Дякуємо, що відвідали Nature.com.Версія браузера, яку ви використовуєте, має обмежену підтримку CSS.Для найкращої роботи радимо використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer).Тим часом, щоб забезпечити постійну підтримку, ми відтворюємо сайт без стилів і JavaScript.
Приводи використовуються скрізь і створюють керований рух, застосовуючи правильну силу збудження або крутний момент для виконання різноманітних операцій у виробництві та промисловій автоматизації.Потреба в швидших, менших і ефективніших приводах стимулює інновації в дизайні приводів.Накопичувачі зі сплаву пам’яті форми (SMA) пропонують низку переваг перед звичайними накопичувачами, включаючи високе співвідношення потужності до ваги.У цій дисертації було розроблено двоперовий актуатор на основі SMA, який поєднує в собі переваги пір’ястих м’язів біологічних систем та унікальні властивості SMA.У цьому дослідженні досліджуються та розширюються попередні приводи SMA шляхом розробки математичної моделі нового приводу на основі бімодального розташування проводів SMA та її експериментального тестування.Порівняно з відомими приводами на основі SMA сила спрацьовування нового приводу як мінімум у 5 разів вища (до 150 Н).Відповідна втрата ваги становить близько 67%.Результати аналізу чутливості математичних моделей корисні для налаштування параметрів проекту та розуміння ключових параметрів.У цьому дослідженні також представлено багаторівневий привід N-го ступеня, який можна використовувати для подальшого покращення динаміки.Діпвалератні м’язові приводи на основі SMA мають широкий спектр застосувань, від автоматизації будівель до систем точної доставки ліків.
Біологічні системи, такі як м’язові структури ссавців, можуть активувати багато тонких приводів1.Ссавці мають різну структуру м’язів, кожна з яких служить певній меті.Проте більшу частину структури м’язової тканини ссавців можна розділити на дві великі категорії.Паралельні і пеннаті.У підколінних сухожиллях та інших згиначах, як випливає з назви, паралельна мускулатура має м’язові волокна, паралельні центральному сухожиллю.Ланцюг м’язових волокон вишикуваний і функціонально з’єднаний сполучною тканиною навколо них.Хоча кажуть, що ці м’язи мають велику екскурсію (відсоткове скорочення), їх загальна сила м’язів дуже обмежена.Навпаки, у триголовому литковому м’язі2 (латеральному литковому м’язі (GL)3, медіальному литковому м’язі (GM)4 і камбалоподібному м’язі (SOL)) і розгиначі стегна (чотирьохголовому м’язі)5,6 пеннатна м’язова тканина знаходиться в кожному м’язі7.У перистій структурі м’язові волокна двоперистої мускулатури присутні по обидва боки від центрального сухожилка під косими кутами (перисті кути).Pennate походить від латинського слова «penna», що означає «перо», і, як показано на рис.1 має вигляд пір'я.Волокна перистих м’язів коротші й розташовані під кутом до поздовжньої осі м’яза.Внаслідок перистої будови загальна рухливість цих м'язів знижується, що призводить до поперечного і поздовжнього компонентів процесу вкорочення.З іншого боку, активація цих м’язів призводить до підвищення загальної м’язової сили завдяки способу вимірювання фізіологічної площі поперечного перерізу.Отже, для даної площі поперечного перерізу пенатисті м’язи будуть сильнішими та генеруватимуть вищі сили, ніж м’язи з паралельними волокнами.Сили, створені окремими волокнами, створюють м’язові сили на макроскопічному рівні в цій м’язовій тканині.Крім того, він володіє такими унікальними властивостями, як швидка усадка, захист від пошкоджень при розтягуванні, амортизація.Він змінює співвідношення між надходженням волокон і потужністю м’язів, використовуючи унікальні особливості та геометричну складність розташування волокон, пов’язаних із лініями дії м’язів.
Показано схематичні діаграми існуючих конструкцій приводів на основі SMA у зв’язку з бімодальною м’язовою архітектурою, наприклад (a), що представляє взаємодію тактильної сили, в якій пристрій у формі руки, що приводиться в дію проводами SMA, встановлено на двоколісному автономному мобільному роботі9,10., (b) Роботизований орбітальний протез із антагоністично розміщеним SMA підпружиненим орбітальним протезом.Положення протезного ока контролюється сигналом від очного м’яза ока11, (c) Актуатори SMA ідеально підходять для підводних застосувань через їх високу частотну характеристику та низьку пропускну здатність.У цій конфігурації приводи SMA використовуються для створення хвильового руху шляхом імітації руху риби, (d) приводи SMA використовуються для створення мікроінспекційного робота для труб, який може використовувати принцип руху черв’яка в дюймах, керований рухом дротів SMA всередині каналу 10, (e) показує напрямок скорочення м’язових волокон і генерування скорочувальної сили в тканині литкового м’яза, (f) показує дроти SMA, розташовані у формі м’язових волокон у пері. нативну структуру м’язів.
Приводи стали важливою частиною механічних систем завдяки широкому спектру їх застосування.Тому потреба в менших, швидших і ефективніших накопичувачах стає критичною.Незважаючи на свої переваги, традиційні приводи виявилися дорогими та трудомісткими в обслуговуванні.Гідравлічні та пневматичні приводи є складними та дорогими, вони схильні до зносу, проблем із змащенням та виходу з ладу компонентів.У відповідь на попит основна увага зосереджена на розробці економічно ефективних приводів, оптимізованих за розміром, вдосконалених приводів на основі розумних матеріалів.Поточні дослідження розглядають багатошарові приводи зі сплаву з пам’яттю форми (SMA) для задоволення цієї потреби.Ієрархічні приводи унікальні тим, що вони об’єднують багато дискретних приводів у геометрично складні макромасштабні підсистеми, щоб забезпечити підвищену та розширену функціональність.У цьому відношенні м'язова тканина людини, описана вище, є чудовим багатошаровим прикладом такої багатошарової активації.Поточне дослідження описує багаторівневий привод SMA з кількома окремими елементами приводу (проводами SMA), вирівняними відповідно до орієнтації волокон, присутніх у бімодальних м’язах, що покращує загальну продуктивність приводу.
Основне призначення приводу — генерувати вихідну механічну потужність, наприклад силу та переміщення, шляхом перетворення електричної енергії.Сплави з пам’яттю форми — це клас «розумних» матеріалів, здатних відновлювати свою форму за високих температур.Під високими навантаженнями підвищення температури дроту SMA призводить до відновлення форми, що призводить до вищої щільності енергії спрацьовування в порівнянні з різними розумними матеріалами, пов’язаними безпосередньо.Водночас при механічних навантаженнях СМА стають крихкими.За певних умов циклічне навантаження може поглинати та вивільняти механічну енергію, демонструючи оборотні гістерезисні зміни форми.Ці унікальні властивості роблять SMA ідеальним для датчиків, амортизаторів вібрації та особливо приводів12.Зважаючи на це, було проведено багато досліджень приводів на основі SMA.Слід зазначити, що приводи на основі SMA розроблені для забезпечення поступального та обертального руху для різноманітних застосувань13,14,15.Хоча було розроблено кілька поворотних приводів, дослідників особливо цікавлять лінійні приводи.Ці лінійні приводи можна розділити на три типи приводів: одновимірні, переміщення та диференціальні приводи 16 .Спочатку гібридні приводи створювалися в поєднанні з SMA та іншими звичайними приводами.Одним із таких прикладів гібридного лінійного приводу на основі SMA є використання дроту SMA з двигуном постійного струму для забезпечення вихідної сили близько 100 Н і значного переміщення17.
Однією з перших розробок приводів, повністю заснованих на SMA, був паралельний привід SMA.Використовуючи кілька проводів SMA, паралельний привод на основі SMA призначений для збільшення потужності накопичувача шляхом розміщення всіх проводів SMA18 паралельно.Паралельне підключення актуаторів не тільки вимагає більшої потужності, але й обмежує вихідну потужність одного проводу.Іншим недоліком приводів на основі SMA є обмежений хід, який вони можуть досягти.Щоб вирішити цю проблему, була створена кабельна балка SMA, яка містила відхилену гнучку балку для збільшення переміщення та досягнення лінійного руху, але не створювала вищих сил19.М’які деформівні структури та тканини для роботів на основі сплавів з пам’яттю форми були розроблені в основному для посилення удару20,21,22.Для застосувань, де потрібні високі швидкості, повідомлялося, що насоси з компактним приводом використовують тонкоплівкові SMA для додатків з приводом від мікронасосів23.Частота приводу тонкоплівкової мембрани SMA є ключовим фактором контролю швидкості драйвера.Тому лінійні двигуни SMA мають кращий динамічний відгук, ніж пружинні або стрижневі двигуни SMA.М’яка робототехніка та технологія захоплення – це два інших додатки, які використовують приводи на основі SMA.Наприклад, для заміни стандартного приводу, який використовується в просторовому затиску 25 Н, був розроблений паралельний привод 24 зі сплаву з пам’яттю форми.В іншому випадку, м’який привод SMA був виготовлений на основі дроту з вбудованою матрицею, здатною виробляти максимальну силу тяги 30 Н. Завдяки своїм механічним властивостям SMA також використовуються для виробництва приводів, які імітують біологічні явища.Однією з таких розробок є 12-клітинний робот, який є біоміметиком організму, схожого на дощового черв’яка, із SMA для створення синусоїдального руху до вогню26,27.
Як згадувалося раніше, існує обмеження на максимальну силу, яку можна отримати від існуючих приводів на основі SMA.Щоб вирішити цю проблему, це дослідження представляє біоміметичну бімодальну м’язову структуру.Приводиться в рух дротом зі сплаву з пам'яттю форми.Він надає систему класифікації, яка включає кілька дротів зі сплаву з пам’яттю форми.На сьогоднішній день в літературі не повідомлялося про приводи на основі SMA з подібною архітектурою.Ця унікальна та нова система на основі SMA була розроблена для вивчення поведінки SMA під час бімодального вирівнювання м’язів.Порівняно з існуючими актуаторами на основі SMA, мета цього дослідження полягала в тому, щоб створити біоміметичний дипвалератний актуатор для створення значно більших сил у невеликому об’ємі.Порівняно зі звичайними приводами з приводом від крокових двигунів, які використовуються в системах автоматизації та керування HVAC будівель, пропонована конструкція бімодального приводу на основі SMA зменшує вагу приводного механізму на 67%.Далі терміни «м’яз» і «драйв» використовуються як синоніми.Це дослідження досліджує мультифізичне моделювання такого приводу.Механічна поведінка таких систем досліджена експериментально-аналітичними методами.Розподіл сили та температури було додатково досліджено при вхідній напрузі 7 В. Згодом було проведено параметричний аналіз, щоб краще зрозуміти зв’язок між ключовими параметрами та вихідною силою.Нарешті, були передбачені ієрархічні приводи та запропоновані ефекти ієрархічного рівня як потенційна майбутня область для немагнітних приводів для протезування.Згідно з результатами вищезазначених досліджень, використання одноступеневої архітектури створює зусилля, щонайменше в чотири-п’ять разів вищі, ніж заявлені приводи на основі SMA.Крім того, було показано, що та сама рушійна сила, створена багаторівневим багаторівневим приводом, більш ніж у десять разів перевищує звичайні приводи на основі SMA.Потім дослідження повідомляє про ключові параметри за допомогою аналізу чутливості між різними дизайнами та вхідними змінними.Початкова довжина дроту SMA (\(l_0\)), перистий кут (\(\alpha\)) і кількість одиночних ниток (n) у кожній окремій нитці мають сильний негативний вплив на величину рушійної сили.сила, тоді як вхідна напруга (енергія) виявилася позитивно корельованою.
Дріт SMA демонструє ефект пам’яті форми (SME), який можна побачити в сімействі сплавів нікель-титан (Ni-Ti).Як правило, SMA демонструють дві фази, що залежать від температури: фазу низької температури та фазу високої температури.Обидві фази мають унікальні властивості завдяки наявності різних кристалічних структур.У фазі аустеніту (фазі високої температури), що існує вище температури перетворення, матеріал демонструє високу міцність і погано деформується під навантаженням.Сплав веде себе як нержавіюча сталь, тому він здатний витримувати більш високий тиск приведення в дію.Використовуючи цю властивість сплавів Ni-Ti, дроти SMA нахилені, щоб утворити привід.Розроблено відповідні аналітичні моделі для розуміння фундаментальної механіки термічної поведінки SMA під впливом різних параметрів і різних геометрій.Було отримано хорошу узгодженість між експериментальними та аналітичними результатами.
Було проведено експериментальне дослідження прототипу, показаного на рис. 9а, для оцінки продуктивності бімодального приводу на основі SMA.Дві з цих властивостей, сила, що створюється приводом (м’язова сила), і температура дроту SMA (температура SMA), були виміряні експериментально.У міру збільшення різниці напруг по всій довжині дроту в приводі температура дроту зростає через ефект нагріву Джоуля.Вхідна напруга подавалася у двох 10-секундних циклах (показаних червоними крапками на рис. 2a, b) з 15-секундним періодом охолодження між кожним циклом.Силу блокування вимірювали за допомогою п’єзоелектричного тензодатчика, а розподіл температури дроту SMA відстежували в режимі реального часу за допомогою камери LWIR наукового класу з високою роздільною здатністю (див. характеристики обладнання, що використовується в таблиці 2).показує, що під час фази високої напруги температура дроту монотонно зростає, але коли струм не тече, температура дроту продовжує падати.У поточній експериментальній установці температура дроту SMA впала під час фази охолодження, але вона все ще була вище температури навколишнього середовища.На рис.2e показує знімок температури на дроті SMA, зроблений з камери LWIR.З іншого боку, на рис.2а показано силу блокування, створювану системою приводу.Коли м’язова сила перевищує відновну силу пружини, рухома рука, як показано на малюнку 9а, починає рухатися.Як тільки починається активація, рухома рука вступає в контакт з датчиком, створюючи силу тіла, як показано на рис.2c, d.Коли максимальна температура близька до \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), максимальна спостережувана сила становить 105 Н.
На графіку показано експериментальні результати температури дроту SMA та сили, створюваної бімодальним приводом на основі SMA протягом двох циклів.Вхідна напруга подається у два цикли по 10 секунд (показано червоними крапками) з 15-секундним періодом охолодження між кожними циклами.Дріт SMA, який використовувався для експериментів, був дротом Flexinol діаметром 0,51 мм від Dynalloy, Inc. (a) Графік показує експериментальну силу, отриману за два цикли, (c, d) показує два незалежні приклади дії приводів рухомої руки на п’єзоелектричний перетворювач сили PACEline CFT/5kN, (b) графік показує максимальну температуру всього дроту SMA протягом двох циклів, (e) показує температуру знімок, зроблений з проводу SMA за допомогою камери LWIR програмного забезпечення FLIR ResearchIR.Геометричні параметри, враховані в дослідах, наведені в табл.один.
Результати моделювання математичної моделі та експериментальні результати порівнюються за умови вхідної напруги 7 В, як показано на рис.5.За результатами параметричного аналізу та з метою уникнення можливості перегріву дроту SMA на актуатор подано потужність 11,2 Вт.Програмоване джерело живлення постійного струму використовувалося для подачі 7 В як вхідна напруга, і було виміряно струм 1,6 А по дроту.Сила, створювана приводом, і температура SDR збільшуються, коли подається струм.При вхідній напрузі 7 В максимальна вихідна сила, отримана за результатами моделювання та експериментальними результатами першого циклу, становить 78 Н і 96 Н відповідно.У другому циклі максимальна вихідна сила за результатами моделювання та експерименту становила 150 Н та 105 Н відповідно.Розбіжність між вимірюваннями сили оклюзії та експериментальними даними може бути пов’язана з методом, який використовується для вимірювання сили оклюзії.Результати експерименту, показані на рис.5a відповідають вимірюванню сили блокування, яка, у свою чергу, була виміряна, коли приводний вал був у контакті з п’єзоелектричним перетворювачем сили PACEline CFT/5kN, як показано на рис.2s.Тому, коли ведучий вал не контактує з датчиком сили на початку зони охолодження, сила відразу стає нульовою, як показано на рис. 2d.Крім того, іншими параметрами, що впливають на формування сили в наступних циклах, є значення часу охолодження і коефіцієнта конвективної тепловіддачі в попередньому циклі.З рис.2b, можна побачити, що після 15-секундного періоду охолодження провід SMA не досяг кімнатної температури і, отже, мав вищу початкову температуру (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) у другому циклі руху порівняно з першим циклом (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Таким чином, порівняно з першим циклом, температура дроту SMA під час другого циклу нагрівання досягає початкової температури аустеніту (\(A_s\)) раніше і залишається в перехідному періоді довше, що призводить до напруги та сили.З іншого боку, розподіли температури під час циклів нагрівання та охолодження, отримані в результаті експериментів і моделювання, мають високу якісну подібність до прикладів термографічного аналізу.Порівняльний аналіз теплових даних дроту SMA з експериментів і симуляцій показав узгодженість під час циклів нагрівання та охолодження та в межах прийнятних допусків для експериментальних даних.Максимальна температура дроту SMA, отримана за результатами моделювання та експериментів першого циклу, становить \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) та \(75\,^{\circ }\hbox { C }\ відповідно), а в другому циклі максимальна температура дроту SMA становить \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) та \(83\,^{\ circ }\ hbox {C}\).Фундаментально розроблена модель підтверджує дію ефекту пам'яті форми.Роль втоми та перегріву в цьому огляді не розглядалася.У майбутньому модель буде вдосконалено, щоб включити історію напруги дроту SMA, що зробить її більш придатною для інженерних застосувань.Вихідна сила приводу та температурні графіки SMA, отримані з блоку Simulink, знаходяться в межах допустимих відхилень експериментальних даних за умови вхідного імпульсу напруги 7 В. Це підтверджує коректність та надійність розробленої математичної моделі.
Математична модель була розроблена в середовищі MathWorks Simulink R2020b з використанням основних рівнянь, описаних у розділі «Методи».На рис.3b показана блок-схема математичної моделі Simulink.Модель була змодельована для імпульсу вхідної напруги 7 В, як показано на рис. 2a, b.Значення параметрів, що використовуються при моделюванні, наведені в таблиці 1. Результати моделювання перехідних процесів представлені на малюнках 1 і 1. На малюнках 3а і 4. На рис.4a,b показує індуковану напругу в дроті SMA та силу, створювану приводом, як функцію часу. Під час зворотного перетворення (нагрівання), коли температура дроту SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура початку фази аустеніту, модифікованого напругою), швидкість зміни об'ємної частки мартенситу (\(\dot{\xi }\)) буде дорівнювати нулю. Під час зворотного перетворення (нагрівання), коли температура дроту SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура початку фази аустеніту, модифікованого напругою), швидкість зміни об'ємної частки мартенситу (\(\dot{\ xi }\)) буде дорівнювати нулю. Під час зворотного перетворення (нагрівання), коли температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура початку аустенітної фази, модифікована напруга), швидкість зміни об'ємної доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) буде рівною нулю. Під час зворотного перетворення (нагрівання), коли температура дроту SMA \(T < A_s^{\prime}\) (температура початку модифікованого напругою аустеніту), швидкість зміни об'ємної частки мартенситу (\(\dot{\ xi }\ )) дорівнюватиме 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
(a) Результат моделювання, що показує розподіл температури та спричинену напругою температуру з’єднання в дивалератному приводі на основі SMA.Коли температура дроту перетинає температуру переходу аустеніту на стадії нагрівання, температура переходу модифікованого аустеніту починає збільшуватися, і аналогічно, коли температура дроту перетинає температуру переходу мартенситу на стадії охолодження, температура переходу мартенситу знижується.SMA для аналітичного моделювання процесу запуску.(Для детального перегляду кожної підсистеми моделі Simulink перегляньте розділ додатків додаткового файлу.)
Результати аналізу для різних розподілів параметрів показані для двох циклів вхідної напруги 7 В (10 секунд циклів розігріву та 15 секунд циклів охолодження).Хоча (ac) і (e) зображують розподіл у часі, з іншого боку, (d) і (f) ілюструють розподіл із температурою.Для відповідних вхідних умов максимальна спостережувана напруга становить 106 МПа (менше 345 МПа, межа текучості дроту), сила становить 150 Н, максимальне зміщення становить 270 мкм, а мінімальна об’ємна частка мартенситу становить 0,91.З іншого боку, зміна напруги та зміна об’ємної частки мартенситу з температурою подібні до гістерезисних характеристик.
Те саме пояснення стосується прямого перетворення (охолодження) з фази аустеніту в фазу мартенситу, де температура дроту SMA (T) і кінцева температура модифікованої напругою фази мартенситу (\(M_f^{\prime}\ )) відмінні.На рис.4d,f показано зміну індукованої напруги (\(\sigma\)) та об’ємної частки мартенситу (\(\xi\)) у дроті SMA як функцію зміни температури дроту SMA (T) для обох циклів руху.На рис.На рисунку 3а показано зміну температури дроту SMA з часом залежно від імпульсу вхідної напруги.Як видно з малюнка, температура дроту продовжує збільшуватися за рахунок забезпечення джерела тепла при нульовій напрузі та подальшого конвективного охолодження.Під час нагрівання повторне перетворення мартенситу в фазу аустеніту починається, коли температура дроту SMA (T) перетинає температуру зародження аустеніту з поправкою на напругу (\(A_s^{\prime}\)).Під час цієї фази дріт SMA стискається, і привід створює силу.Крім того, під час охолодження, коли температура дроту SMA (T) перетинає температуру зародження фази мартенситу, модифікованої напругою (\(M_s^{\prime}\)), відбувається позитивний перехід від фази аустеніту до фази мартенситу.рушійна сила зменшується.
Основні якісні аспекти бімодального приводу на основі SMA можна отримати з результатів моделювання.У разі введення імпульсу напруги температура дроту SMA підвищується за рахунок ефекту нагріву Джоуля.Початкове значення об’ємної частки мартенситу (\(\xi\)) встановлено рівним 1, оскільки спочатку матеріал знаходиться в повністю мартенситній фазі.Оскільки дріт продовжує нагріватися, температура дроту SMA перевищує температуру зародження аустеніту з поправкою на напругу \(A_s^{\prime}\), що призводить до зменшення об’ємної частки мартенситу, як показано на малюнку 4c.Крім того, на рис.4е показано розподіл ходів приводу в часі, а на рис.5 – рушійна сила як функція часу.Пов’язана система рівнянь включає температуру, об’ємну частку мартенситу та напругу, яка розвивається в дроті, що призводить до усадки дроту SMA та сили, створюваної приводом.Як показано на рис.4d,f, зміна напруги з температурою та зміна об’ємної частки мартенситу з температурою відповідають характеристикам гістерезису SMA у змодельованому випадку при 7 В.
Порівняння параметрів руху було отримано шляхом експериментів та аналітичних розрахунків.Дроти піддавали імпульсній вхідній напрузі 7 В протягом 10 секунд, потім охолоджували протягом 15 секунд (фаза охолодження) протягом двох циклів.Перистий кут встановлено на \(40^{\circ}\), а початкова довжина дроту SMA у кожній одній ніжці штиря встановлена на 83 мм.(a) Вимірювання рушійної сили за допомогою тензодатчика (b) Контроль температури дроту за допомогою теплової інфрачервоної камери.
Щоб зрозуміти вплив фізичних параметрів на силу, створювану приводом, було проведено аналіз чутливості математичної моделі до вибраних фізичних параметрів, а параметри ранжовано за їх впливом.По-перше, вибірка параметрів моделі була виконана з використанням принципів планування експерименту, які дотримувалися рівномірного розподілу (див. Додатковий розділ про аналіз чутливості).У цьому випадку параметри моделі включають вхідну напругу (\(V_{in}\)), початкову довжину дроту SMA (\(l_0\)), кут трикутника (\(\alpha\)), постійну пружини зсуву (\(K_x\ )), коефіцієнт конвективної теплопередачі (\(h_T\)) і кількість унімодальних гілок (n).На наступному кроці в якості вимоги до дизайну дослідження було обрано пікову м’язову силу, і було отримано параметричні ефекти кожного набору змінних на силу.Графіки торнадо для аналізу чутливості були отримані з коефіцієнтів кореляції для кожного параметра, як показано на рис. 6а.
(a) Значення коефіцієнта кореляції параметрів моделі та їх вплив на максимальну вихідну силу 2500 унікальних груп вищевказаних параметрів моделі показано на графіку торнадо.На графіку показано рангове співвідношення кількох показників.Зрозуміло, що \(V_{in}\) — єдиний параметр із позитивною кореляцією, а \(l_0\) — параметр із найвищою негативною кореляцією.Вплив різних параметрів у різних комбінаціях на пік м’язової сили показано на (b, c).\(K_x\) коливається від 400 до 800 Н/м, а n — від 4 до 24. Напруга (\(V_{in}\)) змінюється від 4 В до 10 В, довжина дроту (\(l_{0 } \)) змінюється від 40 до 100 мм, а кут хвоста (\ (\alpha \)) змінюється від \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
На рис.6a показує діаграму торнадо різних коефіцієнтів кореляції для кожного параметра з вимогами до максимальної рушійної сили.З рис.6а видно, що параметр напруги (\(V_{in}\)) безпосередньо пов’язаний із максимальною вихідною силою, а коефіцієнт конвективної теплопередачі (\(h_T\)), кут полум’я (\ ( \alpha\)) , постійна пружини зміщення (\(K_x\)) негативно корелюють із вихідною силою та початковою довжиною (\(l_0\)) дроту SMA та кількістю унімодальних гілок es (n) показує сильну зворотну кореляцію У випадку прямої кореляції У разі більш високого значення коефіцієнта кореляції напруги (\(V_ {in}\)) вказує на те, що цей параметр має найбільший вплив на вихідну потужність.Інший подібний аналіз вимірює пікову силу шляхом оцінки впливу різних параметрів у різних комбінаціях двох обчислювальних просторів, як показано на рис. 6b, c.\(V_{in}\) і \(l_0\), \(\alpha\) і \(l_0\) мають подібні шаблони, і графік показує, що \(V_{in}\) і \(\alpha\ ) і \(\alpha\) мають подібні шаблони.Менші значення \(l_0\) призводять до вищих пікових сил.Інші два графіки узгоджуються з малюнком 6a, де n і \(K_x\) негативно корельовані, а \(V_{in}\) позитивно корельовані.Цей аналіз допомагає визначити та налаштувати впливові параметри, за допомогою яких вихідна сила, хід і ефективність системи приводу можуть бути адаптовані до вимог і застосування.
Поточна дослідницька робота представляє та досліджує ієрархічні приводи з N рівнями.У дворівневій ієрархії, як показано на рис. 7a, де замість кожного дроту SMA приводу першого рівня досягається бімодальне розташування, як показано на рис.9e.На рис.7c показано, як дріт SMA намотується навколо рухомого важеля (допоміжного важеля), який рухається лише в поздовжньому напрямку.Однак основний рухомий важіль продовжує рухатися так само, як і рухомий важіль багатоступінчастого приводу 1-го ступеня.Як правило, N-ступінчастий привід створюється шляхом заміни дроту SMA рівня \(N-1\) на привід першого ступеня.В результаті кожна гілка імітує привід першого ступеня, за винятком гілки, яка утримує сам провід.Таким чином можуть утворюватися гніздові структури, які створюють зусилля, які в кілька разів перевищують зусилля первинних приводів.У цьому дослідженні для кожного рівня була врахована загальна ефективна довжина дроту SMA 1 м, як показано в табличному форматі на рис. 7d.Струм через кожен дріт у кожній унімодальній конструкції та кінцеве попереднє напруження та напруга в кожному сегменті дроту SMA однакові на кожному рівні.Відповідно до нашої аналітичної моделі вихідна сила позитивно корелює з рівнем, тоді як переміщення негативно корелює.У той же час існував компроміс між переміщенням і м’язовою силою.Як видно на рис.7б, в той час як максимальна сила досягається в найбільшій кількості шарів, найбільше зміщення спостерігається в найнижчому шарі.Коли рівень ієрархії було встановлено на \(N=5\), було знайдено пік м'язової сили 2,58 кН з 2 спостережуваними ударами \(\upmu\)м.З іншого боку, привід першого ступеня створює силу 150 Н при ході 277 \(\upmu\)м.Багаторівневі приводи здатні імітувати справжні біологічні м’язи, де штучні м’язи на основі сплавів з пам’яттю форми здатні створювати значно вищі сили за допомогою точних і тонких рухів.Обмеження цієї мініатюрної конструкції полягають у тому, що зі збільшенням ієрархії рух значно зменшується, а процес виготовлення приводу ускладнюється.
(a) Двоступенева (\(N=2\)) багатошарова система лінійного приводу зі сплаву з пам'яттю форми показана в бімодальній конфігурації.Запропонована модель досягається шляхом заміни дроту SMA в першому багатошаровому приводі на інший одноступеневий багатошаровий привод.(c) Деформована конфігурація багатошарового приводу другого ступеня.(b) Описано розподіл сил і переміщень залежно від кількості рівнів.Було виявлено, що пікова сила приводу позитивно корелює з рівнем шкали на графіку, тоді як хід негативно корелює з рівнем шкали.Струм і попередня напруга в кожному дроті залишаються постійними на всіх рівнях.(d) У таблиці показано кількість відводів і довжину дроту SMA (волокна) на кожному рівні.Характеристики проводів позначаються індексом 1, а кількість вторинних відгалужень (одна з'єднана з первинною ніжкою) вказується найбільшою цифрою в нижньому індексі.Наприклад, на рівні 5 \(n_1\) відноситься до кількості проводів SMA, присутніх у кожній бімодальній структурі, а \(n_5\) стосується кількості допоміжних гілок (одна з них підключена до основної гілки).
Багато дослідників запропонували різні методи для моделювання поведінки SMA з пам’яттю форми, які залежать від термомеханічних властивостей, що супроводжують макроскопічні зміни в кристалічній структурі, пов’язані з фазовим переходом.Формулювання конститутивних методів за своєю суттю складне.Найбільш часто використовувана феноменологічна модель запропонована Tanaka28 і широко використовується в інженерних додатках.Феноменологічна модель, запропонована Танакою [28], передбачає, що об’ємна частка мартенситу є експоненціальною функцією температури та напруги.Пізніше Лян, Роджерс29 і Брінсон30 запропонували модель, у якій динаміка фазового переходу вважалася косинусною функцією напруги та температури, з невеликими змінами моделі.Беккер і Брінсон запропонували кінетичну модель на основі фазової діаграми для моделювання поведінки матеріалів SMA за довільних умов навантаження, а також часткових переходів.Банерджі32 використовує метод динаміки фазової діаграми Беккера та Брінсона31 для моделювання маніпулятора з одним ступенем свободи, розробленого Елахінією та Ахмадіаном33.Кінетичні методи, засновані на фазових діаграмах, які враховують немонотонну зміну напруги з температурою, важко реалізувати в інженерних додатках.Елахінія та Ахмадіан звертають увагу на ці недоліки існуючих феноменологічних моделей і пропонують розширену феноменологічну модель для аналізу та визначення поведінки пам’яті форми за будь-яких складних умов навантаження.
Структурна модель дроту SMA дає напругу (\(\sigma\)), деформацію (\(\epsilon\)), температуру (T) і об’ємну частку мартенситу (\(\xi\)) дроту SMA.Феноменологічна конститутивна модель була вперше запропонована Танакою28, а пізніше прийнята Ліангом29 і Брінсоном30.Похідна рівняння має вигляд:
де E — залежний від фази SMA модуль Юнга, отриманий за допомогою \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) і \(E_A\) і \(E_M\), що представляють модуль Юнга, є аустенітною та мартенситною фазами відповідно, а коефіцієнт теплового розширення представлено \(\theta _T\).Коефіцієнт внеску фазового переходу дорівнює \(\Omega = -E \epsilon _L\), а \(\epsilon _L\) — максимальна відновлювана деформація в дроті SMA.
Рівняння фазової динаміки збігається з функцією косинуса, розробленою Liang29 і пізніше прийнятою Brinson30 замість експоненціальної функції, запропонованої Tanaka28.Модель фазового переходу є розширенням моделі, запропонованої Elakhinia і Ahmadian34 і модифікованої на основі умов фазового переходу, наданих Liang29 і Brinson30.Умови, використані для цієї моделі фазового переходу, справедливі при складних термомеханічних навантаженнях.У кожен момент часу при моделюванні визначального рівняння розраховується значення об’ємної частки мартенситу.
Основне рівняння повторного перетворення, виражене перетворенням мартенситу в аустеніт в умовах нагрівання, виглядає наступним чином:
де \(\xi\) – об’ємна частка мартенситу, \(\xi _M\) – об’ємна частка мартенситу, отриманого до нагрівання, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) і \(C_A\) – параметри апроксимації кривої, T – температура дроту SMA, \(A_s\) і \(A _f\) – температура початку і кінця фази аустеніту відповідно.
Рівняння контролю прямого перетворення, представлене фазовим перетворенням аустеніту в мартенсит в умовах охолодження, є:
де \(\xi _A\) – об’ємна частка мартенситу, отриманого до охолодження, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) і \ ( C_M \) – параметри підгонки кривої, T – температура дроту SMA, \(M_s\) і \(M_f\) – початкова та кінцева температури мартенситу відповідно.
Після диференціювання рівнянь (3) і (4) рівняння зворотного та прямого перетворення спрощуються до наступного вигляду:
Під час прямого та зворотного перетворення \(\eta _{\sigma}\) і \(\eta _{T}\) приймають різні значення.Основні рівняння, пов’язані з \(\eta _{\sigma}\) і \(\eta _{T}\), були виведені та детально обговорені в додатковому розділі.
Теплова енергія, необхідна для підвищення температури дроту SMA, надходить від ефекту нагрівання Джоуля.Теплова енергія, що поглинається або виділяється дротом SMA, представлена прихованою теплотою перетворення.Втрата тепла в дроті SMA зумовлена примусовою конвекцією, і враховуючи незначний вплив випромінювання, рівняння балансу теплової енергії має такий вигляд:
Де \(m_{wire}\) — загальна маса дроту SMA, \(c_{p}\) — питома теплоємність SMA, \(V_{in}\) — напруга, що прикладається до дроту, \(R_{ohm} \ ) — залежний від фази опір SMA, визначений як;\(R_{ом} = (l/A_{хрест})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ), де \(r_M\ ) і \(r_A\) — питомий опір фази SMA в мартенситі та аустеніті відповідно, \(A_{c}\) — площа поверхні дроту SMA, \(\Delta H \) — сплав із пам’яттю форми.Прихована теплота переходу дроту T і \(T_{\infty}\) є температурами дроту SMA та навколишнього середовища відповідно.
Коли приводиться в дію дріт зі сплаву з пам’яттю форми, дріт стискається, створюючи силу в кожній гілці бімодальної конструкції, яка називається силою волокна.Сили волокон у кожній нитці дроту SMA разом створюють м’язову силу для приведення в дію, як показано на рис. 9e.Завдяки наявності зміщувальної пружини сумарна мускульна сила N-го багатошарового актуатора становить:
Підставляючи \(N = 1\) у рівняння (7), м'язову силу прототипу бімодального приводу першого ступеня можна отримати таким чином:
де n — кількість унімодальних гілок, \(F_m\) — м’язова сила, створена приводом, \(F_f\) — міцність волокна в дроті SMA, \(K_x\) — жорсткість зсуву.пружина, \(\alpha\) — кут трикутника, \(x_0\) — початкове зміщення пружини зміщення, яка утримує кабель SMA у попередньо натягнутому положенні, а \(\Delta x\) — хід приводу.
Загальний переміщення або переміщення приводу (\(\Delta x\)) залежно від напруги (\(\sigma\)) і деформації (\(\epsilon\)) на дроті SMA N-го каскаду приводу встановлено значення (див. рис. Додаткова частина виводу):
Кінематичні рівняння визначають зв’язок між деформацією приводу (\(\epsilon\)) і переміщенням або переміщенням (\(\Delta x\)).Деформація дроту Arb як функція початкової довжини дроту Arb (\(l_0\)) і довжини дроту (l) у будь-який момент часу t в одній унімодальній гілці виглядає наступним чином:
де \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) отримано шляхом застосування формули косинуса в \(\Delta\)ABB ', як показано на малюнку 8. Для приводу першого ступеня (\(N = 1\)) \(\Delta x_1\) є \(\Delta x\), і \(\alpha _1\) дорівнює \(\alpha \), як показано на малюнку 8, диференціюючи час із рівняння (11) і замінюючи значення l, швидкість деформації можна записати як:
де \(l_0\) — початкова довжина дроту SMA, l — довжина дроту в будь-який момент часу t в одній унімодальній гілці, \(\epsilon\) — деформація, що розвивається в дроті SMA, і \(\alpha \) — кут трикутника, \(\Delta x\) — зміщення приводу (як показано на малюнку 8).
Усі n однопікових структур (\(n=6\) на цьому малюнку) з'єднані послідовно з \(V_{in}\) як вхідна напруга.Етап I: схематична діаграма дроту SMA у бімодальній конфігурації за умов нульової напруги. Етап II: показано керовану структуру, де дріт SMA стискається через зворотне перетворення, як показано червоною лінією.
На підтвердження концепції було розроблено бімодальний привід на основі SMA, щоб перевірити змодельоване виведення базових рівнянь за допомогою експериментальних результатів.CAD-модель бімодального лінійного приводу показана на рис.9а.З іншого боку, на рис.9c показана нова конструкція, запропонована для ротаційного призматичного з'єднання з використанням двоплощинного приводу на основі SMA з бімодальною структурою.Компоненти приводу були виготовлені за допомогою адитивного виробництва на 3D-принтері Ultimaker 3 Extended.Матеріалом для 3D-друку компонентів є полікарбонат, який підходить для термостійких матеріалів, оскільки він міцний, довговічний і має високу температуру склування (110-113 \(^{\circ }\) C).Крім того, в експериментах використовувався дріт зі сплаву з пам’яттю форми Dynalloy, Inc. Flexinol, і в моделюванні використовувалися властивості матеріалу, що відповідають дроту Flexinol.Кілька дротів SMA розташовані у вигляді волокон, присутніх у бімодальному розташуванні м’язів, щоб отримати високі сили, створювані багатошаровими приводами, як показано на рис. 9b, d.
Як показано на малюнку 9а, гострий кут, утворений дротом SMA рухомого плеча, називається кутом (\(\alpha\)).За допомогою клемних затискачів, прикріплених до лівого та правого затискачів, дріт SMA утримується під потрібним бімодальним кутом.Пристрій пружини зміщення, що тримається на з’єднувачі пружини, призначений для регулювання різних груп подовжувачів пружини зміщення відповідно до кількості (n) волокон SMA.Крім того, розташування рухомих частин розроблено таким чином, що провід SMA піддається впливу зовнішнього середовища для примусового конвекційного охолодження.Верхня та нижня пластини знімного вузла допомагають зберігати дріт SMA холодним завдяки екструдованим вирізам, призначеним для зменшення ваги.Крім того, обидва кінці дроту CMA кріпляться до лівого і правого затискачів відповідно за допомогою обтиску.Плунжер прикріплений до одного кінця рухомого вузла, щоб зберегти зазор між верхньою та нижньою пластинами.Поршень також використовується для застосування блокуючої сили до датчика через контакт для вимірювання блокуючої сили під час натискання дроту SMA.
Бімодальна м’язова структура SMA електрично з’єднана послідовно та живиться від вхідної імпульсної напруги.Під час циклу імпульсу напруги, коли подається напруга і дріт SMA нагрівається вище початкової температури аустеніту, довжина дроту в кожній жилі скорочується.Це втягування активує рухомий вузол важеля.Коли напруга обнулялася в тому самому циклі, нагріта дріт SMA охолоджувалася нижче температури поверхні мартенситу, таким чином повертаючись у вихідне положення.За умов нульового напруження дріт SMA спочатку пасивно розтягується пружиною зсуву, щоб досягти роздвоєного мартенситного стану.Гвинт, через який проходить дріт SMA, рухається за рахунок стиснення, створюваного подачею імпульсу напруги на дріт SMA (SPA досягає фази аустеніту), що призводить до приведення в дію рухомого важеля.Коли дріт SMA втягується, пружина зміщення створює протидіючу силу, ще більше розтягуючи пружину.Коли напруга в імпульсній напрузі стає нульовою, дріт SMA подовжується і змінює свою форму внаслідок примусового конвекційного охолодження, досягаючи подвійної мартенситної фази.
Запропонована система лінійного приводу на основі SMA має бімодальну конфігурацію, в якій дроти SMA розташовані під кутом.(a) зображує модель САПР прототипу, де згадуються деякі компоненти та їх значення для прототипу, (b, d) представляють розроблений експериментальний прототип35.У той час як (b) показує вид зверху прототипу з електричними з’єднаннями та використаними пружинами зміщення та тензодатчиками, (d) показує перспективний вигляд установки.(e) Діаграма лінійної системи приводу з дротами SMA, розміщеними бімодально в будь-який момент часу t, показуючи напрямок і хід волокон і силу м’язів.(c) Ротаційне призматичне з’єднання з 2 DOF було запропоновано для розгортання двоплощинного приводу на основі SMA.Як показано, ланка передає лінійний рух від нижнього приводу до верхнього важеля, створюючи обертальне з’єднання.З іншого боку, рух пари призм такий же, як рух багатошарового приводу першого ступеня.
Було проведено експериментальне дослідження прототипу, показаного на рис. 9b, щоб оцінити продуктивність бімодального приводу на основі SMA.Як показано на малюнку 10а, експериментальна установка складалася з програмованого джерела живлення постійного струму для подачі вхідної напруги на дроти SMA.Як показано на рис.10b, п’єзоелектричний тензодатчик (PACEline CFT/5kN) використовувався для вимірювання сили блокування за допомогою реєстратора даних Graphtec GL-2000.Дані записуються хостом для подальшого вивчення.Тензодатчики та підсилювачі заряду вимагають постійного джерела живлення для створення сигналу напруги.Відповідні сигнали перетворюються на вихідну потужність відповідно до чутливості п’єзоелектричного датчика сили та інших параметрів, як описано в таблиці 2. Коли подається імпульс напруги, температура дроту SMA збільшується, спричиняючи стиснення дроту SMA, що змушує привод генерувати силу.Експериментальні результати виведення м’язової сили імпульсом вхідної напруги 7 В наведено на рис.2а.
(a) Система лінійного приводу на основі SMA була створена в експерименті для вимірювання сили, створюваної приводом.Датчик навантаження вимірює силу блокування та живиться від джерела живлення 24 В постійного струму.Падіння напруги 7 В було застосовано по всій довжині кабелю за допомогою програмованого джерела живлення постійного струму GW Instek.Дріт SMA стискається через нагрівання, а рухомий важіль контактує з тензодатчиком і чинить блокуючу силу.Датчик навантаження підключається до реєстратора даних GL-2000, і дані зберігаються на хості для подальшої обробки.(b) Діаграма, що показує ланцюжок компонентів експериментальної установки для вимірювання м’язової сили.
Сплави з пам’яттю форми збуджуються під дією теплової енергії, тому температура стає важливим параметром для вивчення явища пам’яті форми.Експериментально, як показано на рис. 11а, тепловізор і вимірювання температури проводилися на прототипі дивалерного приводу на основі SMA.Програмоване джерело постійного струму подавало вхідну напругу до проводів SMA в експериментальній установці, як показано на малюнку 11b.Зміну температури дроту SMA вимірювали в реальному часі за допомогою камери LWIR високої роздільної здатності (FLIR A655sc).Хост використовує програмне забезпечення ResearchIR для запису даних для подальшої обробки.Коли подається імпульс напруги, температура дроту SMA підвищується, що спричиняє усадку дроту SMA.На рис.На малюнку 2b показано експериментальні результати залежності температури дроту SMA від часу для імпульсу вхідної напруги 7 В.
Час публікації: 28 вересня 2022 р