机械专业本科生毕业设计

烟台大学毕业设计
题目：《基于形状记忆合金的仿生鱼结构设 计》 姓名：高会仙 专业：机械设计制造及其自动化 班级：机071-3 学号：200723501312 导师：石运序
形状记忆合金（SMA）简介
形状记忆合金（简称SMA）是一种新型功能材料， 具有独特的物理、力 学性能。 材料具有形状记忆效应的条件是：形成单变体或接近单变体马氏体。 SMA具有形状记忆效应和伪弹性两大特异功能 。 由于我国对于形状记忆合金这种新型智能材料的开发和应用研究比较晚， 因此，SMA驱动器在微小型水下机器人的应用研究较少，至今还没见到 相关的应用产品。因此研究形状记忆合金驱动器在水下机器人中的应用， 对于我国新材料新技术的应用和机器人技术的发展具有推动作用。
沉浮机构设计
众所周知，鱼通过鱼鳔的伸缩实现灵活的沉浮。鱼类的上浮和下沉主 要靠其腹内鱼鳔的收缩来实现。鱼鳔收缩使得鱼体体积发生变化，进 而影响排开水的体积，从而实现上浮下沉。我们采用气缸排开水的体 积来模拟鱼鳔的收缩。我们的“鱼膘”采用电机驱动气缸活塞来回做 往复直线运动，在其往复做功的过程中，再配以电磁阀2,3的开合，将 储水容器抽成低压，储气容器抽成高压，然后打开电磁阀1,使鱼吸水， 实现鱼的下沉；我们将电磁阀1,2,3同时打开，利用高压将水排出，完 成鱼的上浮动作。驱动沉浮机构的电源电压为24V，我们采用7节3.6V 锂电池串联起来在稳压，然后提供给电磁阀及气缸作为动力 。
仿生鱼整体外形图
仿生鱼主体结构设计
在鱼的头部采用刚性结构的塑料材料，其形状采用流线型，在鱼头的内 部空间里安装电源和控制电路，在鱼眼睛和头前方偏下处安装3个红外 线传感器，构成一个具有左右前三个方向的传感器网络，使鱼具有自己 避障的功能。在鱼身内安装沉浮机构，电机驱动气缸，在其做功的过程 中，配与电磁阀的开合将储水容器抽成低压，储气容器抽成高压，打开 电磁阀使鱼吸水，从而实现鱼的下沉，然后再利用高压把水排出体外实 现鱼的上浮；重心调节机构用于调节推进器的俯仰，匹配重心和浮心， 使之在垂直方向上共线；沉浮机构和胸鳍共同用于实现仿生鱼的沉浮运 动，调节沉浮速度；形状记忆合金采用偏置安装方式对称分布于两侧各 个关节表面，每侧5根并行，目的是提高驱动力矩。
复地记住高温和低温的两种形状，称为双程记忆；某些形状记忆合金在实现双程 记忆的同时，继续冷却到更低温度，可以出现与高温时相反的形状，称为全方位 记忆（也叫全程记忆）。三种形状记忆效应示意图：
螺旋弹簧大都使用单程或双程记忆效应，特别是双程记忆效应，它随着 温度的上升或下降，能实现两个方向的动作，使用起来十分方便。
源自文库
驱动器由多个结构相似的可旋转关节段组成，每个关节段是由SMA 弹簧和普通并联组成的偏动式旋转结构，旋转关节被SMA弹簧驱动而产 生一定的偏转程度，若加以控制关节的偏转方向，可使整体结构实现类 似鱼类游动的摆动。
初始时SMA弹簧处于马氏体状态，普通弹簧和SMA弹簧都设置适当 的预变形，使单关节驱动器偏转向偏置弹簧的一边，驱动器处于如图 (a) 所示的状态;然后对有预拉伸变形状态SMA弹簧加热，SMA发生逆相变， 由软弱的马氏体变为强硬的奥氏体，SMA弹簧要恢复记忆状态，此时输 出较大的相变回复力，而此时整个系统不能维持平衡，发生向SMA弹簧 这边的偏转后，驱动器处于如图 (b)所示的状态;随后降低SMA弹簧温度， 再使SMA弹簧处于马氏体状态，在偏置弹簧的较大拉力下，此系统发生 向偏置弹簧方向的偏转后，又处于图4.4(a)的状态。对SMA弹簧进行周 期性的加热和冷却，可实现关节的反复左右摆动.
控制电机的选择 :伺服电机采用闭环控制，具有较高的精度，并
能够对位置、转速和转矩实现多样化智能化控制。在过载能力、速度响 应性能、功重比、低频特性和矩频特性方面，伺服电机系统明显优于步 进电机。因此选用直流伺服电机作为仿生机器鱼的驱动源，使其具有重 量轻、输出扭转力矩大和转速低的特点。
驱动器的结构设计及其工作原理
为了模仿海洋鱼类身体摆动运动的特点，本文选择了旋转式关节驱 动器作为多关节驱动器的基本驱动方式。它是由SMA弹簧和偏置弹簧组 成的偏动式旋转关节结构，旋转铰处于结构的中间，铰上设有限角卡， 其作用是用来控制铰的最大旋转角度，能防止驱动器摆动的不稳定性。 如此设计的驱动器结构有两个以下优点: (1)可以通过改变限角卡的设置来调节驱动器摆动的转角幅度。 (2)可以通过改变驱动弹簧的数目和位置来改变驱动器的输出力矩。
形状记忆合金工作原理
形状记忆合金工作原理为给一侧形状记忆合金合金通电加热，合金材 料发生马氏体到奥氏体的相变，其晶粒的体积逐渐缩小，体现在宏观 上形状记忆合金的收缩，对外有力地输出，使关节向一侧转动，另一 侧则处于常温马氏体相，且承受被动拉力；反之，断开收缩侧电流， 使其在流水作用下冷却（有利于提高摆动频率），给另一侧加热，即 可实现反向运动。通过控制施加电流的大小，施加的时间，控制SMA 弹簧的变形速率和变形大小，从而实现鱼类的基本运动形态---巡游， 启（制）动和急转等功能。 SMA的特点是具有形状记忆效应，它在高温下定形后，冷却到低温或 者室温，并使它产生残余变形，如果再加热到相变温度后，就会使残 余变形消失，并回复到高温下的固有形状，随后，再进行冷却或加热， 将继续保持高温下的形状不变，上述过程可以周而复始地进行，仿佛 合金记住了高温状态所赋予的形状一样，这种现象称之为单程记忆； 如果对材料进行特殊处理，在随后的加热或冷却循环中，能够重
形状记忆效应是由于SMA的热弹性马氏体相变造成的。形状记忆合金存 在两种不同的晶体结构状态，高温时为奥氏体相(A)，低温时为马氏体相 (M)。下图描述了形状记忆合金驱动器的工作机理 ：
SMA材料的选择
SMA 形状记忆特性与合金组成成分、热处理方法、时效、加工工艺等有 关，NiTi合金延展性、最大的回复应力和应变、循环寿命、应变量和高 温稳定性比铜基合金的要高得多，而且还具有变形容易，电阻和耐蚀性 能好等优点，比较适合制作驱动元件，而且目前在机器人中应用比较成 熟。又由于在相同长度及直径下，SMA 丝变形输出的力要比 SMA 弹簧 大得多，但输出的位移量却比SMA 弹簧小很多，虽然SMA弹簧输出力 一般，但能输出较大的工作行程且可以使结构简单化。所以，本文选择 50.8at%NiTi 形状记忆合金弹簧作为驱动材料。
密封设计： 密封设计：机器鱼的防水是一个难点。普通的航海设备可以采用金
属外壳防水，而机器鱼的防水层需要有伸缩性，以保证尾部能够灵活摆 动。本次设计采用了在防水布外面涂防水胶的双层防水方案，很好的解 决了防水和伸缩性的问题。
选材 ：机器鱼机构，从重量上分析应该尽量轻，保证鱼身的轻盈；
从刚度上分析，必须有一定的刚度，所以我们基本上都选用铝材。为了 更好的仿生活鱼的尾鳍，我们设计尾鳍前半部分为铝板，刚性好，有利 于尾鳍摆动，后半部分为硅胶，柔性好，这样设计提高了鱼体推进效率 和推进速度。
多关节驱动器的工作原理与单关节的工作原理基本一样。如此循环往 复，多关节驱动器就可来回地摆动。通过控制施加电流的大小，施加的时 间，控制SMA弹簧的变形速率和变形大小，从而实现鱼类的基本运动形 态---巡游，启（制）动和急转等功能。
非常感谢各位老师！