1、基于热力学性能的形状记忆合金驱动器多目标优化作为一种典型的摆动关节运动形式，方向舵、仿生色鳍或扑翼在微小型仿生水下机器人中具有广泛的应用.由于受到设计空间、驱动能耗、传动效率以及噪声等条件的约束.微小刑仿生水下机器人对其摆动式推进装置的驱动和传动机构设计提出了较为严格的要求。形状记忆合金(shape memory alloy.SMA)是一种具有形状记忆效应的功能材料,SMA 驱动器集传感、驱动和执行机构于一体，具有结构简单、控制方便等优点。己经在机械、电子、化 I_、宁航、能源、医疗和机器人等领域得到具体的应用2。由 SMA 构成的驱动器具有功率与质最比高、结构紧凑、无噪声、控制灵活等优点.在
2、微小刑仿生水下机器人中具有重要的研究和应用价值.对实现水下机器人运动的高效性和隐身性具有重要的意义。SMA 差动驱动的摆动关节运动机理 图 1 所示为某小型水下机器人方向舵装置，本文以其为研究对象。展开对 SMA 差动驱动器摆动关节的运动机理研究.SMA 驱动器是一种利用 SMA 在形状记忆效应中输出的位移和力来对外界做功的机构。SMA 驱动器一般由 SMA 驱动元件和执行机构两部分织成。作为驱动元件，螺旋弹簧状的 SMA 对获得较人的动作行程具有重要意义。根据 SMA 弹簧驱动器的配置形式。常见的驱动形式可分为偏动式和差动式两类。差动式驱动方式如图 2 所示，通过左右两个 SMA 弹簧分别控
3、制实现负载的左右移动，共-!R 动原理为:加热左侧的 SMA 弹簧.则产生向右的位移;冷却后在右侧 SMA 弹簧的作用下回复至平衡位置:加热右侧的 SMA 弹簧.则产生向左的位移.同样冷却后回复至平衡位置。可见.差动式驱动方式可产生相对于平衡位置的两个方向的位移量，适用于具有三项位置要求的往复运动机构.满足其作为水下机器人方向舵的使用要求。图 3 所示为 SMA 差动驱动器运动机理及其驱动方法。水下机器人方向舵装置由四套相对独立、结构形式相同的驱动一传动机构组成，共每一套装置具有相同的构件:舵板、曲柄滑块传动机构和 SMA差动驱动器.如图 3a 所示。其中曲柄、连杆、滑块和导轨组成了偏置式曲柄
4、滑块传动机构;SMA 差动驭动器由位于滑块左右两侧、导轨上的 SMA 弹簧 1 和 SMA 弹簧 2 构成。在自然状态下.SMA 差动骆动器的两根弹簧处于自由状态.此时滑块位于导轨的中央位置;当给SMA 弹簧 1 通电加热至其相变沮度时.该弹簧在形状记忆效应下发生形变而伸长，推动滑块在导轨土向右移动.在连杆的传动下拉动曲柄顺时针摆动一定的角度.相应的舵板也以顺时针摆动至一定的角度:反之当加热 SMA 弹簧 2.冷却 SMA 弹簧 1 时，滑块便在弹簧 2 的推力下沿着导轨向左滑动.在连杆的传动下推动曲柄逆时针摆动一定的角度.相应的舵板也以逆时针摆动至一定的角度.其中滑块在导轨上的位移量 S 对
5、应于曲柄.也即舵板的摆动角度 2.与之对应的 SMA 差动驱动器的通断电驱动方式如图 3b 所示。SMA 驱动器热力学性能实验研究SMA 差动驭动的摆动关节运动性能由 SMA 差动驭动器及其曲柄滑块传动机构两个主要因紊决定。共中 SMA !9 动的、滑块为主动件的曲柄滑块传动机构，综合考虑了 SMA 驭动器的变形能力和驱动力并以 SMA 驱动的滑块位移和作用在滑块上的初始驭动力为目标函数.经多目标优化设计和计算得到。针对 SMA 差动驱动器本体的具体驱动性能，利用搭建的 SMA 差动驱动器实验平台.对不同结构参数的 SMA 弹簧所构成的差动驱动器在不同1.动条件和外界环境下的热力学性能展开实验研究.分析影响
