中国科学技术大学 硕士学位论文 基于形状记忆合金的仿生鳍条结构设计及实验研究 姓名：宋艳 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：杨杰 20090501
中国科学技术大学 硕士学位论文 基于形状记忆合金的仿生鳍条结构设计及实验研究 姓名：宋艳 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：杨杰 20090501
摘要 摘要 基于功能材料的柔性仿生鱼鳍的研究是当今水下仿生机器人研究的热点之 一。机电系统在工作原理、外形和性能等方面都与动物肌肉存在很大区别，尤 其是缺乏类似动物“肌腱”的高性能储能元件。因此，本文在利用更接近肌肉驱 动特征的智能材料作为驱动源的柔性仿生鱼鳍研究上做了一些探讨性工作。在 如何利用新型智能材料作为驱动源研制仿生鱼鳍方面做了初步尝试和探讨，为 仿生水下推进器的发展方向抛砖引玉。 首先，根据文献调研和本课题组研究的经验，形状记忆合金因大功重比、 集驱动传动和传感与一身、变形大等优点使得它在智能材料应用领域具有独特 的应用前景，本文在多种功能材料的比较分析基础上，最终选定NT形状记忆 合金材料。 然后，本文针对柔性仿生鱼鳍的结构特点以及形状记忆合金材料本身的特 性，提出了以一对差动方式安装的具有单向形状记忆效应的薄板状形状记忆合 金作为鳍条基本单元，以应变传感器检测和反馈形状记忆合金薄板弯曲形变量， 以模糊控制作为基本运动控制算法，实现了柔性鱼鳍的摆动和波动运动。通过 实验给出了形状记忆合金鳍条弯曲输出力与薄板厚度的关系，鳍条最大偏转角 度与厚度的关系以及加热电流占空比与鳍条最大偏转角度的关系，对仿生鱼鳍 的设计进行了初步的优化。 最后，为验证所设计的形状记忆合金跳动器的应变反馈性能，进行了驱动 系统的偏转实验。由于驱动力和响应频率的相互制约关系，所提出的设计方法 和设计的驱动器系统还需要进一步改进和优化。 论文最后给出本文研究工作的主要结论和展望。 关键词：仿生鳍条形状记忆合金优化设计
摘要 摘要 基于功能材料的柔性仿生鱼鳍的研究是当今水下仿生机器人研究的热点之 一。机电系统在工作原理、外形和性能等方面都与动物肌肉存在很大区别，尤 其是缺乏类似动物“肌腱”的高性能储能元件。因此，本文在利用更接近肌肉驱 动特征的智能材料作为驱动源的柔性仿生鱼鳍研究上做了一些探讨性工作。在 如何利用新型智能材料作为驱动源研制仿生鱼鳍方面做了初步尝试和探讨，为 仿生水下推进器的发展方向抛砖引玉。 首先，根据文献调研和本课题组研究的经验，形状记忆合金因大功重比、 集驱动传动和传感与一身、变形大等优点使得它在智能材料应用领域具有独特 的应用前景，本文在多种功能材料的比较分析基础上，最终选定NiTi形状记忆 合金材料。 然后，本文针对柔性仿生鱼鳍的结构特点以及形状记忆合金材料本身的特 性，提出了以一对差动方式安装的具有单向形状记忆效应的薄板状形状记忆合 金作为鳍条基本单元，以应变传感器检测和反馈形状记忆合金薄板弯曲形变量， 以模糊控制作为基本运动控制算法，实现了柔性鱼鳍的摆动和波动运动。通过 实验给出了形状记忆合金鳍条弯曲输出力与薄板厚度的关系，鳍条最大偏转角 度与厚度的关系以及加热电流占空比与鳍条最大偏转角度的关系，对仿生鱼鳍 的设计进行了初步的优化。 最后，为验证所设计的形状记忆合金驱动器的应变反馈性能，进行了驱动 系统的偏转实验。由于驱动力和响应频率的相互制约关系，所提出的设计方法 和设计的驱动器系统还需要进一步改进和优化。 论文最后给出本文研究工作的主要结论和展望。 关键词：仿生鳍条形状记忆合金优化设计
Abstract Abstract The research on flexible biomimetic fish fin based on intelligent materials is one of hot topics in underwater robotic area.There exists great difference between electro-mechanical system and animal muscle on driven principle,form,performance, etc.,particularly lacks efficient energy storage element that similar to the muscle tendon of animals.Therefore,we further carry out research on smart material driven bio-fin,the character of which is much close to muscles.A new actuator driven by smart material is initially investigated,which provides an innovative idea and another choice for the bionic design of underwater vehicles. Firstly,according to the research and study on literature and the experience of our research group,shape memory alloy have a high ratio of power to weight,the characteristic of driver and sensor,the great ratio of deformation and other advantages,which make it be foreground in the field of smart materials application. This paper is based on comparative analysis of variety of functional materials, choosing NiTi shape memory alloy. Secondly,a couple of differentially equipped SMA plates with single Shape Memory Effect (SME)act as the function of fin ray,according to the structure of flexible bio-fin along with the characteristic of SMA,.The deformation information is detected and feedback by strain transducer,and then achieve both oscillatory and undulatory motion of the flexible fin through Fuzzy Logic Control(FLC)algorithm. The preliminary experiments present the relationship between the bending force and the thickness of SMA plate,the relationship between the maximal bending angle and the thickness of SMA plate,and the relationship between the maximal bending angle and the heating current.This is meant for an initial optimal design of SMA bio-fin. Finally,to verify the temperature controlling performance the of shape memory alloys drive,the experiments are proceeded with the deflection of the system.As the force and frequency response constraining mutual,the design of structure and drive system needs further improvement and optimization. The dissertation finally gave the summary to research work above-mentioned and pointed out some future work. Key Words:Biomimetic fish fin,Shape memory alloy,Optimum design
Abstract EE --l m IIII II Abstract The research on flexible biomimetic fish fin based on intelligent materials is one of hot topics in underwater robotic area．There exists great difference between electro．mechanical system and animal muscle on driven principle，form，performance， etc．，particularly lacks efficient energy storage element that similar to the muscle tendon of animals．Therefore，we further carry out research on smart material driven bio．fin．the character of which is much close to muscles．A new actuator driven by smart material is initially investigated，which provides all innovative idea and another choice for the bionic design of underwater vehicles． Firstly,according to the research and study on literature and the experience of our research group，shape memory alloy have a high ratio of power to weight，the characteristic of driver and sensor,the great ratio of deformation and other advantages，which make it be foreground in the field of smart materials application． This paper is based on comparative analysis of variety of functional materials， choosing NiTi shape memory alloy． Secondly,a couple of di fferentially equipped SMA plates with single Shape Memory Effect(SME)act as the function of fin ray,according to the structure of flexible bio。丘n along with the characteristic of SMA，．The deformation information is detected and feedback by strain transducer,and then achieve both oscillatory and undulatory motion of the flexible fin through Fuzzy Logic Control(FLC)algorithm． The preliminary experiments present the relationship between the bending force and the thickness of SMA plate，the relationship between the maximal bending angle and the thickness of SMA plate，and the relationship between the maximal bending angle and the heating current．This is meant for all initial optimal design of SMA bio—fin． Finally,to verify the temperature controlling performance the of shape memory alloys drive，the experiments are proceeded with the deflection of the system．As the force and frequency response constraining mutual，the design of structure and drive system needs further improvement and optimization． The dissertation finally gave the summary to research work above-mentioned and pointed out some future work． Key Words：Biomimetic fish fin，Shape memory alloy,Optimum design
论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：宋艳 2年6日
论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：鏖差包z 年歹惑日
第1章绪论 第1章绪论 1.1 引言 在当今电子、新材料、空间技术、能源等世界公认的高新技术中，新材料是 其他高技术赖以发展的物质基础。上世纪80年代，人们提出了智能材料的概念， 使人们对材料及其结构的研究中边入了一个新的纪元。智能材料或称智能材料系 统(Smart Materials或Intelligent Material System)以功能材料为基础发展起来的。 功能材料有两类，一类是对外界（或内部）的刺激强度（如应力、应变、热、光、电、 磁、化学和辐射等)具有感知的材料，通称感知材料，用它可做成各种传感器； 另一类是对外界环境条件（或内部状态）发生变化可作出相应或驱动的材料，这种 材料可做成驱动器。智能材料是利用上述材料做成传感器和驱动器。借助现代信 息技术对感知的信息进行处理并把指令反馈给驱动器，从而作出灵敏，适当的反 应，当外部刺激消除后又能迅速恢复到原始状念。 所谓智能材料，既要求材料体系集感知、驱动、信息处理于一体，形成类似 生物材料那样具有智能属性的材料，即适时、准确地感知环境变化并能实时地做 出与变化后的环境相适应的动作反应，实现动念、在线状念下的自检测、自诊断、 12 自控制、自校正和自修复。 智能材料驱动器和机电式水下推进器相比，其具有独特优势： ·具有很高功重比。这对于仿生机器鱼微小型化是至关重要的，传统驱动 源随形体尺寸降低，驱动能力将大幅下降，无法满足微小型驱动系统的 要求： ●功能材料驱动常可以不需传动机构，这样大大简化结构，减小摩擦损耗， 提高能量利用率： ●无工作噪音： ●具有尘物肌肉的动作机理和特性： 随着科学技术发展，人们对材料的功能性提出了更高要求，当前研究的智能 材料与结构(Smart Materials and Structure)是以复合材料为主体，将复合材料、传 感元件和驱动元件融合或集合成为一个整体的结构，其不仅具有可以承受载荷和 传递运动的能力，而且可以通过自身传感网络检测多种信息（如强度、应力、应 变等)，经控制单元识别和处理，从而触发相应的驱动元件，以及改变结构的外 形、刚度及强度等。即结构根据外部环境和自身状况作出自适应调整，使结构始 终处于最佳（或较佳）的状态。因此，它被公认为材料发展一个重要方向
第l章绪论 1．1 引言 第1章绪论 在当今电子、新材料、空间技术、能源等世界公认的高新技术中，新材料是 其他高技术赖以发展的物质基础。上世纪80年代，人们提出了智能材料的概念， 使人们对材料及其结构的研究中迈入了一个新的纪元。智能材料或称智能材料系 统(Smart Materials或Intelligent Material System)以功能材料为基础发展起来的。 功能材料有两类，一类是对外界(或内部)的刺激强度(如应力、应变、热、光、电、 磁、化学和辐射等)具有感知的材料，通称感知材料，用它可做成各种传感器； 另一类是对外界环境条件(或内部状态)发生变化可作出相应或驱动的材料，这种 材料可做成驱动器。智能材料是利用上述材料做成传感器和驱动器。借助现代信 息技术对感知的信息进行处理并把指令反馈给驱动器，从而作出灵敏，适当的反 应，当外部刺激消除后又能迅速恢复到原始状态～。 所谓智能材料，既要求材料体系集感知、驱动、信息处理于一体，形成类似 生物材料那样具有智能属性的材料，即适时、准确地感知环境变化并能实时地做 出与变化后的环境相适应的动作反应，实现动念、在线状态下的自检测、自诊断、 自控制、自校正和自修复一。 智能材料驱动器和机电式水下推进器相比，其具有独特优势： ●具有很高功重比。这对于仿生机器鱼微小型化是至关重要的，传统驱动 源随形体尺寸降低，驱动能力将大幅下降，无法满足微小型驱动系统的 要求； ·功能材料驱动常可以不需传动机构，这样大大简化结构，减小摩擦损耗， 提高能量利用率； ·无工作噪音； ·具有生物肌肉的动作机理和特性； 随着科学技术发展，人们对材料的功能性提出了更高要求，当i订研究的智能 材料与结构(Smart Materials and Structure)是以复合材料为主体，将复合材料、传 感元件和驱动元件融合或集合成为一个整体的结构，其不仅具有可以承受载荷和 传递运动的能力，而且可以通过自身传感网络检测多种信息(如强度、应力、应 变等)，经控制单元识别和处理，从而触发相应的驱动元件，以及改变结构的外 形、刚度及强度等。即结构根据外部环境和自身状况作出自适应调整，使结构始 终处于最佳(或较佳)的状态～。因此，它被公认为材料发展一个重要方向