基于形状记忆合金（SMA）的柔性致动器设计

发布时间：2020-03-21 04:41

【摘要】：机械系统中常用的致动器如伺服电机、液压驱动等结构繁赘,传动系统复杂,各部件之间存在磨损和冲击力,这些致动器在微纳、机器人等领域已经无法满足尺寸和精度等方面的要求,因此磁性、静电以及热能等新型致动器逐渐发展起来。SMA(形状记忆合金)致动器便是其中典型的一种。SMA致动器的优点源于其利用的智能材料——SMA元件。SMA元件具有形状记忆效应、高能量密度、低驱动电压和大回复力等优点。然而,SMA致动器也存在行程短、极限位置不稳定、行程中有用力不均匀等缺陷。为了解决上述问题,本文基于弹性补偿的方法,引入全柔顺双稳态机构,设计了一种基于SMA弹簧的柔性直线致动器,初步实现了SMA致动器行程放大、快速响应和极限位置稳定的特性。其中,完成的主要工作有:(1)针对SMA致动器行程短、极限位置不稳定、行程中有用力不均匀等缺点,研究了国内外现有的改善其性能的方法。例如,采用位移放大机构放大SMA致动器的行程,改善其行程短的缺点;设计特殊机械结构阻止致动器的超量程运动来增加SMA致动器极限位置的稳定性;利用弹性补偿机构均匀SMA致动器行程中的有用力,以解决SMA致动器行程中有用力与有效位移之间的矛盾。但不足的是,以上方法均不能同时改善SMA致动器行程短、极限位置不稳定、行程中有用力不均匀等缺点。(2)基于对补偿方法的研究,选择全柔顺双稳态机构作为偏动式SMA致动器的补偿机构。全柔顺双稳态机构具备的负刚度特性可以在不牺牲输出力的前提下放大偏动式SMA致动器的有效行程。对全柔顺双稳态机构的几何参数进行优化,得到负刚度区间大、第一转折力大的力-位移特性曲线,据此设计了有效行程放大2倍的SMA柔性致动器。(3)对全柔顺双稳态机构的加工材料和加工方式进行了对比总结,选择聚乳酸材料和3D打印的加工方式制作样机,并对样机的力-位移特性进行了实验测试,结果与理论基本一致。安装SMA柔性致动器,搭建实验平台,进行实验并分析实验结果。结果表明本文设计的SMA柔性致动器行程为16mm,是偏动式SMA致动器行程的2倍;最大输出力为2.5N,在该输出力下,输出位移仍能保持16mm,解决了偏动式SMA致动器输出力与输出位移之间的矛盾;从通电到动作结束的响应速度是偏动式SMA致动器的3倍,并且在没有能量输入时致动器仍能稳定在极限位置。实验结果证明该设计实现了最初的设计目标——行程放大,响应快速,极限位置稳定。
【图文】：

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致动器张开，同时将两侧的夹板推开一定的角度，，实现驱动动作。(a) 致动器闭合状态 (b)致动器张开状态图1.1 柔性流体致动器[6]20 世纪七八十年代，随着形状记忆合金逐渐被应用到机械制造、日常生活、医学和生物工程等领域，SMA 致动器的研究也成为一个热门课题。SMA 致动器按照SMA 的材料形状可以分为丝致动器和弹簧致动器。按照运动形式可以分为直线位移型致动器和角位移型致动器，按照致动器运动形式可以分为单程致动器和双程致动器。基于这些基础类型的致动器，国内外学者纷纷设计了可实现不同功能的 SMA 致动器。Pulnev 等[7]提出基于 CuAlNi 合金单晶制成的 SMA 弯曲元件的两种线性致动器（用于一个和两个移动方向），该致动器的最大位移为 9.7mm，输出力为 69N，可以实现输出元件从一点至另一点的直线运动。Pohlau 和 Meier 提出由六对 SMA 丝驱动的具有很高扭矩的致动器[8]。该扭转致动器最大驱动转矩达 2.5N·m

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第一章绪论被轴向可移动地嵌入在室温固化的硅橡胶棒中加热 SMA 弹簧来实现空间弯曲，如图 1.310]人设计了一个可以应用于微观应用的旋转机图1.2 SMA 扭转致动器结构图和实物图[11]
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG139.6;TH703

【参考文献】