SMA弹簧集群驱动控制与动态特性研究

研究了SMA弹簧集群的驱动控制与动态特性。在分析生物骨骼肌微观结构特性的基础上,建立了3行5列的阵列结构SMA弹簧集群及驱动控制实验平台。基于数理统计理论,建立了SMA弹簧集群驱动开关控制方法,利用ADAMS软件对SMA致动器集群的位移和力特性进行了仿真分析。设计了基于PLC的集群控制硬件平台,利用组态王软件建立了集群控制图形用户界面,给出了SMA弹簧集群的激活控制法则,获得了SMA弹簧集群的张力时间历程,在此基础上研究了不同的SMA弹簧激活组合对输出力特性的影响。实验表明,SMA致动器集群存在严重的耦合特性。最后讨论了致动器集群输出力的振荡特性及振荡消除方法。     

热压电仿生热鲁棒结构的致动器最优配置

研究热压电仿生热鲁棒结构中的致动器放置优化问题。为找到热压电致动器的最优放置,提出了热压电介质的主导方程,讨论了各耦合因素对仿生热鲁棒结构控制的影响及致动器的工作机理。提出目标函数来评价系统可控性以优化致动器的放置,并讨论了致动器放置与系统可控性间的关系。基于致动器优化放置的分析结果,确定仿生热鲁棒结构中致动器优化放置的准则。因而,仿生热鲁棒结构的最佳致动器配置能从可能的致动器配置中得到,使系统具有最佳的热鲁棒性和控制效率。     

计及毛细力作用时旋转式MEMS/NEMS致动器的吸合稳定性

建立旋转式MEMS/NEMS(micro-or nano-electro-mechanical system)致动器的单自由度力学模型,研究毛细力对该类致动器吸合时的临界倾角以及临界电压的影响.得到临界倾角随结构特征尺寸的变化曲线,并对临界电压进行修正.研究没有外加电压引起的静电力作用时,旋转式MEMS/NEMS致动器在毛细力作用下的失稳现象,给出致动器的失稳准则,以及失稳时致动器的临界特征几何尺度.     

超磁致伸缩电静液作动器输出流量影响因素分析

首先对作动器的工作原理进行分析,随后建立了作动器系统的数学模型,通过仿真分析得到超磁致伸缩执行器输出位移与驱动频率的关系,泵腔内活塞直径、泵腔高度与作动器输出流量的关系以及系统偏压与作动器输出流量的关系。对超磁致伸缩执行器进行实验和仿真对比,验证了仿真模型的正确性。对影响超磁致伸缩电静液作动器输出流量的几种因素进行总结,给出了这些影响因素在超磁致伸缩作动器设计与优化中的选取准则。     

可控度/可观度在智能结构热压电致动器/传感器配置中的应用

研究智能结构中热压电致动器/传感器配置的优化问题。提出了热压电介质的动态控制方程。提出目标函数来评价系统可控度、可观度以优化致动器/传感器的放置,用具体算例讨论了热压电致动器/传感器的位置和数目对系统可控度、可观度的影响,由此得到了有关致动器/传感器配置的结论。     

基于位移传递机构的超磁致伸缩致动器磁场分析

为放大超磁致伸缩致动器的位移,设计了位移传递机构以叠加致动器中超磁致伸缩棒和筒的输出。针对该致动器中棒和筒的磁场分布问题,基于有限元法建立了磁场强度的计算电磁学模型,并利用ANSYS软件进行了仿真。通过仿真得到了棒和筒上任一点磁场强度,并基于一种新的平均化方法确定了截面磁场强度平均值;最后得到位移传递机构取不同磁导率时棒和筒上磁场强度的轴向分布规律。     

电控喷油器用超磁致伸缩致动器发展现状

电控喷油器用致动器的性能,对喷油器喷油特性以及发动机工作性能具有重大影响。探讨了应用超磁致伸缩材料作为换能元件的超磁致伸缩致动器在电控喷油器中的应用现状。首先,介绍了超磁致伸缩致动器的发展背景;其次,简要介绍了超磁致伸缩材料的作用机理、优良特性以及超磁致伸缩致动器的结构原理;然后,将电控喷油器按照致动器通电工作方式、驱动方式的不同进行分类,系统梳理了超磁致伸缩致动器应用于电控喷油器的研究现状;最后,展望了电控喷油器用致动器的发展方向。     

超磁致伸缩致动器能量损耗特性分析

提出了超磁致伸缩棒内部平均磁场计算方法,结合动态J-A模型以及线圈阻抗公式得到了超磁致伸缩致动器的能耗特性。分析了超磁致伸缩棒能耗、线圈能耗以及超磁致伸缩致动器总能耗随频率的变化趋势。分析结果表明,超磁致伸缩棒以及线圈能耗均随着频率的增大而增大,而且超磁致伸缩棒能耗占超磁致伸缩致动器总能耗的比例会随着频率的增大而增大。计算了油冷条件下超磁致伸缩棒的表面温度,计算结果与实验结果较为吻合,证明了能耗模型的正确性。分析过程及方法为超磁致伸缩致动器的设计和控制提供了有益的参考。     

综合模态H2范数下致动器/传感器的优化配置

致动器/传感器的优化配置问题是智能柔性结构振动主动控制中的关键技术问题,基于模态空间H_2范数研究了智能柔性梁系统中压电致动器/传感器的优化配置问题。根据Rayleigh-Ritz理论建立了系统的动力学方程并得到其状态空间表达式。提出了一种衡量系统能控/能观性并考虑模态权重的综合模态H_2范数准则,采用改进遗传算法研究系统中并置致动器/传感器的优化配置问题,得到了系统多个模态、综合模态H_2范数最优的致动器/传感器布局结果。实验结果表明,利用优化结果进行致动器/传感器的布局,系统单个模态和综合模态均具有较好的检测和控制效果,被控模态具有较好的能控/能观性,所提出的优化准则和优化方法是可行的。     

智能杆致动器优化配置及扭振主动控制试验

针对智能杆系统中压电扭转致动器的优化配置问题,提出了一种由柔性薄壁杆、压电扭转致动器和电阻应变片传感器组成的智能杆系统,对智能杆的扭转振动进行了理论与试验研究。采用拉格朗日方程和假设模态法推导了智能杆系统的动力学方程,建立了系统的状态空间表达式。选取控制器的最小输入能量作为致动器位置配置的优化准则,运用遗传算法获得了压电扭转致动器的最佳配置位置,并构建了试验系统。试验结果表明,获得的最优位置是合理的,将致动器配置在最优位置并实施相应的应变反馈控制,控制器的输入能量最小,智能杆的扭转振动能得到有效抑制。     

形状记忆合金线性驱动器的设计及位移特性分析

为克服传统带有偏置装置形状记忆合金驱动器结构复杂、响应速度慢的缺点,利用形状记忆合金(Shape memory alloy,SMA)的单程形状记忆效应,设计并制造一种不带偏置装置且可实现双程运动的线性驱动器,该驱动器由两根形状记忆合金丝、滑轮、部件、导轨、支座及固定螺钉组成。接着基于Brinson一维本构方程及转换方程,推导出两根SMA丝在不同条件下的应变表达式;提出将马氏体相变应力看作体力,分析温度变化与驱动器位移的关系及外载荷变化对驱动器最大位移的影响。对计算结果进行试验验证,结果表明,所设计驱动器可实现往复双程运动;随着SMA丝温度的升高所获得的位移呈非线性增大,当温度超过奥氏体转变结束温度Af,位移达到最大,而初始化过程获得的最大位移为正常运动的一半;增大载荷,驱动器的最大位移逐渐减小,当载荷达到51.0 N时,驱动器停止运动,即位移减小为零。     

弯曲型内嵌式SMA驱动器的设计与优化

在直线型内嵌式形状记忆和合金驱动器(ESMAA)的研究基础上,提出了弯曲型ESMAA结构。该驱动器工艺简单,循环寿命更长,运行可靠性更高。通过温控方式可实现驱动器的往复可逆弯曲运动,对外稳定输出力和位移。本文建立了驱动器的变形理论,结合实验结果,对丝半径、丝的预变形量和棒半径进行了优化设计,得出了这一驱动器设计的规律性结论。     

A simple smart wing actuator using Ni-Ti SMA

One way shape memory effect (SME) is not sufficient in the application of the automatic repeated actuation of the SMA wire because the actuator using SME cannot return to its initial shape after it cools down. In the present study, the two-way SME under residual stress is considered. An actuator using the two-way effect of SMA returns to its initial shape by increasing or decreasing the temperature of SMA under initial residual stress. Using the two-way effect, we manufactured a simple smart wing actuator which consists of the SMA wire and a torsional spring to induce variable residual stresses. The SMA wire after the specific training procedure in order for the actuator to be used for the repeated actuations without performance deteriorations in the specified actuation requirements was used. The simple smart wing actuator has been tested for repeated actuations in still-air as an environmental thermal condition for the practical aspect of its usage. The characteristics of actuator behavior according to operation thermal cycle duration time, i.e., the response characteristics for rapid actuation were investigated. By the application of the simple smart wing actuator using the SMA wire, SMA shows novel performance in repeated actuations.     

SMA丝驱动器恒载电热驱动实验研究

针对较粗SMA丝直接电热困难的问题,设计了给SMA丝缠绕漆包线的电热方法。该方法既可以大幅提高SMA丝的电热响应速率,同时由于省去一TSMA丝与驱动器其他部件连接时的绝缘保护措施,简化了结构,提高了驱动器的功重比,强化了SMA丝与驱动器部件的连接强度,提高了驱动器的驱动输出能力。电热升温测试和恒载热循环驱动实验结果表明,该方法是可行的。     

SMA丝缠绕角对扭力驱动器驱动性能影响的试验研究

在智能结构的驱动系统研究中,形状记忆合金(SMA)以其独特的力学性能倍受关注。将含有预拉伸变形的SMA丝与薄壁圆管复合,能够构成具有扭转变形输出或转矩输出功能的驱动器,为飞行器翼面操纵系统等提供新的设计思路。在SMA扭力驱动器中,SMA丝的缠绕角是影响驱动器驱动能力的一个重要参数。针对缠绕角分别为40°、45°、55°、60°和75°的一组驱动器,采用试验手段,获得了自由状态、完全约束状态和弹性约束等三种状态下,上述驱动器的温度－缠绕角－扭转角(或转矩)等多组关系曲线,得到了当缠绕角为60°时,驱动器有最大扭转角和最大转矩的试验结果。研究结果对深入探索SMA扭力驱动器的力学模型和驱动器结构参数的优化具有重要的参考价值。     

形状记忆合金丝驱动器大功率驱动测量控制电路设计

针对直接通电加热驱动形状记忆合金(SMA)丝时因电流过大引起元器件发热及带来测量误差的问题,提出基于SMA丝电阻测量的大功率驱动控制电路系统.根据SMA丝的电阻特性以及SMA丝加热电流与相变时间的关系,该系统能够在精确测量SMA丝电阻的同时提供足够大的加热电流,在PI控制器的作用下实现闭环控制,为SMA丝驱动器快速准确...     

Design, drive and control of a novel SMA-actuated humanoid flexible gripper

An elemental SMA actuator, consisting of an elastic rod with two embedded SMA wires, is presented. The recovering wire w1, with remembered ‘U’ shape, is located along the rod’s axis. The restoring wire w₂, with memorized straight shape, is located in parallel with the rod’ axis with an offset distance d ₁. Two strain gauges, arranged in complemental configuration and sticking to the rod, are used to implement accurate displacement control. Upon the elicitation of the structure of a human being’s hands, a finger with multi-units is proposed. The finger has two flexible rods with embedded SMA wires and one shorter rod as a connecting part. The number and position of fingers are investigated by making use of a nonlinear plan process with an index W, a function of grasp matrix G. The hardware of the drive and control system of the gripper has been completed on the base of a DSP chip. After the track plan is realized in the joint space through B spline interpolation method, the software of the position control system is fulfilled through two-staged slide control strategy. The simulations and experiments of step response of the SMA actuator are carried out. It is shown in the experiments that the maximum angle between ends’ tangents of each finger is 68.5, 79 and 79 degrees, respectively, and the tip of each finger could reach its final position by using approximately the same time period.     

新型SMA驱动器设计与控制

介绍了一种新型SMA驱动器。该驱动器实际上是偏心内嵌有单程SMA丝的弹性硅胶棒。它集成了驱动单元和执行单元的功能，特别适于作为小型和微型机器人系统中的致动元件。以弹性棒变形理论为基础，研究了驱动器的机械和力学特性。最后，实现了基于SMA电阻反馈的变结构滑模控制策略探讨和实验研究。     

Research on Entirely-integrated Spatial-bending Shape Memory Alloy Actuator

A new structure of Entirely-integrated Spatial-bending Shape Memory Alloy Actuators (ESSMAA) is first presented. Three SMA wires, which are trained to remember “U” recovery shape, are embedded in liquid silicone rubber to be solidified upon room temperature, companied with displacement sensors and connective wires. The Spatial bending, which is accomplished through heating SMA wires by suitable current, can restore flexibly as soon as stopping heating. Thus, the compact, two-way, mechanical and electrical incorporation actuator is completed. Be provided with the merits such as high load-weight ratio, low energy dissipation and direct driving, the actuators can realize miniature configuration, simple drive and control, precise operation and flexible movement pose synthetically. On the basis of expounding the operation principle in detail, the curvature sensor, which is composed of six stain gauges, makes displacement control precise. After analyzing equilibrium of forces and moments, the numeric calculation equations are deduced. Subsequently, the approximate arithmetic making use of superpose principle is researched in contrast with numeric arithmetic. The manufacture of the prototype is discussed in details and the precise displacement control is implemented also. Finally, the experimente of the actuator proof fine qualities of the operation performances.     

ESMAA驱动的多指机械手研究

由形状记忆合金构成的结构简单、控制灵活、功率密度大的电动机,在轻型机器人及小型化系统中具有独特的技术优势。然而,几乎所有现行结构中,致动元件和偏动元件都是分离的,驱动单元和执行单元也彼此独立,不但机构复杂,就是手指的张合动作也很不连贯,更无仿生柔顺性可言。因此,研制了新型内嵌式记忆合金驱动器。该驱动器由内嵌弯曲回复记忆合金丝的硅胶棒组成,通过温度循环方式稳定输出力和位移。建立了驱动器的变形理论,得出了驱动与控制的规律性结论。进一步利用多台驱动器研制了组合式柔性机械手,探讨了多指手的运动学问题。最后,完成了组合式三指柔性机械手爪抓取演示系统的设计制作和试验研究。