《SMA-電機混合直線驅動器協同致動機理與最佳化設計研究》是依託中國科學技術大學，由董二寶擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：SMA-電機混合直線驅動器協同致動機理與最佳化設計研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：董二寶
- 依託單位：中國科學技術大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
針對機器人與智慧型變形飛行器等領域對輕質緊湊、大輸出力、高控制精度直線驅動器日益增長的迫切需求，提出形狀記憶合金（SMA）-電機混合直線驅動器設計概念。通過研究SMA複雜熱/力耦合行為及動態本構模型，建立SMA-電機混合直線驅動器的多場耦合系統動力學模型與數值計算方法；分析不同致動、傳動、感測、控制單元靜動態特性對SMA-電機混合直線驅動器整體動力學性能的影響規律，探究基於力和位移反饋的混合驅動器協調控制機制，從而闡明SMA-電機混合直線驅動器的協同致動機理。構建SMA-電機混合直線驅動器的系統動力學數值計算分析平台和參數化虛擬樣機仿真實驗平台，結合遺傳算法等啟發式最佳化算法，研究其構型綜合理論及結構-電氣參數多目標最佳化方法。為研製綜合性能優良的SMA-電機混合直線驅動器奠定理論基礎，提供技術參考；拓展SMA智慧型材料套用基礎研究範疇，為SMA智慧型材料驅動器的工程實用化發掘出新的突破口。
結題摘要
為滿足仿生機器人和智慧型變形飛行器等領域對高性能直線驅動器的迫切需求，本項目提出“形狀記憶合金（SMA）-電機混合直線驅動器”設計概念。通過系統的實驗測試分析，研究了SMA的複雜熱/力耦合行為特性與本構模型，更加全面、精細地刻畫了SMA在非完全相變、動態載入等複雜熱/力耦合載荷條件下的行為特性。建立了便於工程套用的SMA-電機混合直線驅動器系統動力學模型，並將該模型轉化為狀態空間模型描述，基於Runge-Kutta算法給出了SMA-電機混合直線驅動器系統動力學特性的數值分析方法，比對研究表明，數值模擬計算結果與實驗測試結果吻合良好。通過理論仿真分析與實驗測試相結合，進一步闡明SMA-電機混合直線驅動器的構成元部件之間的相互關係及其對整個驅動器輸出特性的影響機制。同時，研究了SMA致動單元的高效電熱控制方法，並通過測量其電阻變化研究了SMA致動單元變形量的自反饋控制原理，設計了電機-絲桿螺母傳動系統的PID伺服控制算法。針對SMA-電機混合直線驅動器中兩組對峙型SMA絲驅動器和兩個DC電機的協同控制問題，提出基於SMA應力-溫度相圖的工作路徑規劃控制策略，分別給出最大輸出力模式和最快輸出速度模式兩種協調控制機制。同時，利用DC電機控制螺母移動交替自鎖，實現SMA絲小位移輸出的累積放大，並確保單步移動步長的精確可控。研究了SMA智慧型材料驅動與電機驅動兩種不同驅動方式的串聯、並聯、混聯三種基本混合模式構型及其特點，通過分析比較表明，混聯構型模式在位移行程、輸出力、控制精度、功重比等方面具有更大的優勢。基於混聯模式構型設計研製了SMA-電機混合直線驅動器原理實驗樣機及其電控系統。搭建了測試平台，對該混合直線驅動器的輸出特性進行了實驗評估。為提高混聯式SMA-電機混合直線驅動器的單步位移輸出頻率，採用輪盤切換機構設計了第二代改進型原理樣機，實驗結果表明，改進型原理樣機將位移輸出頻率提高了近3倍，可實現10kg以上的輸出力，單步位移精度0.007mm。該研究工作為研製綜合性能優良的SMA-電機混合直線驅動器奠定了理論基礎，提供了技術參考。
