基于SMA驱动的仿生水母机器人技术研究

发布时间：2017-05-22 14:01

  本文关键词：基于SMA驱动的仿生水母机器人技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：21世纪是海洋的世纪,水下机器人在海底资源勘探、海洋环境监测、水下管道铺设和国防等领域发挥着重要作用,成为人们开发海洋、利用海洋和海洋安全防卫的重要工具。本文以水中生物水母为研究对象,对比几种智能材料的性能特征,研制形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)弹簧驱动的仿生水母机器人,并对仿生水母机器人虚拟样机和各构件进行仿真分析,为模型水下实验和后续优化奠定基础。本文首先总结了智能材料驱动的仿生机器人的国内外研究现状,提出研究思路。对SMA弹簧进行性能测试,得出弹簧丝径和弹簧内径是影响弹簧输出力大小的两个内在因素,驱动电压的大小影响着弹簧形变的响应时间。考虑到SMA材料的单程记忆效应,选取不同规格的弹簧,设计出差动式SMA直线推杆驱动器,可实现往复运动。通过改变驱动电压和外加负载的大小,研究驱动器性能的影响因素。在分析水母形态结构和游动机理的基础上,绘制水母机器人的三维图,使用激光雕刻机进行加工制作。设计曲柄连杆机构,将推杆驱动器的直线运动转化为水母骨架的摆动。对SMA直线推杆驱动器进行改进,采用水进行冷却,提高驱动器的驱动效率。根据设计出的驱动器和水母虚拟样机,使用ADAMS软件分析水母模型各构件的动力学性能,包括速度、加速度等,计算出水母骨架摇杆的摆动角度。在此基础上,分析水母骨架摆角的最大位置和死点位置,使用MATLAB软件的数据优化功能,对曲柄连杆的各构件进行优化分析,使得在给定推杆行程条件下,增大骨架摇杆摆角,增加水母排水量,提高游动效率。其次,运用CFD方法,建立水母机器人的流体仿真模型,分析水母腔体不同张开角度和不同游速下的水动力学性能,求得水母游动阻力,分析水母表面压力、流速不同的原因。最后,使用单片机芯片设计了仿生水母机器人驱动电路,采用PWM控制方式分别控制上下两段SMA弹簧通断电时间,以实现水母机器人的持续游动。综上所述,本文对仿生水母机器入及其关键技术进行了研究,研制出SMA弹簧驱动的仿生水母机器人原型样机,为水母器人的进一步研究提供了有益参考。
【关键词】：形状记忆合金 水母机器人 推杆驱动器 机械动力学 计算流体力学
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 绪论12-20
• 1.1 背景12-13
• 1.2 智能材料驱动的仿生水下机器人国内外研究现状13-18
• 1.2.1 国外研究现状13-16
• 1.2.2 国内研究现状16-18
• 1.3 课题研究意义与发展前景18-19
• 1.4 主要研究内容19-20
• 2 仿生水母机器人的生态学基础及智能材料的选取20-32
• 2.1 仿生水母机器人的生态学基础20-23
• 2.1.1 生物水中推进方式分类总结20-21
• 2.1.2 水母形态学分析21-22
• 2.1.3 水母推进机制建模22-23
• 2.2 三种智能材料性能比较23-26
• 2.2.1 形状记忆合金23-25
• 2.2.2 压电陶瓷25
• 2.2.3 电流驱动聚合物25-26
• 2.2.4 三种常见智能材料性能比较与选取26
• 2.3 SMA弹簧性能测试26-30
• 2.4 本章小结30-32
• 3 SMA弹簧驱动的仿生水母机器人设计32-43
• 3.1 差动式SMA直线推杆驱动器设计32-36
• 3.1.1 差动式SMA直线推杆驱动器工作原理32
• 3.1.2 SMA直线推杆驱动器制作32-34
• 3.1.3 SMA直线推杆驱动器实验研究34-36
• 3.2 仿生水母机器人设计36-41
• 3.2.1 仿生水母机器人三维建模及分析36-39
• 3.2.2 仿生水母机器人加工制作39-41
• 3.3 本章小结41-43
• 4 仿生水母机器人动力学仿真与优化设计43-54
• 4.1 ADAMS动力学仿真43-50
• 4.1.1 ADAMS简介43
• 4.1.2 SMA直线推杆驱动器运动曲线及方程43-46
• 4.1.3 ADAMS模型创建46-47
• 4.1.4 ADMAS动力学仿真47-50
• 4.2 MATLAB尺寸优化50-53
• 4.3 本章小结53-54
• 5 仿生水母机器人流体力学仿真分析54-64
• 5.1 CFD概述54-55
• 5.2 物理模型和网格划分55-57
• 5.2.1 流场域选定55
• 5.2.2 网格划分55-56
• 5.2.3 边界条件设定和计算56-57
• 5.3 数值模拟结果分析57-62
• 5.3.1 游动阻力分析57-58
• 5.3.2 压力分析58-60
• 5.3.3 速度分析60-62
• 5.3.4 流线分析62
• 5.4 本章小结62-64
• 6 仿生水母机器人电路设计及实验研究64-73
• 6.1 仿生水母机器入游动策略64
• 6.2 驱动电路的设计和实现64-69
• 6.2.1 硬件设计64-66
• 6.2.2 软件设计66-67
• 6.2.3 驱动模块设计67-69
• 6.3 仿生水母机器人实验研究69-72
• 6.4 本章小结72-73
• 7 总结与展望73-75
• 参考文献75-79
• 附录79-82
• 致谢82-83
• 个人简历83-84
• 个人学术成果84

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