基于SMA的仿生柔性魚鰭三維運(yùn)動(dòng)機(jī)理與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文基于SMA的仿生柔性魚鰭三維運(yùn)動(dòng)機(jī)理與實(shí)驗(yàn)研究姓名：顏欽申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：博士專業(yè)：精密儀器及機(jī)械指導(dǎo)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(shí)現(xiàn)。（3）對(duì)SMA柔性鰭條進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和分析，同時(shí)對(duì)仿生柔性胸鰭的三維運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)和研制出了仿生胸鰭的控制系統(tǒng)。對(duì)SMA柔性鰭條的二維運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，并對(duì)其的三種驅(qū)動(dòng)方式分別進(jìn)行了探討，得到了SMA柔性鰭條運(yùn)動(dòng)的

2、空間描述方程；基于SMA柔性驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)，針對(duì)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(yùn)動(dòng)機(jī)理；對(duì)仿生柔性胸鰭的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，分別設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究提供了基礎(chǔ)和研究平臺(tái)。（4）采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法對(duì)SMA柔性驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)性能和仿生柔性胸鰭的水動(dòng)力進(jìn)行了研究。研究了加熱電流、擺動(dòng)頻率對(duì)絲狀SMA柔性驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)性能的影響，結(jié)果表明

3、，SMA柔性驅(qū)動(dòng)器的最大擺動(dòng)角度隨著加熱電流增大而線性增大，隨著擺動(dòng)頻率的增大而減小。在所考察的幾種絲徑的SMA柔性驅(qū)動(dòng)器中，絲徑為0.15mm的性能最為突出，最大擺動(dòng)角度達(dá)到90，最大擺動(dòng)頻率達(dá)到5Hz，與數(shù)值計(jì)算分析的結(jié)果幾乎一致；對(duì)仿生柔性胸鰭的基本姿態(tài)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)得到，仿生柔性胸鰭在擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)中擴(kuò)張度隨加熱電流近似成線性增加的關(guān)系，最大擴(kuò)張度為1.45；在仿生柔性胸鰭平躺著進(jìn)行彎曲和波動(dòng)運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，彎曲運(yùn)動(dòng)

4、中產(chǎn)生的側(cè)向力和偏航力矩較大，波動(dòng)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的升力和翻滾力矩較大，力的量級(jí)大小都在0.08N0.12N之間，力矩的量級(jí)大小在0.01Nm0.05Nm之間。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，對(duì)仿生柔性胸鰭在不同的擊水?dāng)[幅、拍動(dòng)頻率、擊水俯仰角、擺動(dòng)非對(duì)稱系數(shù)和“模擬魚體”移動(dòng)速度情況下產(chǎn)生的水動(dòng)力進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：仿生柔性胸鰭的推進(jìn)力受擺角幅值、擊水俯仰角和“模擬魚體”的移動(dòng)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(dòng)非對(duì)稱系數(shù)對(duì)側(cè)向力的影響較大，當(dāng)擺動(dòng)非對(duì)稱系數(shù)增大時(shí)，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(dòng)速度影響較大，而擺動(dòng)頻率、“模擬魚體”的移動(dòng)速度和非對(duì)稱系數(shù)對(duì)翻滾力矩的影響較大，俯仰力矩主要受非對(duì)稱系數(shù)的影響較大，產(chǎn)生的各個(gè)方向的力和力矩的量級(jí)大小分別在0.5N左右和0.1Nm左右，同時(shí)，采用極差分析法得出了獲取目標(biāo)水動(dòng)力時(shí)的最佳運(yùn)動(dòng)參數(shù)組合。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：仿生柔性魚鰭，三維運(yùn)動(dòng)，形狀記憶合金，SMA柔性驅(qū)