基于流體管道冷卻的SMA柔性驅(qū)動器設(shè)計與實驗.pdf

1、科研工作者通過仿照柔性生物體結(jié)構(gòu)特性及運動機理，研制出能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的仿生柔性機器人。與剛性機器人不同的是柔性機器人可以改變自身的形狀和尺寸，可在勘查、救援、軍事及醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)揮重大的作用。常見的運用在柔性機器人的驅(qū)動器有四種:形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動、電活性聚合驅(qū)動、氣動-液壓物理驅(qū)動方式和將化學(xué)轉(zhuǎn)化為機械能的化學(xué)驅(qū)動。以上四種驅(qū)動器各有優(yōu)缺點，其中本文研究的SMA絲驅(qū)動器具有結(jié)構(gòu)簡單，集傳感、驅(qū)動和執(zhí)行功能于一體等性能與人體肌肉非

2、常相似。形狀記憶合金的散熱速度慢是導(dǎo)致的響應(yīng)頻率低的主要因素，這也極大的限制了其運用前景。本文以提高形狀記憶合金絲驅(qū)動器頻率為目標展開研究工作。
　　首先調(diào)研了當前國內(nèi)外柔性機器人以及常見的四種柔性驅(qū)動器的發(fā)展概況。以形狀記憶合金驅(qū)動器為研究對象，分析了形狀記憶合金驅(qū)動器的材料特性和驅(qū)動原理，淺析了提高形狀記憶合金驅(qū)動器頻率的重要性，列舉了當前冷卻形狀記憶合金驅(qū)動器的常見解決方法。仿照生物的水管道循環(huán)系統(tǒng)，探討了一種新型冷卻方式，

3、提出了一種基于微管道冷卻的形狀記憶合金絲驅(qū)動器。該驅(qū)動器具備了驅(qū)動和冷卻功能，提高了形狀記憶合金在空氣中的冷卻速度。文章的主要研究內(nèi)容有:柔性機器人常見的研究模型，常見柔性驅(qū)動器的驅(qū)動機理，基于流體管道冷卻的形狀記憶合金驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝制作，測試了驅(qū)動器的熱學(xué)性能和穩(wěn)定性能，具體內(nèi)容如下:
　　(1)柔性機器人因其具有最貼近生物的柔韌性，而逐漸成為一種備受研究者關(guān)注的新的研究領(lǐng)域。當前常作為柔性機器人的驅(qū)動器有四種:電活性聚

4、合物驅(qū)動、形狀記憶合金驅(qū)動、液壓或氣動驅(qū)動器和化學(xué)驅(qū)動器，同時調(diào)研每種驅(qū)動器的研究現(xiàn)狀和優(yōu)缺點。
　　(2)形狀記憶合金驅(qū)動器為本文研究對象開展研究。將當前的冷卻形狀記憶合金驅(qū)動的方法歸為兩種:無動力制冷（包括改變形狀記憶合金的直徑，使用相變溫度較高的形狀記憶合金，改變加熱占空比，改變加載方式等）和動力制冷（包括水冷、空冷、風(fēng)冷和加入熱傳導(dǎo)材料等）。其中流動的水冷效果比較明顯，且成本比較低。以水循環(huán)冷卻為原理，設(shè)計出了新型的流體水

5、循環(huán)網(wǎng)絡(luò)冷卻的形狀記憶合金驅(qū)動器。
　　(3)根據(jù)微機電加工技術(shù)、3D打印技術(shù)、澆注等工藝制作基于流體管道冷卻的形狀記憶合金驅(qū)動器，并且經(jīng)過長時間的微加工工藝摸索，給出了成本較低的最優(yōu)的工藝方法和條件。實驗設(shè)計了多種不同的微管道結(jié)構(gòu)，通過實驗測試排除法，最后給出了符合當前實驗條件的的微管道結(jié)構(gòu)尺寸、形狀以及工藝步驟。
　　(4)開展了對冷卻效果的實驗驗證研究，通過實驗對比法進行了微管道冷卻效果的驗證。兩組實驗對比組即使微管道