形状记忆合金丝驱动的仿生鲫鱼设计与研究

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1、中图分类号：TP273论文编号：102870516-S137学科分类号：080202硕士学位论文形状记忆合金丝驱动的仿生鲫鱼设计与研究研究生姓名于凯学科、专业机械电子工程研究方向仿生机器人指导教师王扬威讲师南京航空航天大学研究生院机电学院二О一六年一月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMechanicalandElectricalEngineeringDesignandResearchonaBiomimeticCr

2、ucianRobotActuatedbySMAWiresAThesisinMechanicalandElectricalEngineeringbyYuKaiAdvisedbyLecturer.WangYangweiSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringJanuary,2016承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包

3、含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容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适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要仿生机器鱼与传统螺旋桨推进的水下机器人相比，具有更高的游动效率以及更好机动性和稳定性。而目前仿生机器鱼广泛采用电机驱动，普遍存在噪音大、效率低、动作生硬以及柔性不高等缺点。随着智能材料科学的发展，采用

4、与动物肌肉性能相似、具有传感功能的智能材料制成机器鱼的驱动结构，具有结构简易、柔性好、噪声低以及易于主动产生复杂运动等优点，因此逐步成为仿生机器鱼驱动器未来的发展趋势。首先，以鲫鱼为仿生对象，在对其形态结构以及游动机理进行研究的基础上，提出了研制一种形状记忆合金（Shapememoryalloy，SMA）丝驱动仿生鲫鱼的设想。根据鲫鱼样本的肌肉驱动特征设计仿生鲫鱼的驱动结构，并在此基础上完成了柔性仿生鱼尾的设计。同时设计了仿生鲫鱼的刚性前身与控制系统。再者，对仿生鲫鱼尾部的摆动性能进行了分析，通过对柔性仿生鱼尾的摆动过程

5、进行了力学分析获取了SMA丝的应力、应变与鱼尾的弯曲角度的关系方程。引入SMA丝电流加热的热力学方程以及描述SMA丝相变的本构模型方程，结合力学分析的结果，可获得鱼尾最大弯曲角度关于加热时间、加热电压和初始温度的函数关系方程，以用于其摆动性能分析。最后，完成柔性尾鳍的制作并搭建了试验平台用于测试柔性尾鳍的摆动性能，通过摆角试验、对称性试验、摆动和回摆试验、加热模式试验以及推进力试验，试验结果显示柔性仿生鱼尾在摆动角度为16°左右时，可达到最高1.4Hz的摆动频率。而在摆动角度为21°和最高摆动频率0.8Hz的条件下可获得

6、最大的平均推进力0.041N。而仿生样机的游动试验中，通过不同摆动频率下游动性能的试验数据对比。在摆动角度25°，摆动频率0.3Hz下仿生样机具有较好的综合游动性能并实现了最高游动速度0.28BL/s。关键词：鲫鱼，SMA丝，柔性鱼尾，水动力，仿生样机I形状记忆合金丝驱动的仿生鲫鱼设计与研究ABSTRACTComparedwiththetraditionalunderwaterrobotdrivenbypropeller,biomimeticfisheshavehigherefficiency,mobilityandst

7、ability.Howeverthecurrentbiomimeticrobotfishesarenoisy,angularandinefficientbecauseofmotorsarewidelyadopted.Withtheadvantagesofsimplestructure,goodflexibility,lownoise,andeasytoproducecomplexmotioncomparedtothetraditionalmotor,theadoptionofsmartmaterialhasbecomet

8、hedevelopmenttrendofrobotfishdriver.Firstofall,basedontheresearchofmorphologystructureandswimmingmechanismofcruciancarp,weproposedanideaofbiomimeticrobotfishac