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Los actuadores se utilizan en todas partes y crean un movimiento controlado al aplicar la fuerza de excitación o el par de torsión correctos para realizar diversas operaciones en la fabricación y la automatización industrial.La necesidad de unidades más rápidas, más pequeñas y más eficientes está impulsando la innovación en el diseño de unidades.Las unidades de aleación con memoria de forma (SMA) ofrecen una serie de ventajas sobre las unidades convencionales, incluida una alta relación potencia-peso.En esta disertación, se desarrolló un actuador basado en SMA de dos plumas que combina las ventajas de los músculos plumosos de los sistemas biológicos y las propiedades únicas de los SMA.Este estudio explora y amplía los actuadores SMA anteriores mediante el desarrollo de un modelo matemático del nuevo actuador basado en la disposición bimodal del cable SMA y la prueba experimental.En comparación con los accionamientos conocidos basados en SMA, la fuerza de accionamiento del nuevo accionamiento es al menos 5 veces mayor (hasta 150 N).La pérdida de peso correspondiente es de alrededor del 67%.Los resultados del análisis de sensibilidad de los modelos matemáticos son útiles para ajustar los parámetros de diseño y comprender los parámetros clave.Este estudio presenta además una unidad de etapa N de varios niveles que se puede utilizar para mejorar aún más la dinámica.Los actuadores musculares de dipvalerato basados en SMA tienen una amplia gama de aplicaciones, desde la automatización de edificios hasta sistemas de administración de fármacos de precisión.
Los sistemas biológicos, como las estructuras musculares de los mamíferos, pueden activar muchos actuadores sutiles1.Los mamíferos tienen diferentes estructuras musculares, cada una con un propósito específico.Sin embargo, gran parte de la estructura del tejido muscular de los mamíferos se puede dividir en dos amplias categorías.Paralelo y pinnado.En los isquiotibiales y otros flexores, como su nombre indica, la musculatura paralela tiene fibras musculares paralelas al tendón central.La cadena de fibras musculares está alineada y conectada funcionalmente por el tejido conectivo que las rodea.Aunque se dice que estos músculos tienen una gran excursión (acortamiento porcentual), su fuerza muscular general es muy limitada.Por el contrario, en el músculo tríceps de la pantorrilla2 (gastrocnemio lateral (GL)3, gastrocnemio medial (GM)4 y sóleo (SOL)) y extensor femoral (cuádriceps)5,6 se encuentra tejido muscular pennado en cada músculo7.En una estructura pinnada, las fibras musculares de la musculatura bipinnada están presentes a ambos lados del tendón central en ángulos oblicuos (ángulos pinnados).Pennate proviene de la palabra latina "penna", que significa "bolígrafo" y, como se muestra en la fig.1 tiene una apariencia similar a una pluma.Las fibras de los músculos penados son más cortas y están anguladas con respecto al eje longitudinal del músculo.Debido a la estructura pinnada, la movilidad general de estos músculos se reduce, lo que conduce a los componentes transversal y longitudinal del proceso de acortamiento.Por otro lado, la activación de estos músculos conduce a una mayor fuerza muscular general debido a la forma en que se mide el área transversal fisiológica.Por lo tanto, para un área de sección transversal dada, los músculos pinnados serán más fuertes y generarán fuerzas más altas que los músculos con fibras paralelas.Las fuerzas generadas por fibras individuales generan fuerzas musculares a nivel macroscópico en ese tejido muscular.Además, tiene propiedades únicas como contracción rápida, protección contra daños por tracción, amortiguación.Transforma la relación entre la entrada de fibras y la producción de potencia muscular al explotar las características únicas y la complejidad geométrica de la disposición de las fibras asociadas con las líneas de acción muscular.
Se muestran diagramas esquemáticos de diseños de actuadores basados en SMA existentes en relación con una arquitectura muscular bimodal, por ejemplo (a), que representan la interacción de la fuerza táctil en la que un dispositivo con forma de mano accionado por cables SMA se monta en un robot móvil autónomo de dos ruedas9,10., (b) Prótesis orbitaria robótica con prótesis orbitaria SMA con resorte colocada antagónicamente.La posición del ojo protésico está controlada por una señal del músculo ocular del ojo11, (c) Los actuadores SMA son ideales para aplicaciones subacuáticas debido a su respuesta de alta frecuencia y bajo ancho de banda.En esta configuración, los actuadores SMA se usan para crear movimiento ondulatorio simulando el movimiento de los peces, (d) los actuadores SMA se usan para crear un robot de inspección de microtuberías que puede usar el principio de movimiento de tornillo sin fin, controlado por el movimiento de los cables SMA dentro del canal 10, (e) muestra la dirección de contracción de las fibras musculares y la generación de fuerza contráctil en el tejido gastrocnemio, (f) muestra los cables SMA dispuestos en forma de fibras musculares en la estructura del músculo pennado.
Los actuadores se han convertido en una parte importante de los sistemas mecánicos debido a su amplia gama de aplicaciones.Por lo tanto, la necesidad de unidades más pequeñas, rápidas y eficientes se vuelve crítica.A pesar de sus ventajas, las unidades tradicionales han demostrado ser costosas y requieren mucho tiempo de mantenimiento.Los actuadores hidráulicos y neumáticos son complejos y costosos y están sujetos a desgaste, problemas de lubricación y fallas en los componentes.En respuesta a la demanda, la atención se centra en el desarrollo de actuadores avanzados, rentables y de tamaño optimizado basados en materiales inteligentes.La investigación en curso busca actuadores en capas de aleación con memoria de forma (SMA) para satisfacer esta necesidad.Los actuadores jerárquicos son únicos en el sentido de que combinan muchos actuadores discretos en subsistemas de escala macro geométricamente complejos para proporcionar una funcionalidad aumentada y ampliada.A este respecto, el tejido muscular humano descrito anteriormente proporciona un excelente ejemplo multicapa de dicha actuación multicapa.El estudio actual describe un impulso SMA de varios niveles con varios elementos impulsores individuales (cables SMA) alineados con las orientaciones de las fibras presentes en los músculos bimodales, lo que mejora el rendimiento general del impulso.
El objetivo principal de un actuador es generar una salida de potencia mecánica, como fuerza y desplazamiento, mediante la conversión de energía eléctrica.Las aleaciones con memoria de forma son una clase de materiales "inteligentes" que pueden restaurar su forma a altas temperaturas.Bajo altas cargas, un aumento en la temperatura del cable SMA conduce a la recuperación de la forma, lo que resulta en una mayor densidad de energía de actuación en comparación con varios materiales inteligentes unidos directamente.Al mismo tiempo, bajo cargas mecánicas, los SMA se vuelven quebradizos.Bajo ciertas condiciones, una carga cíclica puede absorber y liberar energía mecánica, exhibiendo cambios de forma histeréticos reversibles.Estas propiedades únicas hacen que SMA sea ideal para sensores, amortiguación de vibraciones y, especialmente, actuadores12.Con esto en mente, se ha investigado mucho sobre las unidades basadas en SMA.Cabe señalar que los actuadores basados en SMA están diseñados para proporcionar movimiento de traslación y rotación para una variedad de aplicaciones13,14,15.Aunque se han desarrollado algunos actuadores rotativos, los investigadores están particularmente interesados en los actuadores lineales.Estos actuadores lineales se pueden dividir en tres tipos de actuadores: actuadores unidimensionales, de desplazamiento y diferenciales 16 .Inicialmente, las unidades híbridas se crearon en combinación con SMA y otras unidades convencionales.Un ejemplo de un actuador lineal híbrido basado en SMA es el uso de un cable SMA con un motor de CC para proporcionar una fuerza de salida de alrededor de 100 N y un desplazamiento significativo17.
Uno de los primeros desarrollos en unidades basadas completamente en SMA fue la unidad paralela SMA.Usando múltiples cables SMA, la unidad paralela basada en SMA está diseñada para aumentar la capacidad de potencia de la unidad colocando todos los cables SMA18 en paralelo.La conexión en paralelo de actuadores no solo requiere más potencia, sino que también limita la potencia de salida de un solo cable.Otra desventaja de los actuadores basados en SMA es el recorrido limitado que pueden lograr.Para resolver este problema, se creó una viga de cable SMA que contenía una viga flexible desviada para aumentar el desplazamiento y lograr un movimiento lineal, pero no generó fuerzas mayores19.Las estructuras blandas deformables y los tejidos para robots basados en aleaciones con memoria de forma se han desarrollado principalmente para la amplificación de impactos20,21,22.Para aplicaciones donde se requieren altas velocidades, se ha informado que las bombas impulsadas compactas utilizan SMA de película delgada para aplicaciones impulsadas por microbombas23.La frecuencia de transmisión de la membrana SMA de película delgada es un factor clave para controlar la velocidad del controlador.Por lo tanto, los motores lineales SMA tienen una mejor respuesta dinámica que los motores de resorte o varilla SMA.La robótica blanda y la tecnología de agarre son otras dos aplicaciones que utilizan actuadores basados en SMA.Por ejemplo, para reemplazar el accionador estándar utilizado en la abrazadera espacial de 25 N, se desarrolló un accionador paralelo 24 de aleación con memoria de forma.En otro caso, se fabricó un actuador blando SMA basado en un cable con una matriz incrustada capaz de producir una fuerza de tracción máxima de 30 N. Debido a sus propiedades mecánicas, los SMA también se utilizan para producir actuadores que imitan fenómenos biológicos.Uno de estos desarrollos incluye un robot de 12 celdas que es un biomimético de un organismo parecido a una lombriz de tierra con SMA para generar un movimiento sinusoidal para disparar26,27.
Como se mencionó anteriormente, existe un límite para la fuerza máxima que se puede obtener de los actuadores basados en SMA existentes.Para abordar este problema, este estudio presenta una estructura muscular bimodal biomimética.Impulsado por alambre de aleación con memoria de forma.Proporciona un sistema de clasificación que incluye varios alambres de aleación con memoria de forma.Hasta la fecha, no se han informado en la literatura actuadores basados en SMA con una arquitectura similar.Este sistema único y novedoso basado en SMA fue desarrollado para estudiar el comportamiento de SMA durante la alineación muscular bimodal.En comparación con los actuadores basados en SMA existentes, el objetivo de este estudio fue crear un actuador de dipvalerato biomimético para generar fuerzas significativamente más altas en un volumen pequeño.En comparación con los accionamientos accionados por motor paso a paso convencionales utilizados en los sistemas de control y automatización de edificios HVAC, el diseño de accionamiento bimodal basado en SMA propuesto reduce el peso del mecanismo de accionamiento en un 67 %.A continuación, los términos "músculo" y "impulso" se utilizan indistintamente.Este estudio investiga la simulación multifísica de tal unidad.El comportamiento mecánico de tales sistemas ha sido estudiado por métodos experimentales y analíticos.Las distribuciones de fuerza y temperatura se investigaron más a fondo con un voltaje de entrada de 7 V. Posteriormente, se llevó a cabo un análisis paramétrico para comprender mejor la relación entre los parámetros clave y la fuerza de salida.Finalmente, se han previsto actuadores jerárquicos y se han propuesto efectos de nivel jerárquico como un área futura potencial para actuadores no magnéticos para aplicaciones protésicas.De acuerdo con los resultados de los estudios antes mencionados, el uso de una arquitectura de una sola etapa produce fuerzas al menos cuatro o cinco veces mayores que los actuadores basados en SMA informados.Además, se ha demostrado que la misma fuerza motriz generada por una unidad multinivel multinivel es más de diez veces mayor que la de las unidades convencionales basadas en SMA.Luego, el estudio informa los parámetros clave mediante el análisis de sensibilidad entre diferentes diseños y variables de entrada.La longitud inicial del cable SMA (\(l_0\)), el ángulo pinado (\(\alpha\)) y el número de hebras individuales (n) en cada hebra individual tienen un fuerte efecto negativo en la magnitud de la fuerza impulsora.fuerza, mientras que el voltaje de entrada (energía) resultó estar correlacionado positivamente.
El alambre SMA exhibe el efecto de memoria de forma (SME) visto en la familia de aleaciones de níquel-titanio (Ni-Ti).Por lo general, los SMA exhiben dos fases dependientes de la temperatura: una fase de baja temperatura y una fase de alta temperatura.Ambas fases tienen propiedades únicas debido a la presencia de diferentes estructuras cristalinas.En la fase austenita (fase de alta temperatura) existente por encima de la temperatura de transformación, el material exhibe una alta resistencia y se deforma pobremente bajo carga.La aleación se comporta como el acero inoxidable, por lo que es capaz de soportar presiones de actuación más altas.Aprovechando esta propiedad de las aleaciones de Ni-Ti, los cables SMA están inclinados para formar un actuador.Se desarrollan modelos analíticos apropiados para comprender la mecánica fundamental del comportamiento térmico de SMA bajo la influencia de varios parámetros y varias geometrías.Se obtuvo una buena concordancia entre los resultados experimentales y analíticos.
Se llevó a cabo un estudio experimental en el prototipo que se muestra en la Fig. 9a para evaluar el rendimiento de un accionamiento bimodal basado en SMA.Dos de estas propiedades, la fuerza generada por el accionamiento (fuerza muscular) y la temperatura del cable SMA (temperatura SMA), se midieron experimentalmente.A medida que aumenta la diferencia de voltaje a lo largo de toda la longitud del cable en el variador, la temperatura del cable aumenta debido al efecto de calentamiento Joule.El voltaje de entrada se aplicó en dos ciclos de 10 s (que se muestran como puntos rojos en la Fig. 2a, b) con un período de enfriamiento de 15 s entre cada ciclo.La fuerza de bloqueo se midió con una galga extensiométrica piezoeléctrica y la distribución de temperatura del cable SMA se monitoreó en tiempo real con una cámara LWIR de alta resolución de grado científico (consulte las características del equipo utilizado en la Tabla 2).muestra que durante la fase de alto voltaje, la temperatura del cable aumenta monótonamente, pero cuando no fluye corriente, la temperatura del cable continúa cayendo.En la configuración experimental actual, la temperatura del cable SMA cayó durante la fase de enfriamiento, pero aún estaba por encima de la temperatura ambiente.En la fig.2e muestra una instantánea de la temperatura en el cable SMA tomada de la cámara LWIR.Por otra parte, en la fig.2a muestra la fuerza de bloqueo generada por el sistema de accionamiento.Cuando la fuerza del músculo excede la fuerza de restauración del resorte, el brazo móvil, como se muestra en la Figura 9a, comienza a moverse.Tan pronto como comienza la actuación, el brazo móvil entra en contacto con el sensor, creando una fuerza de cuerpo, como se muestra en la fig.2c, d.Cuando la temperatura máxima está cerca de \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), la fuerza máxima observada es de 105 N.
El gráfico muestra los resultados experimentales de la temperatura del cable SMA y la fuerza generada por el actuador bimodal basado en SMA durante dos ciclos.El voltaje de entrada se aplica en dos ciclos de 10 segundos (que se muestran como puntos rojos) con un período de enfriamiento de 15 segundos entre cada ciclo.El cable SMA utilizado para los experimentos fue un cable Flexinol de 0,51 mm de diámetro de Dynalloy, Inc. (a) El gráfico muestra la fuerza experimental obtenida durante dos ciclos, (c, d) muestra dos ejemplos independientes de la acción de los actuadores de brazo móvil en un transductor de fuerza piezoeléctrico PACEline CFT/5kN, (b) el gráfico muestra la temperatura máxima de todo el cable SMA durante dos ciclos, (e) muestra una instantánea de temperatura tomada del cable SMA con el software FLIR ResearchIR Cámara LWIR.Los parámetros geométricos tomados en cuenta en los experimentos se dan en la Tabla.uno.
Los resultados de la simulación del modelo matemático y los resultados experimentales se comparan bajo la condición de un voltaje de entrada de 7V, como se muestra en la Fig.5.De acuerdo con los resultados del análisis paramétrico y con el fin de evitar la posibilidad de sobrecalentamiento del cable SMA, se suministró una potencia de 11,2 W al actuador.Se usó una fuente de alimentación de CC programable para suministrar 7 V como voltaje de entrada y se midió una corriente de 1,6 A a través del cable.La fuerza generada por el accionamiento y la temperatura del SDR aumentan cuando se aplica corriente.Con un voltaje de entrada de 7V, la fuerza de salida máxima obtenida a partir de los resultados de la simulación y los resultados experimentales del primer ciclo es de 78 N y 96 N, respectivamente.En el segundo ciclo, la fuerza de salida máxima de la simulación y los resultados experimentales fue de 150 N y 105 N, respectivamente.La discrepancia entre las mediciones de la fuerza de oclusión y los datos experimentales puede deberse al método utilizado para medir la fuerza de oclusión.Los resultados experimentales mostrados en la fig.5a corresponden a la medición de la fuerza de bloqueo, que a su vez se midió cuando el eje de transmisión estaba en contacto con el transductor de fuerza piezoeléctrico PACEline CFT/5kN, como se muestra en la fig.2 s.Por lo tanto, cuando el eje impulsor no está en contacto con el sensor de fuerza al comienzo de la zona de enfriamiento, la fuerza se convierte inmediatamente en cero, como se muestra en la Fig. 2d.Además, otros parámetros que inciden en la formación de fuerza en ciclos posteriores son los valores del tiempo de enfriamiento y el coeficiente de transferencia de calor por convección en el ciclo anterior.De la fig.2b, se puede ver que después de un período de enfriamiento de 15 segundos, el cable SMA no alcanzó la temperatura ambiente y, por lo tanto, tuvo una temperatura inicial más alta (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) en el segundo ciclo de conducción en comparación con el primer ciclo (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Por lo tanto, en comparación con el primer ciclo, la temperatura del alambre SMA durante el segundo ciclo de calentamiento alcanza la temperatura de austenita inicial (\(A_s\)) antes y permanece en el período de transición por más tiempo, lo que genera tensión y fuerza.Por otro lado, las distribuciones de temperatura durante los ciclos de calentamiento y enfriamiento obtenidas a partir de experimentos y simulaciones tienen una gran similitud cualitativa con los ejemplos del análisis termográfico.El análisis comparativo de los datos térmicos de cables SMA de experimentos y simulaciones mostró consistencia durante los ciclos de calentamiento y enfriamiento y dentro de tolerancias aceptables para los datos experimentales.La temperatura máxima del cable SMA, obtenida de los resultados de simulación y experimentos del primer ciclo, es \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) y \(75\,^{\circ }\hbox { C }\, respectivamente), y en el segundo ciclo la temperatura máxima del cable SMA es \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) y \(83\,^{\circ }\ hbox {C} \).El modelo desarrollado fundamentalmente confirma el efecto del efecto de memoria de forma.En esta revisión no se consideró el papel de la fatiga y el sobrecalentamiento.En el futuro, el modelo se mejorará para incluir el historial de tensión del cable SMA, haciéndolo más adecuado para aplicaciones de ingeniería.Los gráficos de la fuerza de salida del variador y la temperatura de SMA obtenidos del bloque Simulink están dentro de las tolerancias permitidas de los datos experimentales bajo la condición de un pulso de voltaje de entrada de 7 V. Esto confirma la corrección y confiabilidad del modelo matemático desarrollado.
El modelo matemático se desarrolló en el entorno MathWorks Simulink R2020b utilizando las ecuaciones básicas descritas en la sección Métodos.En la fig.3b muestra un diagrama de bloques del modelo matemático de Simulink.El modelo se simuló para un pulso de voltaje de entrada de 7 V como se muestra en la Fig. 2a, b.Los valores de los parámetros utilizados en la simulación se enumeran en la Tabla 1. Los resultados de la simulación de procesos transitorios se presentan en las Figuras 1 y 1. Las Figuras 3a y 4. En la fig.4a,b muestra el voltaje inducido en el cable SMA y la fuerza generada por el actuador en función del tiempo. Durante la transformación inversa (calentamiento), cuando la temperatura del alambre SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura de inicio de fase de austenita modificada por tensión), la tasa de cambio de la fracción de volumen de martensita (\(\dot{\xi }\)) será cero. Durante la transformación inversa (calentamiento), cuando la temperatura del alambre SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura de inicio de fase de austenita modificada por tensión), la tasa de cambio de la fracción de volumen de martensita (\(\dot{\ xi }\)) será cero. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура нача ла аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\( \dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Durante la transformación inversa (calentamiento), cuando la temperatura del alambre SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura de inicio de austenita modificada por tensión), la tasa de cambio de la fracción de volumen de martensita (\(\dot{\ xi }\ )) será cero.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) Resultado de la simulación que muestra la distribución de la temperatura y la temperatura de unión inducida por tensión en un actuador de divalerato basado en SMA.Cuando la temperatura del alambre cruza la temperatura de transición de la austenita en la etapa de calentamiento, la temperatura de transición de la austenita modificada comienza a aumentar y, de manera similar, cuando la temperatura del alambrón cruza la temperatura de transición martensítica en la etapa de enfriamiento, la temperatura de transición martensítica disminuye.SMA para el modelado analítico del proceso de actuación.(Para obtener una vista detallada de cada subsistema de un modelo de Simulink, consulte la sección del apéndice del archivo complementario).
Los resultados del análisis para diferentes distribuciones de parámetros se muestran para dos ciclos del voltaje de entrada de 7 V (ciclos de calentamiento de 10 segundos y ciclos de enfriamiento de 15 segundos).Mientras que (ac) y (e) representan la distribución en el tiempo, por otro lado, (d) y (f) ilustran la distribución con la temperatura.Para las condiciones de entrada respectivas, la tensión máxima observada es de 106 MPa (menos de 345 MPa, límite elástico del alambre), la fuerza es de 150 N, el desplazamiento máximo es de 270 µm y la fracción de volumen martensítico mínima es de 0,91.Por otro lado, el cambio en la tensión y el cambio en la fracción de volumen de la martensita con la temperatura son similares a las características de histéresis.
La misma explicación se aplica a la transformación directa (enfriamiento) de la fase austenita a la fase martensita, donde la temperatura del alambre SMA (T) y la temperatura final de la fase martensita modificada por esfuerzo (\(M_f^{\prime}\ )) es excelente.En la fig.4d,f muestra el cambio en la tensión inducida (\(\sigma\)) y la fracción volumétrica de martensita (\(\xi\)) en el cable SMA en función del cambio de temperatura del cable SMA (T), para ambos ciclos de conducción.En la fig.La Figura 3a muestra el cambio en la temperatura del cable SMA con el tiempo dependiendo del pulso de voltaje de entrada.Como se puede ver en la figura, la temperatura del cable continúa aumentando al proporcionar una fuente de calor a voltaje cero y el subsiguiente enfriamiento por convección.Durante el calentamiento, la retransformación de martensita a la fase austenita comienza cuando la temperatura del alambre SMA (T) cruza la temperatura de nucleación austenita corregida por tensión (\(A_s^{\prime}\)).Durante esta fase, el cable SMA se comprime y el actuador genera fuerza.También durante el enfriamiento, cuando la temperatura del cable SMA (T) cruza la temperatura de nucleación de la fase de martensita modificada por tensión (\(M_s^{\prime}\)) hay una transición positiva de la fase de austenita a la fase de martensita.la fuerza motriz disminuye.
Los principales aspectos cualitativos del accionamiento bimodal basado en SMA se pueden obtener a partir de los resultados de la simulación.En el caso de una entrada de pulso de voltaje, la temperatura del cable SMA aumenta debido al efecto de calentamiento Joule.El valor inicial de la fracción de volumen de martensita (\(\xi\)) se establece en 1, ya que el material se encuentra inicialmente en una fase completamente martensítica.A medida que el alambre continúa calentándose, la temperatura del alambre SMA excede la temperatura de nucleación de austenita corregida por tensión \(A_s^{\prime}\), lo que da como resultado una disminución en la fracción de volumen de martensita, como se muestra en la Figura 4c.Además, en la fig.4e muestra la distribución de carreras del actuador en el tiempo, y en la fig.5 – fuerza motriz en función del tiempo.Un sistema de ecuaciones relacionado incluye la temperatura, la fracción de volumen de martensita y la tensión que se desarrolla en el cable, lo que provoca la contracción del cable SMA y la fuerza generada por el actuador.Como se muestra en la fig.4d,f, la variación de tensión con la temperatura y la variación de la fracción volumétrica de martensita con la temperatura corresponden a las características de histéresis del SMA en el caso simulado a 7 V.
La comparación de los parámetros de conducción se obtuvo a través de experimentos y cálculos analíticos.Los cables se sometieron a un voltaje de entrada pulsado de 7 V durante 10 segundos, luego se enfriaron durante 15 segundos (fase de enfriamiento) durante dos ciclos.El ángulo pinado se establece en \(40^{\circ}\) y la longitud inicial del cable SMA en cada patilla de un solo pin se establece en 83 mm.(a) Medición de la fuerza impulsora con una celda de carga (b) Monitoreo de la temperatura del alambre con una cámara térmica infrarroja.
Para comprender la influencia de los parámetros físicos en la fuerza producida por el accionamiento, se realizó un análisis de la sensibilidad del modelo matemático a los parámetros físicos seleccionados, y se clasificaron los parámetros según su influencia.Primero, el muestreo de los parámetros del modelo se realizó utilizando principios de diseño experimental que siguieron una distribución uniforme (consulte la Sección complementaria sobre el análisis de sensibilidad).En este caso, los parámetros del modelo incluyen el voltaje de entrada (\(V_{in}\)), la longitud inicial del cable SMA (\(l_0\)), el ángulo del triángulo (\(\alpha\)), la constante del resorte de polarización (\(K_x\ )), el coeficiente de transferencia de calor por convección (\(h_T\)) y el número de ramas unimodales (n).En el siguiente paso, se eligió la fuerza muscular máxima como requisito de diseño del estudio y se obtuvieron los efectos paramétricos de cada conjunto de variables sobre la fuerza.Las gráficas de tornado para el análisis de sensibilidad se derivaron de los coeficientes de correlación para cada parámetro, como se muestra en la Fig. 6a.
(a) Los valores del coeficiente de correlación de los parámetros del modelo y su efecto sobre la fuerza de salida máxima de 2500 grupos únicos de los parámetros del modelo anterior se muestran en el diagrama de tornado.El gráfico muestra la correlación de rango de varios indicadores.Está claro que \(V_{in}\) es el único parámetro con una correlación positiva, y \(l_0\) es el parámetro con la correlación negativa más alta.El efecto de varios parámetros en varias combinaciones sobre la fuerza muscular máxima se muestra en (b, c).\(K_x\) varía de 400 a 800 N/m y n varía de 4 a 24. El voltaje (\(V_{in}\)) cambió de 4 V a 10 V, la longitud del cable (\(l_{0 } \)) cambió de 40 a 100 mm, y el ángulo de cola (\ (\alpha \)) varió de \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
En la fig.6a muestra un diagrama de tornado de varios coeficientes de correlación para cada parámetro con los requisitos de diseño de la fuerza impulsora máxima.De la fig.6a se puede ver que el parámetro de voltaje (\(V_{in}\)) está directamente relacionado con la fuerza de salida máxima, y el coeficiente de transferencia de calor por convección (\(h_T\)), el ángulo de la llama (\ ( \alpha\)), la constante del resorte de desplazamiento ( \(K_x\)) está negativamente correlacionado con la fuerza de salida y la longitud inicial (\(l_0\)) del cable SMA, y el número de ramas unimodales (n) muestra una fuerte correlación inversa. correlación En el caso de un valor más alto del coeficiente de correlación de voltaje (\(V_ {in}\)) indica que este parámetro tiene el mayor efecto en la potencia de salida.Otro análisis similar mide la fuerza máxima evaluando el efecto de diferentes parámetros en diferentes combinaciones de los dos espacios computacionales, como se muestra en la Fig. 6b, c.\(V_{in}\) y \(l_0\), \(\alpha\) y \(l_0\) tienen patrones similares, y el gráfico muestra que \(V_{in}\) y \(\alpha\ ) y \(\alpha\) tienen patrones similares.Los valores más pequeños de \(l_0\) dan como resultado fuerzas máximas más altas.Las otras dos gráficas son consistentes con la Figura 6a, donde n y \(K_x\) están correlacionadas negativamente y \(V_{in}\) están correlacionadas positivamente.Este análisis ayuda a definir y ajustar los parámetros de influencia mediante los cuales la fuerza de salida, la carrera y la eficiencia del sistema de accionamiento se pueden adaptar a los requisitos y la aplicación.
El trabajo de investigación actual introduce e investiga unidades jerárquicas con niveles de N.En una jerarquía de dos niveles, como se muestra en la Fig. 7a, donde en lugar de cada cable SMA del actuador de primer nivel, se logra una disposición bimodal, como se muestra en la fig.9e.En la fig.7c muestra cómo el cable SMA se enrolla alrededor de un brazo móvil (brazo auxiliar) que solo se mueve en dirección longitudinal.Sin embargo, el brazo móvil principal continúa moviéndose de la misma manera que el brazo móvil del accionador multietapa de la primera etapa.Por lo general, una unidad de etapa N se crea reemplazando el cable SMA de etapa \(N-1\) con una unidad de primera etapa.Como resultado, cada rama imita el accionamiento de la primera etapa, con la excepción de la rama que sujeta el cable.De esta manera, se pueden formar estructuras anidadas que crean fuerzas que son varias veces mayores que las fuerzas de los accionamientos primarios.En este estudio, para cada nivel, se tuvo en cuenta una longitud de cable SMA efectiva total de 1 m, como se muestra en formato tabular en la Fig. 7d.La corriente a través de cada cable en cada diseño unimodal y el pretensado y el voltaje resultantes en cada segmento de cable SMA son los mismos en cada nivel.Según nuestro modelo analítico, la fuerza de salida se correlaciona positivamente con el nivel, mientras que el desplazamiento se correlaciona negativamente.Al mismo tiempo, hubo una compensación entre el desplazamiento y la fuerza muscular.Como se ve en la fig.7b, mientras que la fuerza máxima se logra en el mayor número de capas, el mayor desplazamiento se observa en la capa más baja.Cuando el nivel de jerarquía se estableció en \(N=5\), se encontró una fuerza muscular máxima de 2,58 kN con 2 brazadas observadas \(\upmu\)m.Por otro lado, el accionamiento de primera etapa genera una fuerza de 150 N en una carrera de 277 \(\upmu\)m.Los actuadores multinivel pueden imitar los músculos biológicos reales, mientras que los músculos artificiales basados en aleaciones con memoria de forma pueden generar fuerzas significativamente más altas con movimientos más precisos y finos.Las limitaciones de este diseño miniaturizado son que, a medida que aumenta la jerarquía, el movimiento se reduce considerablemente y aumenta la complejidad del proceso de fabricación del accionamiento.
(a) Se muestra un sistema de actuador lineal de aleación con memoria de forma en capas de dos etapas (\(N=2\)) en una configuración bimodal.El modelo propuesto se logra reemplazando el cable SMA en el actuador en capas de la primera etapa con otro actuador en capas de una sola etapa.(c) Configuración deformada del actuador multicapa de la segunda etapa.(b) Se describe la distribución de fuerzas y desplazamientos en función del número de niveles.Se ha encontrado que la fuerza máxima del actuador se correlaciona positivamente con el nivel de la escala en el gráfico, mientras que la carrera se correlaciona negativamente con el nivel de la escala.La corriente y el voltaje previo en cada cable permanecen constantes en todos los niveles.(d) La tabla muestra el número de derivaciones y la longitud del cable SMA (fibra) en cada nivel.Las características de los cables se indican con el índice 1, y el número de ramas secundarias (una conectada a la pata principal) se indica con el número más grande en el subíndice.Por ejemplo, en el nivel 5, \(n_1\) se refiere a la cantidad de cables SMA presentes en cada estructura bimodal, y \(n_5\) se refiere a la cantidad de patas auxiliares (una conectada a la rama principal).
Muchos investigadores han propuesto varios métodos para modelar el comportamiento de los SMA con memoria de forma, que dependen de las propiedades termomecánicas que acompañan a los cambios macroscópicos en la estructura cristalina asociados con la transición de fase.La formulación de métodos constitutivos es inherentemente compleja.El modelo fenomenológico más utilizado es el propuesto por Tanaka28 y es ampliamente utilizado en aplicaciones de ingeniería.El modelo fenomenológico propuesto por Tanaka [28] asume que la fracción volumétrica de la martensita es una función exponencial de la temperatura y la tensión.Más tarde, Liang y Rogers29 y Brinson30 propusieron un modelo en el que se suponía que la dinámica de transición de fase era una función coseno del voltaje y la temperatura, con ligeras modificaciones al modelo.Becker y Brinson propusieron un modelo cinético basado en un diagrama de fase para modelar el comportamiento de los materiales SMA en condiciones de carga arbitrarias, así como en transiciones parciales.Banerjee32 utiliza el método de dinámica de diagrama de fase de Bekker y Brinson31 para simular un manipulador de un solo grado de libertad desarrollado por Elahinia y Ahmadian33.Los métodos cinéticos basados en diagramas de fase, que tienen en cuenta el cambio no monótono de voltaje con la temperatura, son difíciles de implementar en aplicaciones de ingeniería.Elakhinia y Ahmadian llaman la atención sobre estas deficiencias de los modelos fenomenológicos existentes y proponen un modelo fenomenológico extendido para analizar y definir el comportamiento de la memoria de forma bajo cualquier condición de carga compleja.
El modelo estructural del cable SMA proporciona tensión (\(\sigma\)), deformación (\(\epsilon\)), temperatura (T) y fracción de volumen de martensita (\(\xi\)) del cable SMA.El modelo constitutivo fenomenológico fue propuesto por primera vez por Tanaka28 y posteriormente adoptado por Liang29 y Brinson30.La derivada de la ecuación tiene la forma:
donde E es el módulo de Young SMA dependiente de la fase obtenido usando \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) y \(E_A\) y \(E_M\) que representan el módulo de Young son fases austenítica y martensítica, respectivamente, y el coeficiente de expansión térmica está representado por \(\theta _T\).El factor de contribución de transición de fase es \(\Omega = -E \epsilon _L\) y \(\epsilon _L\) es la tensión máxima recuperable en el cable SMA.
La ecuación de dinámica de fase coincide con la función coseno desarrollada por Liang29 y posteriormente adoptada por Brinson30 en lugar de la función exponencial propuesta por Tanaka28.El modelo de transición de fase es una extensión del modelo propuesto por Elakhinia y Ahmadian34 y modificado en base a las condiciones de transición de fase dadas por Liang29 y Brinson30.Las condiciones utilizadas para este modelo de transición de fase son válidas bajo cargas termomecánicas complejas.En cada momento del tiempo se calcula el valor de la fracción volumétrica de martensita al modelar la ecuación constitutiva.
La ecuación de retransformación que rige, expresada por la transformación de martensita en austenita en condiciones de calentamiento, es la siguiente:
donde \(\xi\) es la fracción volumétrica de martensita, \(\xi _M\) es la fracción volumétrica de martensita obtenida antes del calentamiento, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) y \(C_A\) – parámetros de aproximación de la curva, T – temperatura del alambre SMA, \(A_s\) y \(A_f\) – principio y final de la fase austenita, respectivamente, temperatura.
La ecuación de control de transformación directa, representada por la transformación de fase de austenita a martensita en condiciones de enfriamiento, es:
donde \(\xi _A\) es la fracción de volumen de martensita obtenida antes del enfriamiento, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) y \( C_M \) – parámetros de ajuste de la curva, T – temperatura del alambre SMA, \(M_s\) y \(M_f\) – temperaturas de martensita inicial y final, respectivamente.
Después de derivar las ecuaciones (3) y (4), las ecuaciones de transformación inversa y directa se simplifican a la siguiente forma:
Durante la transformación hacia adelante y hacia atrás, \(\eta _{\sigma}\) y \(\eta _{T}\) toman valores diferentes.Las ecuaciones básicas asociadas con \(\eta _{\sigma}\) y \(\eta _{T}\) han sido derivadas y discutidas en detalle en una sección adicional.
La energía térmica requerida para elevar la temperatura del cable SMA proviene del efecto de calentamiento Joule.La energía térmica absorbida o liberada por el cable SMA está representada por el calor latente de transformación.La pérdida de calor en el cable SMA se debe a la convección forzada y, dado el efecto insignificante de la radiación, la ecuación del balance de energía térmica es la siguiente:
Donde \(m_{wire}\) es la masa total del cable SMA, \(c_{p}\) es la capacidad calorífica específica del SMA, \(V_{in}\) es el voltaje aplicado al cable, \(R_{ohm} \ ) – resistencia dependiente de fase SMA, definida como;\(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) donde \(r_M\ ) y \(r_A\) son la resistividad de fase SMA en martensita y austenita, respectivamente, \(A_{c}\) es el área superficial del alambre SMA, \(\Delta H \) es una aleación con memoria de forma.El calor latente de transición del cable, T y \(T_{\infty}\) son las temperaturas del cable SMA y del entorno, respectivamente.
Cuando se activa un alambre de aleación con memoria de forma, el alambre se comprime, creando una fuerza en cada rama del diseño bimodal llamada fuerza de fibra.Las fuerzas de las fibras en cada hebra del cable SMA juntas crean la fuerza muscular para actuar, como se muestra en la Fig. 9e.Debido a la presencia de un resorte de polarización, la fuerza muscular total del N-ésimo actuador multicapa es:
Sustituyendo \(N = 1\) en la ecuación (7), la fuerza muscular del prototipo de conducción bimodal de la primera etapa se puede obtener de la siguiente manera:
donde n es el número de patas unimodales, \(F_m\) es la fuerza muscular generada por el impulsor, \(F_f\) es la fuerza de la fibra en el cable SMA, \(K_x\) es la rigidez de polarización.resorte, \(\alpha\) es el ángulo del triángulo, \(x_0\) es el desplazamiento inicial del resorte de polarización para mantener el cable SMA en la posición pretensada, y \(\Delta x\) es el recorrido del actuador.
El desplazamiento o movimiento total del variador (\(\Delta x\)) dependiendo del voltaje (\(\sigma\)) y la tensión (\(\epsilon\)) en el cable SMA de la N-ésima etapa, el variador se establece en (ver Fig. parte adicional de la salida):
Las ecuaciones cinemáticas dan la relación entre la deformación del accionamiento (\(\epsilon\)) y el desplazamiento o desplazamiento (\(\Delta x\)).La deformación del cable Arb en función de la longitud inicial del cable Arb (\(l_0\)) y la longitud del cable (l) en cualquier momento t en una rama unimodal es la siguiente:
donde \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) se obtiene aplicando la fórmula del coseno en \(\Delta\)ABB ', como se muestra en la Figura 8. Para la unidad de primera etapa (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) es \(\Delta x\), y \( \alpha _1\) es \(\alpha \) como se muestra en Como se muestra en la Figura 8, al diferenciar el tiempo de la Ecuación (11) y sustituir el valor de l, la velocidad de deformación se puede escribir como:
donde \(l_0\) es la longitud inicial del cable SMA, l es la longitud del cable en cualquier momento t en una rama unimodal, \(\epsilon\) es la deformación desarrollada en el cable SMA y \(\alpha \) es el ángulo del triángulo, \(\Delta x\) es el desplazamiento de la unidad (como se muestra en la Figura 8).
Todas las n estructuras de un solo pico (\(n=6\) en esta figura) están conectadas en serie con \(V_{in}\) como voltaje de entrada.Etapa I: Diagrama esquemático del cable SMA en una configuración bimodal bajo condiciones de voltaje cero Etapa II: Se muestra una estructura controlada donde el cable SMA se comprime debido a la conversión inversa, como lo muestra la línea roja.
Como prueba de concepto, se desarrolló un controlador bimodal basado en SMA para probar la derivación simulada de las ecuaciones subyacentes con resultados experimentales.El modelo CAD del actuador lineal bimodal se muestra en la fig.9a.Por otra parte, en la fig.9c muestra un nuevo diseño propuesto para una conexión prismática rotacional utilizando un actuador basado en SMA de dos planos con una estructura bimodal.Los componentes de la unidad se fabricaron mediante fabricación aditiva en una impresora 3D Ultimaker 3 Extended.El material utilizado para la impresión 3D de componentes es policarbonato, que es adecuado para materiales resistentes al calor, ya que es fuerte, duradero y tiene una temperatura de transición vítrea alta (110-113 \(^{\circ }\) C).Además, en los experimentos se utilizó alambre de aleación con memoria de forma Flexinol de Dynalloy, Inc., y en las simulaciones se usaron las propiedades del material correspondientes al alambre Flexinol.Múltiples cables SMA están dispuestos como fibras presentes en una disposición bimodal de músculos para obtener las altas fuerzas producidas por actuadores multicapa, como se muestra en la Fig. 9b, d.
Como se muestra en la Figura 9a, el ángulo agudo formado por el cable SMA del brazo móvil se denomina ángulo (\(\alpha\)).Con las abrazaderas de terminal unidas a las abrazaderas izquierda y derecha, el cable SMA se mantiene en el ángulo bimodal deseado.El dispositivo de resorte de polarización sostenido en el conector de resorte está diseñado para ajustar los diferentes grupos de extensión de resorte de polarización según el número (n) de fibras SMA.Además, la ubicación de las piezas móviles está diseñada para que el cable SMA quede expuesto al ambiente externo para el enfriamiento por convección forzada.Las placas superior e inferior del conjunto desmontable ayudan a mantener fresco el cable SMA con recortes extruidos diseñados para reducir el peso.Además, ambos extremos del cable CMA están fijados a los terminales izquierdo y derecho, respectivamente, por medio de un engarce.Un émbolo está unido a un extremo del conjunto móvil para mantener el espacio libre entre las placas superior e inferior.El émbolo también se usa para aplicar una fuerza de bloqueo al sensor a través de un contacto para medir la fuerza de bloqueo cuando se activa el cable SMA.
La estructura muscular bimodal SMA está conectada eléctricamente en serie y alimentada por un voltaje de pulso de entrada.Durante el ciclo de pulso de voltaje, cuando se aplica voltaje y el alambre SMA se calienta por encima de la temperatura inicial de la austenita, la longitud del alambre en cada hilo se acorta.Esta retracción activa el subconjunto de brazo móvil.Cuando el voltaje se puso a cero en el mismo ciclo, el cable SMA calentado se enfrió por debajo de la temperatura de la superficie de martensita, volviendo así a su posición original.En condiciones de tensión cero, el cable SMA primero se estira pasivamente mediante un resorte de polarización para alcanzar el estado martensítico desdoblado.El tornillo por el que pasa el hilo SMA se mueve debido a la compresión creada al aplicar un pulso de tensión al hilo SMA (SPA alcanza la fase austenita), lo que provoca el accionamiento de la palanca móvil.Cuando se retrae el cable SMA, el resorte de polarización crea una fuerza opuesta al estirar aún más el resorte.Cuando la tensión en el impulso de tensión llega a ser cero, el cable SMA se alarga y cambia de forma debido al enfriamiento por convección forzada, alcanzando una doble fase martensítica.
El sistema de actuador lineal basado en SMA propuesto tiene una configuración bimodal en la que los cables SMA están en ángulo.(a) representa un modelo CAD del prototipo, que menciona algunos de los componentes y sus significados para el prototipo, (b, d) representan el prototipo experimental desarrollado35.Mientras que (b) muestra una vista superior del prototipo con conexiones eléctricas y resortes de polarización y galgas extensométricas utilizadas, (d) muestra una vista en perspectiva de la configuración.(e) Diagrama de un sistema de actuación lineal con cables SMA colocados bimodalmente en cualquier momento t, que muestra la dirección y el curso de la fuerza de la fibra y el músculo.(c) Se ha propuesto una conexión prismática rotacional de 2 DOF para implementar un actuador basado en SMA de dos planos.Como se muestra, el eslabón transmite movimiento lineal desde el mando inferior al brazo superior, creando una conexión rotacional.Por otro lado, el movimiento del par de prismas es el mismo que el movimiento de la unidad de primera etapa multicapa.
Se llevó a cabo un estudio experimental en el prototipo que se muestra en la Fig. 9b para evaluar el rendimiento de un accionamiento bimodal basado en SMA.Como se muestra en la Figura 10a, la configuración experimental consistió en una fuente de alimentación de CC programable para suministrar voltaje de entrada a los cables SMA.Como se muestra en la fig.10b, se usó una galga extensiométrica piezoeléctrica (PACEline CFT/5kN) para medir la fuerza de bloqueo usando un registrador de datos Graphtec GL-2000.Los datos son registrados por el host para su posterior estudio.Los medidores de tensión y los amplificadores de carga requieren una fuente de alimentación constante para producir una señal de voltaje.Las señales correspondientes se convierten en salidas de potencia de acuerdo con la sensibilidad del sensor de fuerza piezoeléctrico y otros parámetros, como se describe en la Tabla 2. Cuando se aplica un pulso de voltaje, la temperatura del cable SMA aumenta, lo que hace que el cable SMA se comprima, lo que hace que el actuador genere fuerza.Los resultados experimentales de la salida de fuerza muscular por un pulso de voltaje de entrada de 7 V se muestran en la fig.2a.
(a) En el experimento se instaló un sistema de actuador lineal basado en SMA para medir la fuerza generada por el actuador.La celda de carga mide la fuerza de bloqueo y está alimentada por una fuente de alimentación de 24 V CC.Se aplicó una caída de voltaje de 7 V a lo largo de toda la longitud del cable utilizando una fuente de alimentación de CC programable GW Instek.El cable SMA se encoge debido al calor y el brazo móvil hace contacto con la celda de carga y ejerce una fuerza de bloqueo.La celda de carga se conecta al registrador de datos GL-2000 y los datos se almacenan en el host para su posterior procesamiento.(b) Diagrama que muestra la cadena de componentes de la configuración experimental para medir la fuerza muscular.
Las aleaciones con memoria de forma se excitan con la energía térmica, por lo que la temperatura se convierte en un parámetro importante para estudiar el fenómeno de la memoria de forma.Experimentalmente, como se muestra en la Fig. 11a, las imágenes térmicas y las mediciones de temperatura se realizaron en un prototipo de actuador de divalerato basado en SMA.Una fuente de CC programable aplicó voltaje de entrada a los cables SMA en la configuración experimental, como se muestra en la Figura 11b.El cambio de temperatura del cable SMA se midió en tiempo real utilizando una cámara LWIR de alta resolución (FLIR A655sc).El host utiliza el software ResearchIR para registrar datos para su posterior procesamiento posterior.Cuando se aplica un pulso de voltaje, la temperatura del cable SMA aumenta, lo que provoca que el cable SMA se encoja.En la fig.La figura 2b muestra los resultados experimentales de la temperatura del cable SMA en función del tiempo para un pulso de voltaje de entrada de 7 V.
Hora de publicación: 28-sep-2022