新型SMA驱动器与仿生手研究

设计了一种基于多边形SMA驱动器的模块化欠驱动5指仿生手,整体质量260 g,每根手并通过内部的滑轮结构将驱动位移提高了1倍。建立了驱动电流与输出位移以及温度与驱动电压的数学模型,解决了驱动位移小、温度反馈控制实时性差的问题。实验结果表明,新型多边形SMA驱动器具有体积小、质量轻、驱动位移大的优点,通过电流和温度的双重反馈控制算法,实现了对输出位移的控制并提升了SMA驱动器在不同环境温度下的响应速度;抓取实验验证了仿生手的抓取能力。研究结果为推进SMA仿生手的应用提供了一种思路。

SMA丝缠绕角对扭力驱动器驱动性能影响的试验研究

在智能结构的驱动系统研究中,形状记忆合金(SMA)以其独特的力学性能倍受关注。将含有预拉伸变形的SMA丝与薄壁圆管复合,能够构成具有扭转变形输出或转矩输出功能的驱动器,为飞行器翼面操纵系统等提供新的设计思路。在SMA扭力驱动器中,SMA丝的缠绕角是影响驱动器驱动能力的一个重要参数。针对缠绕角分别为40°、45°、55°、60°和75°的一组驱动器,采用试验手段,获得了自由状态、完全约束状态和弹性约束等三种状态下,上述驱动器的温度—缠绕角—扭转角(或转矩)等多组关系曲线,得到了当缠绕角为60°时,驱动器有最大扭转角和最大转矩的试验结果。研究结果对深入探索SMA扭力驱动器的力学模型和驱动器结构参数的优化具有重要的参考价值。

表面粘贴SMA片驱动器复合梁的变形性能试验研究

将SMA片状驱动器粘贴于复合材料结构表面制成的可变形结构有诸多优势,但也存在如何确保胶接质量和设计许用可回复应变等问题。本文首先采用合适的红外激光参数对SMA片进行了表面处理,然后通过引入预应变制得SMA片状驱动器,进而将之粘贴于复合材料板梁的上表面制得了可变形复合梁,并对不同预应变情况下的变形性能进行了试验研究。经与仅做丙酮擦拭表面处理复合梁的驱动变形性能对比,结果表明:合适的激光表面处理可以使复合梁在胶层不失效的前提下获得更大的变形能力。但随着预应变的增大,在驱动过程中复合梁的胶层仍会发生大面积的内聚破坏。

SMA驱动的模块化仿人手指设计与研究

采用模块化的欠驱动手指结构设计,形状记忆合金丝作为驱动器,永磁铁装置提供预拉紧和复位功能,使得SMA驱动器的输出力比弹簧预紧提高了6 N以上.通过驱动位移放大滑轮,使SMA驱动器的输出位移增大了2.1倍.最后,通过3D打印技术打印手指模型并组装了单根手指,实现了对日常用品的抓取操作.本研究有效解决了SMA驱动器驱动位移小、预拉伸和输出力相矛盾的问题,为形状记忆合金材料作为仿生驱动装置的应用提供了设计思路.

仿生水母机器人SMA驱动技术及试验研究

受水母喷射式推进方式的启发,研制了一种以SMA弹簧作为驱动材料的仿生水母机器人。本文首先对SMA弹簧性能做了试验研究,验证了采用SMA弹簧作为仿生水母机器人驱动源的可行性。并在此基础上,提出了一种基于SMA弹簧的直线差动式驱动器,经试验得出了驱动器推杆运动速度与负载的关系。然后对仿生水母机器人游动时动力学进行分析,并使用数值模拟的方法对仿生水母机器人运动阻力进行了计算,得出了在不同工作状态下,仿生水母机器人运动阻力的变化曲线。最后,对仿生水母机器人进行了试验测试,仿生水母机器人达到了预期游速,验证了SMA驱动仿生机器人技术的可行性。

基于SMA驱动的微型机器人系统

本文提出了一种基于SMA驱动的刚/弹耦合式微型蠕动机器人,该机器人的特殊结构不但显著地增大了其移动速度,而且使该机器人具有了主动转弯能力,在一定程度上克服了目前SMA机器人移动速度慢、只能被动转弯的缺点。同时,该机器人利用两组偏心轮自锁机构及相应的平行四边形换向机构使其具有双向移动能力。文章最后对该机器人的控制系统进行了介绍。

新型SMA驱动技术

概括了形状记忆合金的相变晶体学和热力学特性 ,并在此基础上介绍了形状记忆合金驱动器的结构、原理、驱动、控制和应用。综述了当前形状记忆合金驱动技术研究中的若干热点。

探究SMA丝束驱动器在变体飞行器中的应用

改变机翼厚度可以提高飞行器在不同飞行条件下的升力系数,并降低一定阻力。本文提出了一种新型SMA丝束驱动器,该驱动器利用聚四氟乙烯管和橡胶管将多根SMA丝组成束状驱动器,可以输出较大的驱动力和驱动位移,利用传动机构,实现机翼的厚度调节。同时,本文对变厚度机翼进行了受力分析,提出了SMA丝直径的计算方法,为机构设计提供了理论参考。

基于PLC的SMA驱动SSBOP装置远程位置控制

鉴于深海油/气开采快速井喷控制,美国休斯顿大学智能材料应用实验室开发出形状记忆合金驱动深海油/气开采井喷控制(SMA-SSBOP)概念模型。介绍研究应用PLC分布式控制系统编程实现SMA-SSBOP装置滑块位置的远程通信与PID-PWM控制,基于dSPACE DSP分析PLC远程控制SMA-SSBOP的效果。

基于电阻反馈的SMA控制系统设计

形状记忆合金(SMA)驱动器在生物医疗中得到了广泛应用。目前,SMA驱动器的控制器多采用外部传感反馈方式,体积大,应用受到限制。提出一种基于SMA内部电阻反馈的嵌入式控制电路。使用ATMEGA16单片机搭建了SMA驱动器加热控制电路及恒流源电桥方法的电阻测量采集电路。实验表明:该控制系统可以产生可控PWM,恒流源电桥方法测SMA电阻可以得到足够的测量精度,系统可用于SMA驱动器的控制。

一种SMA风扇离合器设计

温度改变可以让形状记忆合金(SMA)实现两种不同的宏观形状的转换,这种形状间转变的能力,使得它成为驱动技术的新研究方向。特别是镍钛形状记忆合金在高循环稳定性组合装置中表现出的高驱动力和调节行程能力。形状记忆效应是基于SMA致动器在马氏体和奥氏体相之间的转换。由于相变的转变温度在20~100℃,使镍钛形状记忆合金的工程应用研究中极受欢迎。文章研究的技术是利用镍钛记忆合金作为驱动,使离合器完成啮合分离动作。传动系统的启动加速致使超过额定速度时,则系统就需要一个更高的扭矩。这一要求则可以通过不增加离合器外观的标称尺寸,仅通过镍钛形状记忆合金便可实现。

形状记忆合金驱动可变后掠角翼梢小翼的研究

常规飞行器的小翼翼型一般是固定不变的,只能在特定的飞行状态下具有最优的气动性能。但是当飞行状态发生变化时,气动性能便不再保持最优。为解决该问题,提出一种基于形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)驱动的可变后掠角翼梢小翼方案。基于形状记忆特性,将形状记忆合金材料作为驱动器,可为变后掠角翼梢小翼的设计和优化提供更多可能性。针对民航飞机起飞、巡航和降落三种典型工况,通过计算流体力学方法(CFD)分析不同后掠角度翼梢小翼对飞机气动性能影响,得出最佳后掠角度分别为35°、45°和50°。为实现不同飞行状态下后掠角度的变化,设计一种基于SMA丝驱动的可变后掠角翼梢小翼结构。在只考虑SMA材料受轴向拉伸力作用的条件下,经数值计算得到了应力应变关系以及不同应力作用下应变同温度的关系。基于以上材料特性确定SMA丝的热处理方法,并根据SMA丝的动态特性曲线和初步设计要求确定其尺寸规格。该机构根据不同的飞行状态自动调整小翼后掠角度,从而提高机翼的升阻比。

形状记忆合金驱动可变形机翼的设计优化

传统方法设计的机翼气动性能对飞行条件的依赖性较强,针对该问题,设计一种由形状记忆合金(SMA,shape memory alloy)丝驱动的可变形机翼机构。该机构可根据不同的飞行状态自动调整机翼形状,实时优化机翼气动性能。首先,将SMA驱动器驱动点连接到翼型内侧的桁条上,驱动桁条上下移动从而使柔性蒙皮变形;其次,利用优化集成平台Isight,对机翼进行建模及流体力学分析,以实现可变形机翼的优化设计;最后基于优化设计结果,结合SMA本构关系,确定满足优化设计要求的可变形机翼驱动结构方案。研究结果表明,SMA驱动器能够实现可变形机翼的变形驱动,通过30~140℃温度控制,可实现机翼上下蒙皮0~8 mm的变形量,翼型升阻比最大可提高21.87%。

基于形状记忆合金的仿生假手设计

目前假肢手大多由电机驱动,其体积大、质量大不够便携,为此本文设计了一种基于形状记忆合金驱动的模块化仿生手,整体质量为188 g,每根手指可独立驱动控制。通过滑轮组绕线的方式增大SMA丝的有效长度。绘制了假肢手的三维模型并对手指7连杆机构进行运动学分析及仿真,利用MATLAB验证了其关节角度和指尖轨迹曲线,以STM32单片机作为控制器结合多传感器设计了控制系统。并通过实验验证假手指的运动状态,结果表明,SMA驱动器的输出位移可以达到假手指所需的驱动行程,假手指的指尖轨迹与理论值相符合,可以达到设计的预期目标。研究结果解决了SMA驱动位移较小的问题,为形状记忆合金材料作为仿生假手的新型驱动器以及仿生手的机械结构提供了设计思路。

基于DSP的SMA直线驱动器控制系统

本文针对形状记忆合金智能材料的传感和驱动性能,利用SMA丝在低温相时柔弱、高温相时强硬的特性,在高温相变过程中能输出较大的驱动力,设计了差动式SMA双程直线驱动器控制机构;搭建了给SMA丝加热控制电路和恒流源电桥方法的电阻信号采集电路;同时结合传统PID控制方法来完善控制效果。实验证明该系统具有较好的精度和一定的响应速度。

基于SMA丝驱动的仿人手指传动结构设计与研究

由于SMA驱动器具有结构简单、控制简单、功率密度大的特性,在仿人灵巧手的驱动装置中得到广泛研究。但是在实际应用中存在驱动位移小的问题,需要将驱动器放置到手臂中来增加驱动位移。采用模块化的欠驱动手指结构设计,将形状记忆合金丝直接作为传动和驱动部件,设计了驱动位移放大结构,并采用永磁铁作为复位结构,实现了驱动与传动的一体式轻量化设计。对仿人灵巧手的传动结构进行了分析。通过3D打印手指模型并组装了单根手指,实现了对日常用品的抓取操作。

一种刚／弹耦合的微型蠕动机器人

研制了一种基于SMA驱动的轮式微型蠕动机器人，不同于传统的采用腿式或蠕动式结构的微小型机器人，它采用特殊的刚／弹耦合结构，显著地增大了其移动步距；车轮自锁机构将SMA驱动器的双向运动转换为机器人的单向运动。在车轮自锁机构作用下，SMA驱动器交替收缩与舒张，就可实现机器人的运动。对SMA驱动器所需加热电流及该机器人的运动性能进行了试验分析。试验证明，在刚／弹耦合结构作用下，机器人的移动速度提高近一倍。

轮式微型机器人运动机理与步态规划(英文)

在一种新型形状记忆合金驱动器的基础上,研制了一种微型蠕动机器人,该机器人采用轮式移动机构.对形状记忆合金驱动器、轮式移动机构的结构和运动机理以及机器人的步距扩大原理进行了讨论.并在此基础上,对机器人的直线运动步态和转弯步态进行了规划,使机器人在偏心轮自锁机构和换向机构作用下,不但可以前后运动,还具有主动转弯能力,在一定程度上克服了传统的形状记忆合金机器人移动速度慢、只能被动转弯的缺点.最后对形状记忆合金驱动器所需加热电流及该机器人的运动性能进行了试验分析.

一种均一阵列式模块化自重构机器人的机构设计研究

提出了一种新型的三维均一阵列式模块化自重构机器人的概念,介绍了单转动自由度正立方体模块的设计方案及工作原理,不但扩大了模块的通用性,提高了机器人的运动灵活性,而且使模块结构简单,控制容易,制造简便。

尺蠖式仿生微型机器人的结构和致动机理研究

提出并设计了一种新型偏动式双程SMA驱动器,以此驱动器为基础研发出一种靠交替摩擦自锁方式行走的尺蠖运动式仿生微型机器人。提出一种四杆机构无关节新型腿,这种新型腿可以有效改变SMA驱动器输出力的方向。分析了四杆机构新型腿的摩擦自锁机理,并求解出腿实现摩擦自锁的条件,使微型机器人能可靠地实现摩擦自锁作用下的稳步行进。阐述了新型微型机器人的定向运动机理,对微型机器人的尺蠖式收缩和伸张运动规律、步幅、频率等进行了分析及求解。