可调偏置式SMA双程驱动器设计及驱动特性分析

偏置式SMA弹簧双程驱动器的驱动弹簧和偏置弹簧一旦确定,则驱动器的工作温度就无法改变。针对这一缺点,设计了一种通过调节偏压力来改变工作温度的可调偏置式SMA双程驱动器。基于Brinson一维本构模型得到SMA弹簧理论模型,并结合弹簧受力变形分析设计了SMA弹簧和偏置弹簧。仿真得到SMA弹簧刚度-温度、驱动器位移-温度、驱动力-温度变化曲线,并对不同偏压力下驱动力随温度变化关系进行研究,结果表明所设计的驱动器可实现双程运动,调节偏压力可有效改变驱动器的响应温度。     

偏动式双程SMA驱动器工作机理与能量转换研究

研究了偏动式双程SMA驱动器的工作机理 ,建立了驱动器输出力、输出位移、负载与驱动元件弹性刚度和预变形之间的变量关系。基于热力学基本定律 ,给出了双程SMA驱动器工作过程中能量的周期性流动、转移和转化模型 ,指出双程SMA驱动器双程做功的能量都来源于SMA元件的相变弹性势能 ,能量的一部分用于来程做功 ,一部分在来程转移给偏置元件 ,用于回程时做工 ,还有一部分被释放掉。     

新型SMA纤维驱动器的结构、建模与仿真

介绍了一种新型的形状记忆合金 (SMA)纤维驱动器 ,这一驱动器由预压缩弹簧连接的若干圆盘构成 ,圆盘周围对称编织多根 SMA纤维。依靠 SMA纤维的相变回复力与压缩弹簧的弹力完成驱动器的往复动作。这一结构有效地克服了 SMA的主要缺点 :形变较小 ,使驱动器的力与位移之间的转换更加高效。还给出了一种仿真模型 ,可以评价一给定驱动器的特性 ,同时也可在给定驱动器的力、位移、速度等条件下决定该驱动器的几何结构。最后 ,对单个驱动器与差动排列的驱动器对的实验和仿真结果进行了分析     

基于形状记忆合金驱动的运输机器人设计

基于对形状记忆合金的变形机理研究，文中设计出一种新型的运输机器人。该机器人主要由用于驱动控制机器人运动的SMA弹簧、实现机器人爬行的前后支腿以及具有运输功能的主体3组成部分。SMA弹簧基于双程形状记忆效应，能够实现双向变形，使机器人可以稳定地往复运动。通过改变机器人前后支腿与地面的摩擦系数，驱动器的伸缩变形转化成为机器人在表面上的有效位移。该机器人总质量37.8g，但能够承载自身质量3倍的物体，且最大运动速度可达到0.8 mm/s。     

形状记忆合金热机驱动性能的研究

形状记忆合金（SMA）热机主要包括3部分：热循环系统、曲柄滑块机构和主轴。基于Brinson一维本构模型得到SMA弹簧理论模型,并结合弹簧受力变形分析设计了SMA弹簧和偏置弹簧。通过MATLAB仿真得到SMA弹簧温度—位移、温度—驱动力变化曲线,最终通过实验验证驱动器的驱动特性。     

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。     

基于形状记忆合金弹簧阵列的人工肌肉设计与研究

针对形状记忆合金（SMA）丝、SMA弹簧驱动力和输出位移小的缺陷,提出了基于SMA弹簧阵列的人工肌肉设计方法。利用仿生学原理,设计了SMA弹簧阵列的空间串并联结构,推导了人工肌肉驱动力计算公式,对其输出模拟量用组合学方法进行了分析。利用UG和ADAMS建立了人工肌肉的多体动力学模型,同时,在Simulink上建立了人工肌肉的激活控制模型,在这些基础上,模拟仿生手臂弯曲伸展运动的工作过程,分析该人工肌肉的驱动和控制特性。仿真结果表明,SMA弹簧阵列结构能显著增大SMA驱动器输出位移和驱动力,并简化模拟量输出的控制。     

尺蠖式仿生微型机器人的结构和致动机理研究

提出并设计了一种新型偏动式双程SMA驱动器,以此驱动器为基础研发出一种靠交替摩擦自锁方式行走的尺蠖运动式仿生微型机器人。提出一种四杆机构无关节新型腿,这种新型腿可以有效改变SMA驱动器输出力的方向。分析了四杆机构新型腿的摩擦自锁机理,并求解出腿实现摩擦自锁的条件,使微型机器人能可靠地实现摩擦自锁作用下的稳步行进。阐述了新型微型机器人的定向运动机理,对微型机器人的尺蠖式收缩和伸张运动规律、步幅、频率等进行了分析及求解。     

双程SMA丝驱动的柔性弯曲关节设计与测试

本文设计了一种柔性弯曲关节,由铝合金圆环、超弹性形状记忆合金（SMA）以及双程形状记忆合金丝构成,其中超弹性SMA作为支撑杆,双程SMA丝作为驱动机构,通过电流驱动双程SMA收缩,实现了柔性关节自主弯曲,电流卸载后关节可恢复至初始状态。搭建了双程SMA丝驱动收缩特性测试平台,当电流为2.1 A时,收缩率为4.02%,建立了ABAQUS模型仿真。建立了弯曲关节的3D运动学模型,获得了不同加载条件下,两段关节弯曲角度的理论值。通过对比理论模型和实验结果,表明：采用超弹性SMA可有效增加弯曲角度,两段关节最大弯曲角度分别为43.1°与22°。     

形状记忆合金驱动器驱动方式研究

七文阐述了 Ｓ Ｍ Ａ 驱动器的驱动原理,分析了 Ｓ Ｍ Ａ 的性能和不同驱动方式对 Ｓ Ｍ Ａ 驱动器输出性能的影响。文章认为, Ｓ Ｍ Ａ 的相变温度范围越小,高低温时性能相差越大, Ｓ Ｍ Ａ 双程驱动器的输出性能越好;差动式 Ｓ Ｍ Ａ 双程驱动器与偏动式 Ｓ Ｍ Ａ 双程驱动器相比,前者更容易获得较大的输出力和输出位移,但后者较容易控制,响应速度较快。     

Design parametric study based fabrication and evaluation of in-pipe moving mechanism using shape memory alloy actuators

An in-pipe moving mechanism based on design parametric study of dynamic characteristics of clamping or moving module comprising shape memory alloy (SMA) spring actuators has been fabricated and evaluated under in-pipe condition. Conventional in-pipe moving mechanisms for pipe inspection, driven by electromagnetic motors, have large volume and mass. The SMA actuator can be an alternative for a small-sized in-pipe moving mechanism due to its great power-to-weight ratio and simple structure. Therefore, spring type SMA actuators are selected to fabricate an inchworm-like moving mechanism that consists of clamping and moving modules. For selection of proper operating type (a bias type or a differential type) for clamping module and moving module, displacements and dynamic characteristics of each operating type have been investigated. Based on experimental results, we decide some design parameters such as wire diameters, spring diameters and the numbers of turns of SMA spring actuators and fabricate the in-pipe moving mechanism according to the designed results. A moving speed of 34 mm/min and traction force of 0.4 N have been obtained from the driving experiment in a pipe with the diameter of 39 mm.     

用于微系统驱动的形状记忆合金弹簧特性实验研究

研究了形状记忆合金（ＳＭＡ）用作微机械电子系统执行元件时的几个问题。在实验的基础上建立了实用化的ＳＭＡ热机转换模型。分析了影响其动作频率的主要因素并提出了改善频率特性的措施。利用几何敏感度的概念，对ＳＭＡ驱动性能受尺寸微型化的影响进行了探讨。     

基于形状记忆合金的自主导管导向机器人设计

为提高血管介入手术的成功率和安全性,研制一种用于控制自主导管的由多个形状记忆合金(Shape memory alloy,SMA)驱动器驱动的多节蛇形结构导向机器人。针对SMA驱动的导向机器人结构和原理,提出偏置弹簧尺寸参数的估算方法,使用大挠度理论对导向机器人进行运动学分析,通过积分变换推导出SMA驱动器在已知导向机器人弯曲角度和方向下的输出力和位移,给出精确的导向机器人前端中心位置坐标。在此基础上,进一步推导SMA驱动器的尺寸参数设计计算公式,提出一套系统的导向机器人设计理论方法。利用提出设计方法研制导管导向机器人样机,并在血管模型中成功地进行模拟介入手术试验。研究成果为导向机器人的设计和分析提供了数学模型,完善了导管导向机器人的设计方法和理论。     

蒸汽发生器管束间狭窄区域检测机器人系统的研究

为实现蒸汽发生器传热管道群管束间狭窄区域的自动化检查 ,对管间机器人技术进行了研究。将管间检查任务分解为移动平台的纵向间歇移动和装载摄像头的管间小车的横向移动检查 ,采用简单的定位模块高效地实现机器人的定位与安装 ,应用伸缩模块来实现微小摄像头在每排管束间隙中的横向移动 ,研制了用偏动式SMA双程驱动器驱动的新颖的微小型 3 -CSR并联机构来调整微小摄像头的姿态。制作了一台样机及其控制系统 ,在蒸汽发生器传热管道群模拟平台上进行了实验 ,结果表明该样机性能达到了预期目标     

Cu基形状记忆合金弹簧热机性能研究

论述了形状记忆合金 (SMA)弹簧驱动元件的应力、应变、温度和相变之间的关系并对铜基形状记忆合金螺旋弹簧进行了系统的测试。对试验结果及其机理进行了系统分析 ,试验结果表明 ,SMA弹簧元件在 3种基本使用状态下的应力—应变—温度关系呈现非线性 ,设计中不能直接应用虎克定律。测试结果为进一步揭示SMA驱动特性及设计SMA驱动元件提供了参考依据。     

形状记忆合金双程弯曲驱动器的设计及试验

为解决变体机翼中蒙皮大变形与承载力之间的矛盾,同时满足光顺性及疲劳寿命的要求,提出了一种以形状记忆合金板为驱动元件的双程弯曲驱动器。基于形状记忆效应及材料力学弯曲理论,通过对驱动器变形过程中的力学特性进行分析,推导出双程弯曲驱动器的设计理论,再利用热成形法与反变形训练法制备出驱动器样件并进行了变形性能测试。研究结果表明：依据推导出的理论所设计的形状记忆合金双程弯曲驱动器的变形量与试验结果一致;随着加热温度的升高,驱动器的挠度及输出力逐渐增大,直至达到最大值;随着回复弹簧钢板厚度的增大,驱动器的最大挠度及最大输出力减小,加热变形响应速度减慢,但冷却回复响应速度加快;经过循环激励后,驱动器的变形效果稳定。     

仿昆虫蠕动微型车研究

提出一种仿昆虫蠕动的SMA驱动微型车设计方案，使用SMA弹簧模仿蠕虫的纵向肌肉，利用SMA弹簧的交替收缩与舒张，配合开发的车轮自锁机构，实现车体的向前蠕动和转向。打破了近几年来国内外微小型机器人大多采用腿式结构的传统，是开发轮式微小型机器人的一次全新的尝试。     

微电子机械系统的力学特性与尺度效应

针对微电子机械系统（MEMS）材料的力学特性,工艺过程对力学特性的影响以及微执行器、微机器人的尺度效应等力学问题进行了研究。从力学角度提出了硅和常用的薄膜材料作为MEMS结构材料时应遵循的设计和加工原则,并系统地分析、归纳了静电、电磁、压电、形状记忆合金等各种微执行器的尺度效应特征。通过对机器蚂蚁、微型飞机、微型机器鱼等微机器人在微尺度下的动力学特性分析,得到微机器人在尺寸越小时越容易被驱动的结论,为设计和制作微机器人等复杂微系统提供了理论依据。     

形状记忆合金驱动的小型双足爬壁机器人

主要设计了一个以形状记忆合金作为驱动器的微型爬壁机器人并对其进行了介绍和讨论。小型双足爬壁机器人采用对称式的结构,两臂末端安装真空吸附盘进行吸附爬壁,并以形状记忆合金弹簧(SMA)替代传统的电机作为机器人的驱动元件,简化了驱动结构,同时也减轻了重量。利用DSP对形状记忆合金的通电加热控制,并根据机器人步态规划输出不同控制信号,从而实现对小型双足爬壁机器人的运动控制。通过样机的制作验证了SMA驱动小型爬壁机器人的可行性。