形狀記憶合金絲驅(qū)動(dòng)的仿生鯽魚設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、仿生機(jī)器魚與傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)的水下機(jī)器人相比，具有更高的游動(dòng)效率以及更好機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性。而目前仿生機(jī)器魚廣泛采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，普遍存在噪音大、效率低、動(dòng)作生硬以及柔性不高等缺點(diǎn)。隨著智能材料科學(xué)的發(fā)展，采用與動(dòng)物肌肉性能相似、具有傳感功能的智能材料制成機(jī)器魚的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡易、柔性好、噪聲低以及易于主動(dòng)產(chǎn)生復(fù)雜運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，因此逐步成為仿生機(jī)器魚驅(qū)動(dòng)器未來的發(fā)展趨勢(shì)。
　　本文首先以鯽魚為仿生對(duì)象，在對(duì)其形態(tài)結(jié)構(gòu)以及游動(dòng)機(jī)理進(jìn)行研究

2、的基礎(chǔ)上，提出了研制一種形狀記憶合金（Shape memory alloy，SMA）絲驅(qū)動(dòng)仿生鯽魚的設(shè)想。根據(jù)鯽魚樣本的肌肉驅(qū)動(dòng)特征設(shè)計(jì)仿生鯽魚的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上完成了柔性仿生魚尾的設(shè)計(jì)。同時(shí)設(shè)計(jì)了仿生鯽魚的剛性前身與控制系統(tǒng)。再者，對(duì)仿生鯽魚尾部的擺動(dòng)性能進(jìn)行了分析，通過對(duì)柔性仿生魚尾的擺動(dòng)過程進(jìn)行了力學(xué)分析獲取了SMA絲的應(yīng)力、應(yīng)變與魚尾的彎曲角度的關(guān)系方程。引入SMA絲電流加熱的熱力學(xué)方程以及描述 SMA絲相變的本構(gòu)模型方程

3、，結(jié)合力學(xué)分析的結(jié)果，可獲得魚尾最大彎曲角度關(guān)于加熱時(shí)間、加熱電壓和初始溫度的函數(shù)關(guān)系方程，以用于其擺動(dòng)性能分析。最后，完成柔性尾鰭的制作并搭建了試驗(yàn)平臺(tái)用于測試柔性尾鰭的擺動(dòng)性能，通過擺角試驗(yàn)、對(duì)稱性試驗(yàn)、擺動(dòng)和回?cái)[試驗(yàn)、加熱模式試驗(yàn)以及推進(jìn)力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示柔性仿生魚尾在擺動(dòng)角度為16°左右時(shí)，可達(dá)到最高1.4Hz的擺動(dòng)頻率。而在擺動(dòng)角度為21°和最高擺動(dòng)頻率0.8Hz的條件下可獲得最大的平均推進(jìn)力0.041N。而仿生樣機(jī)的游動(dòng)試