对微弹性杆进行了仿真，选择了合适的曲线类型，并对其结构参数(曲率、厚度、宽厚比、截面尺寸等)进行了优化，得到了微弹性杆输出位移随输入力不同而变化的情况，分析了微弹性杆的变形与应力分布情况。
　　(4)通过瞬态分析得到了形状记忆合金弹簧的响应时间与恢复时间；尝试性地加载了模拟形状记忆合金的随时间变化的力，用显性非线性动力分析程序对微弹性腿的简化模型进行了动态仿真。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.1.1 微型机器人的发展概况

1.1.2 微型机器人的发展趋势

1.2 驱动方式的选择

1.3 基于SMA驱动的微型机器人的研究现状

1.4 课题的研究意义和主要研究内容

1.4.1 课题的研究意义

1.4.2 本文主要研究内容

第2章 微型机器人的结构设计

2.1 形状记忆合金驱动的微型机器人设计

2.1.1 形状记忆合金

2.1.2 微型机器人设计方案的选择

2.1.3 微型机器人的主体结构

2.2 形状记忆合金驱动器设计

2.2.1 形状记忆合金驱动器的类型

2.2.2 偏动式双程SMA驱动器设计

2.3 微弹性杆构件设计

2.3.1 材料及加工可行性

2.3.2 横截面类型的选择

2.4 刚性化脚的设计

2.5 躯体构件设计

2.6 微机械手

2.7 本章小结

第3章 微型机器人的运动状态分析

3.1 几种SMA驱动的微型机器人运动状态

3.2 四连杆机构

3.2.1 四连杆机构工作原理及设计方法

3.2.2 四连杆设计

3.2.3 材料及加工方法

3.3 微型机器人受力及自锁分析

3.3.1 形状记忆合金的本构关系

3.3.2 微型机器人受力分析

3.3.3 微型机器人模型参数的简化

3.3.4 微型机器人自锁分析

3.4 微型机器人的运动机理

3.5 本章小结

第4章 微弹性杆的优化与SMA弹簧设计

4.1 圆弧形微弹性杆的输出位移分析

4.1.1 有限元模型的简化

4.1.2 单元类型的选择

4.1.3 材料参数

4.1.4 边界条件的确定和载荷的施加

4.1.5 弹性杆构件的有限元分析

4.2 弹性杆曲线类型的选择

4.2.1 椭圆曲线分析

4.2.2 双曲正弦曲线分析

4.3 椭圆曲线曲率的选择

4.4 厚度尺寸对位移的影响

4.5 宽厚比对位移的影响

4.6 截面尺寸对位移的影响

4.7 选定的微弹性杆分析

4.8 形状记忆合金螺旋弹簧设计

4.8.1 SMA螺旋弹簧设计方法

4.8.2 SMA螺旋弹簧设计计算

4.9 微型机器人

4.10 本章小结

第5章 微型机器人的动态特性分析

5.1 形状记忆合金驱动器的驱动和控制方法

5.2 SMA弹簧的传热分析

5.2.1 传热理论分析

5.2.2 传热有限元分析求解方法

5.2.3 微型机器人的瞬态响应分析

5.3 微弹性腿的摩擦自锁有限元模拟

5.3.1 LS-DYNA分析的一般流程

5.3.2 微弹性腿有限元模拟的基本原理

5.3.3 微弹性腿运动过程的有限元模拟

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢

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