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アクチュエーターはあらゆる場所で使用され、製造および産業オートメーションにおけるさまざまな操作を実行するために、適切な加振力またはトルクを適用することで制御された動作を作成します。より高速、より小型、より効率的なドライブのニーズにより、ドライブ設計の革新が推進されています。形状記憶合金 (SMA) ドライブには、高い出力重量比など、従来のドライブに比べて多くの利点があります。この論文では、生物学的システムの羽毛のような筋肉の利点と SMA のユニークな特性を組み合わせた 2 つの羽根の SMA ベースのアクチュエーターが開発されました。この研究では、二峰性 SMA ワイヤ配置に基づいて新しいアクチュエータの数学的モデルを開発し、それを実験的にテストすることにより、以前の SMA アクチュエータを探索および拡張します。SMA ベースの既知のドライブと比較して、新しいドライブの作動力は少なくとも 5 倍 (最大 150 N) です。対応する重量損失は約 67% です。数学的モデルの感度解析の結果は、設計パラメータの調整や主要パラメータの理解に役立ちます。この研究では、ダイナミクスをさらに強化するために使用できるマルチレベルの N 段ドライブについても説明します。SMA ベースの二価筋アクチュエータは、ビルディング オートメーションから高精度ドラッグ デリバリー システムまで幅広い用途に使用できます。
哺乳類の筋肉構造などの生物学的システムは、多くの微妙なアクチュエーターを活性化する可能性があります1。哺乳類にはさまざまな筋肉構造があり、それぞれが特定の目的を果たしています。ただし、哺乳類の筋肉組織の構造の多くは、2 つの大きなカテゴリに分類できます。平行と五芒星。ハムストリングスやその他の屈筋では、その名前が示すように、平行筋組織には中央の腱と平行な筋線維があります。筋線維の鎖は一列に並んでおり、周囲の結合組織によって機能的に接続されています。これらの筋肉は可動域（短縮率）が大きいと言われていますが、全体の筋力は非常に限られています。対照的に、ふくらはぎ三頭筋 2 (外側腓腹筋 (GL)3、内側腓腹筋 (GM)4 およびヒラメ筋 (SOL)) および大腿伸筋 (大腿四頭筋) 5,6 では、羽状筋組織が各筋肉に見られます 7。羽状構造では、二羽状筋組織の筋線維が中央腱の両側に斜めの角度（羽状角）で存在します。Pennate は、「ペン」を意味するラテン語の「penna」に由来しています。1は羽のような外観を持っています。羽状筋の線維はより短く、筋肉の長手方向の軸に対して傾いています。羽状構造により、これらの筋肉の全体的な可動性が低下し、短縮プロセスの横方向および縦方向の成分が生じます。一方、生理学的断面積の測定方法により、これらの筋肉の活性化は全体的な筋力の向上につながります。したがって、特定の断面積では、羽状筋の方が平行線維を持つ筋肉よりも強く、より高い力を生成します。個々の繊維によって生成される力は、その筋肉組織内に巨視的レベルで筋力を生成します。さらに、急速な収縮、引張損傷に対する保護、クッション性などのユニークな特性を備えています。筋の作用線に関連する繊維配置の独特の特徴と幾何学的複雑性を利用することにより、繊維入力と筋出力の関係を変革します。
示されているのは、二峰性筋肉構造に関連した既存の SMA ベースのアクチュエータ設計の概略図です。たとえば (a) は、SMA ワイヤによって駆動される手の形のデバイスが二輪自律移動ロボットに取り付けられている触力の相互作用を表しています 9,10。、(b) 拮抗的に配置された SMA バネ式眼窩人工器官を備えたロボット眼窩人工器官。義眼の位置は、目の眼筋からの信号によって制御されます11。(c) SMA アクチュエータは、高周波応答と低帯域幅のため、水中用途に最適です。この構成では、SMA アクチュエータを使用して魚の動きをシミュレートすることによって波動を作成します。(d) SMA アクチュエータは、チャネル 10 内の SMA ワイヤの動きによって制御されるインチ ワームの動作原理を使用できるマイクロ パイプ検査ロボットを作成するために使用されます。(e) は、腓腹筋組織の収縮筋線維の方向と生成する収縮力を示します。(f) は羽状筋構造内の筋線維の形で配置された SMA ワイヤを示します。
アクチュエーターは、幅広い用途があるため、機械システムの重要な部分となっています。したがって、より小さく、より高速で、より効率的なドライブの必要性が重要になります。従来のドライブには利点があるにもかかわらず、保守に費用がかかり、時間がかかることがわかっています。油圧アクチュエータと空気圧アクチュエータは複雑で高価であり、摩耗、潤滑の問題、コンポーネントの故障が発生しやすいです。需要に応えて、スマート材料に基づいた、コスト効率が高く、サイズが最適化された高度なアクチュエータの開発に重点が置かれています。現在進行中の研究では、このニーズを満たす形状記憶合金 (SMA) 積層アクチュエータに注目しています。階層型アクチュエータは、多くの個別のアクチュエータを幾何学的に複雑なマクロスケールのサブシステムに組み合わせて、機能を強化し、拡張した機能を提供するという点で独特です。この点において、上述の人間の筋肉組織は、そのような多層作動の優れた多層例を提供する。現在の研究では、二峰性筋肉に存在する繊維の方向に合わせて調整されたいくつかの個別の駆動要素 (SMA ワイヤ) を備えたマルチレベル SMA 駆動について説明しており、これにより全体的な駆動性能が向上します。
アクチュエータの主な目的は、電気エネルギーを変換することによって力や変位などの機械的出力を生成することです。形状記憶合金は、高温でも形状を復元できる「スマート」材料の一種です。高負荷下では、SMA ワイヤの温度が上昇して形状が回復し、その結果、直接結合されたさまざまなスマート材料と比較して作動エネルギー密度が高くなります。同時に、機械的負荷がかかると、SMA は脆くなります。特定の条件下では、周期的な荷重により機械エネルギーが吸収および放出され、可逆的なヒステリシス形状変化が示されます。これらのユニークな特性により、SMA はセンサー、振動減衰、特にアクチュエーターに最適です12。これを念頭に置いて、SMA ベースのドライブについて多くの研究が行われてきました。SMA ベースのアクチュエータは、さまざまな用途に並進運動と回転運動を提供するように設計されていることに注意してください 13、14、15。いくつかの回転アクチュエータが開発されていますが、研究者は特にリニア アクチュエータに興味を持っています。これらのリニアアクチュエータは、一次元アクチュエータ、変位アクチュエータ、および差動アクチュエータ１６の３つのタイプのアクチュエータに分類することができる。当初、ハイブリッド ドライブは SMA および他の従来のドライブと組み合わせて作成されました。SMA ベースのハイブリッド リニア アクチュエータのそのような例の 1 つは、SMA ワイヤと DC モータを使用して、約 100 N の出力と大きな変位を提供するものです 17。
完全に SMA に基づいたドライブの最初の開発の 1 つは、SMA パラレル ドライブでした。複数の SMA ワイヤを使用する SMA ベースの並列ドライブは、すべての SMA18 ワイヤを並列に配置することでドライブの電力能力を向上させるように設計されています。アクチュエータを並列接続すると、より多くの電力が必要になるだけでなく、単線の出力電力も制限されます。SMA ベースのアクチュエータのもう 1 つの欠点は、達成できる移動量が限られていることです。この問題を解決するために、偏向した柔軟なビームを含む SMA ケーブル ビームが作成され、変位を増加させて直線運動を実現しましたが、より大きな力は生成されませんでした 19。形状記憶合金をベースにしたロボット用の柔軟な変形可能な構造および生地は、主に衝撃の増幅を目的として開発されてきました20、21、22。高速が要求される用途では、マイクロポンプ駆動用途に薄膜 SMA を使用したコンパクトな駆動ポンプが報告されています 23。薄膜 SMA 膜の駆動周波数は、ドライバーの速度を制御する重要な要素です。したがって、SMA リニア モーターは、SMA スプリング モーターやロッド モーターよりも優れた動的応答を備えています。ソフト ロボティクスとグリッピング テクノロジは、SMA ベースのアクチュエータを使用する他の 2 つのアプリケーションです。例えば、２５Ｎスペースクランプで使用される標準アクチュエータを置き換えるために、形状記憶合金平行アクチュエータ２４が開発された。別のケースでは、最大 30 N の引っ張り力を生み出すことができるマトリックスが埋め込まれたワイヤをベースにして SMA ソフト アクチュエータが製造されました。SMA は、その機械的特性により、生物学的現象を模倣するアクチュエータの製造にも使用されます。そのような開発の 1 つには、発射するための正弦波運動を生成する SMA を備えたミミズのような生物の生体模倣である 12 セル ロボットが含まれます。
前述したように、既存の SMA ベースのアクチュエータから得られる最大力には制限があります。この問題に対処するために、この研究では生体模倣二峰性筋肉構造を提示します。形状記憶合金ワイヤーで駆動。これは、いくつかの形状記憶合金ワイヤを含む分類システムを提供します。現在まで、同様のアーキテクチャを備えた SMA ベースのアクチュエータは文献で報告されていません。SMA に基づいたこのユニークで新しいシステムは、二峰性の筋肉のアライメント中の SMA の挙動を研究するために開発されました。既存の SMA ベースのアクチュエータと比較して、この研究の目標は、小さな体積で大幅に高い力を生成する生体模倣二価バレレート アクチュエータを作成することでした。HVAC ビルオートメーションおよび制御システムで使用される従来のステッピング モーター駆動ドライブと比較して、提案された SMA ベースのバイモーダル ドライブ設計は、駆動機構の重量を 67% 削減します。以下では、「筋肉」と「ドライブ」という用語は同じ意味で使用されます。この研究では、そのようなドライブのマルチフィジックス シミュレーションを調査します。このようなシステムの機械的挙動は、実験的および分析的方法によって研究されてきました。力と温度の分布は、7 V の入力電圧でさらに調査されました。続いて、重要なパラメーターと出力力の間の関係をよりよく理解するためにパラメトリック解析が実行されました。最後に、階層型アクチュエータが構想されており、階層レベルの効果が補綴用途の非磁性アクチュエータの将来の可能性のある分野として提案されています。前述の研究の結果によると、単一ステージ アーキテクチャの使用により、報告されている SMA ベースのアクチュエータよりも少なくとも 4 ～ 5 倍大きな力が生成されます。さらに、マルチレベル マルチレベル ドライブによって生成される同じ駆動力は、従来の SMA ベースのドライブの 10 倍以上であることが示されています。次に、この研究では、異なる設計と入力変数の間の感度分析を使用して主要なパラメーターが報告されます。SMA ワイヤの初期の長さ (\(l_0\))、羽状角度 (\(\alpha\))、および個々のストランドの単ストランドの数 (n) は、駆動力の大きさに強いマイナスの影響を与えます。一方、入力電圧（エネルギー）は正の相関があることが判明しました。
SMA ワイヤは、ニッケルチタン (Ni-Ti) 合金に見られる形状記憶効果 (SME) を示します。通常、SMA は、低温相と高温相という 2 つの温度依存相を示します。両方の相は、異なる結晶構造が存在するため、独特の特性を持っています。変態温度以上に存在するオーステナイト相（高温相）では、材料は高い強度を示し、荷重に対する変形が少ない。この合金はステンレス鋼と同様に動作するため、より高い作動圧力に耐えることができます。Ni-Ti合金のこの特性を利用して、SMAワイヤーを斜めにしてアクチュエーターを形成します。さまざまなパラメータやさまざまな形状の影響下での SMA の熱挙動の基本的な仕組みを理解するために、適切な解析モデルが開発されます。実験結果と解析結果の間には良好な一致が得られた。
SMAに基づくバイモーダルドライブの性能を評価するために、図9aに示すプロトタイプで実験研究が実行されました。これらの特性のうちの 2 つ、ドライブによって生成される力 (筋力) と SMA ワイヤの温度 (SMA 温度) は実験的に測定されました。ドライブ内のワイヤの全長に沿って電圧差が増加すると、ジュール加熱効果によりワイヤの温度が上昇します。入力電圧は 2 つの 10 秒サイクル (図 2a、b の赤い点で示されている) で印加され、各サイクルの間に 15 秒の冷却期間が設けられました。ブロッキング力は圧電ひずみゲージを使用して測定され、SMA ワイヤの温度分布は科学グレードの高解像度 LWIR カメラを使用してリアルタイムで監視されました (表 2 で使用した装置の特性を参照)。は、高電圧段階ではワイヤの温度が単調に増加しますが、電流が流れていないときはワイヤの温度が低下し続けることを示しています。現在の実験設定では、SMA ワイヤの温度は冷却段階で低下しましたが、依然として周囲温度より高かったです。図上。図２ｅは、ＬＷＩＲカメラから取得されたＳＭＡワイヤ上の温度のスナップショットを示す。一方、図では。図２ａは、駆動システムによって生成される阻止力を示す。筋力がバネの復元力を超えると、図 9a に示すように可動アームが動き始めます。作動が開始されるとすぐに、可動アームがセンサーと接触し、図に示すように体積力が発生します。2c、d。最高温度が \(84\,^{\circ}\hbox {C}\) に近い場合、観測される最大の力は 105 N です。
グラフは、SMA ワイヤの温度と、2 サイクル中に SMA ベースの二峰性アクチュエータによって生成される力の実験結果を示しています。入力電圧は 2 つの 10 秒サイクル (赤い点で表示) で印加され、各サイクルの間に 15 秒のクールダウン期間が設けられます。実験に使用した SMA ワイヤは、Dynalloy, Inc. の直径 0.51 mm の Flexinol ワイヤでした。(a) グラフは、2 サイクルにわたって得られた実験力を示します。(c、d) は、PACEline CFT/5kN 圧電力トランスデューサ上の可動アーム アクチュエータの動作の 2 つの独立した例を示します。(b) グラフは、2 サイクルの間の SMA ワイヤ全体の最高温度を示します。(e) FLIR Research を使用して SMA ワイヤから取得した温度スナップショットを示します。 IR ソフトウェア LWIR カメラ。実験で考慮された幾何学的パラメータを表に示します。一。
図5に示すように、入力電圧7Vの条件下で数学モデルのシミュレーション結果と実験結果を比較します。パラメトリック解析の結果によれば、SMA ワイヤの過熱の可能性を回避するために、11.2 W の電力がアクチュエータに供給されました。プログラマブル DC 電源を使用して入力電圧として 7V を供給し、ワイヤ全体で 1.6A の電流が測定されました。電流が流れると、ドライブによって生成される力と SDR の温度が上昇します。入力電圧が 7V の場合、最初のサイクルのシミュレーション結果と実験結果から得られた最大出力力は、それぞれ 78 N と 96 N です。2 番目のサイクルでは、シミュレーションと実験結果の最大出力力はそれぞれ 150 N と 105 N でした。咬合力の測定値と実験データの間の差異は、咬合力の測定に使用された方法に起因する可能性があります。実験結果を図に示します。5a はロック力の測定に対応し、図に示すようにドライブ シャフトが PACEline CFT/5kN 圧電力トランスデューサーと接触したときに測定されました。2秒。したがって、冷却ゾーンの開始時にドライブシャフトが力センサーに接触していない場合、図2dに示すように、力はすぐにゼロになります。さらに、後続のサイクルでの力の形成に影響を与える他のパラメーターは、前のサイクルでの冷却時間と対流熱伝達係数の値です。図から。図 2b から、15 秒の冷却期間の後、SMA ワイヤは室温に達せず、したがって、最初のサイクル (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)) と比較して 2 回目の駆動サイクルでは初期温度 (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) が高かったことがわかります。したがって、最初のサイクルと比較して、2 回目の加熱サイクル中の SMA ワイヤの温度は初期オーステナイト温度 (\(A_s\)) に早く到達し、遷移期間に長く留まり、応力と力が発生します。一方、実験やシミュレーションから得られた加熱・冷却サイクル中の温度分布は、サーモグラフィー解析の例と定性的に高い類似性を持っています。実験とシミュレーションからの SMA ワイヤの熱データの比較分析により、加熱および冷却サイクル中の一貫性が実験データの許容範囲内にあることが示されました。最初のサイクルのシミュレーションと実験の結果から得られた SMA ワイヤの最高温度は、それぞれ \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) と \(75\,^{\circ }\hbox { C }\ ) で、2 番目のサイクルの SMA ワイヤの最高温度は \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) と \(83\,^{\circ }\ hbox {C}\) です。 \)。基本的に開発されたモデルは形状記憶効果の効果を確認しています。このレビューでは疲労と過熱の役割は考慮されていません。将来的には、モデルは SMA ワイヤの応力履歴を含むように改良され、エンジニアリング用途により適したものになる予定です。Simulink ブロックから得られた駆動出力と SMA 温度のプロットは、7 V の入力電圧パルスの条件下で実験データの許容誤差内にあります。これにより、開発された数学モデルの正確さと信頼性が確認されます。
数学モデルは、「方法」セクションで説明されている基本方程式を使用して、MathWorks Simulink R2020b 環境で開発されました。図上。図３ｂは、Ｓｉｍｕｌｉｎｋ数学モデルのブロック図を示す。図 2a、b に示すように、モデルは 7V の入力電圧パルスに対してシミュレートされました。シミュレーションで使用したパラメータの値を表 1 に示します。過渡プロセスのシミュレーションの結果を図 1 と図 1、図 3a と図 4 に示します。図４ａ、ｂは、ＳＭＡワイヤ内の誘導電圧とアクチュエータによって生成される力を時間の関数として示している。 逆変態（加熱）中、SMA ワイヤ温度 \(T < A_s^{\prime}\) (応力修正オーステナイト相開始温度) のとき、マルテンサイト体積分率の変化率 (\(\dot{\xi }\)) はゼロになります。 逆変態（加熱）中、SMA ワイヤ温度 \(T < A_s^{\prime}\) (応力修正オーステナイト相開始温度) のとき、マルテンサイト体積分率の変化率 (\(\dot{\ xi }\)) はゼロになります。 Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустенитной) фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. 逆変態（加熱）中、SMA ワイヤの温度 \(T < A_s^{\prime}\) (応力修正オーステナイト開始温度) のとき、マルテンサイト体積分率 (\(\dot{\ xi }\ )) の変化率はゼロになります。逆方向転換（加熱）中、SMA 線温度 \(T < A_s^{\prime}\) (免疫開始温度) のとき、皮膚体分数の変化率 (\(\dot{\ xi }\)) はゼロになります。在逆转变 （加熱） 中 ，当当線温度 \ (t
(a) SMA ベースの二価アクチュエータの温度分布と応力による接合温度を示すシミュレーション結果。加熱段階で線材温度がオーステナイト転移温度を超えると、改質オーステナイト転移温度が上昇し始め、同様に、冷却段階で線材温度がマルテンサイト転移温度を超えると、マルテンサイト転移温度は低下します。作動プロセスの分析モデリング用の SMA。(Simulink モデルの各サブシステムの詳細については、補足ファイルの付録セクションを参照してください。)
さまざまなパラメータ分布の解析結果が、7V 入力電圧の 2 サイクル (10 秒のウォームアップ サイクルと 15 秒のクールダウン サイクル) について示されています。(ac) と (e) は経時的な分布を示していますが、(d) と (f) は温度による分布を示しています。それぞれの入力条件で、観察された最大応力は 106 MPa (ワイヤ降伏強度 345 MPa 未満)、力は 150 N、最大変位は 270 μm、最小マルテンサイト体積分率は 0.91 です。一方、温度による応力の変化やマルテンサイトの体積分率の変化はヒステリシス特性に似ています。
同じ説明がオーステナイト相からマルテンサイト相への直接変態 (冷却) にも当てはまります。この場合、SMA ワイヤ温度 (T) と応力修正マルテンサイト相の終了温度 (\(M_f^{\prime}\ )) が優れています。図上。4d、fは、両方の駆動サイクルにおける、SMAワイヤの温度（T）の変化の関数として、SMAワイヤの誘導応力（\（\sigma\））とマルテンサイトの体積分率（\（\xi\））の変化を示しています。図上。図 3a は、入力電圧パルスに応じた SMA ワイヤの温度の時間変化を示しています。図からわかるように、ゼロ電圧で熱源を提供し、その後対流冷却することにより、ワイヤの温度は上昇し続けます。加熱中、SMA ワイヤ温度 (T) が応力補正されたオーステナイト核生成温度 (\(A_s^{\prime}\)) を超えると、マルテンサイトからオーステナイト相への再変態が始まります。この段階では、SMA ワイヤが圧縮され、アクチュエータが力を生成します。また、冷却中に、SMA ワイヤの温度 (T) が応力修正マルテンサイト相の核生成温度 (\(M_s^{\prime}\)) を超えると、オーステナイト相からマルテンサイト相への正の転移が起こります。駆動力が低下します。
SMA に基づくバイモーダル駆動の主な定性的側面は、シミュレーション結果から取得できます。電圧パルス入力の場合、ジュール発熱効果によりSMAワイヤの温度が上昇します。材料は最初は完全なマルテンサイト相にあるため、マルテンサイト体積分率 (\(\xi\)) の初期値は 1 に設定されます。ワイヤが加熱し続けると、SMA ワイヤの温度は応力補正されたオーステナイト核生成温度 \(A_s^{\prime}\) を超え、図 4c に示すようにマルテンサイト体積分率が減少します。さらに、図では。図４ｅはアクチュエータのストロークの時間的分布を示し、図４ｅはアクチュエータのストロークの分布を示す。5 – 時間の関数としての駆動力。関連する連立方程式には、温度、マルテンサイト体積分率、およびワイヤ内で発生する応力が含まれており、その結果、SMA ワイヤの収縮とアクチュエータによって生成される力が生じます。図に示すように。4d、f、温度による電圧変化および温度によるマルテンサイト体積分率の変化は、7 Vでシミュレートされた場合のSMAのヒステリシス特性に対応します。
運転パラメータの比較は、実験と解析計算を通じて得られました。ワイヤには 7 V のパルス入力電圧が 10 秒間印加され、その後 2 サイクルにわたって 15 秒間冷却されました (冷却段階)。羽状角度は \(40^{\circ}\) に設定され、各単一ピン脚の SMA ワイヤの初期長は 83 mm に設定されます。(a) ロードセルによる駆動力の測定 (b) 熱赤外線カメラによるワイヤー温度の監視。
ドライブによって生成される力に対する物理パラメータの影響を理解するために、選択された物理パラメータに対する数学的モデルの感度の分析が実行され、パラメータはその影響に従ってランク付けされました。まず、一様分布に従う実験計画原則を使用して、モデル パラメーターのサンプリングが行われました (感度分析に関する補足セクションを参照)。この場合、モデル パラメーターには、入力電圧 (\(V_{in}\))、初期 SMA ワイヤ長 (\(l_0\))、三角形の角度 (\(\alpha\))、バイアスバネ定数 (\( K_x\ ))、対流熱伝達係数 (\(h_T\))、および単峰性分岐の数 (n) が含まれます。次のステップでは、ピーク筋力が研究デザイン要件として選択され、筋力に対する各変数セットのパラメトリック効果が取得されました。図6aに示すように、感度分析のトルネードプロットは各パラメータの相関係数から導出されました。
(a) モデル パラメーターの相関係数値と、上記のモデル パラメーターの 2500 の固有のグループの最大出力力に対するそれらの影響がトルネード プロットに示されています。グラフは、いくつかの指標の順位相関を示しています。\(V_{in}\) が正の相関を持つ唯一のパラメーターであり、\(l_0\) が最も高い負の相関を持つパラメーターであることは明らかです。さまざまなパラメータをさまざまに組み合わせた場合のピーク筋力への影響を (b、c) に示します。\(K_x\) の範囲は 400 ～ 800 N/m、n の範囲は 4 ～ 24 です。電圧 (\(V_{in}\)) は 4V から 10V に変更され、ワイヤ長 (\(l_{0 } \)) は 40 mm から 100 mm に変更され、テール角度 (\ (\alpha \)) は \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\) に変更されました。
図上。図６ａは、ピーク駆動力設計要件を伴う各パラメータの様々な相関係数のトルネードプロットを示す。図から。図6aでは、電圧パラメータ(\(V_{in}\))が最大出力力に直接関係しており、対流熱伝達係数(\(h_T\))、火炎角(\(\alpha\))、変位バネ定数(\(K_x\))が出力力およびSMAワイヤの初期長さ(\(l_0\))と負の相関があり、単峰性分岐の数(n)が強い逆相関を示していることがわかります。相関 直接相関の場合 電圧相関係数 (\(V_ {in}\)) の値が大きい場合は、このパラメータが出力に最も大きな影響を与えることを示します。別の同様の解析では、図 6b、c に示すように、2 つの計算空間のさまざまな組み合わせでさまざまなパラメーターの効果を評価することによって、ピーク力を測定します。\(V_{in}\) と \(l_0\)、\(\alpha\) と \(l_0\) は同様のパターンを持っており、グラフは \(V_{in}\) と \(\alpha\ ) および \(\alpha\) が同様のパターンを持っていることを示しています。\(l_0\) の値が小さいほど、ピーク力は大きくなります。他の 2 つのプロットは図 6a と一致しており、n と \(K_x\) は負の相関関係にあり、\(V_{in}\) は正の相関関係にあります。この分析は、駆動システムの出力、ストローク、効率を要件や用途に適合させるための影響パラメーターを定義および調整するのに役立ちます。
現在の研究では、N レベルの階層ドライブを導入し、調査しています。図 7a に示す 2 レベルの階層では、第 1 レベルのアクチュエータの各 SMA ワイヤの代わりに、図 7 に示すように二峰性の配置が実現されます。9e.図上。図７ｃは、長手方向のみに移動する可動アーム（補助アーム）にＳＭＡワイヤを巻き付ける様子を示している。ただし、主可動アームは 1 段目の多段アクチュエータの可動アームと同様に動き続けます。通常、N ステージ ドライブは、\(N-1\) ステージ SMA ワイヤを第 1 ステージ ドライブに置き換えることによって作成されます。その結果、ワイヤ自体を保持するブランチを除き、各ブランチは第 1 ステージのドライブを模倣します。このようにして、主ドライブの力より数倍大きい力を生み出す入れ子構造を形成することができます。この研究では、図 7d の表形式に示すように、各レベルで有効 SMA ワイヤの合計長さ 1 m が考慮されました。各単峰設計の各ワイヤを流れる電流、およびその結果生じる各 SMA ワイヤ セグメントのプレストレスと電圧は、各レベルで同じです。私たちの解析モデルによれば、出力される力はレベルと正の相関関係にありますが、変位は負の相関関係にあります。同時に、変位と筋力の間にはトレードオフの関係がありました。図に見られるように。図７ｂに示すように、最大の力は最大数の層で達成されるが、最大の変位は最下層で観察される。階層レベルを \(N=5\) に設定すると、観察された 2 つのストローク \(\upmu\)m でピーク筋力 2.58 kN が見つかりました。一方、初段ドライブは 277 \(\upmu\)m のストロークで 150 N の力を発生します。マルチレベルアクチュエータは実際の生体筋肉を模倣することができ、形状記憶合金をベースにした人工筋肉は、正確かつ微細な動きで大幅に高い力を生成できます。この小型化設計の限界は、階層が増加するにつれて動きが大幅に減少し、ドライブ製造プロセスの複雑さが増加することです。
(a) 2 段階 (\(N=2\)) の層状形状記憶合金リニア アクチュエータ システムが二峰性構成で示されています。提案されたモデルは、第 1 段積層アクチュエータの SMA ワイヤを別の単段積層アクチュエータに置き換えることによって実現されます。(c) 第 2 段多層アクチュエータの変形構成。(b) レベル数に応じた力と変位の分布を示します。アクチュエータのピーク力はグラフ上の目盛レベルと正の相関があるのに対し、ストロークは目盛レベルと負の相関があることがわかりました。各ワイヤの電流と前電圧は、すべてのレベルで一定のままです。(d) 表は、各レベルのタップ数と SMA ワイヤ (ファイバ) の長さを示しています。ワイヤの特性はインデックス 1 で示され、二次分岐の数 (一次脚に接続された分岐) は下付き文字の最大の数字で示されます。たとえば、レベル 5 では、\(n_1\) は各双峰構造に存在する SMA ワイヤの数を指し、\(n_5\) は補助レッグ (メインレッグに接続された 1 つ) の数を指します。
形状記憶を有する SMA の挙動をモデル化するために、多くの研究者によってさまざまな方法が提案されています。形状記憶は、相転移に伴う結晶構造の巨視的変化に伴う熱機械的特性に依存します。構成的手法の定式化は本質的に複雑です。最も一般的に使用される現象論的モデルは、Tanaka28 によって提案され、工学用途で広く使用されています。タナカによって提案された現象論的モデル [28] は、マルテンサイトの体積分率が温度と応力の指数関数であると仮定しています。その後、Liang、Rogers 29、Brinson 30 は、モデルに若干の変更を加えて、相転移ダイナミクスが電圧と温度の余弦関数であると仮定したモデルを提案しました。Becker と Brinson は、部分的な遷移だけでなく任意の荷重条件下での SMA 材料の挙動をモデル化するために、状態図に基づいた反応速度モデルを提案しました。Banerjee32 は、Bekker と Brinson31 の相図ダイナミクス手法を使用して、Elahinia と Ahmadian33 によって開発された単一自由度マニピュレータをシミュレートします。温度による電圧の非単調変化を考慮した状態図に基づく反応速度論的手法は、工学用途で実装するのが困難です。Elakhinia と Ahmadian は、既存の現象論的モデルのこれらの欠点に注目し、複雑な荷重条件下での形状記憶挙動を分析および定義するための拡張現象論的モデルを提案しています。
SMA ワイヤの構造モデルは、SMA ワイヤの応力 (\(\sigma\))、ひずみ (\(\epsilon\))、温度 (T)、およびマルテンサイト体積分率 (\(\xi\)) を与えます。現象学的構成モデルは、Tanaka 28 によって最初に提案され、その後 Liang 29 と Brinson 30 によって採用されました。方程式の導関数は次の形式になります。
ここで、E は \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) を使用して得られた位相依存の SMA ヤング率であり、ヤング率を表す \(E_A\) と \(E_M\) はそれぞれオーステナイト相とマルテンサイト相であり、熱膨張係数は \(\theta _T\) で表されます。相転移寄与率は \(\Omega = -E \epsilon _L\) で、\(\epsilon _L\) は SMA ワイヤの回復可能な最大ひずみです。
位相動力学方程式は、Tanaka28 によって提案された指数関数の代わりに Liang29 によって開発され、後に Brinson30 によって採用されたコサイン関数と一致します。相転移モデルは、Elakhinia と Ahmadian 34 によって提案されたモデルを拡張し、Liang 29 と Brinson 30 によって与えられた相転移条件に基づいて修正されました。この相転移モデルに使用される条件は、複雑な熱機械的負荷の下で有効です。構成方程式をモデル化する際に、各時点でマルテンサイトの体積分率の値が計算されます。
加熱条件下でのマルテンサイトからオーステナイトへの変態によって表される支配的な再変態方程式は次のとおりです。
ここで、\(\xi\) はマルテンサイトの体積分率、\(\xi _M\) は加熱前に得られたマルテンサイトの体積分率、\(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\)、\ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) および \(C_A\) – 曲線近似パラメータ、T – SMA ワイヤ温度、\(A_s\) および \(A_f\) – 開始およびそれぞれ、オーステナイト相の終了温度。
直接変態制御方程式は、冷却条件下でのオーステナイトからマルテンサイトへの相変態によって表され、次のとおりです。
ここで、\(\xi _A\) は冷却前に得られたマルテンサイトの体積分率、\(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\)、\(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) および \ ( C_M \) – カーブ フィッティング パラメーター、T – SMA ワイヤ温度、\(M_s\) および \(M_f\) – それぞれ初期および最終マルテンサイト温度です。
式 (3) と (4) を微分した後、逆変換式と直接変換式は次の形式に簡略化されます。
前方変換と後方変換中、 \(\eta _{\sigma}\) と \(\eta _{T}\) は異なる値をとります。\(\eta _{\sigma}\) と \(\eta _{T}\) に関連する基本方程式が導出され、追加のセクションで詳しく説明されています。
SMA ワイヤの温度を上げるために必要な熱エネルギーは、ジュール加熱効果から生じます。SMA ワイヤによって吸収または放出される熱エネルギーは、変態潜熱によって表されます。SMA ワイヤでの熱損失は強制対流によるもので、放射の影響が無視できると仮定すると、熱エネルギーの平衡方程式は次のようになります。
ここで、 \(m_{wire}\) は SMA ワイヤの総質量、 \(c_{p}\) は SMA の比熱容量、 \(V_{in}\) はワイヤに印加される電圧、 \(R_{ohm} \ ) – 位相依存抵抗 SMA、次のように定義されます。\(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) ここで、\(r_M\ ) と \(r_A\) はそれぞれマルテンサイトとオーステナイトの SMA 相抵抗率、\(A_{c}\) は SMA ワイヤの表面積、\(\Delta H \) は形状記憶合金です。ワイヤの転移潜熱、T と \(T_{\infty}\) は、それぞれ SMA ワイヤと環境の温度です。
形状記憶合金ワイヤが作動すると、ワイヤが圧縮され、二峰性設計の各枝に繊維力と呼ばれる力が発生します。図 9e に示すように、SMA ワイヤの各ストランド内の繊維の力が合わさって、作動する筋力が生成されます。バイアス スプリングの存在により、N 番目の多層アクチュエータの総筋力は次のようになります。
\(N = 1\) を式 (7) に代入すると、第 1 段階のバイモーダル駆動プロトタイプの筋力は次のように取得できます。
ここで、n は単峰性脚の数、\(F_m\) はドライブによって生成される筋力、\(F_f\) は SMA ワイヤの繊維強度、\(K_x\) はバイアス剛性です。\(\alpha\) は三角形の角度、\(x_0\) は SMA ケーブルを事前に張力がかかった位置に保持するためのバイアス スプリングの初期オフセット、\(\Delta x\) はアクチュエータの移動量です。
ドライブの総変位または移動 (\(\Delta x\)) は、N 番目のステージの SMA ワイヤ上の電圧 (\(\sigma\)) と歪み (\(\epsilon\)) に応じて異なります。ドライブは次のように設定されます (図の出力の追加部分を参照)。
運動方程式は、駆動変形 (\(\epsilon\)) と変位または変位 (\(\Delta x\)) の関係を示します。1 つの単峰性分岐における初期任意波形長さ (\(l_0\)) と任意の時刻 t におけるワイヤ長さ (l) の関数としての任意波形ワイヤの変形は次のとおりです。
ここで、 \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) は、図 8 に示すように、 \(\Delta\)ABB ' のコサイン公式を適用することで得られます。第 1 段階の駆動 (\(N = 1\)) の場合、\(\Delta x_1\) は \(\Delta x\) です。図 8 に示すように、式 (11) から時間を微分し、l の値を代入すると、ひずみ速度は次のように記述できます。
ここで、\(l_0\) は SMA ワイヤの初期長さ、l は 1 つの単峰性分岐における任意の時点 t におけるワイヤの長さ、\(\epsilon\) は SMA ワイヤに生じる変形、\(\alpha \) は三角形の角度、\(\Delta x\) は駆動オフセットです (図 8 を参照)。
n 個の単峰構造 (この図では \(n=6\)) はすべて、入力電圧として \(V_{in}\) に直列に接続されています。ステージ I: ゼロ電圧条件下での二峰性構成の SMA ワイヤの概略図 ステージ II: 赤い線で示すように、逆変換により SMA ワイヤが圧縮される制御された構造が示されます。
概念実証として、SMA ベースのバイモーダル ドライブが開発され、基礎となる方程式の導出を実験結果でシミュレートしてテストしました。バイモーダル リニア アクチュエータの CAD モデルを図に示します。9a.一方、図では。図９ｃは、双峰構造を有する２平面ＳＭＡベースのアクチュエータを使用した回転角柱接続のために提案された新しい設計を示す。ドライブ コンポーネントは、Ultimaker 3 Extended 3D プリンターで積層造形を使用して製造されました。コンポーネントの 3D プリントに使用される材料は、強度と耐久性に優れ、ガラス転移温度 (110 ～ 113 \(^{\circ }\) C) が高いため、耐熱材料に適したポリカーボネートです。なお、実験ではDynalloy, Inc.の形状記憶合金ワイヤであるフレキシノールを使用し、シミュレーションではフレキシノールワイヤに対応する材料特性を使用した。図9b、dに示すように、複数のSMAワイヤが筋肉の二峰性配置に存在する繊維として配置され、多層アクチュエータによって生成される高い力が得られます。
図 9a に示すように、可動アーム SMA ワイヤによって形成される鋭角は角度 (\(\alpha\)) と呼ばれます。左右のクランプに端子クランプを取り付けると、SMA ワイヤが希望の二峰性角度で保持されます。スプリング コネクタに保持されたバイアス スプリング デバイスは、SMA ファイバーの数 (n) に応じてさまざまなバイアス スプリング延長グループを調整するように設計されています。さらに、可動部品の位置は、SMA ワイヤが強制対流冷却のために外部環境にさらされるように設計されています。取り外し可能なアセンブリの上部プレートと底部プレートは、重量を軽減するように設計された押し出しカットアウトにより SMA ワイヤを低温に保ちます。また、CMA ワイヤの両端は、左右の端子にそれぞれ圧着固定されています。可動アセンブリの一端にはプランジャーが取り付けられており、上部プレートと底部プレートの間の隙間を維持します。プランジャーは、SMA ワイヤが作動したときに、接点を介してセンサーにブロック力を加えてブロック力を測定するためにも使用されます。
二峰性筋肉構造 SMA は電気的に直列に接続されており、入力パルス電圧によって電力が供給されます。電圧パルスサイクル中に電圧が印加され、SMA ワイヤがオーステナイトの初期温度を超えて加熱されると、各ストランドのワイヤの長さが短くなります。この収縮により、可動アームサブアセンブリが作動します。同じサイクルで電圧がゼロになると、加熱された SMA ワイヤはマルテンサイト表面の温度以下に冷却され、それによって元の位置に戻りました。ゼロ応力条件下では、SMA ワイヤは最初にバイアス スプリングによって受動的に伸張され、双晶マルテンサイト状態に達します。SMA ワイヤが通過するネジは、SMA ワイヤに電圧パルスを印加することによって生じる圧縮によって移動し (SPA がオーステナイト相に達する)、可動レバーが作動します。SMA ワイヤが後退すると、バイアス スプリングがさらに伸びることで反対の力が生じます。インパルス電圧の応力がゼロになると、強制対流冷却により SMA ワイヤが伸びて形状が変化し、ダブルマルテンサイト相に達します。
提案された SMA ベースのリニア アクチュエータ システムは、SMA ワイヤが角度を付けられた二峰性構成を備えています。(a) はプロトタイプの CAD モデルを示し、コンポーネントの一部とプロトタイプのそれらの意味について言及しています。(b、d) は開発された実験用プロトタイプを表しています35。(b) は電気接続とバイアス スプリングおよびひずみゲージが使用されたプロトタイプの上面図を示し、(d) はセットアップの斜視図を示します。(e) 線維と筋力の方向と経過を示す、任意の時刻 t において二峰性的に配置された SMA ワイヤを備えた線形作動システムの図。(c) 2 自由度回転角柱接続は、2 面 SMA ベースのアクチュエータを展開するために提案されています。図に示すように、リンクは下部ドライブから上部アームに直線運動を伝達し、回転接続を作成します。一方、一対のプリズムの動きは多層初段ドライブの動きと同じである。
SMAに基づくバイモーダルドライブの性能を評価するために、図9bに示すプロトタイプで実験研究が実行されました。図 10a に示すように、実験セットアップは、SMA ワイヤに入力電圧を供給するプログラム可能な DC 電源で構成されています。図に示すように。図１０ｂでは、圧電ひずみゲージ（ＰＡＣＥｌｉｎｅ ＣＦＴ／５ｋＮ）を使用して、Ｇｒａｐｈｔｅｃ ＧＬ－２０００データロガーを使用してブロッキング力を測定した。データはさらなる研究のためにホストによって記録されます。ひずみゲージとチャージアンプは、電圧信号を生成するために一定の電源を必要とします。対応する信号は、表 2 に示すように、圧電力センサーの感度やその他のパラメーターに従って電力出力に変換されます。電圧パルスが印加されると、SMA ワイヤーの温度が上昇し、SMA ワイヤーが圧縮され、アクチュエーターが力を生成します。7Vの電圧パルスを入力して筋力を出力した実験結果を図1に示します。2a.
(a) SMA ベースのリニア アクチュエータ システムを実験でセットアップし、アクチュエータによって生成される力を測定しました。ロードセルはブロッキング力を測定し、24 V DC 電源によって電力を供給されます。GW Instek プログラマブル DC 電源を使用して、ケーブルの全長に沿って 7 V の電圧降下が適用されました。SMAワイヤが熱により収縮し、可動アームがロードセルに接触してブロッキング力を発揮します。ロードセルは GL-2000 データロガーに接続され、データはさらなる処理のためにホストに保存されます。(b) 筋力を測定するための実験セットアップの一連のコンポーネントを示す図。
形状記憶合金は熱エネルギーによって励起されるため、温度は形状記憶現象を研究するための重要なパラメータになります。実験的には、図11aに示すように、プロトタイプのSMAベースの二価アクチュエータで熱画像と温度測定が実行されました。図 11b に示すように、プログラマブル DC 電源が実験セットアップの SMA ワイヤに入力電圧を印加しました。SMA ワイヤの温度変化は、高解像度 LWIR カメラ (FLIR A655sc) を使用してリアルタイムで測定されました。ホストは ResearchIR ソフトウェアを使用して、さらなる後処理のためにデータを記録します。電圧パルスが印加されると、SMA ワイヤの温度が上昇し、SMA ワイヤが収縮します。図上。図 2b は、7V 入力電圧パルスの SMA ワイヤ温度と時間の実験結果を示しています。
投稿日時: 2022 年 9 月 28 日