基于SMA驅動的剛-柔耦合的輪式微型機器人.pdf

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

2、顯著提高,并克服了傳統(tǒng)SMA。機器人只能單向運動、不能換向、也不能主動轉彎等缺點。 該微型機器人結構上有兩個特點:一是采用了輪式結構。在偏心輪自鎖機構作用下,成功消除了車輪的倒退現(xiàn)象；平行四邊形換向機構帶動兩偏心輪實現(xiàn)了車輪的雙向自鎖功能,以控制機器人的運動方向。二是具有剛/柔耦合結構。SMA驅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化為自身的大彎曲變形。對SMA驅動器采用不同的控制策略,偏動元件

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

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