基于PCL的可变刚度的仿生鱼尾设计
1. 结构材料介绍
1. 结构材料介绍
####1.1 材料选择
- PCL（聚己内酯）是一种可生物降解的低熔点聚合物，熔点仅为62℃，在实际使用中，会加热至约60-70℃，其状态接近液态。
- 在常温下与加热状态下有明显不同的刚度，通过肉眼观察可以看到常温下为白色，加热熔化至熔融态呈透明色。
1.2 鱼尾结构介绍
- 以PCL填充的管子分布在鱼尾表面，在实际游动时加热不同部位，从而形成鱼尾上不同部位刚度不同的状态。
- 鱼尾的可变刚度特性设计为接近真实鱼尾的特性，在水中游动时通过不同部位的刚度差异，达到增大受到的推进力的目的，提高推进效率。
2. 主要工作内容
2.1 电路设计
- 基于stm32设计电路，通过穿插在鱼尾管子中的电阻丝对材料加热，进行温度控制，从而对鱼尾各个部分的刚度进行间接控制。
- 在鱼尾摆动的过程中，由其各部分刚度不同的特性，希望能够相对于完全刚性的鱼尾结构增大鱼体受到的推进力，减少功率的损耗。
2.1.1 传感器选择
- 温度传感器：在加热过程中，保持温度的恒定，不能太高（会对其他不耐高温的器件产生影响），也不能太低（加热过慢）；
- 弯曲度传感器：贴于PCL材料管外壁，用于检测运动时其发生的形变。
2.2 温度控制方案设计硬件
- 温度传感器选用K型热电偶，探头体积小，测温灵敏；转换器选用MAX6675，可将K型热电偶的信号数字化。
- 转换器模块输出数据为16位，有效数据为3-14位，测量范围0~1024℃。
2.3 电阻丝的加热电路
- 电阻丝的加热电路如图所示，线路接法如图。
- 实际控制中，以目标温度作为输入，电压作为控制变量，热电偶检测的温度作为反馈，形成闭环控制。
2.3.1 控制方法
- 控制器（stm32f407）pwm输出至继电器的信号触发端，继电器的打开与关闭控制电阻丝电路的闭合与断开。
- 可以控制电路的闭合与断开控制电阻丝加热的温度。参考的经典方法为PID控制，用给定温度和测量反馈的温度值的差作为控制变量，控制pwm输出。
2.4 现有问题
- 电阻丝放置位置不居中导致受热不均匀
- 引线过多
2.5 弯曲传感器布置
- 弯曲传感器用于检测鱼尾的形变。根据鱼尾上材料管的布置，可放置若干应变片用于检测形变。
- 现有的应变片为BF120-100AA，可进行初步测试看是否可用于检测弯曲度，如果不行，会考虑换一个模块或传感器。
2.6 后续试验方案
- 基于之前所实现的多路温度独立控制系统以及鱼尾上布置的弯曲传感器，可以进行如下试验：
- 在线测试温度的高低对于鱼尾形变程度大小的影响，选取形变合适的温度水平。
- 鱼尾各部分分别加热，形成不同部位刚度不同，设计不同的加热方案测试在各方案下鱼尾在水下摆动时所受力的大小并比较得出最好的加热方案。
