SMA(Shape Memory Alloy,形状记忆合金)驱动器是一种利用SMA的形状记忆效应和室温马氏体时相对柔弱、高温奥氏体时相对强硬的机械特性对外做功的自动化装置,具有功率/质量比大、结构简单、无噪音、无污染、易于控制等特点,在微小型机器人领域有着广阔的前景。 在国家自然科学基金的资助下(基金号:60375028),成功开发出一种新型的基于SMA驱动的刚/柔耦合的轮式微型机器人。该机器人运动速度较传统SMA机器人相比有显著提高,并克服了传统SMA。机器人只能单向运动、不能换向、也不能主动转弯等缺点。 该微型机器人结构上有两个特点:一是采用了轮式结构。在偏心轮自锁机构作用下,成功消除了车轮的倒退现象；平行四边形换向机构带动两偏心轮实现了车轮的双向自锁功能,以控制机器人的运动方向。二是具有刚/柔耦合结构。SMA驱动器中的偏动元件是一柔性元件,该柔性元件可以将SMA弹簧的轴向伸缩变形转化为自身的大弯曲变形。对SMA驱动器采用不同的控制策略,偏动元件会相应地向下、向左或向右发生弯曲变形,在换向机构的配合下,带动刚性车体实现直线运动或转弯运动。论文对SMA驱动器、偏心轮自锁机构和换向机构都做了详细的介绍,分析了三者在机器人直线运动过程和转弯运动过程中必须满足的条件以及相互之间的协调关系。 机器人的运动性能主要取决于SMA驱动器的传热性能以及驱动器中柔性元件的弯曲变形能力。论文对所开发的三种微型机器人所用SMA驱动器的传热过程进行了分析,得出了驱动器在加热阶段、保温阶段和冷却阶段的传热方程。结果表明,裸露式SMA驱动器的加热时间虽然略长于套筒式SMA驱动器,冷却时间却大大减少。论文用解析法对柔性杆件的静态大弯曲变形进行了详细的分析,得出了柔性杆件末端转角及坐标的推导公式,在此基础上用迭代法讨论了B型全方位移动机器人中弹性杆在SMA驱动器加热过程和冷却过程中的变形情况,得出直线运动过程中机器人质心的运动规律和转弯运动过程中机器人的转弯周期角以及几何中心点的运动轨迹。 此外,针对不同的相变机理,提出了两种控制方法.一是基于马氏体相变,采用了一种分阶段电阻变化趋势反馈控制方法,此方法适用于对SMA驱动器按动作非精确控制。另一种基于R相变,采用电阻反馈控制方法,此方法适用于对SMA驱动器精确控制。 论文最后对三种微型机器人所使用的裸露式SMA驱动器和套筒式SMA驱动器的加热、冷却过程,以及微型机器人的直线运动性能和转弯性能进行了实验、分析。