基于流體管道冷卻的SMA柔性驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn).pdf

1、科研工作者通過(guò)仿照柔性生物體結(jié)構(gòu)特性及運(yùn)動(dòng)機(jī)理，研制出能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的仿生柔性機(jī)器人。與剛性機(jī)器人不同的是柔性機(jī)器人可以改變自身的形狀和尺寸，可在勘查、救援、軍事及醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)揮重大的作用。常見的運(yùn)用在柔性機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器有四種:形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動(dòng)、電活性聚合驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)-液壓物理驅(qū)動(dòng)方式和將化學(xué)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的化學(xué)驅(qū)動(dòng)。以上四種驅(qū)動(dòng)器各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中本文研究的SMA絲驅(qū)動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集傳感、驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行功能于一體等性能與人體肌肉非

2、常相似。形狀記憶合金的散熱速度慢是導(dǎo)致的響應(yīng)頻率低的主要因素，這也極大的限制了其運(yùn)用前景。本文以提高形狀記憶合金絲驅(qū)動(dòng)器頻率為目標(biāo)展開研究工作。
　　首先調(diào)研了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外柔性機(jī)器人以及常見的四種柔性驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展概況。以形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器為研究對(duì)象，分析了形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器的材料特性和驅(qū)動(dòng)原理，淺析了提高形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器頻率的重要性，列舉了當(dāng)前冷卻形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器的常見解決方法。仿照生物的水管道循環(huán)系統(tǒng)，探討了一種新型冷卻方式，

3、提出了一種基于微管道冷卻的形狀記憶合金絲驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器具備了驅(qū)動(dòng)和冷卻功能，提高了形狀記憶合金在空氣中的冷卻速度。文章的主要研究?jī)?nèi)容有:柔性機(jī)器人常見的研究模型，常見柔性驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)機(jī)理，基于流體管道冷卻的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝制作，測(cè)試了驅(qū)動(dòng)器的熱學(xué)性能和穩(wěn)定性能，具體內(nèi)容如下:
　　(1)柔性機(jī)器人因其具有最貼近生物的柔韌性，而逐漸成為一種備受研究者關(guān)注的新的研究領(lǐng)域。當(dāng)前常作為柔性機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器有四種:電活性聚

4、合物驅(qū)動(dòng)、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)、液壓或氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器和化學(xué)驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)調(diào)研每種驅(qū)動(dòng)器的研究現(xiàn)狀和優(yōu)缺點(diǎn)。
　　(2)形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器為本文研究對(duì)象開展研究。將當(dāng)前的冷卻形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的方法歸為兩種:無(wú)動(dòng)力制冷（包括改變形狀記憶合金的直徑，使用相變溫度較高的形狀記憶合金，改變加熱占空比，改變加載方式等）和動(dòng)力制冷（包括水冷、空冷、風(fēng)冷和加入熱傳導(dǎo)材料等）。其中流動(dòng)的水冷效果比較明顯，且成本比較低。以水循環(huán)冷卻為原理，設(shè)計(jì)出了新型的流體水

5、循環(huán)網(wǎng)絡(luò)冷卻的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器。
　　(3)根據(jù)微機(jī)電加工技術(shù)、3D打印技術(shù)、澆注等工藝制作基于流體管道冷卻的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器，并且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的微加工工藝摸索，給出了成本較低的最優(yōu)的工藝方法和條件。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了多種不同的微管道結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試排除法，最后給出了符合當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件的的微管道結(jié)構(gòu)尺寸、形狀以及工藝步驟。
　　(4)開展了對(duì)冷卻效果的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比法進(jìn)行了微管道冷卻效果的驗(yàn)證。兩組實(shí)驗(yàn)對(duì)比組即使微管道