本文關(guān)鍵詞：基于SMA驅(qū)動(dòng)的仿生水母機(jī)器人技術(shù)研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：21世紀(jì)是海洋的世紀(jì),水下機(jī)器人在海底資源勘探、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、水下管道鋪設(shè)和國(guó)防等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用,成為人們開(kāi)發(fā)海洋、利用海洋和海洋安全防衛(wèi)的重要工具。本文以水中生物水母為研究對(duì)象,對(duì)比幾種智能材料的性能特征,研制形狀記憶合金(Shape Memory Alloy,簡(jiǎn)稱SMA)彈簧驅(qū)動(dòng)的仿生水母機(jī)器人,并對(duì)仿生水母機(jī)器人虛擬樣機(jī)和各構(gòu)件進(jìn)行仿真分析,為模型水下實(shí)驗(yàn)和后續(xù)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。本文首先總結(jié)了智能材料驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,提出研究思路。對(duì)SMA彈簧進(jìn)行性能測(cè)試,得出彈簧絲徑和彈簧內(nèi)徑是影響彈簧輸出力大小的兩個(gè)內(nèi)在因素,驅(qū)動(dòng)電壓的大小影響著彈簧形變的響應(yīng)時(shí)間。考慮到SMA材料的單程記憶效應(yīng),選取不同規(guī)格的彈簧,設(shè)計(jì)出差動(dòng)式SMA直線推桿驅(qū)動(dòng)器,可實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)電壓和外加負(fù)載的大小,研究驅(qū)動(dòng)器性能的影響因素。在分析水母形態(tài)結(jié)構(gòu)和游動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上,繪制水母機(jī)器人的三維圖,使用激光雕刻機(jī)進(jìn)行加工制作。設(shè)計(jì)曲柄連桿機(jī)構(gòu),將推桿驅(qū)動(dòng)器的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為水母骨架的擺動(dòng)。對(duì)SMA直線推桿驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行改進(jìn),采用水進(jìn)行冷卻,提高驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)效率。根據(jù)設(shè)計(jì)出的驅(qū)動(dòng)器和水母虛擬樣機(jī),使用ADAMS軟件分析水母模型各構(gòu)件的動(dòng)力學(xué)性能,包括速度、加速度等,計(jì)算出水母骨架搖桿的擺動(dòng)角度。在此基礎(chǔ)上,分析水母骨架擺角的最大位置和死點(diǎn)位置,使用MATLAB軟件的數(shù)據(jù)優(yōu)化功能,對(duì)曲柄連桿的各構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化分析,使得在給定推桿行程條件下,增大骨架搖桿擺角,增加水母排水量,提高游動(dòng)效率。其次,運(yùn)用CFD方法,建立水母機(jī)器人的流體仿真模型,分析水母腔體不同張開(kāi)角度和不同游速下的水動(dòng)力學(xué)性能,求得水母游動(dòng)阻力,分析水母表面壓力、流速不同的原因。最后,使用單片機(jī)芯片設(shè)計(jì)了仿生水母機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電路,采用PWM控制方式分別控制上下兩段SMA彈簧通斷電時(shí)間,以實(shí)現(xiàn)水母機(jī)器人的持續(xù)游動(dòng)。綜上所述,本文對(duì)仿生水母機(jī)器入及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,研制出SMA彈簧驅(qū)動(dòng)的仿生水母機(jī)器人原型樣機(jī),為水母器人的進(jìn)一步研究提供了有益參考。
【關(guān)鍵詞】：形狀記憶合金 水母機(jī)器人 推桿驅(qū)動(dòng)器 機(jī)械動(dòng)力學(xué) 計(jì)算流體力學(xué)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)海洋大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP242
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 緒論12-20
• 1.1 背景12-13
• 1.2 智能材料驅(qū)動(dòng)的仿生水下機(jī)器人國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-18
• 1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀13-16
• 1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀16-18
• 1.3 課題研究意義與發(fā)展前景18-19
• 1.4 主要研究?jī)?nèi)容19-20
• 2 仿生水母機(jī)器人的生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)及智能材料的選取20-32
• 2.1 仿生水母機(jī)器人的生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)20-23
• 2.1.1 生物水中推進(jìn)方式分類總結(jié)20-21
• 2.1.2 水母形態(tài)學(xué)分析21-22
• 2.1.3 水母推進(jìn)機(jī)制建模22-23
• 2.2 三種智能材料性能比較23-26
• 2.2.1 形狀記憶合金23-25
• 2.2.2 壓電陶瓷25
• 2.2.3 電流驅(qū)動(dòng)聚合物25-26
• 2.2.4 三種常見(jiàn)智能材料性能比較與選取26
• 2.3 SMA彈簧性能測(cè)試26-30
• 2.4 本章小結(jié)30-32
• 3 SMA彈簧驅(qū)動(dòng)的仿生水母機(jī)器人設(shè)計(jì)32-43
• 3.1 差動(dòng)式SMA直線推桿驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)32-36
• 3.1.1 差動(dòng)式SMA直線推桿驅(qū)動(dòng)器工作原理32
• 3.1.2 SMA直線推桿驅(qū)動(dòng)器制作32-34
• 3.1.3 SMA直線推桿驅(qū)動(dòng)器實(shí)驗(yàn)研究34-36
• 3.2 仿生水母機(jī)器人設(shè)計(jì)36-41
• 3.2.1 仿生水母機(jī)器人三維建模及分析36-39
• 3.2.2 仿生水母機(jī)器人加工制作39-41
• 3.3 本章小結(jié)41-43
• 4 仿生水母機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)43-54
• 4.1 ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真43-50
• 4.1.1 ADAMS簡(jiǎn)介43
• 4.1.2 SMA直線推桿驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)曲線及方程43-46
• 4.1.3 ADAMS模型創(chuàng)建46-47
• 4.1.4 ADMAS動(dòng)力學(xué)仿真47-50
• 4.2 MATLAB尺寸優(yōu)化50-53
• 4.3 本章小結(jié)53-54
• 5 仿生水母機(jī)器人流體力學(xué)仿真分析54-64
• 5.1 CFD概述54-55
• 5.2 物理模型和網(wǎng)格劃分55-57
• 5.2.1 流場(chǎng)域選定55
• 5.2.2 網(wǎng)格劃分55-56
• 5.2.3 邊界條件設(shè)定和計(jì)算56-57
• 5.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析57-62
• 5.3.1 游動(dòng)阻力分析57-58
• 5.3.2 壓力分析58-60
• 5.3.3 速度分析60-62
• 5.3.4 流線分析62
• 5.4 本章小結(jié)62-64
• 6 仿生水母機(jī)器人電路設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究64-73
• 6.1 仿生水母機(jī)器入游動(dòng)策略64
• 6.2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)64-69
• 6.2.1 硬件設(shè)計(jì)64-66
• 6.2.2 軟件設(shè)計(jì)66-67
• 6.2.3 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)67-69
• 6.3 仿生水母機(jī)器人實(shí)驗(yàn)研究69-72
• 6.4 本章小結(jié)72-73
• 7 總結(jié)與展望73-75
• 參考文獻(xiàn)75-79
• 附錄79-82
• 致謝82-83
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷83-84
• 個(gè)人學(xué)術(shù)成果84

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