智能结构与智能机构

1、学习内容名称智能结构与智能机构智能结构与智能机构摘要：智能结构是一种仿生结构体系。通过总结当前的研究现状，结合具体实例，得到智能结构的关键技术和发展前景。1. 智能结构与智能机构简介 智能结构可以定义成一种仿生结构体系,它集主结构、传感器、控制器及驱动器于一体,具有结构健康自诊断、自监控、环境自适应以及损伤自愈合自修复的生命特征及智能功能,在危险发生时能自己保护自己1。智能结构也可以定义成：可以根据外部条件和内部条件主动地改变结构特性以最优地满足任务需要的结构。外部条件可能包括环境、载荷或已制造出及已在使用中的结构几何外形。内部条件可能包括对材料或结构的局部区域的破坏、失效的隔离和改变载荷传输

2、途径等。智能机构指由两个或两个以上构件通过活动联接形成的智能构件系统。1.1智能材料（intelligent material）智能材料（Intelligent material），是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料1。智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。一般说来，智能材料有七大功能，即传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能

3、、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。具体来说，智能材料需具备以下内涵：(1)具有感知功能，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度，如电，光，热，应力，应变，化学，核辐射等；(2)具有驱动功能，能够响应外界变化；(3)能够按照设定的方式选择和控制响应；(4)反应比较灵敏,及时和恰当；(5)当外部刺激消除后,能够迅速恢复到原始状态。智能材料又可以称为敏感材料，其英文翻译也有若干种，常用的有Intelligent material，Intelligent material and structure，Smart material，Smart material and struct

4、ure，Adaptive material and structure等。智能材料大体可分为电磁流变体，形状记忆合金2。1.1.1电磁流变体在20世纪40年代末期，人们发现在普通的流体中掺入适当的磁性悬浮物。就成为电磁流变体。当外加磁场作用在这种流体上时，由于悬浮物磁向与外磁场一致，就大大约束了流体的运动，整个流体呈现固体化的性质。而且反应之快，是在短于微妙级的时间间隔内完成的。悬浮物为磁性体时称为磁流变体（MR），而悬浮物是电介质时称为电流变体（ER）。1.1.2.形状记忆材料 材料在外力作用下发生残余变形后，在温度作用下又会发生逆变形，使材料恢复原状。冷却后再再发生残余变形，再加热，结果还

5、能恢复原状。这种现象称为形状记忆效应（Shape Memory Effect）。这种具有形状记忆效应（SME）的材料称为形状记忆材料，它包括形状记忆合金、记忆陶瓷及形状记忆聚合物。1.1.3.压电材料如下图所示：材料上施加外力引起变形时在材料内产生电场。反之对材料施加外电场时在材料内部产生变形。1.2 智能结构的关键技术智能结构的关键技术包括传感器、驱动器、控制器及其集成3。智能结构的仿生学模型如下图所示：1.2.1 智能传感器智能传感器（intelligent sensor），从仿生学来讲，相当于智能结构的神经元，是具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的

6、能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。一般智能机器人的感觉系统由多个传感器集合而成，采集的信息需要计算机进行处理，而使用智能传感器就可将信息分散处理，从而降低成本。与一般传感器相比，智能传感器具有以下三个优点：通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的编程自动化能力；功能多样化。1.2.2 智能驱动器智能结构中的驱动器从仿生学来讲相当于智能结构中的肌肉，它的任务是使智能结构自适应动作，故必须具有较大的肌肉力量，应有较小的滞后效应。目前，常采用形状记忆合金、压电材料、电（磁）流变材料及伸缩材料作为驱动器。1.2.3 智能控制器智能结构中的控制器，从仿生学来讲，相当于智能结构

7、的神经中枢（大脑）控制对象为结构本身。由于智能节后本身是分布式强耦合的非线性系统，且所处环境具有不确定性及时变性，因此控制器应具有分布式及中央处理方式相协调的特点。对于复杂的事变系统，还应具有一定的鲁棒性及在线学习功能。智能结构的控制分为三个层次：一、 局部控制，用加入阻尼或吸收能量来抵消外来干扰；二、 整体控制，如结构整体稳定性控制、形状确定性控制及扰动抑制等；三、 智能控制，结构可以实现自诊断、自修复、自适应、自学习等功能。2 智能结构发展按现在的观点，智能结构分为两大类，智能结构材料，智能空间结构力学。 智能结构首先是从航天领域发起的，在上个世纪60年代到80年代初，美俄在这个领域取得理

8、论与技术上的基础性突破，在80年代，它逐渐渗透进建筑领域。“智能结构力学”概念在80年代中期横空出世。 当前“智能结构技术”首先被运用于航天，其次，某些超高层建筑使用其二线技术或三线技术，例如在地震带重要的一级工程，安装有精密仪器设备的工业动力厂房，重要的数据库存贮大楼，重要的甲级医院，有标志性的一级电视发射塔，一些政府或机关的办公场所等。 智能结构是1985年出现的，是当前结构设计与结构力学方面正在迅速发展的一种崭新领域，由于尚在发展过程中，其名称未完全统一，有的称为智能结构，有的称为自适应结构。智能结构就是可以根据外部条件和内部条件主动地改变结构特性以最优地满足任务需要的结构。外部条件可能

9、包括环境、载荷或已制造出及已在使用中的结构几何外形。内部条件可能包括对材料或结构的局部区域的破坏、失效的隔离和改变载荷传输途径等。从结构方面，就是把具有特殊力学性能和物理性能的形状记忆合金、压电陶瓷、压电晶体、磁致变体、电致变体及流变体等复合在构件中（或埋在复合材料中），组成构件的受感元件和作动元件，再配上微处理器，便成为智能的材料结构，来自动适应结构的一些特殊要求。2.1发展现状 国外对智能结构的研究和应用非常重视，因为智能结构不仅可以解决当前工程上一些难于解决的实际问题，而且被认为是21世纪的主要材料结构，同时这方面的研究还将推动许多学科和技术的发展4。美国、日本、英国、加拿大、台湾等都积

10、极开展了智能航天结构的研究。 在日本，政府给予大力支持，拨巨额专款来从事这方面的研究。由6个研究所和16个学术团体发起，于1989年3月在日本召开了国际性的智能材料结构学术会议。 1995年美国白宫科技厅所列出的美国关键技术中，智能结构也是其中之一。在美国进行的智能航天结构应用研究: 主要有以下几项：1.喷气推进实验室（JPL）的精密干涉仪定位试验，支承干涉仪的衍架结构中，部分构件采用智能梁杆，使干涉仪的相对位置的改变量控制在10-8m之内。2.JPL的直径为3.8m的反射器试验，在6条均匀分布的半径线上采用智能桁架结构，成功地进行了形状控制试验，反射角度的变化小于0.01。3.MIT的6根3

11、.5m桁架形成的一个四面体精度试验，试验中受到外界干扰时，各个角点的相对位置控制精确，四面体形状完全不变。4.JPL的噪声智能控制试验中，试件为直径3.6m的复合材料圆柱舱体，局部复合了智能材料结构，在172Hz下，测得噪声降低了12dB 5.1993年12月发射的取代“哈勃”望远镜WFPC的WFPC-2采用了一个智能关节状的折叠镜，消除了振动、热扰动及太空环境对静态定位角的影响，满足了望远镜的光学精度要求。6.1994年发射的“克莱门汀”号月球探测器采用智能材料(SMA)的智能分离机构，在 轨运行中结果理想。总起来看，国外对智能结构的研究应用十分活跃，并且有如下的几个特点： 1.十分重视对基

12、本规律、特性、机理以及模拟计算方法等的研究，并且认为这是推进智能结构发展的关键。2.基础研究与工程实际应用问题相结合，而且两者平行地进行，这个研究特点可以说自从智能材料兴起和应用于工程上后，就出现了。因为智能材料的基本特性密切依赖于结构设计和力学分析，而具体结构的应用又对基本材料和复合方法提出了许多特殊要求。3.综合结构力学、控制、材料、计算机及试验技术等不同学科交叉进行研究。 4.资金的投入方向决定了研究的重点。美国当前主要是围绕航天器的实际问题来开展研究的，并且规定了外国人不能参加，这当然是属于先进的尖端技术之列。2.2智能结构在航天领域的应用 2.2.1形状控制 智能空间结构在发射段及主

13、动飞行段主动改变形状，以适应发射结构外形包络面的限制，在外层空间主动改变形状 ，以适应姿态要求，或者主动补偿温差引起的结构变形及结构长时间工作后的形状变化，从而提高空间结构的定位精度5。用SMA材料可以设计太阳电池阵的连接转动系统，记忆形状为在空间的太阳阵展开后的正常运行状态，用其代替常规的展开驱动机构，可以减少展开过程引起的冲击，提高系统的可靠性，并大幅度地减轻驱动机构的质量。2.2.2.损伤探测与修复空间结构的可靠性、安全行和使用寿命是必须保证的最重要的技术要求，关键结构用智能结构代替，就可以更好地满足这些要求。 飞船的外部舱壁的重要部位设计成智能结构，可以自动探测在正常运行期间结构长时间

14、的疲劳破坏、疲劳裂纹及空间废弃物的撞击损伤，并主动进行控制和修复，大幅度地提高安全性和可靠性。2.2.3.振动控制空间飞行器的各个部件及整体结构，其最低频率都有一个严格的下限，以避免外界的低频激励引起的强烈耦合振动。有时，空间结构的设计方案已经进行到试验阶段时，因为第一阶模态频率偏低而全部失败。考虑到空间结构大量采用复合材料板壳结构这一特点，用智能复合材料结构代替常规复合材料的主承力结构，就可以在不改变原有的比较成熟结构方案的情况下，主动地改变结构的模态频率，从而解决最低频率偏低的问题。在外层空间，空间结构的阻尼小。展开机构展开后引起振动，或者其它外部激励引起结构振动时，振动就很难消除，在展开

15、驱动机构中复合流变体，可以主动改变结构的刚度和阻尼，从而改变了结构的模态频率和衰减了振动的幅度，使振动得到有效抑制。2.2.4.分离机构 空间结构的连接分离机构目前大多利用火工品螺栓，这就存在火焰冲击波和污染的问题，星箭所载仪器受损的概率高，尤其是只能一次性使用，在地面无法进行重复试验以考核其可靠性。利用SMA的记忆特性能够解决这些问题，并减轻质量。火箭头锥整流罩智能分离机构，用SMA弹簧压制成强制式螺栓，分离时通脉冲电流， 弹簧迅速恢复到地面所记忆的伸展状态，使连接的结构分离。2.3新的控制方法的研究由于智能结构系统维数高, 含有未建模动态特性及参数不确定性等, 研究面向低阶鲁棒控制器设计的

16、辨识方法及模型简化技术等问题是具有实际意义的。一些较新的鲁棒控制器设计方法。如鲁棒变结构控制等在含有不确定性结构控制中的应用,另外研究基于某类特殊结构的振动控制机理与鲁棒控制算法等都是有很强的工程应用前景的问题。2.3.1新型的智能复合材料的研发目前影响智能结构实用研究发展的重要问题之一是所经常采用的压电材料、磁致伸缩材料等均存在诸如响应速度不够快、严重非线性等问题。因此智能复合材料结构的制作是一项困难而又急待解决的问题。有待于开发出能耗低、应变大、频带宽、力学性能优越、稳定性和寿命高的新型智能材料。2.3.2系统集成技术的研究目前,大多数智能结构仅具有传感功能，其处理和控制功能还需外接，往往

17、是一个包含众多功放、滤波、A /D、D/A等的庞大系统,这对于实际的应用而言是不便的。因此开发高精度的传感器以及研究有效的信号采集和处理技术也显得至关重要。2.3.3传感器/致动器优化的研究传感器和致动器优化配置的研究也是目前急需解决的问题。未来的研究将主要集中在传感器和致动器的数量、 位置与厚度上。在结构系统设计阶段就考虑控制增益、传感器与致动器位置的优化问题，实现结构与控制系统的一体化设计，是一个值得研究的课题。3 智能结构举例应用通过以上的现状分析与高端的研究成果展示，表明智能结构已经得到了不少的应用，为了更好阐明智能结构现将目前应用较为成熟的做详细阐述。3.1 自适应机翼自适应机翼不再

18、采用传统的铰链与舵面结构，而是依靠机翼内部的驱动器实现整个机翼的转动如图（a）或局部机翼的变形（图（b）（c），从而改变机翼的攻角和翼型。和常规的操纵面相比，自适应机翼结构形式简单，疲劳强度高，在减轻质量、提高飞机的机动性、降低临界载荷、改善雷达散射截面以及增升阻力等方面有着较大的优势和潜力。3.2 碳纤维混凝土温度自诊断自适应结构 由于碳纤维混凝土具有热敏性，因此把它“植入”混凝土结构时，既可以对混凝土结构进行温度分布诊断，又根据诊断结果实现混凝土结构的温度自适应。图 是碳纤维混凝土温度自诊断、自适应的试验系统。当此系统启动时，碳纤维混凝土执行器的温度由输出得电压信号经转换器输入到单片机进行

19、信息处理，并判断是否到控制温度。再由此自适应决定是启动还是关闭碳纤维混凝土执行器两端的电源，以使其温度保持定值。在国外，自诊断自适应碳纤维温敏混凝土已被应用于机场道路及桥梁路面的自适应融雪和融冰上，取得了很好的效果。3.3 微型机器人 传统的机器人是机械电子一体化的典型代表，使用的是常规驱动方法（如马达、液压），结构复杂，体积庞大。形状记忆合金开创了材料电子一体化的机器人，使得机器人结构大大简化。弹簧能够将齿轮的功能和驱动马达与控制系统的传递结合起来，在反馈控制系统中，相变时产生的电阻变化可以用做驱动器和位置检测器，起到感知、驱动和传递作用，这使得超小型化和集成化成为可能。 从控制角度看，直接

20、通电流加热是驱动形状记忆合金的最好方法。电流可采用模拟控制或数字控制，实际上多采用脉冲电流控制脉冲宽度方式以及控制脉冲比特编码的方式。器件的反应速度主要由冷却速度控制，加大电流强度很容易在加热过程中获得快速动作，而冷却只受表面热传导的影响，所以通常只采取一些措施以提高冷却速度。比如增加比表面积（如细丝或落带）或附上吸热材料（如硅胶或铜）。 上图为具有肩、肘、臂、腕、指等5个自由度的微型机器人的结构示意图。手指和手腕靠线圈的收缩、肘和肩靠线状的伸缩分别实现开闭和屈伸动作。每个元件由微型计算机控制，通过由脉冲宽度控制的电流调节位置和动作速度。由于很细（0.2mm）因而动作快。实体模型图模型示意图 记忆合金在机器人上得另一应用是行走。他由两根记忆合金和相应的偏执弹簧组成，利用记忆合金的伸长与收缩而达到行走的目的。加热时，记忆合金变长，使前爪向前伸出（后爪不能后退），与此同时，重心移至前爪，冷却时，记忆合金收缩，将后爪向前移动一步。这种装置有六条腿，步行中增加了稳定性。将合金受热和冷却与计算机结合起来，可以精确控制行走的步幅。 上图可用于海床检测并能独立行走模仿螃蟹设计的机器人。因为螃蟹很适于陆地和海底爬行。借助电流加热，依靠周围海水冷却，控制脉冲电流就能使机器人在海底平滑的移动。4 展望近几年来，国内外