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액추에이터는 어디에서나 사용되며, 제조 및 산업 자동화에서 다양한 작업을 수행하기 위해 적절한 가진력 또는 토크를 적용하여 제어된 동작을 생성합니다. 더 빠르고, 더 작고, 더 효율적인 드라이브에 대한 요구는 드라이브 설계 혁신을 주도하고 있습니다. 형상 기억 합금(SMA) 드라이브는 기존 드라이브에 비해 높은 출력 대 중량비를 포함하여 여러 가지 장점을 제공합니다. 본 논문에서는 생물 시스템의 깃털 근육의 장점과 SMA의 고유한 특성을 결합한 두 개의 깃털을 가진 SMA 기반 액추에이터를 개발했습니다. 본 연구는 이중 모드 SMA 와이어 배열을 기반으로 새로운 액추에이터의 수학적 모델을 개발하고 실험적으로 테스트함으로써 기존 SMA 액추에이터를 탐구하고 확장합니다. 기존 SMA 기반 드라이브와 비교했을 때, 새로운 드라이브의 구동력은 최소 5배(최대 150N) 더 높습니다. 이에 따른 중량 감소는 약 67%입니다. 수학적 모델의 민감도 분석 결과는 설계 매개변수를 조정하고 주요 매개변수를 이해하는 데 유용합니다. 본 연구는 동역학을 더욱 향상시키는 데 사용할 수 있는 다단계 N단계 드라이브를 추가로 제시합니다. SMA 기반 디프발레레이트 근육 작동기는 건물 자동화부터 정밀 약물 전달 시스템까지 광범위한 분야에 적용됩니다.
포유류의 근육 구조와 같은 생물학적 시스템은 여러 미묘한 작동기를 활성화할 수 있습니다.1 포유류는 각각 특정 목적을 수행하는 다양한 근육 구조를 가지고 있습니다. 그러나 포유류 근육 조직의 구조는 크게 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 평행근과 깃털근입니다. 이름에서 알 수 있듯이 햄스트링과 다른 굴곡근에서 평행근은 중심 힘줄과 평행한 근섬유를 가지고 있습니다. 근섬유 사슬은 주변 결합 조직에 의해 일렬로 배열되고 기능적으로 연결됩니다. 이러한 근육은 큰 운동 범위(축소 비율)를 가지고 있다고 하지만, 전체적인 근력은 매우 제한적입니다. 반대로, 종아리 삼두근(외측 비복근(GL)3, 내측 비복근(GM)4, 가자미근(SOL))과 대퇴사두근(대퇴사두근)5,6에서는 각 근육에 깃털근 조직이 존재합니다7. 깃꼴 구조에서, 이깃꼴 근육의 근섬유는 중심 힘줄의 양쪽에 비스듬한 각도(깃꼴각)로 존재합니다. 깃꼴은 라틴어 "penna"에서 유래되었으며, "펜"을 의미하며, 그림 1에서 볼 수 있듯이 깃털처럼 보입니다. 깃꼴 근육의 섬유는 더 짧고 근육의 세로축에 대해 각이 져 있습니다. 깃꼴 구조로 인해 이러한 근육의 전반적인 가동성이 감소하여 단축 과정의 가로 및 세로 요소가 발생합니다. 반면, 이러한 근육의 활성화는 생리학적 단면적 측정 방식으로 인해 전반적인 근력 증가로 이어집니다. 따라서 주어진 단면적에서 깃꼴 근육은 평행 섬유를 가진 근육보다 더 강하고 더 큰 힘을 생성합니다. 개별 섬유에서 생성되는 힘은 해당 근육 조직에서 거시적인 수준의 근력을 생성합니다. 또한, 빠른 수축, 인장 손상 방지, 완충 작용과 같은 고유한 특성을 가지고 있습니다. 이는 근육의 작용선과 관련된 섬유 배열의 고유한 특징과 기하학적 복잡성을 활용하여 섬유 입력과 근력 출력 간의 관계를 변화시킵니다.
기존 SMA 기반 액추에이터 설계와 이중 모드 근육 구조의 관계를 나타낸 개략도를 보여줍니다. 예를 들어 (a)는 SMA 와이어로 구동되는 손 모양 장치가 두 바퀴 자율 이동 로봇에 장착된 촉각력의 상호작용을 나타냅니다.9,10, (b) 길항적으로 배치된 SMA 스프링 장착 안와 의족을 갖춘 로봇 안와 의족. 의안의 위치는 안구 근육의 신호로 제어됩니다.11, (c) SMA 액추에이터는 높은 주파수 응답과 낮은 대역폭으로 인해 수중 응용 분야에 이상적입니다. 이 구성에서 SMA 액추에이터는 물고기의 움직임을 시뮬레이션하여 파동 운동을 생성하는 데 사용되고, (d) SMA 액추에이터는 채널 10 내부의 SMA 와이어의 움직임으로 제어되는 인치 웜 모션 원리를 사용할 수 있는 마이크로 파이프 검사 로봇을 만드는 데 사용됩니다. (e)는 비복근 조직에서 수축 근섬유의 방향과 수축력을 생성하는 것을 보여줍니다. (f) 깃털 모양의 근육 구조에서 근섬유 형태로 배열된 SMA 와이어를 보여줍니다.
액추에이터는 광범위한 응용 분야로 인해 기계 시스템의 중요한 부분이 되었습니다. 따라서 더 작고, 더 빠르고, 더 효율적인 드라이브의 필요성이 매우 중요해졌습니다. 기존 드라이브는 이러한 장점에도 불구하고 유지 보수에 많은 비용과 시간이 소요되는 것으로 나타났습니다. 유압 및 공압 액추에이터는 복잡하고 비용이 많이 들며 마모, 윤활 문제 및 부품 고장의 위험이 있습니다. 이러한 수요에 부응하여 스마트 소재를 기반으로 비용 효율적이고 크기가 최적화된 고급 액추에이터 개발에 중점을 두고 있습니다. 이러한 요구를 충족하기 위해 형상 기억 합금(SMA) 적층 액추에이터에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있습니다. 계층형 액추에이터는 여러 개별 액추에이터를 기하학적으로 복잡한 거시적 규모의 하위 시스템으로 결합하여 기능을 더욱 향상시키고 확장한다는 점에서 독특합니다. 이와 관련하여 위에서 설명한 인체 근육 조직은 이러한 다층 구동의 훌륭한 다층적 사례를 제공합니다. 본 연구에서는 바이모달 근육에 존재하는 섬유 방향에 맞춰 정렬된 여러 개의 개별 구동 요소(SMA 와이어)를 갖춘 다층 SMA 드라이브를 설명하며, 이는 전반적인 구동 성능을 향상시킵니다.
액추에이터의 주요 목적은 전기 에너지를 변환하여 힘과 변위와 같은 기계적 출력을 생성하는 것입니다. 형상 기억 합금은 고온에서 형상을 복원할 수 있는 "스마트" 소재입니다. 고하중에서 SMA 와이어의 온도 상승은 형상 회복을 유도하여 다양한 직접 접합 스마트 소재에 비해 더 높은 구동 에너지 밀도를 제공합니다. 동시에 기계적 하중을 받으면 SMA는 취성을 띱니다. 특정 조건에서 반복 하중은 기계적 에너지를 흡수했다가 방출하여 가역적인 히스테리시스 형상 변화를 나타낼 수 있습니다. 이러한 고유한 특성으로 인해 SMA는 센서, 진동 감쇠, 특히 액추에이터에 이상적입니다.12 이러한 점을 염두에 두고 SMA 기반 구동 장치에 대한 많은 연구가 진행되어 왔습니다. SMA 기반 액추에이터는 다양한 응용 분야에서 병진 및 회전 운동을 제공하도록 설계되었습니다.13,14,15 일부 회전 액추에이터도 개발되었지만, 연구자들은 특히 선형 액추에이터에 관심을 가지고 있습니다. 이러한 선형 액추에이터는 1차원 액추에이터, 변위 액추에이터, 차동 액추에이터의 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.16 초기에는 하이브리드 드라이브가 SMA 및 기타 기존 드라이브와 함께 개발되었습니다. SMA 기반 하이브리드 선형 액추에이터의 한 예로, SMA 와이어와 DC 모터를 사용하여 약 100N의 출력과 상당한 변위를 제공하는 것이 있습니다.17
SMA 기반 드라이브의 초기 개발 중 하나는 SMA 병렬 드라이브였습니다. 여러 개의 SMA 와이어를 사용하는 SMA 기반 병렬 드라이브는 모든 SMA18 와이어를 병렬로 배치하여 드라이브의 전력 용량을 높이도록 설계되었습니다. 액추에이터를 병렬로 연결하면 더 많은 전력이 필요할 뿐만 아니라 단일 와이어의 출력 전력도 제한됩니다. SMA 기반 액추에이터의 또 다른 단점은 제한된 이동 거리입니다. 이 문제를 해결하기 위해, 변위를 증가시키고 선형 운동을 달성하기 위해 편향된 유연 빔을 포함하는 SMA 케이블 빔이 개발되었지만, 더 큰 힘을 생성하지는 못했습니다. 형상 기억 합금을 기반으로 하는 로봇용 연성 변형 가능 구조 및 직물은 주로 충격 증폭을 위해 개발되었습니다. 고속이 요구되는 응용 분야에서는 마이크로 펌프 구동 응용 분야에 박막 SMA를 사용하는 소형 구동 펌프가 보고되었습니다. 박막 SMA 멤브레인의 구동 주파수는 드라이버 속도 제어에 중요한 요소입니다. 따라서 SMA 선형 모터는 SMA 스프링 또는 로드 모터보다 동적 응답이 더 우수합니다. 소프트 로봇공학과 그립 기술은 SMA 기반 액추에이터를 사용하는 또 다른 두 가지 응용 분야입니다. 예를 들어, 25N 공간 클램프에 사용되는 표준 액추에이터를 대체하기 위해 형상 기억 합금 병렬 액추에이터 24가 개발되었습니다. 또 다른 사례에서는 최대 30N의 인장력을 생성할 수 있는 매트릭스가 내장된 와이어를 기반으로 SMA 소프트 액추에이터를 제작했습니다. SMA는 기계적 특성 덕분에 생물학적 현상을 모방하는 액추에이터를 제작하는 데에도 사용됩니다. 이러한 개발 사례 중 하나는 SMA를 사용하여 사인파 운동을 생성하여 발사하는 지렁이와 유사한 생물의 생체모방형 12셀 로봇입니다 26,27.
앞서 언급했듯이 기존 SMA 기반 액추에이터에서 얻을 수 있는 최대 힘에는 한계가 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 형상 기억 합금 와이어로 구동되는 생체모방형 바이모달 근육 구조를 제시합니다. 이는 여러 형상 기억 합금 와이어를 포함하는 분류 체계를 제공합니다. 현재까지 유사한 구조를 가진 SMA 기반 액추에이터는 문헌에 보고된 바 없습니다. 이 독특하고 새로운 SMA 기반 시스템은 바이모달 근육 정렬 시 SMA의 거동을 연구하기 위해 개발되었습니다. 기존 SMA 기반 액추에이터와 비교하여, 본 연구의 목표는 작은 부피에서 훨씬 더 높은 힘을 생성하는 생체모방형 디프발레레이트 액추에이터를 개발하는 것이었습니다. HVAC 건물 자동화 및 제어 시스템에 사용되는 기존 스테퍼 모터 구동 드라이브와 비교하여, 제안된 SMA 기반 바이모달 드라이브 설계는 드라이브 메커니즘의 무게를 67% 줄였습니다. 이하에서 "근육"과 "드라이브"라는 용어는 같은 의미로 사용됩니다. 본 연구는 이러한 드라이브의 다중물리 시뮬레이션을 연구합니다. 이러한 시스템의 기계적 거동은 실험적 및 분석적 방법을 통해 연구되었습니다. 7V의 입력 전압에서 힘과 온도 분포를 추가로 조사했습니다. 이후, 주요 매개변수와 출력 힘 간의 관계를 더 잘 이해하기 위해 매개변수 분석을 수행했습니다. 마지막으로, 계층적 액추에이터가 구상되었고, 계층적 레벨 효과가 보철물 응용 분야를 위한 비자성 액추에이터의 잠재적 미래 분야로 제안되었습니다. 앞서 언급한 연구 결과에 따르면, 단일 스테이지 구조를 사용하면 보고된 SMA 기반 액추에이터보다 최소 4~5배 더 높은 힘을 생성할 수 있습니다. 또한, 다단계 구동으로 생성된 동일한 구동력은 기존 SMA 기반 구동력의 10배 이상인 것으로 나타났습니다. 본 연구는 다양한 설계 및 입력 변수 간의 민감도 분석을 사용하여 주요 매개변수를 보고합니다. SMA 와이어의 초기 길이(\(l_0\)), 깃꼴각(\(\alpha\)), 그리고 각 가닥의 단일 가닥 수(n)는 구동력의 크기에 강한 부정적인 영향을 미칩니다. 강도는 양의 상관관계를 갖는 것으로 나타났습니다.
SMA 와이어는 니켈-티타늄(Ni-Ti) 합금 계열에서 볼 수 있는 형상 기억 효과(SME)를 나타냅니다. 일반적으로 SMA는 저온 상과 고온 상이라는 두 가지 온도 의존적 상을 나타냅니다. 두 상 모두 서로 다른 결정 구조의 존재로 인해 고유한 특성을 갖습니다. 변태 온도 이상에 존재하는 오스테나이트 상(고온 상)에서 재료는 높은 강도를 나타내며 하중 하에서 변형이 적습니다. 합금은 스테인리스강과 유사하게 거동하므로 더 높은 작동 압력을 견딜 수 있습니다. Ni-Ti 합금의 이러한 특성을 활용하여 SMA 와이어를 기울여 액추에이터를 형성합니다. 다양한 매개변수와 다양한 형상의 영향 하에서 SMA의 열 거동에 대한 기본적인 역학을 이해하기 위해 적절한 해석 모델을 개발했습니다. 실험 결과와 해석 결과 간에 양호한 일치가 얻어졌습니다.
그림 9a에 표시된 프로토타입에 대한 실험 연구를 수행하여 SMA 기반 이중 모드 구동의 성능을 평가했습니다. 구동에 의해 생성되는 힘(근력)과 SMA 와이어의 온도(SMA 온도)라는 두 가지 특성을 실험적으로 측정했습니다. 구동 와이어의 전체 길이에 걸쳐 전압 차이가 증가함에 따라 줄 열 효과로 인해 와이어 온도가 상승합니다. 입력 전압은 각 사이클 사이에 15초의 냉각 기간을 두고 10초 주기(그림 2a, b에 빨간색 점으로 표시)로 두 번 인가했습니다. 차단력은 압전 스트레인 게이지를 사용하여 측정했으며, SMA 와이어의 온도 분포는 과학용 고해상도 LWIR 카메라를 사용하여 실시간으로 모니터링했습니다(표 2에 사용된 장비의 특성 참조). 는 고전압 단계에서 와이어의 온도가 단조롭게 증가하지만 전류가 흐르지 않을 때는 와이어의 온도가 계속 감소함을 보여줍니다. 현재 실험 설정에서 SMA 와이어의 온도는 냉각 단계에서 떨어졌지만, 여전히 주변 온도보다 높았습니다. 그림 2e는 LWIR 카메라에서 촬영한 SMA 와이어 온도 스냅샷을 보여줍니다. 반면, 그림 2a는 구동 시스템에 의해 생성된 차단력을 보여줍니다. 근력이 스프링의 복원력을 초과하면 그림 9a와 같이 가동 암이 움직이기 시작합니다. 작동이 시작되는 즉시 가동 암이 센서와 접촉하여 그림 2c, d와 같이 체적력을 생성합니다. 최대 온도가 \(84\,^{\circ}\hbox {C}\)\에 가까울 때 관측된 최대 힘은 105N입니다.
그래프는 두 사이클 동안 SMA 와이어의 온도와 SMA 기반 이중 모드 액추에이터에서 생성된 힘의 실험 결과를 보여줍니다. 입력 전압은 각 사이클 사이에 15초의 냉각 기간을 두고 10초 사이클(빨간색 점으로 표시)을 두 번 인가합니다. 실험에 사용된 SMA 와이어는 Dynalloy, Inc.의 직경 0.51mm Flexinol 와이어였습니다. (a) 그래프는 두 사이클 동안 얻은 실험 힘을 보여줍니다. (c, d)는 PACEline CFT/5kN 압전 힘 변환기에서 움직이는 암 액추에이터의 작용에 대한 두 가지 독립적인 예를 보여줍니다. (b) 그래프는 두 사이클 동안 전체 SMA 와이어의 최대 온도를 보여줍니다. (e) FLIR ResearchIR 소프트웨어 LWIR 카메라를 사용하여 SMA 와이어에서 촬영한 온도 스냅샷을 보여줍니다. 실험에서 고려된 기하학적 매개변수는 표 1에 나와 있습니다.
그림 5와 같이 입력 전압 7V의 조건에서 수학적 모델의 시뮬레이션 결과와 실험 결과를 비교합니다. 매개변수 분석 결과에 따라 SMA 와이어의 과열 가능성을 방지하기 위해 액추에이터에 11.2W의 전력을 공급했습니다. 프로그래밍 가능한 DC 전원 공급 장치를 사용하여 입력 전압으로 7V를 공급하고 와이어에 1.6A의 전류를 측정했습니다. 전류가 인가되면 드라이브에서 생성되는 힘과 SDR의 온도가 증가합니다. 입력 전압이 7V일 때 첫 번째 사이클의 시뮬레이션 결과와 실험 결과에서 얻은 최대 출력 힘은 각각 78N과 96N입니다. 두 번째 사이클에서 시뮬레이션과 실험 결과의 최대 출력 힘은 각각 150N과 105N이었습니다. 폐색력 측정값과 실험 데이터 간의 불일치는 폐색력을 측정하는 데 사용된 방법 때문일 수 있습니다. 그림에 표시된 실험 결과. 5a는 잠금력 측정에 해당하며, 이는 그림 2s에 표시된 것처럼 구동축이 PACEline CFT/5kN 압전 힘 센서와 접촉했을 때 측정되었습니다. 따라서 냉각 영역 시작 시 구동축이 힘 센서와 접촉하지 않으면 그림 2d에 표시된 것처럼 힘이 즉시 0이 됩니다. 또한, 후속 사이클에서 힘 형성에 영향을 미치는 다른 매개변수는 이전 사이클의 냉각 시간 값과 대류 열전달 계수입니다. 그림 2b에서 15초의 냉각 기간 후 SMA 와이어가 실온에 도달하지 못했고 따라서 첫 번째 사이클(25, ^{\circ}\hbox {C}\))에 비해 두 번째 구동 사이클에서 초기 온도가 더 높았음을 알 수 있습니다. 따라서 첫 번째 사이클과 비교했을 때 두 번째 가열 사이클 동안 SMA 와이어의 온도는 초기 오스테나이트 온도(\(A_s\))에 더 일찍 도달하고 전이 기간에 더 오래 머물러 응력과 힘을 발생시킵니다. 반면, 실험과 시뮬레이션에서 얻은 가열 및 냉각 사이클 동안의 온도 분포는 열화상 분석의 예와 높은 정성적 유사성을 갖습니다. 실험과 시뮬레이션에서 얻은 SMA 와이어 열 데이터의 비교 분석은 가열 및 냉각 사이클 동안 일관성을 보였고 실험 데이터에 대한 허용 오차 내에서 일관성을 보였습니다. 첫 번째 사이클의 시뮬레이션 및 실험 결과에서 얻은 SMA 와이어의 최대 온도는 각각 \(89\,^{\circ }\hbox {C}\)와 \(75\,^{\circ }\hbox { C }\)이고 두 번째 사이클에서 SMA 와이어의 최대 온도는 각각 \(94\,^{\circ }\hbox {C}\)와 \(83\,^{\circ }\ hbox {C}\)입니다. 기본적으로 개발된 모델은 형상 기억 효과의 효과를 확인합니다. 본 검토에서는 피로 및 과열의 영향을 고려하지 않았습니다. 향후 SMA 와이어의 응력 이력을 포함하도록 모델을 개선하여 엔지니어링 응용 분야에 더욱 적합하도록 할 예정입니다. Simulink 블록에서 얻은 구동 출력력과 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. 그림 3b는 Simulink 수학적 모델의 블록 다이어그램을 보여줍니다. 이 모델은 그림 2a, b와 같이 7V 입력 전압 펄스에 대해 시뮬레이션되었습니다. 시뮬레이션에 사용된 매개변수 값은 표 1에 나열되어 있습니다. 과도 과정 시뮬레이션 결과는 그림 1과 그림 1에 제시되어 있습니다. 그림 3a와 그림 4는 SMA 와이어에 유도된 전압과 액추에이터에 의해 생성된 힘을 시간의 함수로 보여줍니다. 역변태(가열) 중 SMA 와이어 온도가 \(T < A_s^{\prime}\)(응력 수정 오스테나이트 상 시작 온도)일 때 마르텐사이트 부피 분율(\(\dot{\xi }\))의 변화율은 0이 됩니다. 역변태(가열) 중 SMA 와이어 온도가 \(T < A_s^{\prime}\)(응력 수정 오스테나이트 상 시작 온도)일 때 마르텐사이트 부피 분율(\(\dot{\ xi }\))의 변화율은 0이 됩니다. Во время обратного превраЂения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет 정말이지. 역변태(가열) 동안 SMA 와이어의 온도, \(T < A_s^{\prime}\) (응력 수정 오스테나이트 시작 온도)일 때 마르텐사이트 부피 분율(\(\dot{\ xi }\ ))의 변화율은 0이 됩니다.反向转变（加热）过程中，当SMA 线温島\(T < A_s^{\prime}\)（应power修正奥氏体相起始温島）时，马氏体体积分数的变化率（\(\dot{\ xi }\)) 将为零。에서 反向 转变 （加热） 中 , 当 当 当 线 温島 \ (t
(a) SMA 기반 디발레이트 액추에이터의 온도 분포와 응력 유도 접합 온도를 보여주는 시뮬레이션 결과입니다. 가열 단계에서 와이어 온도가 오스테나이트 전이 온도를 통과하면 변형 오스테나이트 전이 온도가 상승하기 시작하고, 마찬가지로 냉각 단계에서 와이어 온도가 마르텐사이트 전이 온도를 통과하면 마르텐사이트 전이 온도가 감소합니다. 액추에이션 공정의 해석적 모델링을 위한 SMA. (Simulink 모델의 각 하위 시스템에 대한 자세한 내용은 보충 파일의 부록 부분을 참조하십시오.)
7V 입력 전압의 두 사이클(10초 예열 사이클과 15초 냉각 사이클)에 대한 다양한 매개변수 분포 분석 결과가 제시됩니다. (ac)와 (e)는 시간에 따른 분포를 나타내는 반면, (d)와 (f)는 온도에 따른 분포를 나타냅니다. 각 입력 조건에서 관찰된 최대 응력은 106 MPa(345 MPa 미만, 와이어 항복 강도), 힘은 150 N, 최대 변위는 270 µm, 최소 마르텐사이트 체적 분율은 0.91입니다. 한편, 온도에 따른 응력 변화와 마르텐사이트 체적 분율 변화는 히스테리시스 특성과 유사합니다.
동일한 설명이 오스테나이트 상에서 마르텐사이트 상으로의 직접 변환(냉각)에도 적용되며, 여기서 SMA 와이어 온도(T)와 응력 수정 마르텐사이트 상의 최종 온도(\(M_f^{\prime}\ ))가 우수합니다.그림 4d에서 f는 두 가지 구동 사이클 모두에 대해 SMA 와이어의 온도(T) 변화에 따른 SMA 와이어의 유도 응력(\(\sigma\))과 마르텐사이트의 부피 분율(\(\xi\))의 변화를 보여줍니다.그림 3a는 입력 전압 펄스에 따라 시간에 따른 SMA 와이어의 온도 변화를 보여줍니다.그림에서 볼 수 있듯이 와이어의 온도는 0 전압에서 열원을 제공하고 이후 대류 냉각을 통해 계속 증가합니다. 가열 중, SMA 와이어의 온도(T)가 응력 보정된 오스테나이트 핵생성 온도(\(A_s^{\prime}\))를 교차할 때 마르텐사이트가 오스테나이트 상으로 재변태하기 시작합니다. 이 단계에서 SMA 와이어는 압축되고 액추에이터는 힘을 생성합니다. 또한 냉각 중, SMA 와이어의 온도(T)가 응력 보정된 마르텐사이트 상의 핵생성 온도(\(M_s^{\prime}\))를 교차할 때 오스테나이트 상에서 마르텐사이트 상으로의 양의 전이가 발생합니다. 이 경우 구동력이 감소합니다.
SMA 기반 이중 모드 구동의 주요 정성적 측면은 시뮬레이션 결과에서 얻을 수 있습니다. 전압 펄스 입력의 경우, 줄 열 효과로 인해 SMA 와이어의 온도가 상승합니다. 재료가 초기에는 완전 마르텐사이트 상태이므로 마르텐사이트 체적 분율(\(\xi\))의 초기 값은 1로 설정됩니다. 와이어가 계속 가열됨에 따라 SMA 와이어의 온도가 응력 보정 오스테나이트 핵생성 온도(\(A_s^{\prime}\)\)를 초과하여 그림 4c와 같이 마르텐사이트 체적 분율이 감소합니다. 또한, 그림 4e는 시간에 따른 액추에이터 스트로크 분포를, 그림 5는 시간의 함수로 나타낸 구동력을 보여줍니다. 관련 방정식 시스템에는 온도, 마르텐사이트 체적 분율, 와이어에서 발생하는 응력이 포함되며, 이는 SMA 와이어의 수축과 액추에이터에서 생성되는 힘을 초래합니다. 그림과 같이, 4d,f, 온도에 따른 전압 변화와 온도에 따른 마르텐사이트 부피 분율 변화는 7V에서 시뮬레이션된 경우의 SMA의 히스테리시스 특성과 일치합니다.
구동 매개변수의 비교는 실험과 해석적 계산을 통해 이루어졌습니다. 와이어에 7V의 펄스 입력 전압을 10초 동안 인가한 후, 두 사이클에 걸쳐 15초 동안 냉각(냉각 단계)했습니다. 깃꼴각은 40°C로 설정되었고, 각 단일 핀 다리의 SMA 와이어 초기 길이는 83mm로 설정되었습니다. (a) 로드셀을 이용한 구동력 측정 (b) 열 적외선 카메라를 이용한 와이어 온도 모니터링.
구동 장치에 의해 생성되는 힘에 대한 물리적 매개변수의 영향을 이해하기 위해, 선택된 물리적 매개변수에 대한 수학적 모델의 민감도 분석을 수행하였고, 매개변수는 영향에 따라 순위가 매겨졌습니다.먼저, 모델 매개변수의 샘플링은 균일 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 단계에서, 최대 근력을 연구 설계 요구 사항으로 선택하고 각 변수 세트의 근력에 대한 매개변수 효과를 얻었습니다.민감도 분석을 위한 토네이도 플롯은 그림 6a에 표시된 대로 각 매개변수의 상관 계수에서 파생되었습니다.
(a) 위 모델 매개변수의 2500개 고유 그룹의 최대 출력력에 미치는 모델 매개변수의 상관 계수 값과 그 효과가 토네이도 플롯에 표시되어 있습니다. 그래프는 여러 지표의 순위 상관 관계를 보여줍니다. \(V_{in}\)이 양의 상관 관계를 가진 유일한 매개변수이고 \(l_0\)이 가장 높은 음의 상관 관계를 가진 매개변수인 것이 분명합니다. 다양한 조합의 다양한 매개변수가 최대 근력에 미치는 효과는 (b, c)에 표시되어 있습니다. \(K_x\)의 범위는 400~800N/m이고 n의 범위는 4~24입니다. 전압(\(V_{in}\))은 4V에서 10V로 변경되었고, 와이어 길이(\(l_{0 } \))는 40mm에서 100mm로 변경되었으며, 꼬리 각도(\(\alpha \))는 \(20 – 60 \, ^ {\circ }\)로 변경되었습니다.
그림 6a는 각 매개변수에 대한 다양한 상관 계수와 피크 구동력 설계 요구 사항의 토네이도 플롯을 보여줍니다.그림 6a에서 전압 매개변수(\(V_{in}\))가 최대 출력력과 직접 관련이 있고 대류 열전달 계수(\(h_T\)), 화염 각도(\( \alpha\)), 변위 스프링 상수(\(K_x\))가 출력력과 SMA 와이어의 초기 길이(\(l_0\))와 음의 상관 관계를 가지고 있으며 단봉 분기 수(n)는 강한 역상관 관계를 보입니다.직접적인 상관 관계의 경우 전압 상관 계수(\(V_ {in}\)) 값이 높을수록 이 매개변수가 전력 출력에 가장 큰 영향을 미친다는 것을 나타냅니다.또 다른 유사한 분석은 그림 6b, c에 표시된 것처럼 두 계산 공간의 다양한 조합에서 다양한 매개변수의 효과를 평가하여 피크 힘을 측정합니다. \(V_{in}\)과 \(l_0\), \(\alpha\)와 \(l_0\)은 유사한 패턴을 가지며, 그래프는 \(V_{in}\)과 \(\alpha\) 및 \(\alpha\)가 유사한 패턴을 가짐을 보여줍니다. \(l_0\) 값이 작을수록 피크 힘이 커집니다. 다른 두 그래프는 그림 6a와 일치하며, 여기서 n과 \(K_x\)는 음의 상관관계를 가지고 \(V_{in}\)은 양의 상관관계를 가집니다. 이 분석은 구동 시스템의 출력력, 스트로크 및 효율을 요구 사항 및 응용 분야에 맞게 조정할 수 있는 영향 매개변수를 정의하고 조정하는 데 도움이 됩니다.
현재 연구 작업에서는 N단계의 계층적 구동을 도입하고 연구합니다. 그림 7a와 같이 2단계 계층 구조에서는 1단계 액추에이터의 각 SMA 와이어 대신 그림 9e와 같이 이중 모드 배열이 구현됩니다. 그림 7c는 SMA 와이어가 세로 방향으로만 움직이는 가동 암(보조 암)에 감겨 있는 모습을 보여줍니다. 그러나 1차 가동 암은 1단계 다단 액추에이터의 가동 암과 동일한 방식으로 계속 움직입니다. 일반적으로 N단계 구동은 \(N-1\)단계 SMA 와이어를 1단계 구동으로 교체하여 생성됩니다. 결과적으로 와이어 자체를 고정하는 분기를 제외한 모든 분기는 1단계 구동을 모방합니다. 이러한 방식으로 1차 구동의 힘보다 몇 배 더 큰 힘을 생성하는 중첩 구조를 형성할 수 있습니다. 이 연구에서는 그림 7d의 표 형식에 표시된 것처럼 각 레벨에 대해 총 유효 SMA 와이어 길이 1m를 고려했습니다. 각 단봉형 설계에서 각 와이어를 통과하는 전류와 각 SMA 와이어 세그먼트의 결과적인 예비 응력 및 전압은 각 레벨에서 동일합니다. 분석 모델에 따르면 출력 힘은 레벨과 양의 상관 관계가 있는 반면 변위는 음의 상관 관계가 있습니다. 동시에 변위와 근력 사이에는 상충 관계가 있었습니다. 그림 7b에서 볼 수 있듯이 가장 많은 층에서 최대 힘이 달성되는 반면 가장 큰 변위는 가장 낮은 층에서 관찰됩니다. 계층 레벨을 \(N=5\)로 설정했을 때 2개의 관찰된 스트로크 \(\upmu\)m에서 최대 근력 2.58 kN이 발견되었습니다. 반면, 1단계 구동 장치는 277 \(\upmu\)m의 스트로크에서 150 N의 힘을 생성합니다. 다단계 액추에이터는 실제 생물학적 근육을 모방할 수 있는 반면, 형상 기억 합금 기반 인공 근육은 더욱 정밀하고 미세한 움직임으로 훨씬 더 큰 힘을 생성할 수 있습니다. 이러한 소형화 설계의 한계는 계층 구조가 증가함에 따라 움직임이 크게 감소하고 구동 장치 제조 공정이 복잡해진다는 것입니다.
(a) 2단계(\(N=2\)) 적층 형상 기억 합금 선형 액추에이터 시스템을 이중 모드 구성으로 보여줍니다. 제안된 모델은 1단계 적층 액추에이터의 SMA 와이어를 다른 단일 단계 적층 액추에이터로 대체하여 구현되었습니다. (c) 2단계 다층 액추에이터의 변형된 구성. (b) 레벨 수에 따른 힘과 변위의 분포를 설명합니다. 액추에이터의 최대 힘은 그래프의 스케일 레벨과 양의 상관관계를 갖는 반면, 스트로크는 스케일 레벨과 음의 상관관계를 갖는 것으로 나타났습니다. 각 와이어의 전류와 사전 전압은 모든 레벨에서 일정하게 유지됩니다. (d) 표는 각 레벨에서 탭 수와 SMA 와이어(파이버)의 길이를 보여줍니다. 와이어의 특성은 지수 1로 표시되고, 2차 분기(1차 레그에 연결된 하나)의 수는 아래 첨자에서 가장 큰 숫자로 표시됩니다. 예를 들어, 레벨 5에서 \(n_1\)은 각 이중 모드 구조에 존재하는 SMA 와이어의 수를 나타내고, \(n_5\)는 보조 다리(하나는 주 다리에 연결됨)의 수를 나타냅니다.
많은 연구자들이 형상 기억을 가진 SMA의 거동을 모델링하기 위해 다양한 방법을 제안했는데, 이는 상 전이와 관련된 결정 구조의 거시적 변화에 수반되는 열기계적 특성에 따라 달라집니다. 구성적 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 상 전이 동역학이 모델을 약간 수정하여 전압과 온도의 코사인 함수로 가정된 모델을 제안했습니다. Becker와 Brinson은 임의의 하중 조건과 부분 전이에서 SMA 재료의 거동을 모델링하기 위해 상 다이어그램 기반 동역학 모델을 제안했습니다. Banerjee32는 Bekker와 Brinson31의 위상도 동역학 방법을 사용하여 Elahinia와 Ahmadian33이 개발한 단일 자유도 매니퓰레이터를 시뮬레이션합니다. 온도에 따른 전압의 비단조적 변화를 고려하는 위상도 기반 동역학 방법은 공학 응용 분야에서 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), 그리고 마르텐사이트 체적분율(\(\xi\))을 제공합니다. 현상학적 구성 모델은 Tanaka28에 의해 처음 제안되었으며, 이후 Liang29과 Brinson30에 의해 채택되었습니다. 이 방정식의 미분은 다음과 같습니다.
여기서 E는 상 의존성 SMA 영률이며, \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\)를 사용하여 구합니다. 영률을 나타내는 \(E_A\)와 \(E_M\)은 각각 오스테나이트 상과 마르텐사이트 상을 나타내며, 열팽창 계수는 \(\theta _T\)로 나타냅니다. 상 전이 기여 계수는 \(\Omega = -E \epsilon _L\)이고 \(\epsilon _L\)은 SMA 와이어의 최대 회복 변형률입니다.
위상 동역학 방정식은 Tanaka28이 제안한 지수 함수 대신 Liang29이 개발하고 이후 Brinson30이 채택한 코사인 함수와 일치합니다. 상전이 모델은 Elakhinia와 Ahmadian34이 제안한 모델을 확장하여 Liang29과 Brinson30이 제시한 상전이 조건을 기반으로 수정한 것입니다. 이 상전이 모델에 사용된 조건은 복잡한 열기계적 하중 하에서도 유효합니다. 구성 방정식을 모델링할 때 각 시점에서 마르텐사이트의 부피 분율 값을 계산합니다.
가열 조건 하에서 마르텐사이트가 오스테나이트로 변태하는 것을 통해 표현되는 지배적인 재변태 방정식은 다음과 같습니다.
여기서 \(\xi\)는 마르텐사이트의 체적 분율이고, \(\xi _M\)은 가열 전에 얻은 마르텐사이트의 체적 분율이고, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) 및 \(C_A\) – 곡선 근사 매개변수, T – SMA 와이어 온도, \(A_s\) 및 \(A_f\) – 각각 오스테나이트 상의 시작 및 끝 온도입니다.
냉각 조건에서 오스테나이트가 마르텐사이트로 상변태하는 것을 나타내는 직접변태 제어 방정식은 다음과 같습니다.
여기서 \(\xi _A\)는 냉각 전 얻은 마르텐사이트의 부피 분율이고, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) 및 \( C_M \)은 곡선 맞춤 매개변수, T는 SMA 와이어 온도, \(M_s\) 및 \(M_f\)는 각각 초기 및 최종 마르텐사이트 온도입니다.
방정식(3)과 (4)를 미분하면 역변환 방정식과 직접변환 방정식은 다음과 같은 형태로 단순화됩니다.
정방향 및 역방향 변환 시 \(\eta _{\sigma}\)와 \(\eta _{T}\)는 서로 다른 값을 갖습니다. \(\eta _{\sigma}\)와 \(\eta _{T}\)와 관련된 기본 방정식은 추가 섹션에서 도출 및 자세히 논의되었습니다.
SMA 와이어의 온도를 높이는 데 필요한 열 에너지는 줄 열 효과에서 비롯됩니다. SMA 와이어가 흡수하거나 방출하는 열 에너지는 변환 잠열로 표현됩니다. SMA 와이어의 열 손실은 강제 대류에 의한 것이며, 복사의 영향은 무시할 수 있으므로 열 에너지 평형 방정식은 다음과 같습니다.
여기서 \(m_{wire}\)는 SMA 와이어의 총 질량이고, \(c_{p}\)는 SMA의 비열이고, \(V_{in}\)은 와이어에 인가된 전압이고, \(R_{ohm} \ ) – 위상 의존 저항 SMA는 다음과 같이 정의됩니다. \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) 여기서 \(r_M\ )과 \(r_A\)는 각각 마르텐사이트와 오스테나이트에서 SMA 상 저항률이고, \(A_{c}\)는 SMA 와이어의 표면적이고, \(\Delta H \)는 형상 기억 합금입니다. 와이어의 전이 잠열 T와 \(T_{\infty}\)는 각각 SMA 와이어와 환경의 온도입니다.
형상 기억 합금 와이어가 작동하면 와이어가 압축되어 이중 모드 설계의 각 가지에 섬유력이라고 하는 힘이 발생합니다. SMA 와이어의 각 가닥에 있는 섬유의 힘은 그림 9e와 같이 작동을 위한 근력을 생성합니다. 바이어스 스프링이 있으므로 N번째 다층 액추에이터의 총 근력은 다음과 같습니다.
\(N = 1\)을 방정식 (7)에 대입하면 1단계 이중 모드 구동 프로토타입의 근력은 다음과 같이 얻을 수 있습니다.
여기서 n은 단봉형 다리의 수이고, \(F_m\)은 구동 장치에 의해 생성된 근력이고, \(F_f\)는 SMA 와이어의 섬유 강도이고, \(K_x\)는 바이어스 스프링 강성이며, \(\alpha\)는 삼각형의 각도이고, \(x_0\)은 SMA 케이블을 사전 장력 위치에 고정하기 위한 바이어스 스프링의 초기 오프셋이고, \(\Delta x\)는 액추에이터 이동 거리입니다.
구동 장치의 총 변위 또는 이동(\(\Delta x\))은 N단계의 SMA 와이어에 걸리는 전압(\(\sigma\))과 변형률(\(\epsilon\))에 따라 달라지며, 구동 장치는 다음과 같이 설정됩니다(그림 참조. 출력의 추가 부분):
운동학 방정식은 구동 변형(\(\epsilon\))과 변위 또는 변위(\(\Delta x\)) 사이의 관계를 나타냅니다. 한 단봉 분기에서 초기 Arb 와이어 길이(\(l_0\))와 임의의 시간 t에서의 와이어 길이(l)의 함수로서 Arb 와이어의 변형은 다음과 같습니다.
여기서 \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\)은 그림 8과 같이 \(\Delta\)ABB'에 코사인 공식을 적용하여 구합니다. 1단계 구동(\(N = 1\))의 경우, \(\Delta x_1\)은 \(\Delta x\)이고 \(\alpha _1\)은 그림 8과 같이 \(\alpha \)입니다. 그림 8과 같이, 방정식(11)에서 시간을 미분하고 l 값을 대입하면 변형률 속도는 다음과 같이 쓸 수 있습니다.
여기서 \(l_0\)은 SMA 와이어의 초기 길이이고, l은 단일 모드 분기에서 임의의 시간 t에서의 와이어 길이이며, \(\epsilon\)은 SMA 와이어에서 발생한 변형이고, \(\alpha \)는 삼각형의 각도이고, \(\Delta x\)는 구동 오프셋입니다(그림 8 참조).
모든 n개의 단일 피크 구조(이 그림에서는 \(n=6\))는 입력 전압 \(V_{in}\)에 직렬로 연결됩니다. 1단계: 영전압 조건에서 이중 모드 구성의 SMA 와이어의 개략도 2단계: 빨간색 선으로 표시된 것처럼 역변환으로 인해 SMA 와이어가 압축되는 제어된 구조가 나와 있습니다.
개념 증명으로서, SMA 기반 바이모달 구동 장치를 개발하여 기본 방정식의 시뮬레이션 도출을 실험 결과와 함께 테스트했습니다. 바이모달 선형 액추에이터의 CAD 모델은 그림 9a에 나와 있습니다. 한편, 그림 9c는 바이모달 구조를 가진 2면 SMA 기반 액추에이터를 사용하여 회전 프리즘 연결을 위해 제안된 새로운 설계를 보여줍니다. 구동 구성 요소는 Ultimaker 3 Extended 3D 프린터에서 적층 제조를 사용하여 제작되었습니다. 구성 요소의 3D 프린팅에 사용된 재료는 강하고 내구성이 뛰어나며 높은 유리 전이 온도(110-113 \(^{\circ }\) C)를 가지고 있어 내열성 재료에 적합한 폴리카보네이트입니다. 또한, 실험에는 Dynalloy, Inc.의 Flexinol 형상 기억 합금 와이어를 사용했으며, Flexinol 와이어에 해당하는 재료 특성을 시뮬레이션에 사용했습니다. 그림 9b, d에 표시된 것처럼 여러 개의 SMA 와이어가 근육의 이중 모드 배열에 존재하는 섬유로 배열되어 다층 액추에이터에서 생성된 높은 힘을 얻습니다.
그림 9a에서 볼 수 있듯이, 가동 암 SMA 와이어가 형성하는 예각을 각도(\(\alpha\))라고 합니다. 좌우 클램프에 단자 클램프를 부착하면 SMA 와이어는 원하는 바이모달 각도로 고정됩니다. 스프링 커넥터에 고정된 바이어스 스프링 장치는 SMA 파이버 수(n)에 따라 다양한 바이어스 스프링 연장 그룹을 조정하도록 설계되었습니다. 또한, 가동부의 위치는 SMA 와이어가 강제 대류 냉각을 위해 외부 환경에 노출되도록 설계되었습니다. 분리형 어셈블리의 상단 및 하단 플레이트는 무게를 줄이기 위해 설계된 압출 컷아웃을 통해 SMA 와이어를 시원하게 유지합니다. 또한, CMA 와이어의 양쪽 끝은 크림프를 통해 각각 좌우 단자에 고정됩니다. 가동 어셈블리의 한쪽 끝에는 플런저가 부착되어 상단 플레이트와 하단 플레이트 사이의 간격을 유지합니다. 플런저는 SMA 와이어가 작동할 때 차단력을 측정하기 위해 접점을 통해 센서에 차단력을 가하는 데에도 사용됩니다.
이중 모드 근육 구조인 SMA는 직렬로 전기적으로 연결되고 입력 펄스 전압으로 구동됩니다. 전압 펄스 사이클 동안 전압이 인가되고 SMA 와이어가 오스테나이트 초기 온도 이상으로 가열되면 각 가닥의 와이어 길이가 짧아집니다. 이러한 수축은 가동 암 서브어셈블리를 활성화합니다. 같은 사이클에서 전압을 0으로 설정하면 가열된 SMA 와이어는 마르텐사이트 표면 온도 이하로 냉각되어 원래 위치로 돌아갑니다. 응력이 없는 조건에서 SMA 와이어는 먼저 바이어스 스프링에 의해 수동적으로 늘어나 꼬임이 풀린 마르텐사이트 상태에 도달합니다. SMA 와이어가 통과하는 나사는 SMA 와이어에 전압 펄스를 인가하여 발생하는 압축(SPA가 오스테나이트 단계에 도달)으로 인해 움직이며, 이로 인해 가동 레버가 작동합니다. SMA 와이어가 수축되면 바이어스 스프링은 스프링을 더욱 늘려 반대 힘을 생성합니다. 임펄스 전압의 응력이 0이 되면 SMA 와이어는 길어지고 강제 대류 냉각으로 인해 모양이 바뀌어 이중 마르텐사이트 상에 도달합니다.
제안된 SMA 기반 선형 액추에이터 시스템은 SMA 와이어가 비스듬한 이중 모드 구성을 갖는다. (a)는 프로토타입의 CAD 모델을 나타내며, 프로토타입의 일부 구성 요소와 그 의미를 설명한다. (b, d)는 개발된 실험용 프로토타입을 나타낸다.35 (b)는 전기 연결, 바이어스 스프링 및 스트레인 게이지를 사용한 프로토타입의 평면도를 보여주고, (d)는 구성의 사시도를 보여준다. (e) 임의의 시간 t에서 SMA 와이어가 이중 모드로 배치된 선형 액추에이션 시스템의 다이어그램으로, 섬유의 방향과 경로 및 근력을 보여준다. (c) 2면 SMA 기반 액추에이터를 배치하기 위해 2자유도 회전 프리즘 연결이 제안되었다. 그림과 같이, 링크는 하단 구동 장치에서 상단 암으로 선형 운동을 전달하여 회전 연결을 생성한다. 한편, 한 쌍의 프리즘의 움직임은 다층 1단계 구동 장치의 움직임과 동일하다.
그림 9b에 나타낸 프로토타입에 대한 실험 연구를 수행하여 SMA 기반 바이모달 구동의 성능을 평가했습니다. 그림 10a에서 볼 수 있듯이, 실험 장치는 SMA 와이어에 입력 전압을 공급하는 프로그래밍 가능한 DC 전원 공급 장치로 구성되었습니다. 그림 10b에서 볼 수 있듯이, 압전 스트레인 게이지(PACEline CFT/5kN)를 사용하여 Graphtec GL-2000 데이터 로거를 통해 차단력을 측정했습니다. 데이터는 추가 연구를 위해 호스트에서 기록됩니다. 스트레인 게이지와 전하 증폭기는 전압 신호를 생성하기 위해 일정한 전원 공급이 필요합니다. 해당 신호는 압전 힘 센서의 감도 및 표 2에 설명된 기타 매개변수에 따라 전력 출력으로 변환됩니다. 전압 펄스가 인가되면 SMA 와이어의 온도가 상승하여 SMA 와이어가 압축되고, 이로 인해 액추에이터가 힘을 생성합니다. 7V의 입력 전압 펄스에 의한 근력 출력 실험 결과는 그림 2a에 나와 있습니다.
(a) 실험에서는 액추에이터에서 발생하는 힘을 측정하기 위해 SMA 기반 선형 액추에이터 시스템을 설치했습니다. 로드 셀은 차단력을 측정하며 24V DC 전원 공급 장치를 사용합니다. GW Instek 프로그래밍 가능 DC 전원 공급 장치를 사용하여 케이블 전체 길이에 걸쳐 7V 전압 강하를 인가했습니다. SMA 와이어는 열로 인해 수축하고, 가동 암이 로드 셀에 접촉하여 차단력을 가합니다. 로드 셀은 GL-2000 데이터 로거에 연결되며, 데이터는 추가 처리를 위해 호스트에 저장됩니다. (b) 근력 측정을 위한 실험 장치의 구성 요소 체인을 보여주는 다이어그램.
형상 기억 합금은 열 에너지에 의해 여기되므로, 온도는 형상 기억 현상 연구에 중요한 매개변수가 됩니다. 그림 11a와 같이, SMA 기반 디밸러레이트 액추에이터 시제품에 대한 열 화상 및 온도 측정이 실험적으로 수행되었습니다. 그림 11b와 같이, 프로그래밍 가능한 DC 전원이 실험 설정에서 SMA 와이어에 입력 전압을 인가했습니다. SMA 와이어의 온도 변화는 고해상도 LWIR 카메라(FLIR A655sc)를 사용하여 실시간으로 측정되었습니다. 호스트는 ResearchIR 소프트웨어를 사용하여 추가 후처리를 위한 데이터를 기록합니다. 전압 펄스가 인가되면 SMA 와이어의 온도가 상승하여 SMA 와이어가 수축합니다. 그림 2b는 7V 입력 전압 펄스에 대한 SMA 와이어 온도 대 시간의 실험 결과를 보여줍니다.
게시 시간: 2022년 9월 28일
