基于SMA的仿乌贼水平鳍推进器的研究

摘要

随着海洋资源开发的深入和仿生学的进步，仿生水下机器人越来越受到科研工作者的关注。由于鱼类游动效率高，机动性好，国内外研制了多种模仿鱼类游动的机器鱼。然而大多数机器鱼采用身体/尾鳍摆动游动模式，利用电动机作为驱动器带动刚性的关节来模拟鱼类柔性的动作，结构复杂，动作噪音大，与鱼类的游动能力尚有较大差距。另外身体/尾鳍摆动推进的机器鱼很难实现原地打转和后退游动等实际上经常需要用到的功能。因此，本文展开了研究。首先，论文分析了乌贼的游动机理和鳍的结构，研究了鳍波动规律，模拟鳍波动动作，建立了仿乌贼水平鳍推进器的波动模型。对多种智能材料进行了分析，发现SMA具有动作柔性好、控制方便、不易受周围环境(温度除外)影响等优点，十分适合于作为仿乌贼水平鳍推进器的致动器。本文选择了回复应变大、回复应力大、能量密度高的TiNi基SMA作为致动器。其次，研制了两种仿乌贼水平鳍推进器的波动机构，一种基于刚性鳍单元波动机构，另一种基于柔性鳍单元波动机构。研制了专用控制电路。该控制电路由无线电接收模块、处理器模块和驱动模块组成，可控制多路鳍单元的动作，以实现多种不同的游动动作。最后，对两种鳍单元波动机构进行了驱动试验。并对双侧4鳍单元波动机构和控制电路进行了调试，在水中实现拍动方式游动，可以以小于体长的转弯半径转弯。对基于双侧10鳍单元波动机构的仿乌贼水平鳍推进器进行了游动试验，推进器可以实现前后游动和原地转弯游动，可以实现8 mm/s的游动速度和12°/s的转弯速度。提出并实现了模拟乌贼鳍波动推进的仿乌贼水平鳍推进器，该推进器无噪音，环保，驱动电压低，结构简单，可实现柔性动作，灵活性好。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外仿生机器鱼研究现状

1.2.1 仿生机器鱼的类型

1.2.2 国外仿生机器鱼研究现状

1.2.3 国内仿生机器鱼研究现状

1.3 论文研究的主要内容

第2章 仿乌贼水平鳍推进器原理及其致动器选择

2.1 乌贼的游动机理

2.2 乌贼鳍的肌肉结构

2.3 仿乌贼水平鳍推进器的原理

2.4 国内外仿生致动器性能分析

2.5 SMA 的基本特性及分类

2.5.1 形状记忆效应

2.5.2 超弹性效应

2.5.3 其它特性

2.5.4 SMA 的种类

2.6 SMA 的驱动方式

2.7 SMA 在仿生机器人领域的应用

2.8 本章小结

第3章 仿乌贼水平鳍推进器的设计

3.1 TiNi 基SMA 仿乌贼水平鳍推进器波动机构设计

3.1.1 刚性鳍单元波动机构设计

3.1.2 柔性鳍单元波动机构设计

3.2 推进器控制系统设计及控制程序

3.2.1 推进器控制系统设计

3.2.2 推进器控制电路设计

3.2.3 推进器控制程序设计

3.3 本章小结

第4章 仿乌贼水平鳍推进器的试验与调试

4.1 仿乌贼水平鳍推进器试验台

4.2 刚性鳍单元试验

4.3 柔性鳍单元水中试验

4.4 基于柔性鳍单元的仿乌贼水平鳍推进器调试

4.4.1 双侧4 鳍单元波动机构与控制电路调试

4.4.2 双侧10 鳍单元波动机构与控制电路调试

4.4.3 基于双侧10 鳍单元波动机构仿乌贼水平鳍推进器

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢