Благодарим вас за посещение Nature.com.Используемая вами версия браузера имеет ограниченную поддержку CSS.Для оптимальной работы мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer).Тем временем, чтобы обеспечить постоянную поддержку, мы будем отображать сайт без стилей и JavaScript.
Приводы используются повсеместно и создают контролируемое движение, применяя правильную силу возбуждения или крутящий момент для выполнения различных операций в производстве и промышленной автоматизации.Потребность в более быстрых, компактных и эффективных приводах стимулирует инновации в конструкции приводов.Диски из сплава с памятью формы (SMA) имеют ряд преимуществ по сравнению с обычными дисками, в том числе высокое соотношение мощности и веса.В данной диссертации был разработан двухперый актуатор на основе СМА, который сочетает в себе преимущества перистых мышц биологических систем и уникальные свойства СМА.Это исследование исследует и расширяет предыдущие приводы SMA, разрабатывая математическую модель нового привода на основе бимодальной компоновки проводов SMA и тестируя ее экспериментально.По сравнению с известными приводами на основе СМА усилие срабатывания нового привода выше как минимум в 5 раз (до 150 Н).Соответствующая потеря веса составляет около 67%.Результаты анализа чувствительности математических моделей полезны для настройки конструктивных параметров и понимания ключевых параметров.В этом исследовании также представлен многоуровневый привод N-й ступени, который можно использовать для дальнейшего улучшения динамики.Приводы мышц дипвалерата на основе SMA имеют широкий спектр применений, от автоматизации зданий до систем точной доставки лекарств.
Биологические системы, такие как мышечные структуры млекопитающих, могут активировать множество тонких исполнительных механизмов1.У млекопитающих разные мышечные структуры, каждая из которых служит определенной цели.Однако большую часть структуры мышечной ткани млекопитающих можно разделить на две широкие категории.Параллельные и перистые.В подколенных сухожилиях и других сгибателях, как следует из названия, параллельная мускулатура имеет мышечные волокна, параллельные центральному сухожилию.Цепочка мышечных волокон выстроена и функционально связана окружающей их соединительной тканью.Хотя говорят, что эти мышцы имеют большую экскурсию (укорочение в процентах), их общая мышечная сила очень ограничена.Напротив, в трехглавой икроножной мышце2 (латеральной икроножной (GL)3, медиальной икроножной (GM)4 и камбаловидной (SOL)) и разгибателе бедра (квадрицепсе)5,6 пеннатная мышечная ткань обнаруживается в каждой мышце7.В перистой структуре мышечные волокна в двуперистой мускулатуре присутствуют по обеим сторонам центрального сухожилия под косыми углами (перистые углы).Pennate происходит от латинского слова «penna», что означает «перо», и, как показано на рис.1 имеет вид перышка.Волокна перистых мышц короче и расположены под углом к продольной оси мышцы.Из-за перистого строения снижается общая подвижность этих мышц, что приводит к поперечному и продольному компонентам процесса укорочения.С другой стороны, активация этих мышц приводит к повышению общей мышечной силы из-за способа измерения физиологической площади поперечного сечения.Следовательно, для данной площади поперечного сечения перистые мышцы будут сильнее и будут генерировать более высокие усилия, чем мышцы с параллельными волокнами.Силы, генерируемые отдельными волокнами, генерируют мышечные силы на макроскопическом уровне в этой мышечной ткани.Кроме того, он обладает такими уникальными свойствами, как быстрая усадка, защита от повреждений при растяжении, амортизация.Он преобразует взаимосвязь между вводом волокон и выходной мощностью мышц, используя уникальные особенности и геометрическую сложность расположения волокон, связанных с линиями действия мышц.
Показаны схематические диаграммы существующих конструкций приводов на основе SMA по отношению к бимодальной мышечной архитектуре, например (а), представляющие взаимодействие тактильной силы, при котором устройство в форме руки, приводимое в действие проводами SMA, установлено на двухколесном автономном мобильном роботе9,10., (b) Роботизированный орбитальный протез с антагонистически размещенным подпружиненным орбитальным протезом SMA.Положение протеза глаза контролируется сигналом от глазной мышцы глаза11, (c) приводы SMA идеально подходят для подводного применения из-за их высокой частотной характеристики и низкой полосы пропускания.В этой конфигурации приводы SMA используются для создания волнового движения путем имитации движения рыбы, (d) приводы SMA используются для создания микроробота для осмотра труб, который может использовать принцип движения дюймового червяка, управляемого движением проводов SMA внутри канала 10, (e) показывает направление сокращения мышечных волокон и создает сократительную силу в ткани икроножной мышцы, (f) показывает провода SMA, расположенные в виде мышечных волокон в структуре перистых мышц.
Приводы стали важной частью механических систем благодаря широкому спектру их применения.Поэтому потребность в более компактных, более быстрых и эффективных накопителях становится критической.Несмотря на свои преимущества, традиционные приводы оказались дорогими и трудоемкими в обслуживании.Гидравлические и пневматические приводы сложны и дороги и подвержены износу, проблемам со смазкой и выходу из строя компонентов.В ответ на спрос основное внимание уделяется разработке экономичных, оптимизированных по размерам и усовершенствованных приводов на основе интеллектуальных материалов.Текущие исследования изучают многослойные приводы из сплава с памятью формы (SMA), чтобы удовлетворить эту потребность.Иерархические приводы уникальны тем, что они объединяют множество дискретных приводов в геометрически сложные подсистемы макромасштаба, чтобы обеспечить расширенную функциональность.В этом отношении человеческая мышечная ткань, описанная выше, представляет собой превосходный многослойный пример такой многослойной активации.В текущем исследовании описывается многоуровневая стимуляция SMA с несколькими отдельными элементами стимуляции (проводами SMA), выровненными с ориентацией волокон, присутствующих в бимодальных мышцах, что улучшает общую производительность стимуляции.
Основная цель привода - генерировать выходную механическую мощность, такую как сила и перемещение, путем преобразования электрической энергии.Сплавы с памятью формы относятся к классу «умных» материалов, способных восстанавливать свою форму при высоких температурах.При высоких нагрузках повышение температуры провода SMA приводит к восстановлению формы, что приводит к более высокой плотности энергии срабатывания по сравнению с различными интеллектуальными материалами, соединенными напрямую.В то же время при механических нагрузках СПФ становятся хрупкими.При определенных условиях циклическая нагрузка может поглощать и выделять механическую энергию, проявляя обратимые гистерезисные изменения формы.Благодаря этим уникальным свойствам SMA идеально подходит для датчиков, демпфирующих вибраций и особенно приводов12.Имея это в виду, было проведено много исследований дисков на основе SMA.Следует отметить, что приводы на основе SMA предназначены для обеспечения поступательного и вращательного движения для различных приложений13,14,15.Хотя было разработано несколько поворотных приводов, исследователей особенно интересуют линейные приводы.Эти линейные приводы можно разделить на три типа приводов: одномерные, поршневые и дифференциальные приводы 16 .Изначально гибридные диски создавались в сочетании с SMA и другими обычными дисками.Одним из таких примеров гибридного линейного привода на основе SMA является использование провода SMA с двигателем постоянного тока для обеспечения выходной силы около 100 Н и значительного смещения17.
Одной из первых разработок приводов, полностью основанных на SMA, был параллельный привод SMA.Используя несколько проводов SMA, параллельный привод на основе SMA предназначен для увеличения мощности привода за счет параллельного соединения всех проводов SMA18.Параллельное соединение приводов не только требует большей мощности, но и ограничивает выходную мощность одного провода.Еще одним недостатком приводов на основе SMA является ограниченный ход, которого они могут достичь.Чтобы решить эту проблему, была создана вантовая балка SMA, содержащая отклоненную гибкую балку для увеличения смещения и достижения линейного движения, но не генерирующая более высокие силы19.Мягкие деформируемые конструкции и ткани для роботов на основе сплавов с памятью формы разрабатывались в первую очередь для усиления удара20,21,22.Сообщается, что для приложений, где требуются высокие скорости, компактные приводные насосы используют тонкопленочные SMA для приложений с приводом от микронасосов23.Частота возбуждения тонкопленочной SMA-мембраны является ключевым фактором в управлении скоростью драйвера.Таким образом, линейные двигатели SMA имеют лучший динамический отклик, чем пружинные или стержневые двигатели SMA.Мягкая робототехника и технология захвата — еще два приложения, в которых используются приводы на основе SMA.Например, для замены стандартного привода, используемого в пространственном зажиме 25 Н, был разработан параллельный привод 24 из сплава с памятью формы.В другом случае был изготовлен мягкий актуатор из СПМ на основе проволоки с внедренной матрицей, способной создавать максимальное тяговое усилие 30 Н. Благодаря своим механическим свойствам СПФ также используется для создания актуаторов, имитирующих биологические явления.Одна из таких разработок включает в себя 12-клеточного робота, который является биомиметиком похожего на дождевого червя организма с SMA для создания синусоидального движения для запуска огня26,27.
Как упоминалось ранее, существует предел максимальной силы, которую можно получить от существующих приводов на основе SMA.Для решения этой проблемы в данном исследовании представлена биомиметическая бимодальная мышечная структура.Управляется проволокой из сплава с памятью формы.Он обеспечивает систему классификации, которая включает в себя несколько проволок из сплава с памятью формы.На сегодняшний день в литературе не сообщалось об актуаторах на основе SMA с аналогичной архитектурой.Эта уникальная и новая система, основанная на СМА, была разработана для изучения поведения СМА во время бимодального выравнивания мышц.По сравнению с существующими приводами на основе SMA, цель этого исследования состояла в том, чтобы создать биомиметический привод дипвалерата для создания значительно более высоких сил в небольшом объеме.По сравнению с обычными приводами с шаговым двигателем, используемыми в системах автоматизации и управления зданиями ОВиКВ, предлагаемая конструкция бимодального привода на основе SMA снижает вес приводного механизма на 67%.В дальнейшем термины «мышца» и «драйв» используются взаимозаменяемо.В данном исследовании исследуется мультифизическое моделирование такого привода.Механическое поведение таких систем изучено экспериментальными и аналитическими методами.Распределения силы и температуры были дополнительно исследованы при входном напряжении 7 В. Затем был проведен параметрический анализ, чтобы лучше понять взаимосвязь между ключевыми параметрами и выходной силой.Наконец, были предусмотрены иерархические приводы, и эффекты иерархического уровня были предложены в качестве потенциальной будущей области для немагнитных приводов для протезных приложений.Согласно результатам вышеупомянутых исследований, использование одноступенчатой архитектуры создает усилия, по крайней мере, в четыре-пять раз выше, чем сообщаемые приводы на основе SMA.Кроме того, было показано, что та же движущая сила, создаваемая многоуровневым многоуровневым приводом, более чем в десять раз выше, чем у обычных приводов на основе SMA.Затем в исследовании сообщается о ключевых параметрах с использованием анализа чувствительности между различными планами и входными переменными.Начальная длина проволоки SMA (\(l_0\)), угол перистости (\(\alpha\)) и количество одиночных нитей (n) в каждой отдельной нити оказывают сильное отрицательное влияние на величину движущей силы.сила, в то время как входное напряжение (энергия) оказалось положительно коррелированным.
Проволока SMA демонстрирует эффект памяти формы (SME), наблюдаемый в семействе никель-титановых (Ni-Ti) сплавов.Как правило, SMA имеют две температурно-зависимые фазы: низкотемпературную фазу и высокотемпературную фазу.Обе фазы обладают уникальными свойствами благодаря наличию различных кристаллических структур.В аустенитной фазе (высокотемпературной фазе), существующей выше температуры превращения, материал обладает высокой прочностью и плохо деформируется под нагрузкой.Сплав ведет себя как нержавеющая сталь, поэтому он способен выдерживать более высокие давления срабатывания.Воспользовавшись этим свойством сплавов Ni-Ti, провода SMA наклонены, образуя привод.Разработаны соответствующие аналитические модели для понимания фундаментальной механики теплового поведения СПФ под влиянием различных параметров и различной геометрии.Было получено хорошее согласие между экспериментальными и аналитическими результатами.
Экспериментальное исследование было проведено на прототипе, показанном на рис. 9а, для оценки производительности бимодального привода на основе SMA.Два из этих свойств, сила, создаваемая приводом (мышечная сила) и температура проволоки SMA (температура SMA), были измерены экспериментально.По мере увеличения разности напряжений по всей длине провода в приводе температура провода увеличивается за счет эффекта джоулева нагрева.Входное напряжение подавалось в два 10-секундных цикла (показаны красными точками на рис. 2а, б) с 15-секундным периодом охлаждения между каждым циклом.Сила блокировки измерялась с помощью пьезоэлектрического тензодатчика, а распределение температуры проволоки SMA контролировалось в режиме реального времени с помощью LWIR-камеры высокого разрешения научного класса (см. характеристики используемого оборудования в таблице 2).показывает, что во время фазы высокого напряжения температура провода монотонно увеличивается, но когда ток не течет, температура провода продолжает падать.В текущей экспериментальной установке температура проволоки SMA упала на этапе охлаждения, но все еще была выше температуры окружающей среды.На рис.2д показан снимок температуры на проводе SMA, снятый с камеры LWIR.С другой стороны, на рис.2а показано блокирующее усилие, создаваемое системой привода.Когда мышечная сила превышает восстанавливающую силу пружины, подвижная рука, как показано на рисунке 9а, начинает двигаться.Как только начинается срабатывание, подвижная рука входит в контакт с датчиком, создавая объемную силу, как показано на рис.2в, д.Когда максимальная температура близка к \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), максимальная наблюдаемая сила составляет 105 Н.
На графике показаны экспериментальные результаты температуры провода СПФ и силы, создаваемой бимодальным приводом на основе СПФ в течение двух циклов.Входное напряжение подается двумя 10-секундными циклами (показаны красными точками) с 15-секундным периодом охлаждения между каждым циклом.Провод SMA, использованный для экспериментов, представлял собой провод Flexinol диаметром 0,51 мм от Dynalloy, Inc. (a) На графике показано экспериментальное усилие, полученное в течение двух циклов, (c, d) показаны два независимых примера действия приводов с подвижным рычагом на пьезоэлектрический датчик силы PACEline CFT/5kN, (b) на графике показана максимальная температура всего провода SMA во время двух циклов, (e) показан моментальный снимок температуры провода SMA, полученный с помощью FLIR. Программное обеспечение ResearchIR Камера LWIR.Геометрические параметры, учитываемые в экспериментах, приведены в табл.один.
Результаты моделирования математической модели и результаты эксперимента сравниваются при условии входного напряжения 7В, как показано на рис.5.По результатам параметрического анализа и во избежание возможности перегрева провода СМА на привод подавалась мощность 11,2 Вт.Программируемый источник постоянного тока использовался для подачи 7 В в качестве входного напряжения, а по проводу измерялся ток 1,6 А.Сила, создаваемая приводом, и температура SDR увеличиваются при подаче тока.При входном напряжении 7В максимальное выходное усилие, полученное по результатам моделирования и экспериментальных результатов первого цикла, составляет 78 Н и 96 Н соответственно.Во втором цикле максимальная выходная сила результатов моделирования и эксперимента составила 150 Н и 105 Н соответственно.Расхождение между измерениями силы окклюзии и экспериментальными данными может быть связано с методом, используемым для измерения силы окклюзии.Результаты эксперимента, показанные на рис.5а соответствуют измерению силы блокировки, которая, в свою очередь, была измерена, когда приводной вал находился в контакте с пьезоэлектрическим преобразователем силы PACEline CFT/5kN, как показано на рис.2 с.Поэтому, когда приводной вал не контактирует с датчиком усилия в начале зоны охлаждения, усилие сразу становится равным нулю, как показано на рис. 2г.Кроме того, другими параметрами, влияющими на формирование силы в последующих циклах, являются значения времени охлаждения и коэффициента конвективной теплоотдачи в предыдущем цикле.Из рис.2b видно, что после 15-секундного периода охлаждения проволока SMA не достигла комнатной температуры и, следовательно, имела более высокую начальную температуру (\(40\,^{\circ}\hbox {C}\)) во втором цикле движения по сравнению с первым циклом (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Таким образом, по сравнению с первым циклом, температура проволоки СПФ во время второго цикла нагрева раньше достигает начальной температуры аустенита (\(A_s\)) и дольше остается в переходном периоде, что приводит к напряжению и силе.С другой стороны, распределения температуры во время циклов нагрева и охлаждения, полученные из экспериментов и моделирования, имеют высокое качественное сходство с примерами из термографического анализа.Сравнительный анализ тепловых данных проволоки SMA из экспериментов и моделирования показал согласованность во время циклов нагрева и охлаждения и в пределах допустимых допусков для экспериментальных данных.Максимальная температура проволоки СПФ, полученная по результатам моделирования и экспериментов первого цикла, составляет \(89\,^{\circ}\hbox {C}\) и \(75\,^{\circ}\hbox {C}\ соответственно), а во втором цикле максимальная температура проволоки СПФ составляет \(94\,^{\circ}\hbox {C}\) и \(83\,^{\circ}\ hbox {C}\).Принципиально разработанная модель подтверждает действие эффекта памяти формы.Роль утомления и перегрева в данном обзоре не рассматривалась.В будущем модель будет улучшена, чтобы включить историю напряжений проволоки SMA, что сделает ее более подходящей для инженерных приложений.Графики выходной силы привода и температуры СМА, полученные из блока Simulink, находятся в пределах допустимых допусков экспериментальных данных при условии входного импульса напряжения 7 В. Это подтверждает правильность и достоверность разработанной математической модели.
Математическая модель была разработана в среде MathWorks Simulink R2020b с использованием основных уравнений, описанных в разделе «Методы».На рис.3b показана блок-схема математической модели Simulink.Модель моделировалась для импульса входного напряжения 7 В, как показано на рис. 2а, б.Значения параметров, использованных при моделировании, приведены в таблице 1. Результаты моделирования переходных процессов представлены на рисунках 1 и 1. На рисунках 3а и 4. На рис.4a,b показано наведенное напряжение в проводе SMA и усилие, создаваемое исполнительным механизмом, как функция времени. 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 равна нулю. 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 равна нулю. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объема долей кардиостимулятора (\(\dot{\xi }\)) будет одинаково высокой. При обратном превращении (нагреве), когда температура проволоки СПФ \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустенита, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\xi}\)) будет равна нулю.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
(а) Результат моделирования, показывающий распределение температуры и вызванную напряжением температуру перехода в двухвалератном приводе на основе SMA.Когда температура проволоки пересекает температуру аустенитного перехода на стадии нагрева, температура модифицированного аустенитного перехода начинает увеличиваться, и аналогичным образом, когда температура катанки пересекает температуру мартенситного перехода на стадии охлаждения, температура мартенситного перехода снижается.SMA для аналитического моделирования процесса срабатывания.(Подробное представление каждой подсистемы модели Simulink см. в разделе приложения дополнительного файла.)
Результаты анализа различных распределений параметров показаны для двух циклов входного напряжения 7 В (10-секундные циклы прогрева и 15-секундные циклы охлаждения).В то время как (ac) и (e) изображают распределение во времени, с другой стороны, (d) и (f) иллюстрируют распределение с температурой.Для соответствующих входных условий максимальное наблюдаемое напряжение составляет 106 МПа (менее 345 МПа, предел текучести проволоки), усилие составляет 150 Н, максимальное смещение составляет 270 мкм, а минимальная объемная доля мартенсита составляет 0,91.С другой стороны, изменение напряжения и изменение объемной доли мартенсита с температурой аналогичны гистерезисным характеристикам.
То же объяснение применимо к прямому превращению (охлаждению) из аустенитной фазы в мартенситную фазу, где температура проволоки SMA (T) и конечная температура модифицированной напряжением мартенситной фазы (\(M_f ^ {\prime}\)) превосходны.На рис.4d,f показано изменение индуцированного напряжения (\(\sigma\)) и объемной доли мартенсита (\(\xi\)) в проволоке СПФ в зависимости от изменения температуры проволоки СПФ (T) для обоих ездовых циклов.На рис.На рис. 3а показано изменение температуры провода СМА во времени в зависимости от импульса входного напряжения.Как видно из рисунка, температура проволоки продолжает увеличиваться за счет обеспечения источника тепла при нулевом напряжении и последующего конвективного охлаждения.Во время нагрева повторное превращение мартенсита в аустенитную фазу начинается, когда температура проволоки SMA (T) пересекает температуру зарождения аустенита с поправкой на напряжение (\(A_s^{\prime}\)).На этом этапе провод SMA сжимается, и привод создает усилие.Также во время охлаждения, когда температура проволоки SMA (T) пересекает температуру зародышеобразования модифицированной напряжением мартенситной фазы (\(M_s^{\prime}\)) происходит положительный переход от аустенитной фазы к мартенситной фазе.сила тяги уменьшается.
Основные качественные аспекты бимодального привода на основе SMA могут быть получены из результатов моделирования.В случае подачи импульса напряжения температура провода SMA увеличивается за счет эффекта джоулева нагрева.Начальное значение объемной доли мартенсита (\(\xi\)) установлено равным 1, так как материал изначально находится в полностью мартенситной фазе.По мере того как проволока продолжает нагреваться, температура проволоки SMA превышает температуру зарождения аустенита с поправкой на напряжение \(A_s^{\prime}\), что приводит к уменьшению объемной доли мартенсита, как показано на рисунке 4c.Кроме того, на рис.4д показано распределение ходов привода во времени, а на рис.5 – движущая сила как функция времени.Связанная система уравнений включает температуру, объемную долю мартенсита и напряжение, которое развивается в проволоке, что приводит к усадке проволоки SMA и силе, создаваемой приводом.Как показано на рис.4d,f изменение напряжения с температурой и изменение объемной доли мартенсита с температурой соответствуют гистерезисным характеристикам СПФ в смоделированном случае при 7 В.
Сравнение параметров вождения было получено путем экспериментов и аналитических расчетов.На провода воздействовали импульсным входным напряжением 7 В в течение 10 секунд, затем охлаждали в течение 15 секунд (фаза охлаждения) в течение двух циклов.Угол перистости установлен на \(40^{\circ}\), а начальная длина провода SMA в каждой отдельной ножке штифта установлена на 83 мм.(а) Измерение движущей силы с помощью тензодатчика (б) Мониторинг температуры проволоки с помощью тепловизионной инфракрасной камеры.
Для понимания влияния физических параметров на усилие, создаваемое приводом, был проведен анализ чувствительности математической модели к выбранным физическим параметрам, и параметры ранжированы по степени их влияния.Во-первых, выборка параметров модели была сделана с использованием принципов планирования эксперимента, которые следовали равномерному распределению (см. Дополнительный раздел по анализу чувствительности).В этом случае параметры модели включают входное напряжение (\(V_{in}\)), начальную длину провода SMA (\(l_0\)), угол треугольника (\(\alpha\)), постоянную пружины смещения (\(K_x\)), коэффициент конвективной теплопередачи (\(h_T\)) и количество унимодальных ветвей (n).На следующем этапе в качестве требования к дизайну исследования была выбрана пиковая мышечная сила, и были получены параметрические эффекты каждого набора переменных на силу.Графики торнадо для анализа чувствительности были получены из коэффициентов корреляции для каждого параметра, как показано на рис. 6а.
(a) Значения коэффициента корреляции параметров модели и их влияние на максимальную выходную силу 2500 уникальных групп вышеуказанных параметров модели показаны на графике торнадо.На графике показана ранговая корреляция нескольких показателей.Понятно, что \(V_{in}\) — единственный параметр с положительной корреляцией, а \(l_0\) — параметр с наибольшей отрицательной корреляцией.Влияние различных параметров в различных сочетаниях на пиковую мышечную силу показано на (б, в).\(K_x\) колеблется от 400 до 800 Н/м, а n - от 4 до 24. Напряжение (\(V_{in}\)) изменялось от 4В до 10В, длина провода (\(l_{0} \)) менялась от 40 до 100 мм, а угол хвоста (\ (\alpha \)) изменялся от \ (20 - 60 \, ^ {\circ}\).
На рис.6а показан график торнадо различных коэффициентов корреляции для каждого параметра с расчетными требованиями к максимальной движущей силе.Из рис.6а видно, что параметр напряжения (\(V_{in}\)) напрямую связан с максимальной выходной силой, а коэффициент конвективной теплопередачи (\(h_T\)), угол пламени (\ ( \alpha\)) , постоянная пружины смещения (\(K_x\)) отрицательно коррелирует с выходной силой и начальной длиной (\(l_0\)) провода СПФ, а количество унимодальных ветвей (n) показывает сильную обратную зависимость В случае прямой зависимости В случай более высокого значения коэффициента корреляции напряжения (\(V_ {in}\)) указывает на то, что этот параметр оказывает наибольшее влияние на выходную мощность.Другой аналогичный анализ измеряет пиковую силу путем оценки влияния различных параметров в различных комбинациях двух вычислительных пространств, как показано на рис. 6b, c.\(V_{in}\) и \(l_0\), \(\alpha\) и \(l_0\) имеют схожие шаблоны, и график показывает, что \(V_{in}\) и \(\alpha\ ) и \(\alpha\) имеют похожие шаблоны.Меньшие значения \(l_0\) приводят к более высоким пиковым усилиям.Два других графика соответствуют рисунку 6а, где n и \(K_x\) имеют отрицательную корреляцию, а \(V_{in}\) - положительную корреляцию.Этот анализ помогает определить и отрегулировать влияющие параметры, с помощью которых выходное усилие, ход и эффективность приводной системы могут быть адаптированы к требованиям и применению.
Текущая исследовательская работа вводит и исследует иерархические приводы с N уровнями.В двухуровневой иерархии, как показано на рис. 7а, где вместо каждого провода SMA привода первого уровня достигается бимодальное расположение, как показано на рис.9е.На рис.7с показано, как провод SMA намотан на подвижный рычаг (вспомогательный рычаг), который перемещается только в продольном направлении.Однако первичный подвижный рычаг продолжает двигаться таким же образом, как и подвижный рычаг многоступенчатого привода 1-й ступени.Как правило, привод N-ступени создается путем замены провода SMA стадии \(N-1\) на привод первой ступени.В результате каждая ветвь имитирует привод первой ступени, за исключением ветви, которая держит сам провод.Таким образом могут образовываться вложенные конструкции, создающие усилия, в несколько раз превышающие усилия первичных приводов.В этом исследовании для каждого уровня учитывалась общая эффективная длина провода SMA, равная 1 м, как показано в табличном формате на рис. 7d.Ток через каждый провод в каждой одномодальной конструкции и результирующие предварительное напряжение и напряжение в каждом сегменте провода SMA одинаковы на каждом уровне.Согласно нашей аналитической модели выходная сила положительно коррелирует с уровнем, а смещение отрицательно коррелирует.В то же время существовал компромисс между смещением и мышечной силой.Как видно на рис.7б, при этом максимальное усилие достигается в наибольшем числе слоев, наибольшее смещение наблюдается в самом нижнем слое.Когда уровень иерархии был установлен на \(N=5\), пиковая мышечная сила 2,58 кН была обнаружена при 2 наблюдаемых гребках \(\upmu\)m.С другой стороны, привод первой ступени создает усилие 150 Н при ходе 277 \(\upmu\)м.Многоуровневые приводы способны имитировать настоящие биологические мышцы, где искусственные мышцы на основе сплавов с памятью формы способны генерировать значительно более высокие усилия с точными и тонкими движениями.Ограничения этой миниатюрной конструкции заключаются в том, что по мере увеличения иерархии движения значительно сокращаются, а сложность процесса изготовления привода возрастает.
(a) Двухступенчатая (\(N=2\)) многослойная система линейного привода из сплава с памятью формы показана в бимодальной конфигурации.Предлагаемая модель достигается заменой провода SMA в многоуровневом приводе первой ступени другим одноступенчатым многоуровневым приводом.(в) Деформированная конфигурация многослойного привода второй ступени.(б) Описано распределение сил и перемещений в зависимости от количества уровней.Было обнаружено, что пиковое усилие привода положительно коррелирует с уровнем шкалы на графике, а ход отрицательно коррелирует с уровнем шкалы.Ток и предварительное напряжение в каждом проводе остаются постоянными на всех уровнях.(d) В таблице указано количество отводов и длина провода SMA (волокна) на каждом уровне.Характеристики проводов обозначаются индексом 1, а количество вторичных ветвей (одна, подсоединенная к первичной ветви) указывается наибольшим числом в нижнем индексе.Например, на уровне 5 \(n_1\) относится к количеству проводов SMA, присутствующих в каждой бимодальной структуре, а \(n_5\) относится к количеству вспомогательных ветвей (одна из которых подключена к основной ветви).
Многими исследователями предлагались различные методы моделирования поведения СПФ с памятью формы, которые зависят от термомеханических свойств, сопровождающих макроскопические изменения кристаллической структуры, связанные с фазовым переходом.Формулировка конститутивных методов по своей сути сложна.Наиболее часто используемая феноменологическая модель предложена Танакой28 и широко используется в инженерных приложениях.Феноменологическая модель, предложенная Танакой [28], предполагает, что объемная доля мартенсита является экспоненциальной функцией температуры и напряжения.Позже Лян и Роджерс29 и Бринсон30 предложили модель, в которой динамика фазового перехода предполагалась косинусной функцией напряжения и температуры, с небольшими модификациями модели.Беккер и Бринсон предложили кинетическую модель на основе фазовой диаграммы для моделирования поведения материалов SMA при произвольных условиях нагрузки, а также при частичных переходах.Банерджи32 использует метод динамики фазовых диаграмм Беккера и Бринсона31 для моделирования манипулятора с одной степенью свободы, разработанного Элахиниа и Ахмадиан33.Кинетические методы, основанные на фазовых диаграммах, учитывающие немонотонное изменение напряжения с температурой, трудно реализуемы в технических приложениях.Элахиния и Ахмадиан обращают внимание на эти недостатки существующих феноменологических моделей и предлагают расширенную феноменологическую модель для анализа и определения поведения памяти формы при любых сложных условиях нагрузки.
Структурная модель проволоки SMA дает напряжение (\(\sigma\)), деформацию (\(\эпсилон\)), температуру (T) и объемную долю мартенсита (\(\xi\)) проволоки SMA.Феноменологическая конститутивная модель была впервые предложена Танакой28, а затем принята Ляном29 и Бринсоном30.Производная уравнения имеет вид:
где E - зависящий от фазы модуль Юнга SMA, полученный с использованием \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi)E_A\) и \(E_A\) и \(E_M\), представляющих модуль Юнга, являются аустенитной и мартенситной фазами соответственно, а коэффициент теплового расширения представлен \(\theta _T\).Коэффициент вклада фазового перехода равен \(\Omega = -E \epsilon _L\), а \(\epsilon _L\) - это максимальная восстанавливаемая деформация в проводе SMA.
Уравнение фазовой динамики совпадает с функцией косинуса, разработанной Ляном29 и позже принятой Бринсоном30 вместо экспоненциальной функции, предложенной Танакой28.Модель фазового перехода является расширением модели, предложенной Элахиниа и Ахмадяном34, и модифицированной на основе условий фазового перехода, данных Лиангом29 и Бринсоном30.Условия, используемые для этой модели фазового перехода, справедливы при сложных термомеханических нагрузках.В каждый момент времени при моделировании определяющего уравнения рассчитывается значение объемной доли мартенсита.
Основное уравнение ретрансформации, выраженное превращением мартенсита в аустенит в условиях нагрева, выглядит следующим образом:
где \(\xi\) – объемная доля мартенсита, \(\xi _M\) – объемная доля мартенсита, полученного до нагрева, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) и \(C_A\) – параметры аппроксимации кривой, T – температура проволоки СПФ, \(A_s\) и \(A_f\) – начало и конец аустенитной фазы соответственно температуре.
Уравнение управления прямым превращением, представленное фазовым превращением аустенита в мартенсит в условиях охлаждения, выглядит следующим образом:
где \(\xi _A\) – объемная доля мартенсита, полученного до охлаждения, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) и \ ( C_M \) – параметры аппроксимации кривой, T – температура проволоки СПФ, \(M_s\) и \(M_f\) – начальная и конечная температуры мартенсита соответственно.
После дифференцирования уравнений (3) и (4) обратное и прямое уравнения преобразования упрощаются до следующего вида:
При прямом и обратном преобразовании \(\eta _{\sigma}\) и \(\eta _{T}\) принимают разные значения.Основные уравнения, связанные с \(\eta _{\sigma}\) и \(\eta _{T}\), были выведены и подробно обсуждены в дополнительном разделе.
Тепловая энергия, необходимая для повышения температуры провода SMA, исходит от эффекта нагрева Джоуля.Тепловая энергия, поглощаемая или выделяемая проводом SMA, представлена скрытой теплотой трансформации.Потери тепла в проводе СПФ происходят за счет вынужденной конвекции, и с учетом пренебрежимо малого влияния излучения уравнение баланса тепловой энергии имеет вид:
Где \(m_{wire}\) - общая масса провода СПФ, \(c_{p}\) - удельная теплоемкость СПФ, \(V_{in}\) - напряжение, приложенное к проводу, \(R_{ohm} \ ) - фазозависимое сопротивление СПМ, определяемое как;\(R_{ohm} = (l/A_{крест})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ), где \(r_M\ ) и \(r_A\) - удельное фазовое сопротивление СПФ в мартенсите и аустените соответственно, \(A_{c}\) - площадь поверхности проволоки СПФ, \(\Delta H\) - сплав с памятью формы.Скрытая теплота перехода проволоки, T и \(T_{\infty}\) - это температуры проволоки SMA и окружающей среды соответственно.
Когда проволока из сплава с памятью формы приводится в действие, проволока сжимается, создавая силу в каждой ветви бимодальной конструкции, называемую силой волокна.Силы волокон в каждой нити проволоки SMA вместе создают мышечную силу для приведения в действие, как показано на рис. 9e.Благодаря наличию смещающей пружины суммарная мышечная сила N-го многослойного привода составляет:
Подставляя \(N = 1\) в уравнение (7), мышечную силу прототипа бимодального драйва первой стадии можно получить следующим образом:
где n - количество унимодальных ветвей, \(F_m\) - мышечная сила, создаваемая приводом, \(F_f\) - прочность волокна в проволоке SMA, \(K_x\) - жесткость смещения.пружина, \(\alpha\) — угол треугольника, \(x_0\) — начальное смещение пружины смещения, чтобы удерживать трос SMA в предварительно натянутом положении, а \(\Delta x\) — ход привода.
Суммарное перемещение или перемещение привода (\(\Дельта х\)) в зависимости от напряжения (\(\сигма\)) и деформации (\(\эпсилон\)) на проводе СМА N-й ступени привода настроено (см. рис. доп. часть вывода):
Кинематические уравнения дают взаимосвязь между деформацией привода (\(\эпсилон\)) и смещением или смещением (\(\Дельта х\)).Деформация проволоки Арб как функция исходной длины проволоки Арб (\(l_0\)) и длины проволоки (l) в любой момент времени t в одной унимодальной ветви выглядит следующим образом:
где \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) получается путем применения формулы косинуса в \(\Delta\)ABB ', как показано на рисунке 8. Для привода первой ступени (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) равно \(\Delta x\), и \( \alpha _1\) равно \(\alpha \), как показано на рисунке 8, путем дифференцирования времени из уравнения (11) и подстановки значения l скорость деформации может быть записана как:
где \(l_0\) — начальная длина провода SMA, l — длина провода в любой момент времени t в одной одномодальной ветви, \(\epsilon\) — деформация, развивающаяся в проводе SMA, и \(\alpha \) — угол треугольника, \(\Delta x\) — смещение привода (как показано на рисунке 8).
Все n однопиковых структур (\(n=6\) на этом рисунке) соединены последовательно с \(V_{in}\) в качестве входного напряжения.Этап I: Схематическая диаграмма провода SMA в бимодальной конфигурации в условиях нулевого напряжения. Этап II: Показана управляемая структура, где провод SMA сжимается за счет обратного преобразования, как показано красной линией.
В качестве доказательства концепции был разработан бимодальный привод на основе SMA для проверки смоделированного вывода основных уравнений с экспериментальными результатами.CAD-модель бимодального линейного привода показана на рис.9а.С другой стороны, на рис.9в показана новая конструкция, предложенная для вращательного призматического соединения с использованием двухплоскостного привода на основе SMA с бимодальной структурой.Компоненты привода были изготовлены с использованием аддитивного производства на 3D-принтере Ultimaker 3 Extended.Материалом, используемым для 3D-печати компонентов, является поликарбонат, который подходит для термостойких материалов, поскольку он прочен, долговечен и имеет высокую температуру стеклования (110-113 \(^{\circ }\) C).Кроме того, в экспериментах использовалась проволока из сплава с памятью формы Dynalloy, Inc. Flexinol, а в моделировании использовались свойства материала, соответствующие проволоке Flexinol.Множественные дуги SMA расположены в виде волокон, присутствующих в бимодальном расположении мышц, для получения высоких сил, создаваемых многослойными приводами, как показано на рис. 9b, d.
Как показано на рисунке 9а, острый угол, образованный проволокой SMA с подвижным рычагом, называется углом (\(\alpha\)).С клеммными зажимами, прикрепленными к левому и правому зажимам, провод SMA удерживается под желаемым бимодальным углом.Устройство пружины смещения, закрепленное на пружинном соединителе, предназначено для регулировки различных групп удлинения пружины смещения в соответствии с количеством (n) волокон SMA.Кроме того, расположение подвижных частей спроектировано таким образом, что провод SMA подвергается воздействию внешней среды для принудительного конвекционного охлаждения.Верхняя и нижняя пластины съемного узла помогают охлаждать провод SMA благодаря экструдированным вырезам, предназначенным для снижения веса.Кроме того, оба конца провода СМА крепятся к левой и правой клеммам соответственно с помощью обжимки.К одному концу подвижного узла прикреплен плунжер для поддержания зазора между верхней и нижней пластинами.Плунжер также используется для приложения силы блокировки к датчику через контакт для измерения силы блокировки при срабатывании провода SMA.
Бимодальная мышечная структура SMA электрически соединена последовательно и питается входным импульсным напряжением.Во время цикла импульса напряжения, когда подается напряжение и проволока СПФ нагревается выше начальной температуры аустенита, длина проволоки в каждой жиле укорачивается.Это втягивание активирует узел подвижного рычага.При обнулении напряжения в этом же цикле нагретая проволока СПФ охлаждалась ниже температуры поверхности мартенсита, тем самым возвращаясь в исходное положение.В условиях нулевого напряжения проволока SMA сначала пассивно растягивается пружиной смещения, чтобы достичь дедвойникового мартенситного состояния.Винт, через который проходит проволока СПФ, перемещается за счет сжатия, создаваемого подачей импульса напряжения на проволоку СПФ (СПА достигает аустенитной фазы), что приводит к срабатыванию подвижного рычага.Когда провод SMA втягивается, пружина смещения создает противодействующую силу, еще больше растягивая пружину.Когда напряжение в импульсном напряжении становится равным нулю, проволока СПФ удлиняется и изменяет свою форму за счет принудительного конвекционного охлаждения, достигая двойной мартенситной фазы.
Предлагаемая система линейного привода на основе SMA имеет бимодальную конфигурацию, в которой провода SMA расположены под углом.(а) изображает CAD-модель прототипа, в которой упоминаются некоторые компоненты и их значения для прототипа, (б, г) представляют разработанный экспериментальный прототип35.В то время как (b) показан вид сверху прототипа с электрическими соединениями, смещающими пружинами и используемыми тензодатчиками, (d) показан вид установки в перспективе.(e) Схема линейной приводной системы с проводами SMA, размещенными бимодально в любой момент времени t, показывающая направление и ход волокна и мышечную силу.(c) Вращательное призматическое соединение с 2 степенями свободы было предложено для развертывания двухплоскостного привода на основе SMA.Как показано, звено передает линейное движение от нижнего привода к верхнему рычагу, создавая вращательное соединение.С другой стороны, движение пары призм такое же, как движение многослойного привода первой ступени.
Экспериментальное исследование было проведено на прототипе, показанном на рис. 9b, для оценки производительности бимодального привода на основе SMA.Как показано на рисунке 10а, экспериментальная установка состояла из программируемого источника питания постоянного тока для подачи входного напряжения на провода SMA.Как показано на рис.10b, пьезоэлектрический тензодатчик (PACEline CFT/5kN) использовали для измерения силы блокировки с помощью регистратора данных Graphtec GL-2000.Данные записываются хостом для дальнейшего изучения.Для генерирования сигнала напряжения тензодатчикам и усилителям заряда требуется постоянный источник питания.Соответствующие сигналы преобразуются в выходную мощность в соответствии с чувствительностью пьезоэлектрического датчика силы и другими параметрами, как описано в таблице 2. При подаче импульса напряжения температура провода SMA увеличивается, вызывая сжатие провода SMA, что заставляет привод создавать усилие.Экспериментальные результаты вывода мышечной силы импульсом входного напряжения 7 В представлены на рис.2а.
(а) Система линейного привода на основе SMA была настроена в эксперименте для измерения силы, создаваемой приводом.Тензодатчик измеряет блокирующее усилие и питается от источника питания 24 В постоянного тока.Падение напряжения 7 В прикладывалось по всей длине кабеля с помощью программируемого источника постоянного тока GW Instek.Провод SMA сжимается из-за нагрева, а подвижный рычаг контактирует с тензодатчиком и создает блокирующее усилие.Тензодатчик подключается к регистратору данных GL-2000, и данные сохраняются на хосте для дальнейшей обработки.(б) Схема, показывающая цепь компонентов экспериментальной установки для измерения мышечной силы.
Сплавы с памятью формы возбуждаются тепловой энергией, поэтому температура становится важным параметром для изучения явления памяти формы.Экспериментально, как показано на рис. 11а, тепловидение и измерения температуры были выполнены на прототипе двухвалератного актуатора на основе SMA.Программируемый источник постоянного тока подавал входное напряжение на провода SMA в экспериментальной установке, как показано на рисунке 11b.Изменение температуры провода SMA измеряли в режиме реального времени с помощью LWIR-камеры высокого разрешения (FLIR A655sc).Хост использует программное обеспечение ResearchIR для записи данных для дальнейшей постобработки.При подаче импульса напряжения температура провода SMA увеличивается, что приводит к усадке провода SMA.На рис.На рис. 2b показаны экспериментальные результаты зависимости температуры провода SMA от времени для импульса входного напряжения 7 В.
Время публикации: 28 сентября 2022 г.