基于SMA驅(qū)動的剛-柔耦合的輪式微型機(jī)器人.pdf

1、SMA(Shape Memory Alloy,形狀記憶合金)驅(qū)動器是一種利用SMA的形狀記憶效應(yīng)和室溫馬氏體時相對柔弱、高溫奧氏體時相對強(qiáng)硬的機(jī)械特性對外做功的自動化裝置,具有功率/質(zhì)量比大、結(jié)構(gòu)簡單、無噪音、無污染、易于控制等特點,在微小型機(jī)器人領(lǐng)域有著廣闊的前景。 在國家自然科學(xué)基金的資助下(基金號:60375028),成功開發(fā)出一種新型的基于SMA驅(qū)動的剛/柔耦合的輪式微型機(jī)器人。該機(jī)器人運(yùn)動速度較傳統(tǒng)SMA機(jī)器人相比有

2、顯著提高,并克服了傳統(tǒng)SMA。機(jī)器人只能單向運(yùn)動、不能換向、也不能主動轉(zhuǎn)彎等缺點。 該微型機(jī)器人結(jié)構(gòu)上有兩個特點:一是采用了輪式結(jié)構(gòu)。在偏心輪自鎖機(jī)構(gòu)作用下,成功消除了車輪的倒退現(xiàn)象；平行四邊形換向機(jī)構(gòu)帶動兩偏心輪實現(xiàn)了車輪的雙向自鎖功能,以控制機(jī)器人的運(yùn)動方向。二是具有剛/柔耦合結(jié)構(gòu)。SMA驅(qū)動器中的偏動元件是一柔性元件,該柔性元件可以將SMA彈簧的軸向伸縮變形轉(zhuǎn)化為自身的大彎曲變形。對SMA驅(qū)動器采用不同的控制策略,偏動元件

3、會相應(yīng)地向下、向左或向右發(fā)生彎曲變形,在換向機(jī)構(gòu)的配合下,帶動剛性車體實現(xiàn)直線運(yùn)動或轉(zhuǎn)彎運(yùn)動。論文對SMA驅(qū)動器、偏心輪自鎖機(jī)構(gòu)和換向機(jī)構(gòu)都做了詳細(xì)的介紹,分析了三者在機(jī)器人直線運(yùn)動過程和轉(zhuǎn)彎運(yùn)動過程中必須滿足的條件以及相互之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。 機(jī)器人的運(yùn)動性能主要取決于SMA驅(qū)動器的傳熱性能以及驅(qū)動器中柔性元件的彎曲變形能力。論文對所開發(fā)的三種微型機(jī)器人所用SMA驅(qū)動器的傳熱過程進(jìn)行了分析,得出了驅(qū)動器在加熱階段、保溫階段和冷卻階

4、段的傳熱方程。結(jié)果表明,裸露式SMA驅(qū)動器的加熱時間雖然略長于套筒式SMA驅(qū)動器,冷卻時間卻大大減少。論文用解析法對柔性桿件的靜態(tài)大彎曲變形進(jìn)行了詳細(xì)的分析,得出了柔性桿件末端轉(zhuǎn)角及坐標(biāo)的推導(dǎo)公式,在此基礎(chǔ)上用迭代法討論了B型全方位移動機(jī)器人中彈性桿在SMA驅(qū)動器加熱過程和冷卻過程中的變形情況,得出直線運(yùn)動過程中機(jī)器人質(zhì)心的運(yùn)動規(guī)律和轉(zhuǎn)彎運(yùn)動過程中機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎周期角以及幾何中心點的運(yùn)動軌跡。 此外,針對不同的相變機(jī)理,提出了兩種