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액추에이터는 모든 곳에서 사용되며 제조 및 산업 자동화에서 다양한 작업을 수행하기 위해 올바른 여기력 또는 토크를 적용하여 제어된 동작을 생성합니다.더 빠르고 더 작고 더 효율적인 드라이브에 대한 요구가 드라이브 설계의 혁신을 주도하고 있습니다.형상기억합금(SMA) 드라이브는 중량 대비 높은 출력 비율을 포함하여 기존 드라이브에 비해 많은 이점을 제공합니다.본 논문에서는 생물학적 시스템의 깃털 근육의 장점과 SMA의 고유한 특성을 결합한 두 깃털 SMA 기반 액추에이터를 개발했습니다.본 연구는 바이모달 SMA 와이어 배열을 기반으로 새로운 액추에이터의 수학적 모델을 개발하고 이를 실험적으로 테스트함으로써 이전 SMA 액추에이터를 탐색하고 확장합니다.SMA 기반의 알려진 드라이브와 비교하여 새 드라이브의 작동력은 최소 5배 더 높습니다(최대 150N).해당 체중 감소는 약 67%입니다.수학적 모델의 민감도 분석 결과는 설계 매개변수를 조정하고 주요 매개변수를 이해하는 데 유용합니다.이 연구는 다이내믹을 더욱 향상시키는 데 사용할 수 있는 다단계 N단계 드라이브를 추가로 제시합니다.SMA 기반 dipvalerate 근육 액추에이터는 건물 자동화에서 정밀 약물 전달 시스템에 이르기까지 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다.
포유류의 근육 구조와 같은 생물학적 시스템은 많은 미묘한 액추에이터1를 활성화할 수 있습니다.포유류는 각기 다른 근육 구조를 가지고 있으며 각각 특정 목적을 수행합니다.그러나 포유류 근육 조직 구조의 대부분은 크게 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다.병렬 및 pennate.햄스트링 및 기타 굴근에서 이름에서 알 수 있듯이 평행 근육에는 중앙 힘줄과 평행한 근육 섬유가 있습니다.근섬유 사슬은 줄지어 있고 그 주변의 결합 조직에 의해 기능적으로 연결됩니다.이러한 근육은 큰 편위(백분율 단축)를 갖는다고 하지만 전체적인 근력은 매우 제한적입니다.대조적으로, 삼두근 종아리 근육2(외측 비복근(GL)3, 내측 비복근(GM)4 및 가자미근(SOL)) 및 대퇴 신근(사두근)5,6 깃 모양 근육 조직은 각 근육7에서 발견됩니다.깃 모양 구조에서, 2개의 깃모양 근육 조직의 근육 섬유는 비스듬한 각도(깃 모양 각도)로 중심 힘줄의 양쪽에 존재합니다.Pennate는 "펜"을 의미하는 라틴어 "penna"에서 유래했으며 그림에서 볼 수 있습니다.1 깃털 같은 모양을 하고 있다.깃 모양 근육의 섬유는 더 짧고 근육의 종축에 대해 각을 이룹니다.깃 모양 구조로 인해 이러한 근육의 전반적인 이동성이 감소하여 단축 과정의 가로 및 세로 구성 요소가 발생합니다.반면에 이러한 근육의 활성화는 생리적 단면적 측정 방식으로 인해 전반적인 근력을 높입니다.따라서 주어진 단면적에 대해 깃 모양 근육은 평행 섬유를 가진 근육보다 더 강하고 더 큰 힘을 생성합니다.개별 섬유에 의해 생성된 힘은 해당 근육 조직의 거시적 수준에서 근육 힘을 생성합니다.또한 빠른 수축, 인장 손상 방지, 쿠션과 같은 고유한 특성을 가지고 있습니다.그것은 근육 작용선과 관련된 섬유 배열의 독특한 특징과 기하학적 복잡성을 이용하여 섬유 입력과 근력 출력 사이의 관계를 변환합니다.
예를 들어 (a)는 SMA 와이어로 작동되는 손 모양 장치가 2륜 자율 이동 로봇에 장착되는 촉각력의 상호 작용을 나타내는 바이모달 근육 구조와 관련된 기존 SMA 기반 액추에이터 설계의 개략도입니다9,10., (b) 길항적으로 배치된 SMA 스프링 장착 궤도 보철물이 있는 로봇 궤도 보철물.인공 눈의 위치는 눈의 안구 근육에서 나오는 신호에 의해 제어됩니다11. (c) SMA 액추에이터는 높은 주파수 응답과 낮은 대역폭으로 인해 수중 응용 분야에 이상적입니다.이 구성에서 SMA 액추에이터는 물고기의 움직임을 시뮬레이션하여 파동 운동을 생성하는 데 사용되며, (d) SMA 액추에이터는 채널 10 내부의 SMA 와이어의 움직임에 의해 제어되는 인치 벌레 운동 원리를 사용할 수 있는 마이크로 파이프 검사 로봇을 만드는 데 사용됩니다.
액추에이터는 광범위한 응용 분야로 인해 기계 시스템의 중요한 부분이 되었습니다.따라서 더 작고 빠르며 효율적인 드라이브에 대한 필요성이 중요해졌습니다.장점에도 불구하고 기존 드라이브는 유지 관리에 비용이 많이 들고 시간이 오래 걸리는 것으로 입증되었습니다.유압식 및 공압식 액추에이터는 복잡하고 비용이 많이 들며 마모, 윤활 문제 및 부품 고장이 발생할 수 있습니다.수요에 부응하여 스마트 재료를 기반으로 비용 효율적이고 크기에 최적화된 고급 액추에이터를 개발하는 데 중점을 둡니다.현재 진행 중인 연구에서는 이러한 요구를 충족하기 위해 형상 기억 합금(SMA) 적층 액추에이터를 찾고 있습니다.계층적 액추에이터는 많은 개별 액추에이터를 기하학적으로 복잡한 매크로 스케일 하위 시스템으로 결합하여 증가 및 확장된 기능을 제공한다는 점에서 고유합니다.이와 관련하여, 위에서 설명한 인간 근육 조직은 이러한 다층 작동의 우수한 다층 예를 제공합니다.현재 연구는 바이모달 근육에 존재하는 섬유 방향에 정렬된 여러 개별 드라이브 요소(SMA 와이어)가 있는 다중 레벨 SMA 드라이브를 설명하며, 이는 전체 드라이브 성능을 향상시킵니다.
액추에이터의 주요 목적은 전기 에너지를 변환하여 힘 및 변위와 같은 기계적 동력 출력을 생성하는 것입니다.형상 기억 합금은 고온에서 형태를 복원할 수 있는 "스마트" 소재의 한 종류입니다.고하중에서 SMA 와이어의 온도 상승은 형태 회복으로 이어져 직접 결합된 다양한 스마트 재료에 비해 작동 에너지 밀도가 더 높아집니다.동시에 기계적 부하가 가해지면 SMA가 부서지기 쉽습니다.특정 조건에서 주기적 하중은 역학적 에너지를 흡수 및 방출하여 가역적인 히스테리시스 모양 변화를 나타낼 수 있습니다.이러한 고유한 특성으로 인해 SMA는 센서, 진동 감쇠, 특히 액추에이터12에 이상적입니다.이를 염두에 두고 SMA 기반 드라이브에 대한 많은 연구가 있었습니다.SMA 기반 액추에이터는 다양한 응용 분야에 병진 및 회전 운동을 제공하도록 설계되었습니다.일부 로터리 액추에이터가 개발되었지만 연구자들은 특히 선형 액추에이터에 관심이 있습니다.이러한 선형 액추에이터는 세 가지 유형의 액추에이터로 나눌 수 있습니다: 1차원 액추에이터, 변위 액추에이터 및 차동 액추에이터 16 .초기에 하이브리드 드라이브는 SMA 및 기타 기존 드라이브와 함께 만들어졌습니다.SMA 기반 하이브리드 선형 액추에이터의 그러한 예 중 하나는 DC 모터와 함께 SMA 와이어를 사용하여 약 100N의 출력과 상당한 변위를 제공하는 것입니다17.
전적으로 SMA를 기반으로 하는 드라이브의 첫 번째 개발 중 하나는 SMA 병렬 드라이브였습니다.여러 SMA 와이어를 사용하는 SMA 기반 병렬 드라이브는 모든 SMA18 와이어를 병렬로 배치하여 드라이브의 전력 용량을 증가시키도록 설계되었습니다.액추에이터의 병렬 연결은 더 많은 전력을 필요로 할 뿐만 아니라 단일 와이어의 출력 전력을 제한합니다.SMA 기반 액추에이터의 또 다른 단점은 달성할 수 있는 제한된 이동 거리입니다.이 문제를 해결하기 위해 편향된 유연한 빔을 포함하는 SMA 케이블 빔을 만들어 변위를 증가시키고 직선 운동을 달성했지만 더 높은 힘을 생성하지는 않았습니다.형상 기억 합금을 기반으로 하는 로봇용 소프트 변형 구조 및 직물은 주로 충격 증폭20,21,22용으로 개발되었습니다.고속이 필요한 응용 분야의 경우 마이크로 펌프 구동 응용 분야에 박막 SMA를 사용하는 소형 구동 펌프가 보고되었습니다23.박막 SMA 멤브레인의 구동 주파수는 구동기의 속도를 제어하는 ​​핵심 요소입니다.따라서 SMA 리니어 모터는 SMA 스프링 또는 로드 모터보다 동적 응답이 더 좋습니다.소프트 로보틱스와 그리핑 기술은 SMA 기반 액추에이터를 사용하는 두 가지 다른 애플리케이션입니다.예를 들어, 25N 스페이스 클램프에 사용되는 표준 액추에이터를 대체하기 위해 형상기억합금 병렬 액츄에이터(24)가 개발되었다.또 다른 경우에 SMA 소프트 액추에이터는 최대 30N의 당기는 힘을 생성할 수 있는 임베디드 매트릭스가 있는 와이어를 기반으로 제작되었습니다. SMA는 기계적 특성으로 인해 생물학적 현상을 모방하는 액추에이터를 생산하는 데에도 사용됩니다.이러한 개발 중 하나는 SMA를 사용하여 지렁이와 같은 유기체의 생체모방인 12셀 로봇을 포함하여 발사하는 정현파 운동을 생성합니다26,27.
앞서 언급했듯이 기존 SMA 기반 액추에이터에서 얻을 수 있는 최대 힘에는 한계가 있습니다.이 문제를 해결하기 위해 이 연구에서는 생체 모방 이중 모드 근육 구조를 제시합니다.형상 기억 합금 와이어로 구동됩니다.여러 형상 기억 합금 와이어를 포함하는 분류 시스템을 제공합니다.현재까지 유사한 아키텍처를 가진 SMA 기반 액추에이터는 문헌에 보고되지 않았습니다.SMA를 기반으로 하는 이 독특하고 새로운 시스템은 바이모달 근육 정렬 동안 SMA의 행동을 연구하기 위해 개발되었습니다.기존 SMA 기반 액츄에이터와 비교하여, 본 연구의 목표는 작은 부피에서 훨씬 더 높은 힘을 생성하는 생체 모방 dipvalerate 액추에이터를 만드는 것이었습니다.제안된 SMA 기반 바이모달 드라이브 설계는 HVAC 빌딩 자동화 및 제어 시스템에 사용되는 기존의 스테퍼 모터 구동 드라이브와 비교하여 드라이브 메커니즘의 무게를 67%까지 줄입니다.다음에서 "근육"과 "드라이브"라는 용어는 같은 의미로 사용됩니다.본 연구는 이러한 드라이브의 다중물리 시뮬레이션을 조사한다.이러한 시스템의 기계적 거동은 실험 및 분석 방법으로 연구되었습니다.7V의 입력 전압에서 힘과 온도 분포를 추가로 조사했습니다. 그 후 주요 매개변수와 출력 힘 사이의 관계를 더 잘 이해하기 위해 파라메트릭 분석을 수행했습니다.마지막으로, 계층적 액추에이터가 구상되었으며 계층적 레벨 효과가 보철 응용 분야를 위한 비자성 액추에이터의 잠재적인 미래 영역으로 제안되었습니다.앞서 언급한 연구 결과에 따르면 단일 스테이지 아키텍처를 사용하면 보고된 SMA 기반 액추에이터보다 최소 4~5배 더 높은 힘을 생성합니다.또한 다단계 다단계 드라이브에서 발생하는 동일한 구동력은 기존 SMA 기반 드라이브의 10배 이상인 것으로 나타났습니다.그런 다음 이 연구는 서로 다른 디자인과 입력 변수 간의 민감도 분석을 사용하여 주요 매개변수를 보고합니다.SMA 와이어의 초기 길이(\(l_0\)), 핀 각도(\(\alpha\)) 및 각 개별 가닥의 단일 가닥 수(n)는 구동력의 크기에 강한 부정적인 영향을 미칩니다.입력 전압(에너지)은 양의 상관 관계가 있는 것으로 나타났습니다.
SMA 와이어는 니켈-티타늄(Ni-Ti) 합금 계열에서 볼 수 있는 형상 기억 효과(SME)를 나타냅니다.일반적으로 SMA는 저온 단계와 고온 단계의 두 가지 온도 의존 단계를 나타냅니다.두 단계는 서로 다른 결정 구조의 존재로 인해 고유한 특성을 갖습니다.변태 온도 이상에 존재하는 오스테나이트 상(고온상)에서 재료는 높은 강도를 나타내며 하중을 받으면 변형이 잘 되지 않습니다.합금은 스테인리스 스틸처럼 작동하므로 더 높은 작동 압력을 견딜 수 있습니다.Ni-Ti 합금의 이러한 특성을 활용하여 SMA 와이어가 기울어져 액추에이터를 형성합니다.다양한 매개변수와 다양한 형상의 영향을 받는 SMA의 열 거동의 기본 역학을 이해하기 위해 적절한 분석 모델이 개발되었습니다.실험 결과와 분석 결과 사이에 좋은 일치가 얻어졌습니다.
SMA 기반 바이모달 드라이브의 성능을 평가하기 위해 그림 9a의 프로토타입에 대한 실험적 연구가 수행되었습니다.이러한 특성 중 드라이브에 의해 생성된 힘(근력)과 SMA 와이어의 온도(SMA 온도)는 실험적으로 측정되었습니다.드라이브의 전선 전체 길이를 따라 전압 차가 증가함에 따라 주울 열 효과로 인해 전선의 온도가 상승합니다.입력 전압은 각 주기 사이에 15초의 냉각 기간을 두고 두 개의 10초 주기(그림 2a, b에서 빨간색 점으로 표시)에 적용되었습니다.차단력은 압전변형계를 이용하여 측정하였고 SMA wire의 온도분포는 과학적 등급의 고해상도 LWIR 카메라를 이용하여 실시간으로 감시하였다(사용장비의 특성은 Table 2 참조).고전압 단계에서 전선의 온도는 단조롭게 증가하지만 전류가 흐르지 않으면 전선의 온도는 계속해서 떨어집니다.현재 실험 설정에서 냉각 단계 동안 SMA 와이어의 온도가 떨어졌지만 여전히 주변 온도보다 높았습니다.무화과에.그림 2e는 LWIR 카메라에서 가져온 SMA 와이어의 온도 스냅샷을 보여줍니다.한편, 그림에서.도 2a는 구동 시스템에 의해 생성된 차단력을 도시한다.근육의 힘이 스프링의 복원력을 초과하면 그림 9a와 같이 움직일 수 있는 팔이 움직이기 시작합니다.작동이 시작되자마자 이동 가능한 암이 센서와 접촉하여 그림과 같이 체력을 생성합니다.2c, 디.최대 온도가 \(84\,^{\circ}\hbox {C}\)에 가까울 때 관찰된 최대 힘은 105N입니다.
그래프는 두 사이클 동안 SMA 와이어의 온도와 SMA 기반 바이모달 액츄에이터에 의해 생성된 힘의 실험 결과를 보여줍니다.입력 전압은 각 주기 사이에 15초의 냉각 기간이 있는 두 개의 10초 주기(빨간색 점으로 표시됨)에 적용됩니다.실험에 사용된 SMA 와이어는 Dynalloy, Inc.의 0.51mm 직경 Flexinol 와이어였습니다. (a) 그래프는 두 사이클에 걸쳐 얻은 실험력을 보여줍니다. (c, d) PACEline CFT/5kN 압전 힘 변환기에서 이동 암 액추에이터의 동작에 대한 두 가지 독립적인 예를 보여줍니다. (b) 그래프는 두 사이클 동안 전체 SMA 와이어의 최대 온도를 보여줍니다. (e) FLIR ResearchIR 소프트웨어 L을 사용하여 SMA 와이어에서 가져온 온도 스냅샷을 보여줍니다. WIR 카메라.실험에서 고려된 기하학적 매개변수는 표에 나와 있습니다.하나.
수학적 모델의 시뮬레이션 결과와 실험 결과는 그림 5와 같이 입력 전압이 7V인 조건에서 비교됩니다.파라메트릭 분석 결과에 따라 SMA 와이어의 과열 가능성을 피하기 위해 액추에이터에 11.2W의 전력을 공급했습니다.입력 전압으로 7V를 공급하기 위해 프로그래밍 가능한 DC 전원 공급 장치를 사용했으며 전선 전체에서 1.6A의 전류를 측정했습니다.드라이브에 의해 생성된 힘과 SDR의 온도는 전류가 적용될 때 증가합니다.7V의 입력 전압에서 첫 번째 사이클의 시뮬레이션 결과와 실험 결과에서 얻은 최대 출력 힘은 각각 78N과 96N입니다.두 번째 사이클에서 시뮬레이션 및 실험 결과의 최대 출력 힘은 각각 150N 및 105N이었습니다.교합력 측정과 실험 데이터 사이의 불일치는 교합력을 측정하는 데 사용된 방법 때문일 수 있습니다.실험 결과는 Fig.그림 5a는 잠금력의 측정에 해당하며, 이는 그림에 표시된 대로 드라이브 샤프트가 PACEline CFT/5kN 압전 힘 변환기와 접촉했을 때 측정되었습니다.2초따라서 냉각 영역의 시작 부분에서 드라이브 샤프트가 힘 센서와 접촉하지 않으면 그림 2d와 같이 힘이 즉시 0이 됩니다.또한 후속 사이클에서 힘의 형성에 영향을 미치는 다른 매개변수는 냉각 시간 값과 이전 사이클의 대류 열 전달 계수입니다.무화과에서.도 2b에서, 15초의 냉각 기간 후에 SMA 와이어가 상온에 도달하지 않았고 따라서 첫 번째 사이클(\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\))에 비해 두 번째 구동 사이클에서 더 높은 초기 온도(\(40\,^{\circ }\hbox {C}\))를 가짐을 알 수 있다.따라서 첫 번째 사이클과 비교하여 두 번째 가열 사이클 동안 SMA 와이어의 온도는 초기 오스테나이트 온도(\(A_s\))에 더 일찍 도달하고 천이 기간에 더 오래 머물게 되어 응력과 힘이 발생합니다.한편, 실험 및 시뮬레이션에서 얻은 가열 및 냉각 주기 동안의 온도 분포는 열화상 분석의 예와 높은 질적 유사성을 가지고 있습니다.실험 및 시뮬레이션에서 얻은 SMA 와이어 열 데이터의 비교 분석은 가열 및 냉각 주기 동안 그리고 실험 데이터에 대해 허용 가능한 허용 오차 내에서 일관성을 보여주었습니다.첫 번째 사이클의 시뮬레이션 및 실험 결과에서 얻은 SMA 와이어의 최대 온도는 각각 \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) 및 \(75\,^{\circ }\hbox { C }\ )이며, 두 번째 사이클에서 SMA 와이어의 최대 온도는 \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) 및 \(83\,^{\circ }\ hbox {C} \).근본적으로 개발된 모델은 형상 기억 효과의 효과를 확인합니다.피로와 과열의 역할은 이 검토에서 고려되지 않았습니다.앞으로는 SMA 와이어의 응력 이력을 포함하도록 모델이 개선되어 엔지니어링 응용 분야에 더 적합할 것입니다.Simulink 블록에서 얻은 구동 출력 힘 및 SMA 온도 플롯은 7V의 입력 전압 펄스 조건에서 실험 데이터의 허용 오차 내에 있습니다. 이는 개발된 수학적 모델의 정확성과 신뢰성을 확인합니다.
수학적 모델은 방법 섹션에 설명된 기본 방정식을 사용하여 MathWorks Simulink R2020b 환경에서 개발되었습니다.무화과에.그림 3b는 Simulink 수학 모델의 블록 다이어그램을 보여줍니다.이 모델은 그림 2a, b와 같이 7V 입력 전압 펄스에 대해 시뮬레이션되었습니다.시뮬레이션에 사용된 매개변수의 값은 표 1에 나열되어 있습니다. 과도 프로세스의 시뮬레이션 결과는 그림 1과 1에 나와 있습니다. 그림 3a와 4. 그림에서.그림 4a,b는 SMA 와이어의 유도 전압과 액추에이터에 의해 생성된 힘을 시간의 함수로 보여줍니다. 역변태(가열) 중에 SMA 와이어 온도 \(T < A_s^{\prime}\)(응력 수정 오스테나이트 상 시작 온도), 마르텐사이트 부피 분율(\(\dot{\xi }\))의 변화율은 0이 됩니다. 역변태(가열) 중에 SMA 와이어 온도 \(T < A_s^{\prime}\)(응력 수정 오스테나이트 상 시작 온도), 마르텐사이트 부피 분율의 변화율(\(\dot{\ xi }\))은 0이 됩니다. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустенитной фа зы, mодифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. 역변태(가열) 동안 SMA 와이어의 온도 \(T < A_s^{\prime}\)(응력 수정 오스테나이트 시작 온도), 마르텐사이트 부피 분율의 변화율(\(\dot{\ xi }\ ))은 0이 됩니다.에서 反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏體相起始温度）时，马氏体体积分数的化变率（\(\dot {\ xi }\)) 将为零。에서 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t При обратном превращении (нагреве) при температуре проволоки СПП \(T < A_s^{\prime}\) (температура зарождения аустенитной фазы с поправкой на напряжение) скорость изменения объемной доли мартенсита (\( \dot{\ xi }\)) будет равно нулю. SMA 와이어 \(T < A_s^{\prime}\)(응력에 대해 보정된 오스테나이트 상의 핵 생성 온도)의 온도에서 역변태(가열)하는 동안 마르텐사이트의 부피 분율(\( \dot{\ xi }\))의 변화율은 0이 됩니다.따라서 응력 변화율(\(\dot{\sigma}\))은 변형률 속도(\(\dot{\epsilon}\))와 온도 구배(\(\dot{T} \) )에 따라 식(1)만 사용합니다.그러나 SMA 와이어의 온도가 증가하고 교차(\(A_s^{\prime}\))하면 오스테나이트 상이 형성되기 시작하고 (\(\dot{\xi}\))는 방정식( 3)의 주어진 값으로 간주됩니다.따라서 전압의 변화율(\(\dot{\sigma}\))은 \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\)에 의해 공동으로 제어되며 \(\dot{\xi}\)는 공식(1)에 주어진 것과 같습니다.이는 그림 4a, b와 같이 가열 주기 동안 시변 응력 및 힘 맵에서 관찰된 기울기 변화를 설명합니다.
(a) SMA 기반 divalerate 액추에이터에서 온도 분포 및 응력 유도 접합 온도를 보여주는 시뮬레이션 결과.와이어 온도가 가열 단계에서 오스테나이트 전이 온도를 교차하면 수정된 오스테나이트 전이 온도가 증가하기 시작하고 유사하게 선재 온도가 냉각 단계에서 마르텐사이트 전이 온도를 교차하면 마르텐사이트 전이 온도가 감소합니다.작동 프로세스의 분석적 모델링을 위한 SMA.(Simulink 모델의 각 하위 시스템에 대한 자세한 내용은 보충 파일의 부록 섹션을 참조하십시오.)
서로 다른 파라미터 분포에 대한 분석 결과는 7V 입력 전압의 두 주기(10초 워밍업 주기 및 15초 냉각 주기)에 대해 표시됩니다.(ac)와 (e)는 시간에 따른 분포를 나타내는 반면, (d)와 (f)는 온도에 따른 분포를 나타냅니다.각 입력 조건에 대해 관찰된 최대 응력은 106MPa(345MPa 미만, 와이어 항복 강도), 힘은 150N, 최대 변위는 270μm, 최소 마르텐사이트 부피 분율은 0.91입니다.한편, 온도에 따른 응력의 변화와 마르텐사이트의 부피분율의 변화는 히스테리시스 특성과 유사하다.
동일한 설명이 오스테나이트 상에서 마텐자이트 상으로의 직접 변태(냉각)에 적용되며, 여기서 SMA 와이어 온도(T) 및 응력 수정된 마텐자이트 상의 종료 온도(\(M_f^{\prime}\ ))가 우수합니다.무화과에.그림 4d, f는 SMA 와이어(T)의 온도 변화에 따른 SMA 와이어의 유도 응력(\(\sigma\)) 및 마르텐사이트의 부피 분율(\(\xi\))의 변화를 두 구동 사이클 모두에 대해 보여줍니다.무화과에.그림 3a는 입력 전압 펄스에 따라 시간에 따른 SMA 와이어의 온도 변화를 보여줍니다.그림에서 볼 수 있듯이 전선의 온도는 제로 전압에서 열원을 제공하고 후속 대류 냉각을 통해 계속 증가합니다.가열하는 동안 SMA 와이어 온도(T)가 응력 보정된 오스테나이트 핵 생성 온도(\(A_s^{\prime}\))를 교차할 때 마르텐사이트에서 오스테나이트 상으로의 재변태가 시작됩니다.이 단계에서 SMA 와이어가 압축되고 액추에이터가 힘을 생성합니다.또한 냉각 중에 SMA 와이어(T)의 온도가 응력 수정된 마텐자이트 상(\(M_s^{\prime}\))의 핵 생성 온도를 교차하면 오스테나이트 상에서 마텐자이트 상으로 양의 전이가 있습니다.구동력이 감소합니다.
SMA 기반 바이모달 드라이브의 주요 정성적 측면은 시뮬레이션 결과에서 얻을 수 있습니다.전압 펄스 입력의 경우 줄 열 효과로 인해 SMA 와이어의 온도가 상승합니다.마텐자이트 부피 분율(\(\xi\))의 초기 값은 재료가 처음에 완전히 마텐자이트 상태이기 때문에 1로 설정됩니다.와이어가 계속 가열됨에 따라 SMA 와이어의 온도는 응력 보정된 오스테나이트 핵 생성 온도(A_s^{\prime}\)를 초과하여 그림 4c와 같이 마르텐사이트 부피 분율이 감소합니다.또한, 그림에서.도 4e는 시간에 따른 액추에이터의 스트로크 분포를 나타내고, 도 4e는 도 1에 도시한다.5 – 시간에 따른 추진력.관련 방정식 시스템에는 온도, 마텐자이트 부피 분율 및 와이어에서 발생하는 응력이 포함되어 SMA 와이어의 수축과 액추에이터에 의해 생성되는 힘이 발생합니다.그림과 같이.그림 4d, f에서 온도에 따른 전압 변화와 온도에 따른 마르텐사이트 부피 분율 변화는 시뮬레이션된 경우 7V에서 SMA의 히스테리시스 특성에 해당합니다.
실험과 분석 계산을 통해 주행 매개변수의 비교를 얻었다.전선에 10초 동안 7V의 펄스 입력 전압을 가한 다음 2주기에 걸쳐 15초 동안 냉각했습니다(냉각 단계).깃 모양 각도는 \(40^{\circ}\)로 설정되고 각 단일 핀 레그에서 SMA 와이어의 초기 길이는 83mm로 설정됩니다.(a) 로드셀로 구동력 측정 (b) 열적외선 카메라로 와이어 온도 모니터링.
드라이브에 의해 생성된 힘에 대한 물리적 매개변수의 영향을 이해하기 위해 선택된 물리적 매개변수에 대한 수학적 모델의 민감도 분석을 수행하고 매개변수의 영향에 따라 순위를 매겼습니다.첫째, 모델 매개변수의 샘플링은 균일한 분포를 따르는 실험 설계 원칙을 사용하여 수행되었습니다(민감도 분석에 대한 보충 섹션 참조).이 경우 모델 매개변수에는 입력 전압(\(V_{in}\)), 초기 SMA 와이어 길이(\(l_0\)), 삼각형 각도(\(\alpha\)), 바이어스 스프링 상수(\( K_x\ )), 대류 열전달 계수(\(h_T\)) 및 단봉 분기 수(n)가 포함됩니다.다음 단계에서는 최대 근육 강도가 연구 설계 요구 사항으로 선택되었고 강도에 대한 각 변수 세트의 파라메트릭 효과가 얻어졌습니다.민감도 분석을 위한 토네이도 플롯은 그림 6a와 같이 각 매개변수에 대한 상관 계수로부터 도출되었습니다.
(a) 모델 매개변수의 상관계수 값과 위 모델 매개변수의 고유한 2500개 그룹의 최대 출력 힘에 미치는 영향이 토네이도 플롯에 표시됩니다.그래프는 여러 지표의 순위 상관관계를 보여줍니다.\(V_{in}\)는 양의 상관관계를 가진 유일한 매개변수이고 \(l_0\)은 가장 높은 음의 상관관계를 가진 매개변수임이 분명합니다.최대 근력에 대한 다양한 조합의 다양한 매개변수의 효과가 (b, c)에 표시됩니다.\(K_x\) 범위는 400 ~ 800 N/m이고 n 범위는 4 ~ 24입니다. 전압(\(V_{in}\))은 4V에서 10V로, 전선 길이(\(l_{0 } \))는 40mm에서 100mm로, 테일 각도(\ (\alpha \))는 \(20 – 60 \, ^ {\circ }\)에서 변경되었습니다.
무화과에.도 6a는 피크 구동력 설계 요건을 갖는 각 파라미터에 대한 다양한 상관 계수의 토네이도 플롯을 보여준다.무화과에서.6a에서 전압 매개변수(\(V_{in}\))는 최대 출력 힘과 직접적으로 관련되며, 대류 열전달 계수(\(h_T\)), 화염 각도(\(\alpha\)), 변위 스프링 상수(\(K_x\))는 SMA 와이어의 출력 힘 및 초기 길이(\(l_0\))와 음의 상관 관계를 가지며, 단봉 분기 수(n)는 강한 역상관 관계를 나타냅니다. 직접 상관의 경우 전압 상관 계수(\(V_ {in}\)) 값이 높을수록 이 매개변수가 전력 출력에 가장 큰 영향을 미친다는 것을 나타냅니다.또 다른 유사한 분석은 그림 6b, c와 같이 두 계산 공간의 서로 다른 조합에서 서로 다른 매개변수의 효과를 평가하여 최대 힘을 ​​측정합니다.\(V_{in}\)와 \(l_0\), \(\alpha\)와 \(l_0\)는 유사한 패턴을 가지며, 그래프는 \(V_{in}\)과 \(\alpha\ )와 \(\alpha\)가 유사한 패턴을 보인다.\(l_0\) 값이 작을수록 최대 힘이 높아집니다.다른 두 플롯은 n과 \(K_x\)가 음의 상관 관계이고 \(V_{in}\)가 양의 상관 관계인 그림 6a와 일치합니다.이 분석은 드라이브 시스템의 출력 힘, 스트로크 및 효율성을 요구 사항 및 애플리케이션에 적용할 수 있는 영향 매개변수를 정의하고 조정하는 데 도움이 됩니다.
현재 연구 작업은 N 수준의 계층적 드라이브를 도입하고 조사합니다.그림 7a와 같이 2단계 계층 구조에서 첫 번째 수준 액추에이터의 각 SMA 와이어 대신 그림 7a와 같이 바이모달 배열이 달성됩니다.9e.무화과에.그림 7c는 세로 방향으로만 이동하는 이동 가능한 암(보조 암)에 SMA 와이어를 감는 방법을 보여줍니다.그러나 1차 가동암은 1단 다단 액추에이터의 가동암과 동일하게 계속해서 움직인다.일반적으로 N단계 드라이브는 \(N-1\) 단계 SMA 와이어를 1단계 드라이브로 교체하여 생성됩니다.결과적으로 와이어 자체를 고정하는 분기를 제외하고 각 분기는 첫 번째 단계 드라이브를 모방합니다.이러한 방식으로 기본 드라이브의 힘보다 몇 배 더 큰 힘을 생성하는 중첩된 구조가 형성될 수 있습니다.이 연구에서는 그림 7d의 표 형식과 같이 각 레벨에 대해 1m의 총 유효 SMA 와이어 길이를 고려했습니다.각 단봉 설계의 각 와이어를 통과하는 전류와 각 SMA 와이어 세그먼트의 프리스트레스와 전압은 각 레벨에서 동일합니다.분석 모델에 따르면 출력 힘은 레벨과 양의 상관 관계가 있는 반면 변위는 음의 상관 관계가 있습니다.동시에 변위와 근력 사이에는 절충안이 있었습니다.그림에서 볼 수 있듯이.도 7b에서, 가장 많은 수의 층에서 최대 힘이 달성되는 반면, 가장 낮은 층에서 가장 큰 변위가 관찰된다.계층 수준이 \(N=5\)로 설정되었을 때 2.58 kN의 최대 근육 힘이 2개의 관찰된 스트로크 \(\upmu\)m에서 발견되었습니다.반면에 첫 번째 단계 드라이브는 277\(\upmu\)m의 스트로크에서 150N의 힘을 생성합니다.다중 레벨 액추에이터는 형상 기억 합금을 기반으로 하는 인공 근육이 정확하고 미세한 움직임으로 훨씬 더 높은 힘을 생성할 수 있는 실제 생물학적 근육을 모방할 수 있습니다.이 소형화된 설계의 한계는 계층이 증가함에 따라 움직임이 크게 줄어들고 드라이브 제조 프로세스의 복잡성이 증가한다는 것입니다.
(a) 2단계(\(N=2\)) 적층형 형상 기억 합금 선형 액추에이터 시스템이 바이모달 구성으로 표시됩니다.제안된 모델은 1단 적층 액추에이터의 SMA 와이어를 다른 단일 단 적층 액추에이터로 교체하여 달성됩니다.(c) 2단계 다층 액추에이터의 변형된 구성.(b) 레벨 수에 따른 힘과 변위의 분포가 설명됩니다.액추에이터의 최대 힘은 그래프의 눈금 수준과 양의 상관 관계가 있는 반면 스트로크는 눈금 수준과 음의 상관 관계가 있음이 밝혀졌습니다.각 와이어의 전류 및 사전 전압은 모든 레벨에서 일정하게 유지됩니다.(d) 표는 각 레벨에서 탭 수와 SMA 와이어(광섬유)의 길이를 보여줍니다.전선의 특성은 인덱스 1로 표시하고, 2차 가지(1차 다리에 연결된 1개)의 수는 아래 첨자에 가장 큰 숫자로 표시한다.예를 들어, 레벨 5에서 ​​\(n_1\)은 각 바이모달 구조에 있는 SMA 와이어의 수를 나타내고 \(n_5\)는 보조 다리(메인 다리에 연결된 하나)의 수를 나타냅니다.
상전이와 관련된 결정 구조의 거시적 변화를 수반하는 열역학적 특성에 의존하는 형상 기억으로 SMA의 거동을 모델링하기 위해 많은 연구자들이 다양한 방법을 제안했습니다.구성 방법의 공식화는 본질적으로 복잡합니다.가장 일반적으로 사용되는 현상학적 모델은 Tanaka28에 의해 제안되었으며 엔지니어링 응용 분야에서 널리 사용됩니다.Tanaka[28]가 제안한 현상학적 모델은 마르텐사이트의 부피 분율이 온도와 응력의 지수 함수라고 가정합니다.나중에 Liang과 Rogers29 및 Brinson30은 모델을 약간 수정하여 상전이 동역학을 전압과 온도의 코사인 함수로 가정한 모델을 제안했습니다.Becker와 Brinson은 부분 전이뿐만 아니라 임의의 하중 조건 하에서 SMA 재료의 거동을 모델링하기 위해 위상 다이어그램 기반 동역학 모델을 제안했습니다.Banerjee32는 Bekker 및 Brinson31 위상 다이어그램 동역학 방법을 사용하여 Elahinia 및 Ahmadian33이 개발한 단일 자유도 조작기를 시뮬레이션합니다.온도에 따른 전압의 비단조적 변화를 고려하는 상 다이어그램에 기반한 동역학 방법은 엔지니어링 응용 프로그램에서 구현하기 어렵습니다.Elakhinia와 Ahmadian은 기존 현상학적 모델의 이러한 단점에 주목하고 복잡한 하중 조건에서 형상 기억 거동을 분석하고 정의하기 위한 확장된 현상학적 모델을 제안합니다.
SMA 와이어의 구조 모델은 SMA 와이어의 응력(\(\sigma\)), 변형률(\(\epsilon\)), 온도(T) 및 마르텐사이트 부피 분율(\(\xi\))을 제공합니다.현상학적 구성 모델은 Tanaka28에 의해 처음 제안되었고 나중에 Liang29와 Brinson30에 의해 채택되었습니다.방정식의 미분은 다음과 같은 형식을 갖습니다.
여기서 E는 \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\)를 사용하여 얻은 위상 종속 SMA 영률이며 영률을 나타내는 \(E_A\) 및 \(E_M\)는 각각 오스테나이트 및 마르텐사이트 상이며 열팽창 계수는 \(\theta _T\)로 표시됩니다.상전이 기여 계수는 \(\Omega = -E \epsilon _L\)이고 \(\epsilon _L\)은 SMA 와이어에서 복구 가능한 최대 변형입니다.
위상 역학 방정식은 Tanaka28이 제안한 지수 함수 대신 Liang29가 개발하고 나중에 Brinson30이 채택한 코사인 함수와 일치합니다.상전이 모델은 Elakhinia와 Ahmadian34에 의해 제안된 모델의 확장이며 Liang29와 Brinson30에 의해 주어진 상전이 조건을 기반으로 수정되었습니다.이 상전이 모델에 사용되는 조건은 복잡한 열역학적 부하에서 유효합니다.구성방정식을 모델링할 때 각 순간에 마텐자이트의 부피분율 값을 계산한다.
가열 조건에서 마르텐사이트에서 오스테나이트로의 변태로 표현되는 지배적인 재변태 방정식은 다음과 같습니다.
여기서 \(\xi\)는 마텐자이트의 부피 분율, \(\xi _M\)은 가열 전에 얻은 마텐자이트의 부피 분율, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) 및 \(C_A\) – 곡선 근사 매개변수, T – SMA 와이어 온도, \(A_s\) 및 \(A_f\) – 시작 및 끝 오스테나이트 상의 각각 온도.
냉각 조건에서 오스테나이트에서 마텐자이트로의 상변태로 표현되는 직접 변태 제어 방정식은 다음과 같습니다.
여기서 \(\xi _A\)는 냉각 전에 얻은 마르텐사이트의 부피 분율, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) 및 \( C_M \) – 커브 피팅 매개변수, T – SMA 와이어 온도, \(M_s\) 및 \(M_f\) – 각각 초기 및 최종 마르텐사이트 온도입니다.
방정식 (3)과 (4)를 미분한 후 역변환 방정식과 직접 변환 방정식은 다음 형식으로 단순화됩니다.
정방향 및 역방향 변환 중에 \(\eta _{\sigma}\) 및 \(\eta _{T}\)는 다른 값을 사용합니다.\(\eta _{\sigma}\) 및 \(\eta _{T}\)와 관련된 기본 방정식은 파생되었으며 추가 섹션에서 자세히 설명합니다.
SMA 와이어의 온도를 높이는 데 필요한 열 에너지는 주울 열 효과에서 비롯됩니다.SMA 와이어에 의해 흡수되거나 방출되는 열 에너지는 변환 잠열로 표시됩니다.SMA 와이어의 열 손실은 강제 대류로 인한 것이며 무시할 수 있는 복사 효과가 주어지면 열 에너지 균형 방정식은 다음과 같습니다.
여기서 \(m_{wire}\)는 SMA 와이어의 총 질량, \(c_{p}\)는 SMA의 비열 용량, \(V_{in}\)는 와이어에 적용되는 전압, \(R_{ohm} \ ) – 위상 종속 저항 SMA, 다음과 같이 정의됩니다.\(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) 여기서 \(r_M\) 및 \(r_A\)는 각각 마텐자이트 및 오스테나이트에서 SMA 상 저항률이고 \(A_{c}\)는 SMA 와이어의 표면적이며 \(\Delta H \)는 형상 기억 합금입니다.와이어의 전이 잠열 T 및 \(T_{\infty}\)는 각각 SMA 와이어 및 환경의 온도입니다.
형상 기억 합금 와이어가 작동되면 와이어가 압축되어 바이모달 설계의 각 분기에 섬유 힘이라는 힘을 생성합니다.SMA 와이어의 각 가닥에 있는 섬유의 힘은 함께 그림 9e에 표시된 것처럼 작동할 근력을 생성합니다.바이어싱 스프링의 존재로 인해 N번째 다층 액추에이터의 총 근력은 다음과 같습니다.
\(N = 1\)을 방정식 (7)에 대입하면 1단계 바이모달 드라이브 프로토타입의 근력은 다음과 같이 얻을 수 있습니다.
여기서 n은 단봉 다리의 수, \(F_m\)은 드라이브에 의해 생성된 근력, \ (F_f\)는 SMA 와이어의 섬유 강도, \(K_x\)는 바이어스 강성입니다.스프링, \(\alpha\)는 삼각형의 각도, \(x_0\)는 사전 인장 위치에서 SMA 케이블을 고정하기 위한 바이어스 스프링의 초기 오프셋, \(\Delta x\)는 액추에이터 트래블입니다.
N 단계의 SMA 와이어에서 전압(\(\sigma\)) 및 스트레인(\(\epsilon\))에 따라 드라이브의 총 변위 또는 이동(\(\Delta x\))은 다음과 같이 설정됩니다(출력의 추가 부분 참조).
기구학 방정식은 드라이브 변형(\(\epsilon\))과 변위 또는 변위(\(\Delta x\)) 간의 관계를 제공합니다.하나의 유니모달 분기에서 임의의 시간 t에서 초기 Arb 와이어 길이(\(l_0\)) 및 와이어 길이(l)의 함수로서 Arb 와이어의 변형은 다음과 같습니다.
여기서 \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\)는 그림 8과 같이 \(\Delta\)ABB'에 코사인 공식을 적용하여 얻습니다. \(\alpha _1\)는 \(\alpha \)와 같이 그림 8에서와 같이 식 (11)에서 시간을 미분하고 l 값을 대입하면 Strain rate는 다음과 같이 쓸 수 있습니다.
여기서 \(l_0\)은 SMA 와이어의 초기 길이이고, l은 하나의 유니모달 브랜치에서 임의의 시간 t에서의 와이어 길이이고, \(\epsilon\)은 SMA 와이어에서 발생한 변형이고 \(\alpha \)는 삼각형의 각도이고 \(\Delta x\)는 구동 오프셋입니다(그림 8 참조).
모든 n 개의 단일 피크 구조(이 그림에서 \(n=6\))는 입력 전압으로 \(V_{in}\)와 직렬로 연결됩니다.1단계: 제로 전압 조건에서 바이모달 구성의 SMA 와이어 개략도 2단계: 빨간색 선으로 표시된 것처럼 역변환으로 인해 SMA 와이어가 압축되는 제어 구조가 표시됩니다.
개념 증명으로 SMA 기반 바이모달 드라이브가 개발되어 실험 결과와 함께 기본 방정식의 시뮬레이션 유도를 테스트했습니다.바이모달 리니어 액츄에이터의 CAD 모델은 Fig.9a.한편, 그림에서.도 9c는 바이모달 구조의 2평면 SMA 기반 액추에이터를 사용하여 회전 프리즘 연결을 위해 제안된 새로운 설계를 보여준다.드라이브 구성 요소는 Ultimaker 3 Extended 3D 프린터에서 적층 제조를 사용하여 제작되었습니다.부품의 3D 프린팅에 사용되는 소재는 폴리카보네이트로 강하고 내구성이 있으며 유리전이온도(110-113 \(^{\circ }\) C)가 높아 내열 소재에 적합합니다.또한 실험에는 Dynalloy, Inc.의 Flexinol 형상기억합금선을 사용하였으며, 시뮬레이션에는 Flexinol선에 해당하는 물성을 사용하였다.다중 SMA 와이어는 그림 9b, d와 같이 다층 액추에이터에 의해 생성된 높은 힘을 얻기 위해 근육의 바이모달 배열에 존재하는 섬유로 배열됩니다.
그림 9a에서와 같이 가동 암 SMA 와이어가 형성하는 예각을 각도(\(\alpha\))라고 합니다.왼쪽 및 오른쪽 클램프에 터미널 클램프가 부착된 상태에서 SMA 와이어는 원하는 바이모달 각도로 고정됩니다.스프링 커넥터에 고정된 바이어스 스프링 장치는 SMA 섬유의 수(n)에 따라 다른 바이어스 스프링 확장 그룹을 조정하도록 설계되었습니다.또한 이동부의 위치는 강제 대류 냉각을 위해 SMA 와이어가 외부 환경에 노출되도록 설계되었습니다.탈착식 어셈블리의 상단 및 하단 플레이트는 무게를 줄이도록 설계된 압출 컷아웃으로 SMA 와이어를 시원하게 유지하는 데 도움이 됩니다.또한 CMA 전선의 양단은 압착을 통해 각각 왼쪽 및 오른쪽 단자에 고정됩니다.상판과 하판 사이의 간극을 유지하기 위해 이동식 조립체의 한쪽 끝에 플런저가 부착됩니다.플런저는 또한 SMA 와이어가 작동될 때 차단력을 측정하기 위해 접점을 통해 센서에 차단력을 적용하는 데 사용됩니다.
바이모달 근육 구조 SMA는 전기적으로 직렬로 연결되고 입력 펄스 전압에 의해 전원이 공급됩니다.전압 펄스 주기 동안 전압이 인가되고 SMA 와이어가 오스테나이트의 초기 온도 이상으로 가열되면 각 가닥의 와이어 길이가 짧아집니다.이 후퇴는 이동식 암 하위 어셈블리를 활성화합니다.동일한 사이클에서 전압이 0이 되었을 때 가열된 SMA 와이어는 마르텐사이트 표면 온도 이하로 냉각되어 원래 위치로 돌아갔습니다.응력이 없는 조건에서 SMA 와이어는 먼저 바이어스 스프링에 의해 수동적으로 늘어나 분리된 마텐자이트 상태에 도달합니다.SMA 와이어가 통과하는 나사는 SMA 와이어(SPA가 오스테나이트 단계에 도달함)에 전압 펄스를 적용하여 생성된 압축으로 인해 움직이며, 이는 이동식 레버의 작동으로 이어집니다.SMA 와이어가 수축되면 바이어스 스프링이 스프링을 더 늘려 반대 힘을 생성합니다.임펄스 전압의 응력이 0이 되면 강제 대류 냉각으로 인해 SMA 와이어가 늘어나고 모양이 바뀌어 이중 마텐자이트 상태에 도달합니다.
제안된 SMA 기반 선형 액추에이터 시스템은 SMA 와이어가 각진 바이모달 구성을 가지고 있습니다.(a) 프로토타입의 일부 구성 요소와 그 의미를 언급하는 프로토타입의 CAD 모델을 묘사하고, (b, d)는 개발된 실험 프로토타입을 나타냅니다35.(b)는 전기 연결과 바이어스 스프링 및 스트레인 게이지가 사용된 프로토타입의 평면도를 보여주는 반면, (d)는 설정의 투시도를 보여줍니다.(e) SMA 와이어가 언제든지 t에 바이모달로 배치되어 섬유 및 근력의 방향과 과정을 보여주는 선형 작동 시스템의 다이어그램.(c) 2면 SMA 기반 액추에이터를 배치하기 위해 2자유도 회전 프리즘 연결이 제안되었습니다.그림과 같이 링크는 하단 드라이브에서 상단 암으로 선형 동작을 전달하여 회전 연결을 생성합니다.한편, 프리즘 쌍의 움직임은 다층 1단 드라이브의 움직임과 동일하다.
SMA 기반 바이모달 드라이브의 성능을 평가하기 위해 그림 9b의 프로토타입에 대한 실험적 연구가 수행되었습니다.그림 10a에서 볼 수 있듯이 실험 설정은 SMA 와이어에 입력 전압을 공급하는 프로그래밍 가능한 DC 전원 공급 장치로 구성됩니다.그림과 같이.도 10b에서, 압전 스트레인 게이지(PACEline CFT/5kN)를 사용하여 Graphtec GL-2000 데이터 로거를 사용하여 차단력을 측정하였다.데이터는 추가 연구를 위해 호스트에 의해 기록됩니다.스트레인 게이지와 전하 증폭기는 전압 신호를 생성하기 위해 일정한 전원 공급 장치가 필요합니다.해당 신호는 압전 힘 센서의 감도 및 표 2에 설명된 기타 매개 변수에 따라 전원 출력으로 변환됩니다. 전압 펄스가 가해지면 SMA 와이어의 온도가 상승하여 SMA 와이어가 압축되어 액추에이터가 힘을 생성합니다.7V의 입력 전압 펄스에 의한 근력 출력의 실험 결과는 Fig.2a.
(a) 액추에이터에 의해 생성된 힘을 측정하기 위해 실험에서 SMA 기반 선형 액추에이터 시스템을 설정했습니다.로드 셀은 차단력을 측정하고 24V DC 전원 공급 장치로 전원을 공급받습니다.GW Instek 프로그래밍 가능 DC 전원 공급 장치를 사용하여 케이블의 전체 길이를 따라 7V 전압 강하를 적용했습니다.SMA 와이어는 열로 인해 수축되고 이동 가능한 암이 로드 셀에 접촉하여 차단력을 발휘합니다.로드 셀은 GL-2000 데이터 로거에 연결되고 데이터는 추가 처리를 위해 호스트에 저장됩니다.(b) 근력 측정을 위한 실험 설정의 구성 요소 체인을 보여주는 다이어그램.
형상기억합금은 열에너지에 의해 여기되기 때문에 온도는 형상기억 현상을 연구하는 데 중요한 매개변수가 됩니다.실험적으로 그림 11a와 같이 프로토타입 SMA 기반 divalerate 액추에이터에서 열 화상 및 온도 측정을 수행했습니다.프로그래밍 가능한 DC 소스는 그림 11b와 같이 실험 설정에서 SMA 와이어에 입력 전압을 적용했습니다.SMA 와이어의 온도 변화는 고해상도 LWIR 카메라(FLIR A655sc)를 사용하여 실시간으로 측정되었습니다.호스트는 추가 후처리를 위해 데이터를 기록하기 위해 ResearchIR 소프트웨어를 사용합니다.전압 펄스가 가해지면 SMA 와이어의 온도가 상승하여 SMA 와이어가 수축됩니다.무화과에.그림 2b는 7V 입력 전압 펄스에 대한 SMA 와이어 온도 대 시간의 실험 결과를 보여줍니다.