基于SMA的多关节摆动式驱动器的研究

摘要

形状记忆合金(SMA)是一种新型的智能材料，具有独特的形状记忆效应，现在正被广泛地开发应用于机器人关节驱动结构中。镍钛基形状记忆合金具有优良的加工性和抗腐蚀性，很适用于海洋作业的水下机器人。研究形状记忆合金驱动器在水下小型航行体中的应用，能推动新型的水下机器人和形状记忆合金应用技术的发展。 本文设计了一种利用形状记忆弹簧驱动的多关节摆动式驱动器，它的摆动运动方式能模拟某些海洋鱼类的游动模式，非常适合用来制作小型的仿生鱼航行体。本论文的内容就是围绕着对这种驱动器的设计和研究而展开，论文的主要内容有以下几个方面： 1．本文首先介绍形状记忆合金的材料属性和形状记忆合金驱动元件，分析了形状记忆合金弹簧的驱动机理、驱动方式和影响形状记忆合金弹簧动作响应速度的因素，并研究了形状记忆合金弹簧的力学特性。 2．本文结合海洋鱼类的身体外形和游动模式，设计了多关节驱动器结构形式和运动形式；对驱动器模型结构的力学性能进行了理论计算分析，并利用有限元软件 AMNSYS 分析了驱动器结构的动力响应性能；通过分析得到了计算驱动器运动周期的方法，奠定了设计驱动器的基础理论。 3．本文还根据驱动器的工作机理和运动特点，设计了驱动器的控制系统。结合控制理论、电子技术及自动化相关知识设计出控制驱动器的硬件系统和软件系统，实现了驱动器运动的自动控制。 4．最后，本文对两关节驱动器进行了试验研究。通过实验证明了驱动器及其控制系统的可行性和有效性，并研究了某些技术难点，为进一步提高驱动器性能打下了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1 SMA驱动器的研究目的与意义

1.2 SMA驱动器的研究现状

1.3论文的主要工作

第2章SMA的特性和驱动方式

2.1 SMA材料简述

2.2 SMA的特性

2.2.1形状记忆效应

2.2.2电阻特性

2.2.3超弹性

2.3 SMA驱动器的驱动方式

2.3.1几种常见的驱动方式

2.3.2本文设计的驱动方式

2.4驱动元件SMA弹簧的分析

2.4.1 SMA弹簧的力学特性

2.4.3 SMA弹簧的热力学计算方法

2.4.4 SMA弹簧的响应速度分析

2.5本章小结

第3章基于SMA的多关节驱动器设计

3.1摆动式多关节驱动器结构设计

3.1.1驱动器的结构形式设计

3.1.2驱动器的工作原理

3.2驱动器的结构力学分析

3.2.1旋转关节的力学模型

3.2.2旋转关节输出力矩分析

3.2.3驱动器样机的尺度和输出力矩

3.3驱动器力学响应的有限元法计算

3.3.1驱动器的有限元模型

3.3.2驱动器的响应分析

3.4驱动器运动周期的计算

3.5本章小结

第4章多关节SMA驱动器的试验研究

4.1引言

4.2驱动器的控制系统

4.2.1基本控制原理

4.2.2控制系统的硬件部分设计

4.2.3控制系统的软件部分设计

4.3 SMA驱动器的试验研究

4.3.1驱动器的试验模型

4.3.2 SMA弹簧的加热与冷却方式

4.3.3试验工况及结果

4.3.4试验数据分析

4.3.5试验结果与理论计算结果对比

4.3.6提高运动频率的方法

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录