形状记忆合金薄膜微驱动器过程准可控研究

研究了形状记忆合金（SMA）驱动器的过程不可控及过程准可控输出特性，给出了此类驱动器实现过程准可控的设计思想－－单元互联，及其可控输出位移值与互联单元的一般性关系；对于n个具有双程形状记忆效应的单元互联而成的SMA驱动器，有2^n个可控位移输出。对一类基于单元互联实现变力夹持的SMA薄膜微夹持器进行了理论探讨。     

压电陶瓷驱动器的力输出特性

目的研究压电陶瓷驱动器在不同条件下的力输出特性,为压电陶瓷驱动器力输出方面应用提供理论依据.方法首先,设计一种压电陶瓷力输出性能测试装置;然后,对预压力施加速度、施加预压力与电压的间隔时间、装置设计等外界因素对力输出特性影响进行分析;最后,使用最大输出力、平均迟滞度、最大曲线偏差值、曲线漂移量和曲线周期延迟量等多个评价指标,对PSt/150/4/7VS9型压电陶瓷驱动器在不同预压力、电压频率、循环工作、电压步长等条件下的力输出特性进行实验分析.结果压电陶瓷驱动器在150 N预压力和1 Hz的电压频率条件下输出效果最好,最大输出力可达到116.56 N,平均迟滞度为10.74%,曲线最大偏差为3.89%,曲线漂移量为-0.47 N;过多次循环工作会造成迟滞曲线的重复性变差和延迟累计增大现象;相同电压步长下,力输出增量随着起始电压的增大而增大.结论实验结果符合电畴翻转理论,且压电陶瓷驱动器具有力输出最佳工作条件.     

电磁式柔性直线驱动器概念设计与参数优化

设计了一种结构紧凑可实现力位解耦控制的电磁式柔性直线驱动器.该柔性驱动器主要由变刚度装置和位置调节装置两部分组成,其中变刚度装置采用双线圈-永磁铁对称布置结构,通过动态改变线圈中输入电流的大小调节电磁力,从而实现变刚度输出.建立了通电线圈周边磁场的数学模型,并采用等效磁荷法推导出永磁铁在通电线圈磁场中所受电磁力的显示表达式.在此基础上,分析了设计参数对电磁力的影响规律,完成了变刚度装置的参数优化设计.通过虚拟仿真分析了变刚度装置的力-位移和力-电流特性,并将实验结果与理论结果进行对比,验证了变刚度装置力-位移和力-电流特性的准确性和有效性.结果表明,所设计的柔性直线驱动器能够实现变刚度控制.     

SMA弹簧驱动器驱动机理及实验

为了将形状记忆合金(SMA)弹簧驱动器用于智能机械结构,需要了解各类SMA弹簧驱动器的驱动特性。该文在对SMA弹簧驱动器的电热驱动机理理论分析的基础上,进行了实验研究。实验结果表明:驱动器响应速度与驱动电流、预变形量、冷却速度、负载有关。偏动式驱动器回复速度和驱动电流成正比;差动式驱动器的响应速度受SMA弹簧冷却速度的制约,要控制驱动电流;差动驱动器比偏动驱动器性能优良,在智能机械结构中应用将有广阔的前景。     

一种超弹性SMA复合阻尼器的设计与试验

根据形状记忆合金(SMA)的超弹性特性,设计、制造了一种SMA复合摩擦阻尼器,该阻尼器利用SMA超弹性阻尼与SMA丝的约束作用使阻尼器内部产生摩擦来共同耗散振动能量.介绍了阻尼器的结构构造及工作原理.通过试验研究了加载频率、位移幅值对阻尼器力学性能的影响.试验结果表明,在试验频率范围内,阻尼器的刚度、输出力、耗能等主要力学参数随加载频率的改变而变化较小;位移幅值是影响这些力学参数的主要因素,当阻尼器在小位移的情况下,其刚度变化较小,而输出力和耗能与位移基本成线性关系.但在大位移的情况下,阻尼器的输出力变化较小,而其割线刚度减小,耗能有大幅度的增加.分析表明,该SMA复合阻尼器是一种位移相关性的变刚度阻尼器.     

一种欠驱动3D打印机械手的结构设计

本研究目的是为UR5机器人设计一种结构简单易于控制的欠驱动3D打印机械手.欠驱动结构是指驱动器数目少于本身自由度数目的机构.根据此设计原理设计出通过一个伺服电机驱动4根手指,每个手指由两个指骨构成的欠驱动3D打印机械手.机械手电机通过滑轮系统与手指连接,每个手指都可独立移动,使得机械手可抓取各种不规则物体.通过抓握类型分析、机械手机构设计、手指滑轮系统的优化,确定设计参数设计出机械手.采用3D打印技术能廉价、快速地制造机械手零件.机械手能很好地保持抓取时的稳定性、对抓取对象的适应性和降低机械手结构的复杂性.     

含形状记忆合金支撑的框架结构的动力特性

利用有限元法分析了谐激励下含形状记忆合金（SMA）支撑的框架结构的位移响应和频谱特性，并从SMA的初始预应变、激振力力幅和操作温度3个方面讨论了SMA的伪弹阻尼特性对结构位移响应的影响．结果表明，伪弹性SMA能够比较有效地抑制结构振动.     

形状记忆合金驱动的软体仿生手掌

与刚性部件控制的机械手臂或者手指相比,以记忆合金丝作为驱动器的驱动部件,避免了结构复杂的刚性部件以及复杂的运动反馈控制系统,其输出力—重量比高,驱动方式简便,引起各界的关注。本文以形状记忆合金为基础,设计试验了一种形状记忆合金丝驱动的软体仿生手掌。阐述了驱动记忆合金的原理、手掌的制作原理,建立了软体仿生手掌的运动学模型,采用matlab进行了运动学仿真验证分析,通过物理试验证明记忆合金驱动的软体仿生手掌可以达到手指弯曲及实际物体抓取的效果。     

超磁致伸缩驱动器的输出力动态响应特性

设计了一种新型超磁致伸缩驱动器,通过ANSYS有限元分析软件对超磁致伸缩驱动器的内部磁场进行了仿真。并搭建了输出力动态响应特性测试系统,通过改变外加电流与预紧力大小对驱动器的动态响应时间进行研究。实验结果表明,该驱动器的磁场设计合理;当电流小于2.5 A且预压力一定时,其输出力响应时间随电流的增大而减小;设计的驱动器在预压力达到300 N时输出力响应时间最短。     

差动式形状记忆合金驱动器驱动的仿生吸盘

为促进爬壁机器人负压吸附机构的微型化和小型化,根据生物负压吸附器官的结构特点,设计了一种形状记忆合金(SMA)驱动器驱动的仿生吸盘.由于SMA响应速度慢,为加快负压响应,仿生吸盘采用差动式SMA弹簧驱动器驱动,并引入电阻反馈监测SMA相变程度,设计了一种变结构控制器控制SMA加热电流.仿真和实验结果表明:该吸盘产生负压较快,并具有一定的吸附能力,能够作为微型和小型爬壁机器人的吸附机构.     

适用于有限空间的微型形状记忆合金丝驱动器

形状记忆合金（Ｓｈａｐｅ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｌｌｏｙ,ＳＭＡ）丝用于微小型机器人中作驱动器时,为了达到要求的输出位移,其长度往往超出有限的可用空间。研究了产生这种现象的原因,并开发了一种使ＳＭＡ丝在整个可用空间中呈三维状态分布的微驱动器。理论分析和试验结果表明,该驱动器克服了ＳＭＡ丝直线驱动器和ＳＭＡ螺旋弹簧驱动器的弱点,拥有比骨骼肌更好的力学性能,应用于微小仿生机器人时,它可在满足输出位移要求的同     

基于SMA阻尼器的大跨桥梁地震位移控制分析

通过超弹性形状记忆合金(shape memory alloy,简称SMA)拉伸试验研究,建立了SMA四折线本构模型.利用SMA超弹滞回耗能特性,提出一种拉压型SMA阻尼器,并给出其最大输出控制力的计算公式.针对某七跨连续刚构桥,分析了桥梁伸缩缝在无限位器、安装钢棒限位器和安装超弹性SMA阻尼器3种情况下的地震位移.结果表明:安装SMA阻尼器后,伸缩缝处相对位移降低80.3%,中跨跨中水平位移和竖向位移分别降低78.8%和65.9%.因此,SMA阻尼器可以有效控制桥梁结构地震位移,对桥段相对位移的控制效果优于钢棒限位器.     

新型智能材料微小型光学镜头致动器的设计与性能研究

为了使微小型光学镜头驱动系统满足低能耗、高稳定性以及结构简单的要求,采用新型智能材料IPMC设计了一种微小型的光学镜头致动器,并对其输出力、位移及响应速度等性能进行了研究.根据直线驱动要求确定了瓣形和环形结构;通过化学还原方法制备了IPMC材料,采用激光切割技术分别制作出5种形状的环形和瓣形致动器,并对其性能进行了测试.利用有限元软件,通过等效热模型分析了致动器的基本性能,结果表明:实验测试与理论分析结果一致,误差率在10％以内;瓣形致动器的总体位移性能比环形致动器的好;在3V驱动电压下两者的位移均大于200 μm;当内圆半径为2 mm、瓣数为8时,致动器的最大位移与响应速度均最佳.     

一种形状记忆合金丝驱动的微小型六足机器人

为解决有限空间中形状记忆合金（ＳＭＡ）丝驱动的转动关节臂输出角位移不足的问题,提出了两种方法：①减小关节的回转半径,用富余的输出力补偿输出角位移的不足;②在三维可用空间中布置ＳＭＡ丝,增大ＳＭＡ丝的长度,开发了一种ＳＭＡ丝驱动的六足步行机器人,机器人的肢体布局和结构符合仿生学原理,轮廓尺寸为２５ｍｍ＊２５ｍｍ＊２５ｍｍ。并介绍了一种实用该机器人静步态行走的控制策略。     

超磁致伸缩微位移致动器碟簧特征分析与设计

在传统的超磁致伸缩微位移致动器碟簧设计中，以预压力大小作为唯一设计指标．首先定性分析了微位移致动器的结构形式、传力机理；然后定量分析了超磁致伸缩致动器的输出特征，指出引入软性碟簧的可行性和必要性，使超磁致伸缩材料在阶跃段可获得更大的位移输出．针对不同预压应力及相关条件设计碟簧参数，通过试验证明了采用软性碟簧可以有效降低阶跃段系统等效刚度，从而改善换能系统输出．     

后屈曲预压缩技术在飞机舵机系统中的应用

本文采用有限单元法建立了飞机舵机系统的刚柔耦合动力学模型,对舵机的负载输出特性进行了分析,同时利用Fluent软件对某翼型在低速下的气动参数进行仿真计算,并将计算结果导入舵机模型中,对舵机在特定马赫数下由舵偏角变化导致的负载力矩改变时的输出特性进行分析。结果表明,气动载荷的作用会减小舵机的静态输出能力,但轴向力的增加可以显著提高舵机系统的机电耦合效率,从而弥补当舵面发生较大转角时铰链力矩对舵机输出特性产生的负面影响,也进一步验证了该舵机系统完全可以满足小型飞机的应用需求。     

利用一次正、二次逆压电效应设计可作动传感器研究

进行了一次正压电效应、二次逆压电效应的理论分析与实验验证.理论与实验均证明.压电体通过一次正压电效应产生的电位移,及通过二次逆压电效应产生的应变与应力均与施加外力具有良好的线性关系.由于一次正、二次逆压电效应是在同一压电体内存在的双向效应,其原理特别适合于传感器、执行器集成一体化的研究.因此,利用压电体的一次正压电效应可以测量外力,作为传感器使用;同时利用该压电体的二次逆压电效应可以输出一个微位移.作为执行器使用.提出了利用该原理设计"可作动传感器"的实现方案.并证明了其可行性.     

压电智能驱动器力学模型的建立及数值模拟

基于PZT逆压电效应和结构动力学波动原理,建立粘贴式PZT驱动器与主体结构耦合简化力学模型及数学模型;考虑粘结层阻尼效应,建立PZT驱动方程并求解输出力表达式,确定驱动器力学与电学特性的对应关系;通过胶层材料特性、传递的切应力及其厚度变化对PZT驱动性能的影响进行算例分析,拟合出胶层传递剪切力与胶层厚度关系曲线,证明了运用所建立的驱动模型能有效地模拟检测PZT的逆压电规律,可为利用压电智能驱动器控制工程结构检测提供理论依据.     

PP-g-(MAH-co-St)对PP/SMA相容性及力学性能影响的研究

为预测接枝物PP-g-(MAH-co-St)对PP/SMA共混物增容效果和力学性能的影响,采用分子动力学模拟法在COMPASS力场下对PP、SMA、PP/SMA和PP/SMA/PP-g-(MAH-co-St)的玻璃化温度、聚合物结合能、聚合物均方位移和力学性能进行模拟计算,同时采用实验方法测定聚合物的力学性能、水接触角以及缺口断裂形貌。通过比较共混体系加入增容剂前后的玻璃化温度、聚合物结合能和均方位移的变化预测其增容效果,比较拉伸模量和剪切模量和体积模量的变化预测其力学性能的影响。结果表明,PP-g-(MAH-co-St)可作为PP/SMA很好的增容剂且可明显提高其韧性和断裂强度,有效改善其力学性能。     

形状记忆合金丝驱动的仿生转动关节臂

提出了动物关节臂的力学模型,讨论了形状记忆合金（ＳＭＡ）和动物骨骼肌生物力学行为的相似性和力学性能的差异．基于仿生学的原理,研究了用ＳＭＡ丝驱动仿生转动关节的技术．研制了能实现ＳＭＡ感知功能的控制电路和ＳＭＡ丝驱动的仿生转动关节驱动器,并用该关节驱动器开发了一个两自由度的微型关节臂,该微型关节臂可用于微型步行机器人和人工假肢．