Dziękujemy za odwiedzenie Nature.com. Wersja przeglądarki, której używasz, ma ograniczoną obsługę CSS. Aby uzyskać najlepsze wrażenia, zalecamy korzystanie ze zaktualizowanej przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w programie Internet Explorer). W międzyczasie, aby zapewnić ciągłą obsługę, będziemy renderować witrynę bez stylów i JavaScript.
Siłowniki są stosowane wszędzie i tworzą kontrolowany ruch poprzez zastosowanie prawidłowej siły wzbudzenia lub momentu obrotowego do wykonywania różnych operacji w produkcji i automatyzacji przemysłowej. Potrzeba szybszych, mniejszych i wydajniejszych napędów napędza innowacje w projektowaniu napędów. Napędy ze stopu pamięci kształtu (SMA) oferują szereg zalet w porównaniu z konwencjonalnymi napędami, w tym wysoki stosunek mocy do masy. W tej rozprawie opracowano dwupiórowy siłownik oparty na SMA, który łączy zalety pierzastych mięśni systemów biologicznych i unikalne właściwości SMA. W tym badaniu zbadano i rozszerzono poprzednie siłowniki SMA poprzez opracowanie modelu matematycznego nowego siłownika opartego na bimodalnym układzie przewodów SMA i przetestowano go eksperymentalnie. W porównaniu ze znanymi napędami opartymi na SMA, siła napędowa nowego napędu jest co najmniej 5 razy większa (do 150 N). Odpowiednia utrata masy wynosi około 67%. Wyniki analizy wrażliwości modeli matematycznych są przydatne do dostrajania parametrów projektu i zrozumienia kluczowych parametrów. W tym badaniu przedstawiono ponadto wielopoziomowy napęd N-tego stopnia, który można wykorzystać do dalszego zwiększenia dynamiki. Siłowniki mięśniowe oparte na dipwalerianie SMA mają szeroki zakres zastosowań, od automatyki budynkowej po precyzyjne systemy dostarczania leków.
Systemy biologiczne, takie jak struktury mięśniowe ssaków, mogą aktywować wiele subtelnych aktuatorów1. Ssaki mają różne struktury mięśniowe, z których każda służy określonemu celowi. Jednak znaczną część struktury tkanki mięśniowej ssaków można podzielić na dwie szerokie kategorie. Równoległe i pierzaste. W ścięgnach podkolanowych i innych zginaczach, jak sama nazwa wskazuje, muskulatura równoległa ma włókna mięśniowe równoległe do ścięgna centralnego. Łańcuch włókien mięśniowych jest ułożony w linii i funkcjonalnie połączony przez otaczającą je tkankę łączną. Chociaż mówi się, że te mięśnie mają duże wychylenie (procentowe skrócenie), ich ogólna siła mięśniowa jest bardzo ograniczona. Natomiast w mięśniu trójgłowym łydki2 (boczny mięsień brzuchaty łydki (GL)3, przyśrodkowy mięsień brzuchaty łydki (GM)4 i płaszczkowaty (SOL)) i prostowniku uda (mięsień czworogłowy)5,6 tkanka mięśniowa pierzasta znajduje się w każdym mięśniu7. W strukturze pierzastej włókna mięśniowe w mięśniach dwupierzastych występują po obu stronach ścięgna centralnego pod kątem skośnym (kąty pierzaste). Pennate pochodzi od łacińskiego słowa „penna”, które oznacza „pióro” i, jak pokazano na rys. 1, ma wygląd przypominający piórko. Włókna mięśni pierzastych są krótsze i ustawione pod kątem do osi podłużnej mięśnia. Ze względu na strukturę pierzastą ogólna ruchomość tych mięśni jest zmniejszona, co prowadzi do poprzecznych i podłużnych składowych procesu skracania. Z drugiej strony, aktywacja tych mięśni prowadzi do wyższej ogólnej siły mięśniowej ze względu na sposób pomiaru fizjologicznego pola przekroju poprzecznego. Dlatego dla danego pola przekroju poprzecznego mięśnie pierzaste będą silniejsze i będą generować większe siły niż mięśnie z włóknami równoległymi. Siły generowane przez poszczególne włókna generują siły mięśniowe na poziomie makroskopowym w tej tkance mięśniowej. Ponadto ma takie unikalne właściwości, jak szybkie kurczenie się, ochrona przed uszkodzeniami rozciągającymi, amortyzacja. Przekształca ona zależność między wkładem włókien a mocą wyjściową mięśni, wykorzystując wyjątkowe cechy i geometryczną złożoność układu włókien związanego z liniami działania mięśni.
Przedstawiono schematyczne diagramy istniejących projektów siłowników opartych na SMA w odniesieniu do bimodalnej architektury mięśniowej, na przykład (a), przedstawiającej interakcję siły dotykowej, w której urządzenie w kształcie dłoni uruchamiane przewodami SMA jest zamontowane na dwukołowym autonomicznym robocie mobilnym9,10. , (b) Robotyczna proteza oczodołu z antagonistycznie umieszczoną sprężynową protezą oczodołu SMA. Pozycja protezy oka jest kontrolowana przez sygnał z mięśnia ocznego oka11, (c) Siłowniki SMA są idealne do zastosowań podwodnych ze względu na wysoką częstotliwość odpowiedzi i niską szerokość pasma. W tej konfiguracji siłowniki SMA służą do tworzenia ruchu falowego poprzez symulację ruchu ryb; (d) siłowniki SMA służą do tworzenia robota do inspekcji mikrorur, który może wykorzystywać zasadę ruchu ślimaka calowego, sterowanego przez ruch drutów SMA wewnątrz kanału 10; (e) przedstawia kierunek włókien mięśniowych skurczowych i generowanie siły skurczowej w tkance brzuchatego łydki; (f) przedstawia druty SMA ułożone w formie włókien mięśniowych w strukturze mięśnia pierzastego.
Siłowniki stały się ważną częścią systemów mechanicznych ze względu na szeroki zakres zastosowań. Dlatego potrzeba mniejszych, szybszych i wydajniejszych napędów staje się krytyczna. Pomimo swoich zalet, tradycyjne napędy okazały się drogie i czasochłonne w utrzymaniu. Siłowniki hydrauliczne i pneumatyczne są złożone i drogie, a także podatne na zużycie, problemy ze smarowaniem i awarie podzespołów. W odpowiedzi na zapotrzebowanie, nacisk kładzie się na opracowywanie ekonomicznych, zoptymalizowanych pod kątem rozmiaru i zaawansowanych siłowników opartych na inteligentnych materiałach. Trwające badania dotyczą siłowników warstwowych ze stopu z pamięcią kształtu (SMA), aby sprostać tej potrzebie. Siłowniki hierarchiczne są wyjątkowe, ponieważ łączą wiele dyskretnych siłowników w geometrycznie złożone podsystemy makroskali, aby zapewnić zwiększoną i rozszerzoną funkcjonalność. Pod tym względem ludzka tkanka mięśniowa opisana powyżej stanowi doskonały wielowarstwowy przykład takiego wielowarstwowego sterowania. Obecne badanie opisuje wielopoziomowy napęd SMA z kilkoma indywidualnymi elementami napędowymi (przewodami SMA) wyrównanymi do orientacji włókien występujących w mięśniach bimodalnych, co poprawia ogólną wydajność napędu.
Głównym celem siłownika jest generowanie mocy mechanicznej, takiej jak siła i przemieszczenie, poprzez konwersję energii elektrycznej. Stopy z pamięcią kształtu to klasa „inteligentnych” materiałów, które mogą przywracać swój kształt w wysokich temperaturach. Pod dużym obciążeniem wzrost temperatury drutu SMA prowadzi do odzyskiwania kształtu, co skutkuje wyższą gęstością energii aktywacji w porównaniu z różnymi bezpośrednio łączonymi materiałami inteligentnymi. Jednocześnie pod obciążeniami mechanicznymi SMA stają się kruche. W pewnych warunkach obciążenie cykliczne może pochłaniać i uwalniać energię mechaniczną, wykazując odwracalne histeryczne zmiany kształtu. Te unikalne właściwości sprawiają, że SMA idealnie nadaje się do czujników, tłumienia drgań, a zwłaszcza siłowników12. Mając to na uwadze, przeprowadzono wiele badań nad napędami opartymi na SMA. Należy zauważyć, że siłowniki oparte na SMA są zaprojektowane tak, aby zapewniać ruch translacyjny i obrotowy w różnych zastosowaniach13,14,15. Chociaż opracowano kilka siłowników obrotowych, badacze są szczególnie zainteresowani siłownikami liniowymi. Te siłowniki liniowe można podzielić na trzy typy siłowników: jednowymiarowe, przemieszczeniowe i różnicowe16. Początkowo napędy hybrydowe tworzono w połączeniu z SMA i innymi konwencjonalnymi napędami. Jednym z takich przykładów hybrydowego siłownika liniowego opartego na SMA jest zastosowanie przewodu SMA z silnikiem prądu stałego w celu zapewnienia siły wyjściowej około 100 N i znacznego przemieszczenia17.
Jednym z pierwszych osiągnięć w napędach opartych całkowicie na SMA był napęd równoległy SMA. Wykorzystując wiele przewodów SMA, napęd równoległy oparty na SMA został zaprojektowany w celu zwiększenia mocy napędu poprzez równoległe umieszczenie wszystkich przewodów SMA18. Równoległe połączenie siłowników nie tylko wymaga większej mocy, ale również ogranicza moc wyjściową pojedynczego przewodu. Inną wadą siłowników opartych na SMA jest ograniczony zakres ruchu, jaki mogą osiągnąć. Aby rozwiązać ten problem, stworzono belkę kablową SMA zawierającą odchyloną elastyczną belkę w celu zwiększenia przemieszczenia i uzyskania ruchu liniowego, ale nie generowała większych sił19. Miękkie, odkształcalne struktury i tkaniny dla robotów oparte na stopach z pamięcią kształtu zostały opracowane głównie w celu wzmocnienia uderzenia20,21,22. W przypadku zastosowań, w których wymagane są duże prędkości, zgłoszono kompaktowe pompy napędzane przy użyciu cienkowarstwowych SMA do zastosowań napędzanych mikropompami23. Częstotliwość napędu cienkowarstwowej membrany SMA jest kluczowym czynnikiem w sterowaniu prędkością napędu. Dlatego silniki liniowe SMA mają lepszą odpowiedź dynamiczną niż silniki sprężynowe lub prętowe SMA. Miękka robotyka i technologia chwytania to dwie inne aplikacje wykorzystujące siłowniki oparte na SMA. Na przykład, aby zastąpić standardowy siłownik używany w zacisku przestrzennym 25 N, opracowano równoległy siłownik ze stopu z pamięcią kształtu 24. W innym przypadku, miękki siłownik SMA został wykonany na bazie drutu z osadzoną matrycą zdolną do wytworzenia maksymalnej siły ciągnącej 30 N. Ze względu na swoje właściwości mechaniczne, SMA są również wykorzystywane do produkcji siłowników, które naśladują zjawiska biologiczne. Jedno z takich opracowań obejmuje 12-komórkowego robota, który jest biomimetykiem organizmu podobnego do dżdżownicy z SMA, aby generować ruch sinusoidalny w celu wystrzelenia26,27.
Jak wspomniano wcześniej, istnieje ograniczenie maksymalnej siły, jaką można uzyskać z istniejących siłowników opartych na SMA. Aby rozwiązać ten problem, niniejsze badanie przedstawia biomimetyczną bimodalną strukturę mięśniową. Napędzaną drutem ze stopu z pamięcią kształtu. Zapewnia system klasyfikacji, który obejmuje kilka drutów ze stopu z pamięcią kształtu. Do tej pory w literaturze nie opisano żadnych siłowników opartych na SMA o podobnej architekturze. Ten unikalny i nowatorski system oparty na SMA został opracowany w celu zbadania zachowania SMA podczas bimodalnego wyrównania mięśni. W porównaniu z istniejącymi siłownikami opartymi na SMA celem niniejszego badania było stworzenie biomimetycznego siłownika dipwalerianowego w celu generowania znacznie większych sił w małej objętości. W porównaniu z konwencjonalnymi napędami napędzanymi silnikiem krokowym stosowanymi w systemach automatyki i sterowania budynków HVAC, proponowany projekt napędu bimodalnego opartego na SMA zmniejsza wagę mechanizmu napędowego o 67%. W dalszej części terminy „mięsień” i „napęd” są używane zamiennie. Niniejsze badanie bada symulację wielofizyczną takiego napędu. Zachowanie mechaniczne takich systemów zostało zbadane metodami eksperymentalnymi i analitycznymi. Rozkłady siły i temperatury zostały zbadane dalej przy napięciu wejściowym 7 V. Następnie przeprowadzono analizę parametryczną, aby lepiej zrozumieć związek między kluczowymi parametrami a siłą wyjściową. Na koniec przewidziano siłowniki hierarchiczne i zaproponowano efekty poziomu hierarchicznego jako potencjalny obszar przyszłości dla siłowników niemagnetycznych do zastosowań protetycznych. Zgodnie z wynikami wyżej wymienionych badań, zastosowanie architektury jednostopniowej generuje siły co najmniej cztery do pięciu razy większe niż zgłoszone siłowniki oparte na SMA. Ponadto wykazano, że ta sama siła napędowa generowana przez napęd wielopoziomowy jest ponad dziesięciokrotnie większa niż w przypadku konwencjonalnych napędów opartych na SMA. Następnie badanie raportuje kluczowe parametry przy użyciu analizy wrażliwości między różnymi projektami i zmiennymi wejściowymi. Początkowa długość przewodu SMA (\(l_0\)), kąt pierzasty (\(\alpha\)) i liczba pojedynczych pasm (n) w każdym pojedynczym paśmie mają silny negatywny wpływ na wielkość siły napędowej. siły, podczas gdy napięcie wejściowe (energia) okazało się dodatnio skorelowane.
Drut SMA wykazuje efekt pamięci kształtu (SME) obserwowany w rodzinie stopów niklowo-tytanowych (Ni-Ti). Zazwyczaj SMA wykazują dwie fazy zależne od temperatury: fazę niskotemperaturową i fazę wysokotemperaturową. Obie fazy mają unikalne właściwości ze względu na obecność różnych struktur krystalicznych. W fazie austenitu (faza wysokotemperaturowa) istniejącej powyżej temperatury transformacji materiał wykazuje wysoką wytrzymałość i jest słabo odkształcalny pod obciążeniem. Stop zachowuje się jak stal nierdzewna, więc jest w stanie wytrzymać wyższe ciśnienia aktywacji. Wykorzystując tę właściwość stopów Ni-Ti, druty SMA są pochylone, aby utworzyć siłownik. Opracowano odpowiednie modele analityczne w celu zrozumienia podstawowej mechaniki zachowania termicznego SMA pod wpływem różnych parametrów i różnych geometrii. Uzyskano dobrą zgodność między wynikami eksperymentalnymi i analitycznymi.
Przeprowadzono badanie eksperymentalne na prototypie pokazanym na rys. 9a, aby ocenić wydajność napędu bimodalnego opartego na SMA. Dwie z tych właściwości, siła generowana przez napęd (siła mięśni) i temperatura przewodu SMA (temperatura SMA), zostały zmierzone eksperymentalnie. Wraz ze wzrostem różnicy napięć na całej długości przewodu w napędzie, temperatura przewodu wzrasta z powodu efektu grzania Joule'a. Napięcie wejściowe było podawane w dwóch 10-sekundowych cyklach (przedstawionych jako czerwone kropki na rys. 2a, b) z 15-sekundowym okresem chłodzenia między każdym cyklem. Siłę blokującą mierzono za pomocą tensometru piezoelektrycznego, a rozkład temperatury przewodu SMA monitorowano w czasie rzeczywistym za pomocą kamery LWIR o wysokiej rozdzielczości klasy naukowej (patrz charakterystyka użytego sprzętu w tabeli 2). pokazuje, że podczas fazy wysokiego napięcia temperatura przewodu wzrasta monotonicznie, ale gdy nie płynie prąd, temperatura przewodu nadal spada. W obecnym układzie eksperymentalnym temperatura przewodu SMA spadła w fazie chłodzenia, ale nadal była wyższa od temperatury otoczenia. Na rys. 2e pokazano migawkę temperatury przewodu SMA pobraną z kamery LWIR. Z drugiej strony na rys. 2a pokazano siłę blokującą generowaną przez układ napędowy. Gdy siła mięśni przekroczy siłę przywracającą sprężyny, ruchome ramię, jak pokazano na rysunku 9a, zaczyna się poruszać. Gdy tylko rozpocznie się aktywacja, ruchome ramię wchodzi w kontakt z czujnikiem, tworząc siłę ciała, jak pokazano na rys. 2c, d. Gdy maksymalna temperatura jest bliska \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), maksymalna zaobserwowana siła wynosi 105 N.
Wykres przedstawia wyniki eksperymentalne temperatury przewodu SMA i siły generowanej przez bimodalny siłownik oparty na SMA w ciągu dwóch cykli. Napięcie wejściowe jest przykładane w dwóch 10-sekundowych cyklach (przedstawionych jako czerwone kropki) z 15-sekundowym okresem schładzania pomiędzy każdym cyklem. Przewód SMA użyty do eksperymentów to przewód Flexinol o średnicy 0,51 mm firmy Dynalloy, Inc. (a) Wykres przedstawia siłę eksperymentalną uzyskaną w ciągu dwóch cykli, (c, d) przedstawia dwa niezależne przykłady działania siłowników ramienia ruchomego na przetworniku siły piezoelektrycznej PACEline CFT/5kN, (b) wykres przedstawia maksymalną temperaturę całego przewodu SMA w czasie dwóch cykli, (e) przedstawia migawkę temperatury pobraną z przewodu SMA za pomocą kamery LWIR oprogramowania FLIR ResearchIR. Parametry geometryczne uwzględnione w eksperymentach podano w tabeli. jeden.
Wyniki symulacji modelu matematycznego i wyniki eksperymentalne porównano przy napięciu wejściowym 7 V, jak pokazano na rys. 5. Zgodnie z wynikami analizy parametrycznej i w celu uniknięcia możliwości przegrzania przewodu SMA, do siłownika dostarczono moc 11,2 W. Programowalny zasilacz prądu stałego użyto do dostarczenia 7 V jako napięcia wejściowego, a prąd 1,6 A zmierzono na przewodzie. Siła generowana przez napęd i temperatura SDR rosną, gdy przyłożony jest prąd. Przy napięciu wejściowym 7 V maksymalna siła wyjściowa uzyskana z wyników symulacji i wyników eksperymentalnych pierwszego cyklu wynosi odpowiednio 78 N i 96 N. W drugim cyklu maksymalna siła wyjściowa symulacji i wyników eksperymentalnych wynosiła odpowiednio 150 N i 105 N. Rozbieżność między pomiarami siły okluzji a danymi eksperymentalnymi może wynikać z metody użytej do pomiaru siły okluzji. Wyniki eksperymentalne pokazane na rys. Rys. 5a odpowiada pomiarowi siły blokującej, która z kolei została zmierzona, gdy wał napędowy był w kontakcie z piezoelektrycznym przetwornikiem siły PACEline CFT/5kN, jak pokazano na rys. 2s. Dlatego gdy wał napędowy nie jest w kontakcie z czujnikiem siły na początku strefy chłodzenia, siła natychmiast staje się zerowa, jak pokazano na rys. 2d. Ponadto innymi parametrami, które wpływają na kształtowanie siły w kolejnych cyklach, są wartości czasu chłodzenia i współczynnika konwekcyjnego przenoszenia ciepła w poprzednim cyklu. Z rys. 2b można zauważyć, że po 15-sekundowym okresie chłodzenia przewód SMA nie osiągnął temperatury pokojowej i dlatego miał wyższą temperaturę początkową (\(40\,^{\circ}\hbox {C}\)) w drugim cyklu napędowym w porównaniu z pierwszym cyklem (\(25\,^{\circ}\hbox {C}\)). Tak więc, w porównaniu z pierwszym cyklem, temperatura drutu SMA podczas drugiego cyklu nagrzewania osiąga początkową temperaturę austenitu (\(A_s\)) wcześniej i pozostaje w okresie przejściowym dłużej, co powoduje naprężenie i siłę. Z drugiej strony, rozkłady temperatury podczas cykli nagrzewania i chłodzenia uzyskane z eksperymentów i symulacji wykazują duże podobieństwo jakościowe do przykładów z analizy termograficznej. Analiza porównawcza danych cieplnych drutu SMA z eksperymentów i symulacji wykazała spójność podczas cykli nagrzewania i chłodzenia oraz w ramach dopuszczalnych tolerancji dla danych eksperymentalnych. Maksymalna temperatura drutu SMA, uzyskana z wyników symulacji i eksperymentów pierwszego cyklu, wynosi odpowiednio \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) i \(75\,^{\circ }\hbox {C}\), a w drugim cyklu maksymalna temperatura drutu SMA wynosi \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) i \(83\,^{\circ }\ hbox {C}\). Opracowany fundamentalnie model potwierdza efekt pamięci kształtu. Rola zmęczenia i przegrzania nie została uwzględniona w tym przeglądzie. W przyszłości model zostanie ulepszony, aby uwzględnić historię naprężeń przewodu SMA, dzięki czemu będzie bardziej odpowiedni do zastosowań inżynieryjnych. Wykresy siły wyjściowej napędu i temperatury SMA uzyskane z bloku Simulink mieszczą się w dopuszczalnych tolerancjach danych eksperymentalnych w warunkach impulsu napięcia wejściowego 7 V. Potwierdza to poprawność i niezawodność opracowanego modelu matematycznego.
Model matematyczny opracowano w środowisku MathWorks Simulink R2020b przy użyciu podstawowych równań opisanych w sekcji Metody. Na rys. 3b przedstawiono schemat blokowy modelu matematycznego Simulink. Model symulowano dla impulsu napięcia wejściowego 7 V, jak pokazano na rys. 2a, b. Wartości parametrów użytych w symulacji podano w tabeli 1. Wyniki symulacji procesów przejściowych przedstawiono na rysunkach 1 i 1. Rysunki 3a i 4. Na rys. 4a,b przedstawiono napięcie indukowane w przewodzie SMA i siłę generowaną przez siłownik w funkcji czasu. Podczas odwrotnej transformacji (nagrzewania), gdy temperatura drutu SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura początkowa fazy austenitu modyfikowanego naprężeniem), szybkość zmiany objętościowego udziału martenzytu (\(\dot{\xi }\)) będzie równa zero. Podczas odwrotnej transformacji (nagrzewania), gdy temperatura drutu SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura początkowa fazy austenitu modyfikowanego naprężeniem), szybkość zmiany objętościowego udziału martenzytu (\(\dot{\ xi }\)) będzie równa zero. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала austenitnoй фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Podczas odwrotnej transformacji (nagrzewania), gdy temperatura drutu SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura początku austenitu zmodyfikowana naprężeniem), szybkość zmiany objętościowego udziału martenzytu (\(\dot{\ xi }\ )) będzie równa zero.在反向转变(加热)过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时，马氏体体积分数的变化率（\(\dot{\ xi }\))将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Wynik symulacji pokazujący rozkład temperatury i temperaturę złącza wywołaną naprężeniem w siłowniku diwalerianowym opartym na SMA. Gdy temperatura drutu przekracza temperaturę przemiany austenitycznej w etapie nagrzewania, modyfikowana temperatura przemiany austenitycznej zaczyna wzrastać, a podobnie, gdy temperatura pręta przekracza temperaturę przemiany martenzytycznej w etapie chłodzenia, temperatura przemiany martenzytycznej spada. SMA do analitycznego modelowania procesu napędowego. (Aby uzyskać szczegółowy widok każdego podsystemu modelu Simulink, zobacz sekcję dodatku w pliku uzupełniającym.)
Wyniki analizy dla różnych rozkładów parametrów są pokazane dla dwóch cykli napięcia wejściowego 7 V (10-sekundowe cykle nagrzewania i 15-sekundowe cykle chłodzenia). Podczas gdy (ac) i (e) przedstawiają rozkład w czasie, z drugiej strony (d) i (f) ilustrują rozkład wraz z temperaturą. Dla odpowiednich warunków wejściowych maksymalne obserwowane naprężenie wynosi 106 MPa (mniej niż 345 MPa, granica plastyczności drutu), siła wynosi 150 N, maksymalne przemieszczenie wynosi 270 µm, a minimalny ułamek objętości martenzytu wynosi 0,91. Z drugiej strony zmiana naprężenia i zmiana ułamka objętości martenzytu wraz z temperaturą są podobne do charakterystyk histerezy.
To samo wyjaśnienie dotyczy bezpośredniej transformacji (chłodzenia) z fazy austenitu do fazy martenzytu, gdzie temperatura drutu SMA (T) i temperatura końcowa fazy martenzytu modyfikowanego naprężeniem (\(M_f^{\prime}\ )) są doskonałe. Na rys. 4d,f pokazuje zmianę naprężenia indukowanego (\(\sigma\)) i ułamka objętości martenzytu (\(\xi\)) w drucie SMA jako funkcję zmiany temperatury drutu SMA (T), dla obu cykli napędowych. Na rys. 3a pokazuje zmianę temperatury drutu SMA w czasie w zależności od impulsu napięcia wejściowego. Jak widać na rysunku, temperatura drutu nadal wzrasta dzięki zapewnieniu źródła ciepła przy zerowym napięciu i późniejszym konwekcyjnym chłodzeniu. Podczas nagrzewania, retransformacja martenzytu do fazy austenitu rozpoczyna się, gdy temperatura drutu SMA (T) przekracza skorygowaną o naprężenie temperaturę zarodkowania austenitu (\(A_s^{\prime}\)). Podczas tej fazy drut SMA jest ściskany, a siłownik generuje siłę. Również podczas chłodzenia, gdy temperatura drutu SMA (T) przekracza temperaturę zarodkowania zmodyfikowanej o naprężenie fazy martenzytu (\(M_s^{\prime}\)) następuje dodatnie przejście z fazy austenitu do fazy martenzytu. Siła napędowa maleje.
Główne jakościowe aspekty napędu bimodalnego opartego na SMA można uzyskać z wyników symulacji. W przypadku wejścia impulsu napięciowego temperatura drutu SMA wzrasta z powodu efektu nagrzewania Joule'a. Początkowa wartość ułamka objętościowego martenzytu (\(\xi\)) jest ustawiona na 1, ponieważ materiał początkowo znajduje się w fazie całkowicie martenzytycznej. W miarę jak drut nadal się nagrzewa, temperatura drutu SMA przekracza skorygowaną o naprężenie temperaturę zarodkowania austenitu \(A_s^{\prime}\), co powoduje zmniejszenie ułamka objętościowego martenzytu, jak pokazano na rysunku 4c. Ponadto na rys. 4e pokazano rozkład skoków siłownika w czasie, a na rys. 5 – siłę napędową jako funkcję czasu. Powiązany układ równań obejmuje temperaturę, ułamek objętościowy martenzytu i naprężenie, które rozwija się w drucie, powodując kurczenie się drutu SMA i siłę generowaną przez siłownik. Jak pokazano na rys. Zmiany napięcia 4d,f w zależności od temperatury oraz zmiany objętości martenzytu w zależności od temperatury odpowiadają charakterystykom histerezy SMA w symulowanym przypadku przy napięciu 7 V.
Porównanie parametrów napędowych uzyskano poprzez eksperymenty i obliczenia analityczne. Przewody poddano impulsowemu napięciu wejściowemu 7 V przez 10 sekund, a następnie schłodzono przez 15 sekund (faza chłodzenia) w ciągu dwóch cykli. Kąt pierzasty ustawiono na \(40^{\circ}\), a początkowa długość przewodu SMA w każdej pojedynczej nóżce bolca ustawiono na 83 mm. (a) Pomiar siły napędowej za pomocą ogniwa obciążnikowego (b) Monitorowanie temperatury przewodu za pomocą kamery termowizyjnej na podczerwień.
Aby zrozumieć wpływ parametrów fizycznych na siłę wytwarzaną przez napęd, przeprowadzono analizę wrażliwości modelu matematycznego na wybrane parametry fizyczne, a parametry uporządkowano według ich wpływu. Najpierw próbkowanie parametrów modelu przeprowadzono przy użyciu eksperymentalnych zasad projektowania, które podążały za rozkładem równomiernym (patrz Sekcja uzupełniająca dotycząca analizy wrażliwości). W tym przypadku parametry modelu obejmują napięcie wejściowe (\(V_{in}\)), początkową długość przewodu SMA (\(l_0\)), kąt trójkątny (\(\alpha\)), stałą sprężyny polaryzacji (\( K_x\ )), współczynnik konwekcyjnego przenikania ciepła (\(h_T\)) i liczbę gałęzi unimodalnych (n). W następnym kroku szczytową siłę mięśni wybrano jako wymóg projektu badania i uzyskano parametryczne efekty każdego zestawu zmiennych na siłę. Wykresy tornada do analizy wrażliwości uzyskano ze współczynników korelacji dla każdego parametru, jak pokazano na rys. 6a.
(a) Wartości współczynnika korelacji parametrów modelu i ich wpływ na maksymalną siłę wyjściową 2500 unikalnych grup powyższych parametrów modelu pokazano na wykresie tornada. Wykres pokazuje korelację rangową kilku wskaźników. Oczywiste jest, że \(V_{in}\) jest jedynym parametrem o dodatniej korelacji, a \(l_0\) jest parametrem o najwyższej ujemnej korelacji. Wpływ różnych parametrów w różnych kombinacjach na szczytową siłę mięśni pokazano na (b, c). \(K_x\) waha się od 400 do 800 N/m, a n od 4 do 24. Napięcie (\(V_{in}\)) zmieniło się z 4 V na 10 V, długość przewodu (\(l_{0 } \)) zmieniła się z 40 na 100 mm, a kąt ogona (\ (\alpha \)) zmieniał się od \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
Na rys. 6a pokazano wykres tornada różnych współczynników korelacji dla każdego parametru z wymaganiami projektowymi szczytowej siły napędowej. Z rys. 6a można wywnioskować, że parametr napięcia (\(V_{in}\)) jest bezpośrednio związany z maksymalną siłą wyjściową, a współczynnik konwekcyjnego przenoszenia ciepła (\(h_T\)), kąt płomienia (\ ( \alpha\)), stała sprężyny przemieszczenia ( \(K_x\)) są negatywnie skorelowane z siłą wyjściową i początkową długością (\(l_0\)) przewodu SMA, a liczba gałęzi unimodalnych (n) wykazuje silną odwrotną korelację. W przypadku bezpośredniej korelacji w przypadku wyższej wartości współczynnika korelacji napięcia (\(V_{in}\)) wskazuje, że ten parametr ma największy wpływ na moc wyjściową. Inna podobna analiza mierzy siłę szczytową poprzez ocenę wpływu różnych parametrów w różnych kombinacjach dwóch przestrzeni obliczeniowych, jak pokazano na rys. 6b, c. \(V_{in}\) i \(l_0\), \(\alpha\) i \(l_0\) mają podobne wzorce, a wykres pokazuje, że \(V_{in}\) i \(\alpha\ ) i \(\alpha\) mają podobne wzorce. Mniejsze wartości \(l_0\) skutkują większymi siłami szczytowymi. Pozostałe dwa wykresy są zgodne z Rysunkiem 6a, gdzie n i \(K_x\) są skorelowane negatywnie, a \(V_{in}\) są skorelowane pozytywnie. Ta analiza pomaga zdefiniować i dostosować parametry wpływające, dzięki którym siła wyjściowa, skok i wydajność układu napędowego mogą być dostosowane do wymagań i zastosowania.
Obecne prace badawcze wprowadzają i badają napędy hierarchiczne z N poziomami. W hierarchii dwupoziomowej, jak pokazano na rys. 7a, gdzie zamiast każdego przewodu SMA siłownika pierwszego poziomu, uzyskuje się układ bimodalny, jak pokazano na rys. 9e. Na rys. 7c pokazano, jak przewód SMA jest owinięty wokół ruchomego ramienia (ramienia pomocniczego), które porusza się tylko w kierunku wzdłużnym. Jednak główne ramię ruchome nadal porusza się w ten sam sposób, co ruchome ramię siłownika wielostopniowego pierwszego stopnia. Zazwyczaj napęd N-stopniowy jest tworzony przez zastąpienie przewodu SMA \(N-1\) stopnia napędem pierwszego stopnia. W rezultacie każda gałąź imituje napęd pierwszego stopnia, z wyjątkiem gałęzi, która trzyma sam przewód. W ten sposób można tworzyć zagnieżdżone struktury, które wytwarzają siły, które są kilkakrotnie większe niż siły napędów głównych. W tym badaniu dla każdego poziomu uwzględniono całkowitą efektywną długość przewodu SMA wynoszącą 1 m, jak pokazano w formacie tabelarycznym na rys. 7d. Prąd płynący przez każdy przewód w każdym projekcie unimodalnym oraz wynikające z niego naprężenie wstępne i napięcie w każdym segmencie przewodu SMA są takie same na każdym poziomie. Zgodnie z naszym modelem analitycznym siła wyjściowa jest dodatnio skorelowana z poziomem, podczas gdy przemieszczenie jest skorelowane ujemnie. Jednocześnie wystąpił kompromis między przemieszczeniem a siłą mięśni. Jak widać na rys. 7b, podczas gdy maksymalna siła jest osiągana w największej liczbie warstw, największe przemieszczenie obserwuje się w najniższej warstwie. Gdy poziom hierarchii został ustawiony na \(N=5\), szczytowa siła mięśniowa wynosiła 2,58 kN przy 2 zaobserwowanych pociągnięciach \(\upmu\)m. Z drugiej strony, napęd pierwszego stopnia generuje siłę 150 N przy pociągnięciach 277 \(\upmu\)m. Siłowniki wielopoziomowe są w stanie naśladować prawdziwe mięśnie biologiczne, podczas gdy sztuczne mięśnie oparte na stopach z pamięcią kształtu są w stanie generować znacznie większe siły przy precyzyjnych i drobniejszych ruchach. Ograniczenia tej zminiaturyzowanej konstrukcji polegają na tym, że wraz ze wzrostem hierarchii ruch jest znacznie zmniejszony, a złożoność procesu produkcji napędu wzrasta.
(a) Dwustopniowy (\(N=2\)) liniowy układ wykonawczy ze stopu z pamięcią kształtu jest pokazany w konfiguracji bimodalnej. Proponowany model jest uzyskany przez zastąpienie przewodu SMA w pierwszym etapie siłownika warstwowego innym jednoetapowym siłownikiem warstwowym. (c) Odkształcona konfiguracja drugiego etapu siłownika wielowarstwowego. (b) Opisano rozkład sił i przemieszczeń w zależności od liczby poziomów. Stwierdzono, że szczytowa siła siłownika jest dodatnio skorelowana z poziomem skali na wykresie, podczas gdy skok jest ujemnie skorelowany z poziomem skali. Prąd i napięcie wstępne w każdym przewodzie pozostają stałe na wszystkich poziomach. (d) Tabela pokazuje liczbę odgałęzień i długość przewodu SMA (włókna) na każdym poziomie. Charakterystyki przewodów są oznaczone indeksem 1, a liczba gałęzi wtórnych (jedna podłączona do odnogi pierwotnej) jest oznaczona największą liczbą w indeksie dolnym. Na przykład na poziomie 5 \(n_1\) odnosi się do liczby przewodów SMA obecnych w każdej strukturze bimodalnej, a \(n_5\) odnosi się do liczby odnóg pomocniczych (jedna połączona z odnogą główną).
Wielu badaczy zaproponowało różne metody modelowania zachowania SMA z pamięcią kształtu, które zależą od właściwości termomechanicznych towarzyszących makroskopowym zmianom w strukturze krystalicznej związanym z przejściem fazowym. Formułowanie metod konstytutywnych jest z natury złożone. Najczęściej stosowany model fenomenologiczny zaproponował Tanaka28 i jest szeroko stosowany w zastosowaniach inżynierskich. Model fenomenologiczny zaproponowany przez Tanaka [28] zakłada, że ułamek objętościowy martenzytu jest funkcją wykładniczą temperatury i naprężenia. Później Liang i Rogers29 oraz Brinson30 zaproponowali model, w którym przyjęto, że dynamika przejścia fazowego jest funkcją cosinusową napięcia i temperatury, z niewielkimi modyfikacjami modelu. Becker i Brinson zaproponowali oparty na diagramie fazowym model kinetyczny do modelowania zachowania materiałów SMA w dowolnych warunkach obciążenia, a także częściowych przejściach. Banerjee32 wykorzystuje metodę dynamiki diagramu fazowego Bekkera i Brinsona31 do symulacji manipulatora o jednym stopniu swobody opracowanego przez Elahinię i Ahmadiana33. Metody kinetyczne oparte na diagramach fazowych, które uwzględniają niemonotoniczną zmianę napięcia wraz z temperaturą, są trudne do wdrożenia w zastosowaniach inżynierskich. Elakhinia i Ahmadian zwracają uwagę na te niedociągnięcia istniejących modeli fenomenologicznych i proponują rozszerzony model fenomenologiczny do analizy i definiowania zachowania pamięci kształtu w dowolnych złożonych warunkach obciążenia.
Model strukturalny drutu SMA podaje naprężenie (\(\sigma\)), odkształcenie (\(\epsilon\)), temperaturę (T) i ułamek objętości martenzytu (\(\xi\)) drutu SMA. Fenomenologiczny model konstytutywny został po raz pierwszy zaproponowany przez Tanaka28, a później przyjęty przez Lianga29 i Brinsona30. Pochodna równania ma postać:
gdzie E jest zależnym od fazy modułem Younga SMA uzyskanym przy użyciu \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) oraz \(E_A\) i \(E_M\) reprezentujące moduł Younga są odpowiednio fazami austenityczną i martenzytyczną, a współczynnik rozszerzalności cieplnej jest reprezentowany przez \(\theta _T\). Współczynnik wkładu przejścia fazowego wynosi \(\Omega = -E \epsilon _L\) a \(\epsilon _L\) jest maksymalnym odzyskiwalnym odkształceniem w przewodzie SMA.
Równanie dynamiki faz pokrywa się z funkcją cosinus opracowaną przez Lianga29, a później przyjętą przez Brinsona30, zamiast funkcji wykładniczej zaproponowanej przez Tanakę28. Model przejścia fazowego jest rozszerzeniem modelu zaproponowanego przez Elakhinię i Ahmadiana34 i zmodyfikowanym na podstawie warunków przejścia fazowego podanych przez Lianga29 i Brinsona30. Warunki użyte dla tego modelu przejścia fazowego są ważne w przypadku złożonych obciążeń termomechanicznych. W każdym momencie czasu wartość ułamka objętościowego martenzytu jest obliczana podczas modelowania równania konstytutywnego.
Obowiązujące równanie retransformacji, wyrażone jako przemiana martenzytu w austenit pod wpływem ogrzewania, jest następujące:
gdzie \(\xi\) jest objętościowym ułamkiem martenzytu, \(\xi _M\) jest objętościowym ułamkiem martenzytu otrzymanym przed podgrzaniem, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) i \(C_A\) – parametry przybliżenia krzywej, T – temperatura drutu SMA, \(A_s\) i \(A_f\) – odpowiednio temperatura początku i końca fazy austenitu.
Równanie sterowania bezpośrednią transformacją, reprezentowane przez przemianę fazową austenitu w martenzyt w warunkach chłodzenia, jest następujące:
gdzie \(\xi _A\) jest objętościowym ułamkiem martenzytu otrzymanym przed schłodzeniem, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) i \ ( C_M \) – parametry dopasowania krzywej, T – temperatura drutu SMA, \(M_s\) i \(M_f\) – odpowiednio początkowa i końcowa temperatura martenzytu.
Po zróżniczkowaniu równań (3) i (4) równania transformacji odwrotnej i bezpośredniej upraszczają się do następującej postaci:
Podczas transformacji do przodu i do tyłu \(\eta _{\sigma}\) i \(\eta _{T}\) przyjmują różne wartości. Podstawowe równania związane z \(\eta _{\sigma}\) i \(\eta _{T}\) zostały wyprowadzone i omówione szczegółowo w dodatkowej sekcji.
Energia cieplna wymagana do podniesienia temperatury przewodu SMA pochodzi z efektu grzania Joule'a. Energia cieplna absorbowana lub uwalniana przez przewód SMA jest reprezentowana przez ciepło utajone transformacji. Strata ciepła w przewodzie SMA jest spowodowana wymuszoną konwekcją, a biorąc pod uwagę pomijalny wpływ promieniowania, równanie bilansu energii cieplnej jest następujące:
Gdzie \(m_{wire}\) jest całkowitą masą drutu SMA, \(c_{p}\) jest właściwą pojemnością cieplną SMA, \(V_{in}\) jest napięciem przyłożonym do drutu, \(R_{ohm} \ ) – rezystancja fazowa SMA, zdefiniowana jako; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) gdzie \(r_M\ ) i \(r_A\) są rezystywnością fazową SMA w martenzycie i austenicie, odpowiednio, \(A_{c}\) jest powierzchnią drutu SMA, \(\Delta H \) jest stopem z pamięcią kształtu. Utajone ciepło przejścia drutu, T i \(T_{\infty}\) są temperaturami drutu SMA i otoczenia, odpowiednio.
Gdy drut ze stopu z pamięcią kształtu jest aktywowany, drut ściska się, tworząc siłę w każdej gałęzi bimodalnej konstrukcji zwaną siłą włókien. Siły włókien w każdym paśmie drutu SMA razem tworzą siłę mięśniową do aktywacji, jak pokazano na rys. 9e. Ze względu na obecność sprężyny napinającej całkowita siła mięśniowa N-tego siłownika wielowarstwowego wynosi:
Podstawiając \(N = 1\) do równania (7), siłę mięśni prototypu napędu bimodalnego pierwszego stopnia można uzyskać w następujący sposób:
gdzie n to liczba odnóg unimodalnych, \(F_m\) to siła mięśni generowana przez napęd, \(F_f\) to wytrzymałość włókien w przewodzie SMA, \(K_x\) to sztywność sprężyny polaryzacyjnej, \(\alpha\) to kąt trójkąta, \(x_0\) to początkowe przesunięcie sprężyny polaryzacyjnej utrzymującej kabel SMA w pozycji wstępnie naprężonej, a \(\Delta x\) to przesunięcie siłownika.
Całkowite przemieszczenie lub ruch napędu (\(\Delta x\)) w zależności od napięcia (\(\sigma\)) i odkształcenia (\(\epsilon\)) na przewodzie SMA N-tego stopnia, do którego napęd jest nastawiony (patrz rys. dodatkowa część wyjścia):
Równania kinematyczne podają związek między odkształceniem napędu (\(\epsilon\)) a przemieszczeniem lub przemieszczeniem (\(\Delta x\)). Odkształcenie drutu Arb jako funkcja początkowej długości drutu Arb (\(l_0\)) i długości drutu (l) w dowolnym momencie t w jednej gałęzi unimodalnej jest następujące:
gdzie \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) otrzymuje się przez zastosowanie wzoru cosinusa w \(\Delta\)ABB ', jak pokazano na rysunku 8. Dla napędu pierwszego stopnia (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) wynosi \(\Delta x\), a \(\alpha _1\) wynosi \(\alpha \), jak pokazano na rysunku 8. Poprzez różniczkowanie czasu z równania (11) i podstawienie wartości l, szybkość odkształcenia można zapisać jako:
gdzie \(l_0\) jest początkową długością przewodu SMA, l jest długością przewodu w dowolnym momencie t w jednej gałęzi unimodalnej, \(\epsilon\) jest odkształceniem rozwiniętym w przewodzie SMA, a \(\alpha\) jest kątem trójkąta, \(\Delta x\) jest przesunięciem napędowym (jak pokazano na rysunku 8).
Wszystkie n struktur jednoszczytowych (\(n=6\) na tym rysunku) są połączone szeregowo z \(V_{in}\) jako napięciem wejściowym. Etap I: Schematyczny diagram przewodu SMA w konfiguracji bimodalnej w warunkach zerowego napięcia Etap II: Przedstawiono kontrolowaną strukturę, w której przewód SMA jest ściskany z powodu odwrotnej konwersji, jak pokazano czerwoną linią.
Jako dowód koncepcji opracowano bimodalny napęd oparty na SMA, aby przetestować symulowane wyprowadzenie równań bazowych z wynikami eksperymentalnymi. Model CAD bimodalnego siłownika liniowego pokazano na rys. 9a. Z drugiej strony, na rys. 9c pokazano nowy projekt zaproponowany dla obrotowego połączenia pryzmatycznego przy użyciu dwupłaszczyznowego siłownika opartego na SMA o strukturze bimodalnej. Elementy napędu zostały wytworzone przy użyciu wytwarzania addytywnego na drukarce 3D Ultimaker 3 Extended. Materiałem użytym do drukowania 3D elementów jest poliwęglan, który nadaje się do materiałów odpornych na ciepło, ponieważ jest mocny, trwały i ma wysoką temperaturę zeszklenia (110-113 \(^{\circ }\) C). Ponadto w eksperymentach użyto drutu ze stopu pamięci kształtu Flexinol firmy Dynalloy, Inc., a właściwości materiału odpowiadające drutowi Flexinol wykorzystano w symulacjach. W celu uzyskania dużych sił wytwarzanych przez siłowniki wielowarstwowe, jak pokazano na rys. 9b, d, wiele przewodów SMA ułożono w postaci włókien tworzących bimodalny układ mięśni.
Jak pokazano na rysunku 9a, ostry kąt utworzony przez ruchomy przewód SMA ramienia nazywany jest kątem (\(\alpha\)). Za pomocą zacisków zaciskowych przymocowanych do zacisków lewego i prawego, przewód SMA jest utrzymywany pod żądanym kątem bimodalnym. Urządzenie sprężyny polaryzacyjnej zamocowane na złączu sprężynowym jest zaprojektowane tak, aby regulować różne grupy rozszerzeń sprężyny polaryzacyjnej zgodnie z liczbą (n) włókien SMA. Ponadto położenie ruchomych części jest zaprojektowane tak, aby przewód SMA był wystawiony na działanie środowiska zewnętrznego w celu wymuszonego chłodzenia konwekcyjnego. Górna i dolna płyta odłączanego zespołu pomagają utrzymać przewód SMA w chłodzie dzięki wytłaczanym wycięciom zaprojektowanym w celu zmniejszenia wagi. Ponadto oba końce przewodu CMA są przymocowane odpowiednio do zacisków lewego i prawego za pomocą zacisku. Tłok jest przymocowany do jednego końca ruchomego zespołu, aby zachować odstęp między płytami górnymi i dolnymi. Tłok jest również używany do przyłożenia siły blokującej do czujnika za pośrednictwem styku w celu zmierzenia siły blokującej, gdy przewód SMA jest aktywowany.
Bimodalna struktura mięśniowa SMA jest elektrycznie połączona szeregowo i zasilana napięciem impulsu wejściowego. Podczas cyklu impulsu napięcia, gdy napięcie jest przyłożone, a drut SMA jest podgrzewany powyżej początkowej temperatury austenitu, długość drutu w każdym paśmie ulega skróceniu. To cofnięcie aktywuje podzespół ruchomego ramienia. Gdy napięcie zostało wyzerowane w tym samym cyklu, podgrzany drut SMA został schłodzony poniżej temperatury powierzchni martenzytu, powracając w ten sposób do pierwotnej pozycji. W warunkach zerowego naprężenia drut SMA jest najpierw pasywnie rozciągany przez sprężynę skośną, aby osiągnąć odplotowy stan martenzytyczny. Śruba, przez którą przechodzi drut SMA, porusza się z powodu kompresji wytworzonej przez przyłożenie impulsu napięcia do drutu SMA (SPA osiąga fazę austenitu), co prowadzi do uruchomienia ruchomej dźwigni. Gdy drut SMA jest cofany, sprężyna skośna wytwarza siłę przeciwną poprzez dalsze rozciąganie sprężyny. Gdy naprężenie w napięciu impulsowym spada do zera, przewód SMA wydłuża się i zmienia swój kształt na skutek wymuszonego chłodzenia konwekcyjnego, osiągając fazę podwójnego martenzytu.
Proponowany liniowy układ siłownika oparty na SMA ma konfigurację bimodalną, w której przewody SMA są ustawione pod kątem. (a) przedstawia model CAD prototypu, który wymienia niektóre komponenty i ich znaczenie dla prototypu, (b, d) przedstawiają opracowany prototyp eksperymentalny35. Podczas gdy (b) przedstawia widok z góry prototypu z połączeniami elektrycznymi oraz sprężynami polaryzacyjnymi i czujnikami tensometrycznymi, (d) przedstawia widok perspektywiczny konfiguracji. (e) Schemat liniowego układu siłownika z przewodami SMA umieszczonymi bimodalnie w dowolnym momencie t, pokazujący kierunek i przebieg siły włókien i mięśni. (c) Zaproponowano 2-stopniowe obrotowe połączenie pryzmatyczne do rozmieszczenia dwupłaszczyznowego siłownika opartego na SMA. Jak pokazano, łącze przekazuje ruch liniowy z dolnego napędu do górnego ramienia, tworząc połączenie obrotowe. Z drugiej strony ruch pary pryzmatów jest taki sam, jak ruch wielowarstwowego napędu pierwszego stopnia.
Przeprowadzono badanie eksperymentalne na prototypie pokazanym na rys. 9b, aby ocenić wydajność napędu bimodalnego opartego na SMA. Jak pokazano na rys. 10a, układ eksperymentalny składał się z programowalnego zasilacza prądu stałego do dostarczania napięcia wejściowego do przewodów SMA. Jak pokazano na rys. 10b, tensometr piezoelektryczny (PACEline CFT/5kN) został użyty do pomiaru siły blokującej za pomocą rejestratora danych Graphtec GL-2000. Dane są rejestrowane przez hosta w celu dalszych badań. Tensometry i wzmacniacze ładunku wymagają stałego zasilania, aby wytworzyć sygnał napięciowy. Odpowiednie sygnały są przekształcane na wyjścia mocy zgodnie z czułością czujnika siły piezoelektrycznej i innymi parametrami opisanymi w tabeli 2. Po przyłożeniu impulsu napięcia temperatura przewodu SMA wzrasta, powodując jego ściśnięcie, co powoduje generowanie siły przez siłownik. Wyniki eksperymentalne siły mięśniowej za pomocą impulsu napięcia wejściowego 7 V pokazano na rys. 2a.
(a) W eksperymencie skonfigurowano układ siłownika liniowego oparty na SMA w celu pomiaru siły generowanej przez siłownik. Ogniwo obciążnikowe mierzy siłę blokującą i jest zasilane z zasilacza 24 V DC. Spadek napięcia 7 V został przyłożony na całej długości kabla za pomocą programowalnego zasilacza DC GW Instek. Przewód SMA kurczy się pod wpływem ciepła, a ruchome ramię styka się z ogniwem obciążnikowym i wywiera siłę blokującą. Ogniwo obciążnikowe jest podłączone do rejestratora danych GL-2000, a dane są przechowywane na hoście w celu dalszego przetwarzania. (b) Schemat przedstawiający łańcuch komponentów eksperymentalnej konfiguracji do pomiaru siły mięśni.
Stopy z pamięcią kształtu są wzbudzane przez energię cieplną, więc temperatura staje się ważnym parametrem do badania zjawiska pamięci kształtu. Eksperymentalnie, jak pokazano na rys. 11a, wykonano obrazowanie termiczne i pomiary temperatury na prototypowym siłowniku diwalerianowym opartym na SMA. Programowalne źródło prądu stałego przyłożyło napięcie wejściowe do przewodów SMA w układzie eksperymentalnym, jak pokazano na rys. 11b. Zmianę temperatury przewodu SMA mierzono w czasie rzeczywistym za pomocą kamery LWIR o wysokiej rozdzielczości (FLIR A655sc). Host używa oprogramowania ResearchIR do rejestrowania danych w celu dalszego przetwarzania końcowego. Po przyłożeniu impulsu napięcia temperatura przewodu SMA wzrasta, powodując jego kurczenie się. Na rys. Rysunek 2b przedstawia wyniki eksperymentalne temperatury przewodu SMA w funkcji czasu dla impulsu napięcia wejściowego 7 V.
Czas publikacji: 28-09-2022
