基于SMA的仿生柔性魚鰭三維運動機理與實驗研究.pdf

1、中國科學技術大學博士學位論文基于SMA的仿生柔性魚鰭三維運動機理與實驗研究姓名：顏欽申請學位級別：博士專業(yè)：精密儀器及機械指導教師：楊杰張世武20110425摘要II析了仿生柔性胸鰭的五種基本姿態(tài)的具體實現(xiàn)。（3）對SMA柔性鰭條進行了運動學建模和分析，同時對仿生柔性胸鰭的三維運動機理進行了研究，并設計和研制出了仿生胸鰭的控制系統(tǒng)。對SMA柔性鰭條的二維運動進行了運動學建模，并對其的三種驅(qū)動方式分別進行了探討，得到了SMA柔性鰭條運動的

2、空間描述方程；基于SMA柔性驅(qū)動器的特點，針對仿生柔性胸鰭的姿態(tài)控制提出了矩陣控制法，闡述了仿生柔性胸鰭的三維運動機理；對仿生柔性胸鰭的控制系統(tǒng)進行了設計研究，分別設計出了仿生柔性胸鰭的硬件控制系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)，為仿生柔性胸鰭的運動控制實現(xiàn)和性能測試實驗研究提供了基礎和研究平臺。（4）采用實驗測量的方法對SMA柔性驅(qū)動器的運動性能和仿生柔性胸鰭的水動力進行了研究。研究了加熱電流、擺動頻率對絲狀SMA柔性驅(qū)動器的運動性能的影響，結(jié)果表明

3、，SMA柔性驅(qū)動器的最大擺動角度隨著加熱電流增大而線性增大，隨著擺動頻率的增大而減小。在所考察的幾種絲徑的SMA柔性驅(qū)動器中，絲徑為0.15mm的性能最為突出，最大擺動角度達到90，最大擺動頻率達到5Hz，與數(shù)值計算分析的結(jié)果幾乎一致；對仿生柔性胸鰭的基本姿態(tài)進行了實驗研究，實驗得到，仿生柔性胸鰭在擴展運動中擴張度隨加熱電流近似成線性增加的關系，最大擴張度為1.45；在仿生柔性胸鰭平躺著進行彎曲和波動運動的水動力測量實驗時發(fā)現(xiàn)，彎曲運動

4、中產(chǎn)生的側(cè)向力和偏航力矩較大，波動運動中產(chǎn)生的升力和翻滾力矩較大，力的量級大小都在0.08N0.12N之間，力矩的量級大小在0.01Nm0.05Nm之間。采用正交試驗設計的方法，對仿生柔性胸鰭在不同的擊水擺幅、拍動頻率、擊水俯仰角、擺動非對稱系數(shù)和“模擬魚體”移動速度情況下產(chǎn)生的水動力進行了研究，實驗結(jié)果表明：仿生柔性胸鰭的推進力受擺角幅值、擊水俯仰角和“模擬魚體”的移動速度的影響較大，升力受擊水俯仰角的影響較大，隨著擊水俯仰角的增大而

5、線性減小，擺動非對稱系數(shù)對側(cè)向力的影響較大，當擺動非對稱系數(shù)增大時，側(cè)向力隨之增大，偏航力矩受擊水俯仰角和“模擬魚體”的移動速度影響較大，而擺動頻率、“模擬魚體”的移動速度和非對稱系數(shù)對翻滾力矩的影響較大，俯仰力矩主要受非對稱系數(shù)的影響較大，產(chǎn)生的各個方向的力和力矩的量級大小分別在0.5N左右和0.1Nm左右，同時，采用極差分析法得出了獲取目標水動力時的最佳運動參數(shù)組合。關鍵詞：關鍵詞：仿生柔性魚鰭，三維運動，形狀記憶合金，SMA柔性驅(qū)