智能結(jié)構(gòu)與智能機構(gòu)

1、學(xué)習(xí)內(nèi)容名稱智能結(jié)構(gòu)與智能機構(gòu)智能結(jié)構(gòu)與智能機構(gòu)摘要：智能結(jié)構(gòu)是一種仿生結(jié)構(gòu)體系。通過總結(jié)當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，結(jié)合具體實例，得到智能結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展前景。1. 智能結(jié)構(gòu)與智能機構(gòu)簡介 智能結(jié)構(gòu)可以定義成一種仿生結(jié)構(gòu)體系,它集主結(jié)構(gòu)、傳感器、控制器及驅(qū)動器于一體,具有結(jié)構(gòu)健康自診斷、自監(jiān)控、環(huán)境自適應(yīng)以及損傷自愈合自修復(fù)的生命特征及智能功能,在危險發(fā)生時能自己保護自己1。智能結(jié)構(gòu)也可以定義成：可以根據(jù)外部條件和內(nèi)部條件主動地改變結(jié)構(gòu)特性以最優(yōu)地滿足任務(wù)需要的結(jié)構(gòu)。外部條件可能包括環(huán)境、載荷或已制造出及已在使用中的結(jié)構(gòu)幾何外形。內(nèi)部條件可能包括對材料或結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域的破壞、失效的隔離和改變載荷傳輸

2、途徑等。智能機構(gòu)指由兩個或兩個以上構(gòu)件通過活動聯(lián)接形成的智能構(gòu)件系統(tǒng)。1.1智能材料（intelligent material）智能材料（Intelligent material），是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當(dāng)處理且本身可執(zhí)行的新型功能材料1。智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設(shè)計材料之后的第四代材料，是現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一，將支撐未來高技術(shù)的發(fā)展，使傳統(tǒng)意義下的功能材料和結(jié)構(gòu)材料之間的界線逐漸消失，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能化、功能多樣化。科學(xué)家預(yù)言，智能材料的研制和大規(guī)模應(yīng)用將導(dǎo)致材料科學(xué)發(fā)展的重大革命。一般說來，智能材料有七大功能，即傳感功能、反饋功能、信息識別與積累功能

3、、響應(yīng)功能、自診斷能力、自修復(fù)能力和自適應(yīng)能力。具體來說，智能材料需具備以下內(nèi)涵：(1)具有感知功能，能夠檢測并且可以識別外界(或者內(nèi)部)的刺激強度，如電，光，熱，應(yīng)力，應(yīng)變，化學(xué)，核輻射等；(2)具有驅(qū)動功能，能夠響應(yīng)外界變化；(3)能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制響應(yīng)；(4)反應(yīng)比較靈敏,及時和恰當(dāng)；(5)當(dāng)外部刺激消除后,能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。智能材料又可以稱為敏感材料，其英文翻譯也有若干種，常用的有Intelligent material，Intelligent material and structure，Smart material，Smart material and struct

4、ure，Adaptive material and structure等。智能材料大體可分為電磁流變體，形狀記憶合金2。1.1.1電磁流變體在20世紀(jì)40年代末期，人們發(fā)現(xiàn)在普通的流體中摻入適當(dāng)?shù)拇判詰腋∥铩＞统蔀殡姶帕髯凅w。當(dāng)外加磁場作用在這種流體上時，由于懸浮物磁向與外磁場一致，就大大約束了流體的運動，整個流體呈現(xiàn)固體化的性質(zhì)。而且反應(yīng)之快，是在短于微妙級的時間間隔內(nèi)完成的。懸浮物為磁性體時稱為磁流變體（MR），而懸浮物是電介質(zhì)時稱為電流變體（ER）。1.1.2.形狀記憶材料 材料在外力作用下發(fā)生殘余變形后，在溫度作用下又會發(fā)生逆變形，使材料恢復(fù)原狀。冷卻后再再發(fā)生殘余變形，再加熱，結(jié)果還

5、能恢復(fù)原狀。這種現(xiàn)象稱為形狀記憶效應(yīng)（Shape Memory Effect）。這種具有形狀記憶效應(yīng)（SME）的材料稱為形狀記憶材料，它包括形狀記憶合金、記憶陶瓷及形狀記憶聚合物。1.1.3.壓電材料如下圖所示：材料上施加外力引起變形時在材料內(nèi)產(chǎn)生電場。反之對材料施加外電場時在材料內(nèi)部產(chǎn)生變形。1.2 智能結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)智能結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)包括傳感器、驅(qū)動器、控制器及其集成3。智能結(jié)構(gòu)的仿生學(xué)模型如下圖所示：1.2.1 智能傳感器智能傳感器（intelligent sensor），從仿生學(xué)來講，相當(dāng)于智能結(jié)構(gòu)的神經(jīng)元，是具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理機，具有采集、處理、交換信息的

6、能力，是傳感器集成化與微處理機相結(jié)合的產(chǎn)物。一般智能機器人的感覺系統(tǒng)由多個傳感器集合而成，采集的信息需要計算機進(jìn)行處理，而使用智能傳感器就可將信息分散處理，從而降低成本。與一般傳感器相比，智能傳感器具有以下三個優(yōu)點：通過軟件技術(shù)可實現(xiàn)高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的編程自動化能力；功能多樣化。1.2.2 智能驅(qū)動器智能結(jié)構(gòu)中的驅(qū)動器從仿生學(xué)來講相當(dāng)于智能結(jié)構(gòu)中的肌肉，它的任務(wù)是使智能結(jié)構(gòu)自適應(yīng)動作，故必須具有較大的肌肉力量，應(yīng)有較小的滯后效應(yīng)。目前，常采用形狀記憶合金、壓電材料、電（磁）流變材料及伸縮材料作為驅(qū)動器。1.2.3 智能控制器智能結(jié)構(gòu)中的控制器，從仿生學(xué)來講，相當(dāng)于智能結(jié)構(gòu)

7、的神經(jīng)中樞（大腦）控制對象為結(jié)構(gòu)本身。由于智能節(jié)后本身是分布式強耦合的非線性系統(tǒng)，且所處環(huán)境具有不確定性及時變性，因此控制器應(yīng)具有分布式及中央處理方式相協(xié)調(diào)的特點。對于復(fù)雜的事變系統(tǒng)，還應(yīng)具有一定的魯棒性及在線學(xué)習(xí)功能。智能結(jié)構(gòu)的控制分為三個層次：一、 局部控制，用加入阻尼或吸收能量來抵消外來干擾；二、 整體控制，如結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性控制、形狀確定性控制及擾動抑制等；三、 智能控制，結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)自診斷、自修復(fù)、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)等功能。2 智能結(jié)構(gòu)發(fā)展按現(xiàn)在的觀點，智能結(jié)構(gòu)分為兩大類，智能結(jié)構(gòu)材料，智能空間結(jié)構(gòu)力學(xué)。 智能結(jié)構(gòu)首先是從航天領(lǐng)域發(fā)起的，在上個世紀(jì)60年代到80年代初，美俄在這個領(lǐng)域取得理

8、論與技術(shù)上的基礎(chǔ)性突破，在80年代，它逐漸滲透進(jìn)建筑領(lǐng)域?！爸悄芙Y(jié)構(gòu)力學(xué)”概念在80年代中期橫空出世。 當(dāng)前“智能結(jié)構(gòu)技術(shù)”首先被運用于航天，其次，某些超高層建筑使用其二線技術(shù)或三線技術(shù)，例如在地震帶重要的一級工程，安裝有精密儀器設(shè)備的工業(yè)動力廠房，重要的數(shù)據(jù)庫存貯大樓，重要的甲級醫(yī)院，有標(biāo)志性的一級電視發(fā)射塔，一些政府或機關(guān)的辦公場所等。 智能結(jié)構(gòu)是1985年出現(xiàn)的，是當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計與結(jié)構(gòu)力學(xué)方面正在迅速發(fā)展的一種嶄新領(lǐng)域，由于尚在發(fā)展過程中，其名稱未完全統(tǒng)一，有的稱為智能結(jié)構(gòu)，有的稱為自適應(yīng)結(jié)構(gòu)。智能結(jié)構(gòu)就是可以根據(jù)外部條件和內(nèi)部條件主動地改變結(jié)構(gòu)特性以最優(yōu)地滿足任務(wù)需要的結(jié)構(gòu)。外部條件可能

9、包括環(huán)境、載荷或已制造出及已在使用中的結(jié)構(gòu)幾何外形。內(nèi)部條件可能包括對材料或結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域的破壞、失效的隔離和改變載荷傳輸途徑等。從結(jié)構(gòu)方面，就是把具有特殊力學(xué)性能和物理性能的形狀記憶合金、壓電陶瓷、壓電晶體、磁致變體、電致變體及流變體等復(fù)合在構(gòu)件中（或埋在復(fù)合材料中），組成構(gòu)件的受感元件和作動元件，再配上微處理器，便成為智能的材料結(jié)構(gòu)，來自動適應(yīng)結(jié)構(gòu)的一些特殊要求。2.1發(fā)展現(xiàn)狀 國外對智能結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用非常重視，因為智能結(jié)構(gòu)不僅可以解決當(dāng)前工程上一些難于解決的實際問題，而且被認(rèn)為是21世紀(jì)的主要材料結(jié)構(gòu)，同時這方面的研究還將推動許多學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展4。美國、日本、英國、加拿大、臺灣等都積

10、極開展了智能航天結(jié)構(gòu)的研究。 在日本，政府給予大力支持，撥巨額?？顏韽氖逻@方面的研究。由6個研究所和16個學(xué)術(shù)團體發(fā)起，于1989年3月在日本召開了國際性的智能材料結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議。 1995年美國白宮科技廳所列出的美國關(guān)鍵技術(shù)中，智能結(jié)構(gòu)也是其中之一。在美國進(jìn)行的智能航天結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究: 主要有以下幾項：1.噴氣推進(jìn)實驗室（JPL）的精密干涉儀定位試驗，支承干涉儀的衍架結(jié)構(gòu)中，部分構(gòu)件采用智能梁桿，使干涉儀的相對位置的改變量控制在10-8m之內(nèi)。2.JPL的直徑為3.8m的反射器試驗，在6條均勻分布的半徑線上采用智能桁架結(jié)構(gòu)，成功地進(jìn)行了形狀控制試驗，反射角度的變化小于0.01。3.MIT的6根3

11、.5m桁架形成的一個四面體精度試驗，試驗中受到外界干擾時，各個角點的相對位置控制精確，四面體形狀完全不變。4.JPL的噪聲智能控制試驗中，試件為直徑3.6m的復(fù)合材料圓柱艙體，局部復(fù)合了智能材料結(jié)構(gòu)，在172Hz下，測得噪聲降低了12dB 5.1993年12月發(fā)射的取代“哈勃”望遠(yuǎn)鏡WFPC的WFPC-2采用了一個智能關(guān)節(jié)狀的折疊鏡，消除了振動、熱擾動及太空環(huán)境對靜態(tài)定位角的影響，滿足了望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)精度要求。6.1994年發(fā)射的“克萊門汀”號月球探測器采用智能材料(SMA)的智能分離機構(gòu)，在 軌運行中結(jié)果理想?？偲饋砜?，國外對智能結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)用十分活躍，并且有如下的幾個特點： 1.十分重視對基

12、本規(guī)律、特性、機理以及模擬計算方法等的研究，并且認(rèn)為這是推進(jìn)智能結(jié)構(gòu)發(fā)展的關(guān)鍵。2.基礎(chǔ)研究與工程實際應(yīng)用問題相結(jié)合，而且兩者平行地進(jìn)行，這個研究特點可以說自從智能材料興起和應(yīng)用于工程上后，就出現(xiàn)了。因為智能材料的基本特性密切依賴于結(jié)構(gòu)設(shè)計和力學(xué)分析，而具體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用又對基本材料和復(fù)合方法提出了許多特殊要求。3.綜合結(jié)構(gòu)力學(xué)、控制、材料、計算機及試驗技術(shù)等不同學(xué)科交叉進(jìn)行研究。 4.資金的投入方向決定了研究的重點。美國當(dāng)前主要是圍繞航天器的實際問題來開展研究的，并且規(guī)定了外國人不能參加，這當(dāng)然是屬于先進(jìn)的尖端技術(shù)之列。2.2智能結(jié)構(gòu)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用 2.2.1形狀控制 智能空間結(jié)構(gòu)在發(fā)射段及主

13、動飛行段主動改變形狀，以適應(yīng)發(fā)射結(jié)構(gòu)外形包絡(luò)面的限制，在外層空間主動改變形狀 ，以適應(yīng)姿態(tài)要求，或者主動補償溫差引起的結(jié)構(gòu)變形及結(jié)構(gòu)長時間工作后的形狀變化，從而提高空間結(jié)構(gòu)的定位精度5。用SMA材料可以設(shè)計太陽電池陣的連接轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，記憶形狀為在空間的太陽陣展開后的正常運行狀態(tài)，用其代替常規(guī)的展開驅(qū)動機構(gòu)，可以減少展開過程引起的沖擊，提高系統(tǒng)的可靠性，并大幅度地減輕驅(qū)動機構(gòu)的質(zhì)量。2.2.2.損傷探測與修復(fù)空間結(jié)構(gòu)的可靠性、安全行和使用壽命是必須保證的最重要的技術(shù)要求，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)用智能結(jié)構(gòu)代替，就可以更好地滿足這些要求。 飛船的外部艙壁的重要部位設(shè)計成智能結(jié)構(gòu)，可以自動探測在正常運行期間結(jié)構(gòu)長時間

14、的疲勞破壞、疲勞裂紋及空間廢棄物的撞擊損傷，并主動進(jìn)行控制和修復(fù)，大幅度地提高安全性和可靠性。2.2.3.振動控制空間飛行器的各個部件及整體結(jié)構(gòu)，其最低頻率都有一個嚴(yán)格的下限，以避免外界的低頻激勵引起的強烈耦合振動。有時，空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案已經(jīng)進(jìn)行到試驗階段時，因為第一階模態(tài)頻率偏低而全部失敗?？紤]到空間結(jié)構(gòu)大量采用復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)這一特點，用智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)代替常規(guī)復(fù)合材料的主承力結(jié)構(gòu)，就可以在不改變原有的比較成熟結(jié)構(gòu)方案的情況下，主動地改變結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率，從而解決最低頻率偏低的問題。在外層空間，空間結(jié)構(gòu)的阻尼小。展開機構(gòu)展開后引起振動，或者其它外部激勵引起結(jié)構(gòu)振動時，振動就很難消除，在展開

15、驅(qū)動機構(gòu)中復(fù)合流變體，可以主動改變結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼，從而改變了結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率和衰減了振動的幅度，使振動得到有效抑制。2.2.4.分離機構(gòu) 空間結(jié)構(gòu)的連接分離機構(gòu)目前大多利用火工品螺栓，這就存在火焰沖擊波和污染的問題，星箭所載儀器受損的概率高，尤其是只能一次性使用，在地面無法進(jìn)行重復(fù)試驗以考核其可靠性。利用SMA的記憶特性能夠解決這些問題，并減輕質(zhì)量?；鸺^錐整流罩智能分離機構(gòu)，用SMA彈簧壓制成強制式螺栓，分離時通脈沖電流， 彈簧迅速恢復(fù)到地面所記憶的伸展?fàn)顟B(tài)，使連接的結(jié)構(gòu)分離。2.3新的控制方法的研究由于智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)維數(shù)高, 含有未建模動態(tài)特性及參數(shù)不確定性等, 研究面向低階魯棒控制器設(shè)計的

16、辨識方法及模型簡化技術(shù)等問題是具有實際意義的。一些較新的魯棒控制器設(shè)計方法。如魯棒變結(jié)構(gòu)控制等在含有不確定性結(jié)構(gòu)控制中的應(yīng)用,另外研究基于某類特殊結(jié)構(gòu)的振動控制機理與魯棒控制算法等都是有很強的工程應(yīng)用前景的問題。2.3.1新型的智能復(fù)合材料的研發(fā)目前影響智能結(jié)構(gòu)實用研究發(fā)展的重要問題之一是所經(jīng)常采用的壓電材料、磁致伸縮材料等均存在諸如響應(yīng)速度不夠快、嚴(yán)重非線性等問題。因此智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制作是一項困難而又急待解決的問題。有待于開發(fā)出能耗低、應(yīng)變大、頻帶寬、力學(xué)性能優(yōu)越、穩(wěn)定性和壽命高的新型智能材料。2.3.2系統(tǒng)集成技術(shù)的研究目前,大多數(shù)智能結(jié)構(gòu)僅具有傳感功能，其處理和控制功能還需外接，往往

17、是一個包含眾多功放、濾波、A /D、D/A等的龐大系統(tǒng),這對于實際的應(yīng)用而言是不便的。因此開發(fā)高精度的傳感器以及研究有效的信號采集和處理技術(shù)也顯得至關(guān)重要。2.3.3傳感器/致動器優(yōu)化的研究傳感器和致動器優(yōu)化配置的研究也是目前急需解決的問題。未來的研究將主要集中在傳感器和致動器的數(shù)量、 位置與厚度上。在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計階段就考慮控制增益、傳感器與致動器位置的優(yōu)化問題，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)的一體化設(shè)計，是一個值得研究的課題。3 智能結(jié)構(gòu)舉例應(yīng)用通過以上的現(xiàn)狀分析與高端的研究成果展示，表明智能結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到了不少的應(yīng)用，為了更好闡明智能結(jié)構(gòu)現(xiàn)將目前應(yīng)用較為成熟的做詳細(xì)闡述。3.1 自適應(yīng)機翼自適應(yīng)機翼不再

18、采用傳統(tǒng)的鉸鏈與舵面結(jié)構(gòu)，而是依靠機翼內(nèi)部的驅(qū)動器實現(xiàn)整個機翼的轉(zhuǎn)動如圖（a）或局部機翼的變形（圖（b）（c），從而改變機翼的攻角和翼型。和常規(guī)的操縱面相比，自適應(yīng)機翼結(jié)構(gòu)形式簡單，疲勞強度高，在減輕質(zhì)量、提高飛機的機動性、降低臨界載荷、改善雷達(dá)散射截面以及增升阻力等方面有著較大的優(yōu)勢和潛力。3.2 碳纖維混凝土溫度自診斷自適應(yīng)結(jié)構(gòu) 由于碳纖維混凝土具有熱敏性，因此把它“植入”混凝土結(jié)構(gòu)時，既可以對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度分布診斷，又根據(jù)診斷結(jié)果實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的溫度自適應(yīng)。圖 是碳纖維混凝土溫度自診斷、自適應(yīng)的試驗系統(tǒng)。當(dāng)此系統(tǒng)啟動時，碳纖維混凝土執(zhí)行器的溫度由輸出得電壓信號經(jīng)轉(zhuǎn)換器輸入到單片機進(jìn)行

19、信息處理，并判斷是否到控制溫度。再由此自適應(yīng)決定是啟動還是關(guān)閉碳纖維混凝土執(zhí)行器兩端的電源，以使其溫度保持定值。在國外，自診斷自適應(yīng)碳纖維溫敏混凝土已被應(yīng)用于機場道路及橋梁路面的自適應(yīng)融雪和融冰上，取得了很好的效果。3.3 微型機器人 傳統(tǒng)的機器人是機械電子一體化的典型代表，使用的是常規(guī)驅(qū)動方法（如馬達(dá)、液壓），結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大。形狀記憶合金開創(chuàng)了材料電子一體化的機器人，使得機器人結(jié)構(gòu)大大簡化。彈簧能夠?qū)X輪的功能和驅(qū)動馬達(dá)與控制系統(tǒng)的傳遞結(jié)合起來，在反饋控制系統(tǒng)中，相變時產(chǎn)生的電阻變化可以用做驅(qū)動器和位置檢測器，起到感知、驅(qū)動和傳遞作用，這使得超小型化和集成化成為可能。 從控制角度看，直接

20、通電流加熱是驅(qū)動形狀記憶合金的最好方法。電流可采用模擬控制或數(shù)字控制，實際上多采用脈沖電流控制脈沖寬度方式以及控制脈沖比特編碼的方式。器件的反應(yīng)速度主要由冷卻速度控制，加大電流強度很容易在加熱過程中獲得快速動作，而冷卻只受表面熱傳導(dǎo)的影響，所以通常只采取一些措施以提高冷卻速度。比如增加比表面積（如細(xì)絲或落帶）或附上吸熱材料（如硅膠或銅）。 上圖為具有肩、肘、臂、腕、指等5個自由度的微型機器人的結(jié)構(gòu)示意圖。手指和手腕靠線圈的收縮、肘和肩靠線狀的伸縮分別實現(xiàn)開閉和屈伸動作。每個元件由微型計算機控制，通過由脈沖寬度控制的電流調(diào)節(jié)位置和動作速度。由于很細(xì)（0.2mm）因而動作快。實體模型圖模型示意圖 記憶合金在機器人上得另一應(yīng)用是行走。他由兩根記憶合金和相應(yīng)的偏執(zhí)彈簧組成，利用記憶合金的伸長與收縮而達(dá)到行走的目的。加熱時，記憶合金變長，使前爪向前伸出（后爪不能后退），與此同時，重心移至前爪，冷卻時，記憶合金收縮，將后爪向前移動一步。這種裝置有六條腿，步行中增加了穩(wěn)定性。將合金受熱和冷卻與計算機結(jié)合起來，可以精確控制行走的步幅。 上圖可用于海床檢測并能獨立行走模仿螃蟹設(shè)計的機器人。因為螃蟹很適于陸地和海底爬行。借助電流加熱，依靠周圍海水冷卻，控制脈沖電流就能使機器人在海底平滑的移動。4 展望近幾年來，國內(nèi)外