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액추에이터는 제조 및 산업 자동화 분야에서 다양한 작업을 수행하기 위해 적절한 여기력 또는 토크를 가하여 제어된 움직임을 생성하는 데 널리 사용됩니다. 더 빠르고, 더 작고, 더 효율적인 구동 장치에 대한 요구가 구동 장치 설계 혁신을 주도하고 있습니다. 형상 기억 합금(SMA) 구동 장치는 높은 출력 대 중량비를 포함하여 기존 구동 장치에 비해 여러 가지 장점을 제공합니다. 본 논문에서는 생체 시스템의 깃털 모양 근육의 장점과 SMA의 고유한 특성을 결합한 이중 깃털형 SMA 기반 액추에이터를 개발했습니다. 이 연구는 이중 깃털형 SMA 와이어 배열을 기반으로 하는 새로운 액추에이터의 수학적 모델을 개발하고 실험적으로 검증함으로써 기존 SMA 액추에이터를 탐구하고 확장합니다. 기존 SMA 기반 구동 장치와 비교했을 때, 새로운 구동 장치의 구동력은 최소 5배(최대 150N) 더 높습니다. 이에 상응하는 무게 감소는 약 67%에 달합니다. 수학적 모델에 대한 민감도 분석 결과는 설계 매개변수를 조정하고 주요 매개변수를 이해하는 데 유용합니다. 또한, 본 연구는 동적 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 다단계 N단 구동 장치를 제시합니다. SMA 기반 디프발레레이트 근육 액추에이터는 건물 자동화부터 정밀 약물 전달 시스템에 이르기까지 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다.
포유류의 근육 구조와 같은 생물학적 시스템은 여러 미세한 작동기를 활성화할 수 있습니다.¹ 포유류는 각각 특정한 기능을 수행하는 다양한 근육 구조를 가지고 있습니다. 그러나 포유류 근육 조직의 구조는 크게 평행근과 깃털근의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 햄스트링과 다른 굴근에서는 이름에서 알 수 있듯이 평행근이 중심 힘줄에 평행한 근섬유를 가지고 있습니다. 근섬유 사슬은 주변의 결합 조직에 의해 배열되고 기능적으로 연결됩니다. 이러한 근육은 큰 수축 범위(단축률)를 가진다고 하지만, 전체적인 근력은 매우 제한적입니다. 반면, 삼두근²(외측 비복근(GL)³, 내측 비복근(GM)⁴ 및 가자미근(SOL))과 대퇴신근(대퇴사두근)^5,6에는 깃털근 조직이 각 근육에서 발견됩니다.⁷ 깃털 모양 구조에서, 깃털 모양 근육의 근섬유는 중심 힘줄의 양쪽에 비스듬한 각도(깃꼴각)로 존재합니다. 깃털 모양(Pennate)은 라틴어 "penna"(펜)에서 유래했으며, 그림 1에서처럼 깃털과 같은 모양을 하고 있습니다. 깃털 모양 근육의 근섬유는 길이가 짧고 근육의 세로축에 대해 각도를 이루고 있습니다. 이러한 깃털 모양 구조로 인해 근육의 전체적인 가동성이 감소하여 단축 과정의 가로 및 세로 성분만 수축됩니다. 반면에, 이러한 근육이 활성화되면 생리학적 단면적 측정 방식 때문에 전체적인 근력이 증가합니다. 따라서 동일한 단면적에서 깃털 모양 근육은 평행 섬유를 가진 근육보다 더 강하고 더 큰 힘을 생성합니다. 개별 섬유에서 발생하는 힘은 근육 조직 내에서 거시적인 수준의 근력을 생성합니다. 또한, 깃털 모양 구조는 빠른 수축, 인장 손상 방지, 완충 작용과 같은 고유한 특성을 가지고 있습니다. 이 기술은 근육 작용선과 관련된 섬유 배열의 고유한 특징과 기하학적 복잡성을 활용하여 섬유 입력과 근육 출력 간의 관계를 혁신합니다.
예를 들어 (a) SMA 와이어로 구동되는 손 모양 장치가 이륜 자율 이동 로봇에 장착된 촉각력의 상호 작용을 나타내는 등, 이중 모드 근육 구조와 관련된 기존 SMA 기반 액추에이터 설계의 개략도가 나와 있습니다.9,10 (b) SMA 스프링 장착형 안와 보철물이 반대 방향으로 배치된 로봇 안와 보철물. 보철 눈의 위치는 눈의 안구 근육에서 오는 신호에 의해 제어됩니다.11 (c) SMA 액추에이터는 높은 주파수 응답과 낮은 대역폭으로 인해 수중 응용 분야에 이상적입니다. 이 구성에서 SMA 액추에이터는 물고기의 움직임을 모방하여 파동 운동을 생성하는 데 사용됩니다. (d) SMA 액추에이터는 채널 10 내부의 SMA 와이어 움직임에 의해 제어되는 지렁이 운동 원리를 사용할 수 있는 마이크로 파이프 검사 로봇을 만드는 데 사용됩니다. (e)는 비복근 조직에서 수축하는 근섬유의 방향과 수축력을 생성하는 방식을 보여줍니다. (f)는 깃털형 근육 구조에서 근섬유 형태로 배열된 SMA 와이어를 보여줍니다.
액추에이터는 광범위한 응용 분야로 인해 기계 시스템에서 중요한 구성 요소가 되었습니다. 따라서 더 작고 빠르며 효율적인 구동 장치에 대한 필요성이 절실해졌습니다. 이러한 장점에도 불구하고 기존 구동 장치는 비용이 많이 들고 유지 보수에 시간이 오래 걸린다는 단점이 있습니다. 유압 및 공압 액추에이터는 복잡하고 고가이며 마모, 윤활 문제 및 부품 고장에 취약합니다. 이러한 요구에 부응하여 스마트 소재 기반의 비용 효율적이고 크기가 최적화된 첨단 액추에이터 개발에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 현재 진행 중인 연구는 이러한 요구를 충족하기 위해 형상 기억 합금(SMA) 적층 액추에이터에 주목하고 있습니다. 계층형 액추에이터는 여러 개의 개별 액추에이터를 기하학적으로 복잡한 거시적 규모의 하위 시스템으로 결합하여 향상된 기능을 제공한다는 점에서 독특합니다. 이러한 관점에서 앞서 설명한 인체 근육 조직은 다층 구동의 훌륭한 예시를 제공합니다. 본 연구에서는 이중 모드 근육에 존재하는 섬유 방향에 맞춰 정렬된 여러 개의 개별 구동 요소(SMA 와이어)로 구성된 다단계 SMA 구동 장치를 설명하며, 이는 전반적인 구동 성능을 향상시킵니다.
액추에이터의 주된 목적은 전기 에너지를 변환하여 힘이나 변위와 같은 기계적 동력을 생성하는 것입니다. 형상 기억 합금(SMA)은 고온에서도 원래 형상을 복원할 수 있는 "스마트" 소재의 한 종류입니다. 고하중 하에서 SMA 와이어의 온도가 상승하면 형상 복원이 일어나 다른 직접 접합 스마트 소재에 비해 더 높은 구동 에너지 밀도를 나타냅니다. 동시에 기계적 하중을 받으면 SMA는 취성이 생깁니다. 특정 조건에서 주기적인 하중은 기계적 에너지를 흡수하고 방출하면서 가역적인 이력 형상 변화를 나타낼 수 있습니다. 이러한 고유한 특성 덕분에 SMA는 센서, 진동 감쇠, 특히 액추에이터에 이상적인 소재입니다.¹² 이러한 점을 고려하여 SMA 기반 드라이브에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔습니다. SMA 기반 액추에이터는 다양한 응용 분야에서 병진 및 회전 운동을 제공하도록 설계되었습니다.^13,14,15 회전 액추에이터도 개발되었지만, 연구자들은 특히 선형 액추에이터에 관심을 기울이고 있습니다. 이러한 선형 액추에이터는 1차원 액추에이터, 변위 액추에이터, 차동 액추에이터의 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.¹⁶ 초기에 하이브리드 드라이브는 SMA와 기타 기존 드라이브의 조합으로 만들어졌습니다. SMA 기반 하이브리드 선형 액추에이터의 한 예로는 약 100N의 출력 힘과 상당한 변위를 제공하기 위해 DC 모터와 함께 SMA 와이어를 사용하는 것이 있습니다.17
형상기억합금(SMA) 기반 드라이브의 초기 개발 중 하나는 SMA 병렬 드라이브였습니다. 여러 개의 SMA 와이어를 사용하는 SMA 기반 병렬 드라이브는 모든 SMA 와이어를 병렬로 연결하여 드라이브의 동력 용량을 증가시키도록 설계되었습니다. 액추에이터를 병렬로 연결하면 더 많은 동력이 필요할 뿐만 아니라 단일 와이어의 출력도 제한됩니다. SMA 기반 액추에이터의 또 다른 단점은 이동 거리가 제한적이라는 것입니다. 이 문제를 해결하기 위해 변위를 증가시키고 선형 운동을 구현하기 위해 변형 가능한 유연 빔을 포함하는 SMA 케이블 빔이 개발되었지만, 더 높은 힘을 발생시키지는 못했습니다. 형상기억합금을 기반으로 하는 로봇용 연성 변형 구조 및 직물은 주로 충격 증폭을 위해 개발되었습니다. 고속이 요구되는 응용 분야의 경우, 마이크로펌프 구동 응용 분야에 박막 SMA를 사용하는 소형 구동 펌프가 보고되었습니다. 박막 SMA 멤브레인의 구동 주파수는 드라이버 속도를 제어하는 ​​핵심 요소입니다. 따라서 SMA 선형 모터는 SMA 스프링 또는 로드 모터보다 우수한 동적 응답 특성을 나타냅니다. SMA 기반 액추에이터를 사용하는 또 다른 응용 분야로는 소프트 로봇 공학과 그리핑 기술이 있습니다. 예를 들어, 25N 공간 클램프에 사용되는 표준 액추에이터를 대체하기 위해 형상 기억 합금 병렬 액추에이터24가 개발되었습니다. 또 다른 사례에서는 최대 30N의 인장력을 생성할 수 있는 매트릭스가 내장된 와이어를 기반으로 하는 SMA 소프트 액추에이터가 제작되었습니다. SMA는 기계적 특성 덕분에 생물학적 현상을 모방하는 액추에이터를 제작하는 데에도 사용됩니다. 그러한 개발 사례 중 하나는 SMA를 사용하여 사인파 운동을 생성하여 발사하는 지렁이와 같은 생물을 생체 모방한 12셀 로봇26,27입니다.
앞서 언급했듯이, 기존 SMA 기반 액추에이터에서 얻을 수 있는 최대 힘에는 한계가 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 형상 기억 합금 와이어로 구동되는 생체 모방 이중 모드 근육 구조를 제시합니다. 이 구조는 여러 종류의 형상 기억 합금 와이어를 포함하는 분류 체계를 제공합니다. 현재까지 이와 유사한 구조를 가진 SMA 기반 액추에이터는 문헌에 보고된 바 없습니다. 본 연구는 이중 모드 근육 정렬 시 SMA의 거동을 연구하기 위해 개발된 독창적이고 새로운 SMA 기반 시스템입니다. 기존 SMA 기반 액추에이터와 비교하여, 본 연구의 목표는 작은 부피에서 훨씬 더 큰 힘을 생성할 수 있는 생체 모방 이중 모드 액추에이터를 개발하는 것입니다. HVAC 건물 자동화 및 제어 시스템에 사용되는 기존 스테퍼 모터 구동 방식과 비교했을 때, 제안된 SMA 기반 이중 모드 구동 방식 설계는 구동 메커니즘의 무게를 67% 감소시킵니다. 이하에서는 "근육"과 "구동"이라는 용어를 상호 교환적으로 사용합니다. 본 연구에서는 이러한 구동 방식의 다물리 시뮬레이션을 수행합니다. 이러한 시스템의 기계적 거동은 실험 및 해석적 방법을 통해 연구되었습니다. 입력 전압 7V에서 힘과 온도 분포를 추가적으로 조사했습니다. 이어서 주요 매개변수와 출력 힘 사이의 관계를 더 잘 이해하기 위해 매개변수 분석을 수행했습니다. 마지막으로 계층형 액추에이터를 구상하고 계층적 레벨 효과를 의수용 비자성 액추에이터의 잠재적인 미래 연구 분야로 제안했습니다. 앞서 언급한 연구 결과에 따르면, 단일 단계 구조를 사용하면 기존 SMA 기반 액추에이터보다 최소 4~5배 더 높은 힘을 생성할 수 있습니다. 또한, 다단계 구동 방식을 사용하면 기존 SMA 기반 구동 방식보다 동일한 구동력이 10배 이상 증가하는 것으로 나타났습니다. 본 연구에서는 다양한 설계와 입력 변수 간의 민감도 분석을 통해 주요 매개변수를 보고합니다. SMA 와이어의 초기 길이(l₀), 핀 각도(α), 그리고 각 가닥의 단일 가닥 수(n)는 구동력의 크기에 강한 음의 영향을 미칩니다. 강도는 입력 전압(에너지)과 양의 상관관계를 보이는 것으로 나타났습니다.
SMA 와이어는 니켈-티타늄(Ni-Ti) 합금 계열에서 볼 수 있는 형상 기억 효과(SME)를 나타냅니다. 일반적으로 SMA는 온도에 따라 두 가지 상, 즉 저온상과 고온상을 나타냅니다. 두 상은 서로 다른 결정 구조로 인해 고유한 특성을 지닙니다. 변태 온도 이상에서 존재하는 오스테나이트상(고온상)에서는 재료가 높은 강도를 보이며 하중 하에서 변형이 거의 일어나지 않습니다. 이 합금은 스테인리스강과 유사한 거동을 보이므로 더 높은 작동 압력을 견딜 수 있습니다. Ni-Ti 합금의 이러한 특성을 활용하여 SMA 와이어를 경사지게 만들어 액추에이터를 제작할 수 있습니다. 다양한 매개변수와 형상의 영향을 받는 SMA의 열적 거동에 대한 기본 메커니즘을 이해하기 위해 적절한 해석 모델을 개발했습니다. 실험 결과와 해석 결과는 양호한 일치를 보였습니다.
그림 9a에 나타낸 프로토타입을 이용하여 SMA 기반 이중 모드 구동 장치의 성능을 평가하기 위한 실험 연구를 수행했습니다. 구동 장치에서 발생하는 힘(근력)과 SMA 와이어의 온도(SMA 온도) 두 가지 특성을 실험적으로 측정했습니다. 구동 장치에서 와이어 전체 길이에 걸쳐 전압 차이가 증가함에 따라 줄 발열 효과로 인해 와이어의 온도가 상승합니다. 입력 전압은 10초 주기로 두 번 인가되었으며(그림 2a, b의 빨간색 점 참조), 각 주기 사이에 15초의 냉각 시간을 두었습니다. 차단력은 압전 스트레인 게이지를 사용하여 측정했으며, SMA 와이어의 온도 분포는 과학 등급 고해상도 LWIR 카메라를 사용하여 실시간으로 모니터링했습니다(사용된 장비의 특성은 표 2 참조). 고전압 단계에서는 와이어의 온도가 단조롭게 상승하지만, 전류가 흐르지 않을 때는 와이어의 온도가 계속 하강하는 것을 확인할 수 있습니다. 현재 실험 설정에서 SMA 와이어의 온도는 냉각 과정 동안 떨어졌지만 여전히 주변 온도보다 높았습니다. 그림 2e는 LWIR 카메라로 촬영한 SMA 와이어의 온도 스냅샷을 보여줍니다. 한편, 그림 2a는 구동 시스템에 의해 발생하는 차단력을 나타냅니다. 근력이 스프링의 복원력을 초과하면 그림 9a와 같이 가동 암이 움직이기 시작합니다. 작동이 시작되는 즉시 가동 암은 센서와 접촉하여 그림 2c, d와 같이 물리적 힘을 발생시킵니다. 최고 온도가 약 84°C에 도달했을 때 관찰된 최대 힘은 105N입니다.
이 그래프는 두 주기 동안 SMA 와이어의 온도와 SMA 기반 이중 모드 액추에이터에서 발생하는 힘에 대한 실험 결과를 보여줍니다. 입력 전압은 10초 주기로 두 번 인가되었으며(빨간색 점으로 표시), 각 주기 사이에 15초의 냉각 시간이 있었습니다. 실험에 사용된 SMA 와이어는 Dynalloy, Inc.에서 제조한 직경 0.51mm의 Flexinol 와이어입니다. (a) 그래프는 두 주기 동안 얻은 실험적인 힘을 보여줍니다. (c, d)는 PACEline CFT/5kN 압전력 변환기에 대한 이동 암 액추에이터의 작동에 대한 두 가지 독립적인 예를 보여줍니다. (b) 그래프는 두 주기 동안 전체 SMA 와이어의 최대 온도를 보여줍니다. (e)는 FLIR ResearchIR 소프트웨어의 LWIR 카메라를 사용하여 SMA 와이어에서 촬영한 온도 스냅샷입니다. 실험에 고려된 기하학적 매개변수는 표 1에 제시되어 있습니다.
그림 5에서와 같이 입력 전압 7V 조건에서 수학적 모델의 시뮬레이션 결과와 실험 결과를 비교하였다. 파라미터 분석 결과와 SMA 와이어의 과열 가능성을 방지하기 위해 액추에이터에 11.2W의 전력을 공급하였다. 프로그래밍 가능한 DC 전원 공급 장치를 사용하여 7V의 입력 전압을 공급하였고, 와이어 양단에 1.6A의 전류를 측정하였다. 전류가 인가되면 구동력 및 SDR의 온도가 증가한다. 입력 전압 7V에서 첫 번째 사이클의 최대 출력력은 시뮬레이션 결과에서 78N, 실험 결과에서 96N으로 나타났다. 두 번째 사이클에서는 시뮬레이션 결과에서 150N, 실험 결과에서 105N으로 나타났다. 폐색력 측정값과 실험 데이터 간의 차이는 폐색력 측정 방법의 차이 때문일 수 있다. 그림 5에 나타낸 실험 결과는 다음과 같다. 그림 5a는 잠금력 측정값을 나타내며, 이는 그림 2s에서와 같이 구동축이 PACEline CFT/5kN 압전력 변환기와 접촉했을 때 측정되었습니다. 따라서 냉각 영역 초기에 구동축이 힘 센서와 접촉하지 않으면 그림 2d에서와 같이 힘이 즉시 0이 됩니다. 또한, 후속 사이클에서 힘 발생에 영향을 미치는 다른 매개변수로는 냉각 시간과 이전 사이클의 대류 열전달 계수가 있습니다. 그림 2b에서 볼 수 있듯이, 15초의 냉각 기간 후에도 SMA 와이어는 실온에 도달하지 못했기 때문에 두 번째 구동 사이클에서 초기 온도가 첫 번째 사이클(25°C)보다 높은 40°C를 나타냈습니다. 따라서 첫 번째 가열 주기와 비교했을 때, 두 번째 가열 주기 동안 SMA 와이어의 온도는 초기 오스테나이트 온도(\(A_s\))에 더 빨리 도달하고 전이 기간에 더 오래 머물러 응력과 힘이 발생합니다. 한편, 실험과 시뮬레이션에서 얻은 가열 및 냉각 주기 동안의 온도 분포는 열화상 분석 결과와 질적으로 매우 유사합니다. 실험과 시뮬레이션에서 얻은 SMA 와이어의 열 데이터를 비교 분석한 결과, 가열 및 냉각 주기 동안 실험 데이터의 허용 오차 범위 내에서 일관성을 보였습니다. 첫 번째 주기의 시뮬레이션 및 실험 결과에서 얻은 SMA 와이어의 최고 온도는 각각 \(89\,^{\circ }\hbox {C}\)와 \(75\,^{\circ }\hbox { C}\)이고, 두 번째 주기에서는 SMA 와이어의 최고 온도가 각각 \(94\,^{\circ }\hbox {C}\)와 \(83\,^{\circ }\hbox {C}\)입니다. 본 연구에서 개발된 모델은 형상 기억 효과를 확인시켜 줍니다. 피로 및 과열 현상은 본 검토에서 고려되지 않았습니다. 향후 모델 개선을 통해 형상 기억 합금(SMA) 와이어의 응력 이력을 포함시켜 엔지니어링 응용 분야에 더욱 적합하게 만들 계획입니다. Simulink 블록에서 얻은 구동 출력 및 SMA 온도 그래프는 7V 입력 전압 펄스 조건에서 실험 데이터의 허용 오차 범위 내에 있습니다. 이는 개발된 수학적 모델의 정확성과 신뢰성을 입증합니다.
본 수학적 모델은 방법론 섹션에 설명된 기본 방정식을 사용하여 MathWorks Simulink R2020b 환경에서 개발되었습니다. 그림 3b는 Simulink 수학 모델의 블록 다이어그램을 보여줍니다. 그림 2a, b에 나타낸 바와 같이 7V 입력 전압 펄스에 대해 모델을 시뮬레이션했습니다. 시뮬레이션에 사용된 매개변수 값은 표 1에 나열되어 있습니다. 과도 현상 시뮬레이션 결과는 그림 1과 그림 3a, 4에 제시되어 있습니다. 그림 4a, b는 시간에 따른 SMA 와이어의 유도 전압과 액추에이터에 의해 생성된 힘을 보여줍니다. 역변환(가열) 과정에서 SMA 와이어의 온도 \(T < A_s^{\prime}\) (응력 변형 오스테나이트 상 시작 온도)일 때, 마르텐사이트 부피 분율(\(\dot{\xi }\))의 변화율은 0이 됩니다. 역변환(가열) 과정에서 SMA 와이어의 온도 \(T < A_s^{\prime}\) (응력 변형 오스테나이트 상 시작 온도)일 때, 마르텐사이트 부피 분율(\(\dot{\ xi }\))의 변화율은 0이 됩니다. Во время обратного превраЂения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет 정말이지. 역변환(가열) 과정에서 SMA 와이어의 온도 \(T < A_s^{\prime}\) (응력 변형 오스테나이트 개시 온도)일 때, 마르텐사이트 부피 분율(\(\dot{\ xi }\ ))의 변화율은 0이 됩니다.反向转变（加热）过程中，当SMA 线温島\(T < A_s^{\prime}\)（应power修正奥氏体相起始温島）时，马氏体体积分数的变化率（\(\dot{\ xi }\)) 将为零。에서 反向 转变 （加热） 中 , 当 当 当 线 温島 \ (t При обратном превраЂении (нагреве) при температуре проволоки СПФ \(T < A_s^{\prime}\) (температура зарождения аустенитной фазы с поправкой на напряжение) скорость изменения объемной доли мартенсита (\( \dot{\ xi }\)) будет равно нулу. SMA 와이어의 온도 \(T < A_s^{\prime}\) (응력을 보정한 오스테나이트 상의 핵 생성 온도)에서 역변환(가열)이 진행되는 동안 마르텐사이트의 부피 분율(\( \dot{\ xi }\))의 변화율은 0이 됩니다.따라서 응력 변화율(\(\dot{\sigma}\))은 식 (1)을 사용할 경우 변형률(\(\dot{\epsilon}\))과 온도 기울기(\(\dot{T}\))에만 의존합니다. 그러나 SMA 와이어의 온도가 상승하여 (\(A_s^{\prime}\))를 통과하면 오스테나이트상이 형성되기 시작하고, (\(\dot{\xi}\))는 식 (3)의 주어진 값으로 간주됩니다. 따라서 전압 변화율(\(\dot{\sigma}\))은 \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\)에 의해 공동으로 제어되며, \(\dot{\xi}\)는 식 (1)에 주어진 값과 같습니다. 이는 그림 4a, b에 나타낸 바와 같이 가열 주기 동안 시간에 따라 변화하는 응력 및 힘 분포도에서 관찰되는 기울기 변화를 설명합니다.
(a) SMA 기반 이가철석 액추에이터의 온도 분포 및 응력 유발 접합부 온도를 보여주는 시뮬레이션 결과. 가열 단계에서 와이어 온도가 오스테나이트 전이 온도를 넘어서면 변형된 오스테나이트 전이 온도가 상승하기 시작하고, 마찬가지로 냉각 단계에서 와이어 로드 온도가 마르텐사이트 전이 온도를 넘어서면 마르텐사이트 전이 온도가 하강한다. 액추에이션 프로세스의 해석적 모델링에는 SMA가 사용되었다. (Simulink 모델의 각 하위 시스템에 대한 자세한 내용은 부록을 참조하십시오.)
서로 다른 파라미터 분포에 대한 분석 결과는 7V 입력 전압의 두 주기(10초 예열 주기 및 15초 냉각 주기)에 대해 나타낸다. (ac)와 (e)는 시간에 따른 분포를 나타내고, (d)와 (f)는 온도에 따른 분포를 나타낸다. 각 입력 조건에서 관찰된 최대 응력은 106 MPa(와이어 항복 강도 345 MPa 미만), 힘은 150 N, 최대 변위는 270 µm, 최소 마르텐사이트 부피 분율은 0.91이다. 한편, 온도에 따른 응력 변화와 마르텐사이트 부피 분율 변화는 히스테리시스 특성과 유사하다.
오스테나이트 상에서 마르텐사이트 상으로의 직접 변환(냉각)에도 동일한 설명이 적용되며, 이때 SMA 와이어 온도(T)와 응력 변형 마르텐사이트 상의 최종 온도(\(M_f^{\prime}\ ))가 잘 일치합니다. 그림 4d,f는 두 구동 사이클 모두에 대해 SMA 와이어의 온도 변화(T)에 따른 유도 응력(\(\sigma\))과 마르텐사이트 부피 분율(\(\xi\))의 변화를 보여줍니다. 그림 3a는 입력 전압 펄스에 따른 SMA 와이어 온도의 시간 경과에 따른 변화를 나타냅니다. 그림에서 볼 수 있듯이, 0V에서 열원을 공급하고 이후 대류 냉각을 통해 와이어 온도는 계속 상승합니다. 가열 과정에서 마르텐사이트가 오스테나이트 상으로 재변환되는 것은 형상기억합금(SMA) 와이어의 온도(T)가 응력 보정된 오스테나이트 핵 생성 온도(\(A_s^{\prime}\))를 넘어서는 순간 시작됩니다. 이 단계에서 SMA 와이어는 압축되고 액추에이터는 힘을 발생시킵니다. 또한 냉각 과정에서도 SMA 와이어의 온도(T)가 응력 변형된 마르텐사이트 상의 핵 생성 온도(\(M_s^{\prime}\))를 넘어서면 오스테나이트 상에서 마르텐사이트 상으로의 양의 전이가 발생하며, 구동력은 감소합니다.
SMA 기반 이중 모드 구동의 주요 정성적 측면은 시뮬레이션 결과에서 얻을 수 있습니다. 전압 펄스 입력의 경우, 줄 발열 효과로 인해 SMA 와이어의 온도가 상승합니다. 재료가 초기에는 완전한 마르텐사이트 상에 있으므로 마르텐사이트 부피 분율(\(\xi\))의 초기값은 1로 설정됩니다. 와이어가 계속 가열됨에 따라 SMA 와이어의 온도는 응력 보정된 오스테나이트 핵 생성 온도 \(A_s^{\prime}\)를 초과하게 되고, 그 결과 마르텐사이트 부피 분율이 감소합니다(그림 4c 참조). 또한, 그림 4e는 시간에 따른 액추에이터 스트로크 분포를, 그림 5는 시간에 따른 구동력을 보여줍니다. 관련 방정식 시스템에는 온도, 마르텐사이트 부피 분율, 와이어에 발생하는 응력이 포함되며, 이는 SMA 와이어의 수축과 액추에이터에 의해 생성되는 힘으로 이어집니다. 그림 4e에서 볼 수 있듯이, 그림 4d,f는 온도에 따른 전압 변화와 온도에 따른 마르텐사이트 부피 분율 변화를 나타내며, 이는 7V에서 시뮬레이션된 경우의 SMA의 히스테리시스 특성에 해당합니다.
구동 매개변수의 비교는 실험과 분석적 계산을 통해 이루어졌습니다. 와이어에 7V의 펄스 입력 전압을 10초 동안 인가한 후 15초 동안 냉각하는 과정을 두 주기 동안 반복했습니다. 핀 각도는 40°로 설정했으며, 각 핀 다리에 사용된 SMA 와이어의 초기 길이는 83mm로 설정했습니다. (a) 로드셀을 이용한 구동력 측정 (b) 열화상 카메라를 이용한 와이어 온도 모니터링.
구동 장치에 의해 생성되는 힘에 대한 물리적 매개변수의 영향을 이해하기 위해, 선택된 물리적 매개변수에 대한 수학적 모델의 민감도 분석을 수행하고, 매개변수의 영향력을 기준으로 순위를 매겼습니다. 먼저, 균일 분포를 따르는 실험 설계 원칙을 사용하여 모델 매개변수를 샘플링했습니다(민감도 분석에 대한 부록 참조). 이 경우, 모델 매개변수에는 입력 전압(\(V_{in}\)), 초기 SMA 와이어 길이(\(l_0\)), 삼각형 각도(\(\alpha\)), 바이어스 스프링 상수(\( K_x\ )), 대류 열전달 계수(\(h_T\)) 및 단봉 분기 개수(n)가 포함됩니다. 다음 단계에서는 최대 근력을 연구 설계 요건으로 선택하고 각 변수 세트가 근력에 미치는 매개변수 효과를 구했습니다. 민감도 분석을 위한 토네이도 플롯은 각 매개변수의 상관 계수로부터 도출되었으며, 그림 6a에 나타나 있습니다.
(a) 위 모델 매개변수들의 상관계수 값과 2500개의 고유 그룹에 대한 최대 출력력에 미치는 영향을 토네이도 플롯으로 나타냈다. 그래프는 여러 지표들의 순위 상관관계를 보여준다. \(V_{in}\)만이 양의 상관관계를 보이는 매개변수이고, \(l_{0}\)는 가장 높은 음의 상관관계를 보이는 매개변수임을 알 수 있다. (b, c)는 다양한 매개변수 조합이 최대 근력에 미치는 영향을 보여준다. \(K_x\)는 400~800 N/m, n은 4~24의 범위를 가지며, 전압(\(V_{in}\))은 4V~10V, 전선 길이(\(l_{0}\))는 40~100mm, 꼬리 각도(\(\alpha\))는 20~60°로 변화시켰다.
그림 6a는 최대 구동력 설계 요구사항에 대한 각 매개변수의 다양한 상관계수를 나타낸 토네이도 플롯입니다. 그림 6a에서 전압 매개변수(\(V_{in}\))는 최대 출력력과 직접적인 관련이 있으며, 대류 열전달 계수(\(h_T\)), 화염 각도(\(\alpha\)), 변위 스프링 상수(\(K_x\))는 출력력과 음의 상관관계를 보입니다. 또한, SMA 와이어의 초기 길이(\(l_0\))와 단봉 분기 개수(n)는 강한 역상관관계를 나타냅니다. 전압 상관계수(\(V_{in}\)) 값이 높을수록 해당 매개변수가 출력에 가장 큰 영향을 미친다는 것을 의미합니다. 그림 6b, c는 두 계산 공간의 다양한 조합에서 여러 매개변수의 영향을 평가하여 최대 힘을 ​​측정하는 유사한 분석 결과를 보여줍니다. \(V_{in}\)와 \(l_0\), \(\alpha\)와 \(l_0\)는 유사한 패턴을 보이며, 그래프는 \(V_{in}\)와 \(\alpha\)가 유사한 패턴을 보임을 나타냅니다. \(l_0\) 값이 작을수록 최대 힘이 커집니다. 나머지 두 그래프는 그림 6a와 일치하며, 여기서 n과 \(K_x\)는 음의 상관관계를, \(V_{in}\)는 양의 상관관계를 보입니다. 이러한 분석을 통해 구동 시스템의 출력 힘, 스트로크 및 효율을 요구 사항과 적용 분야에 맞게 조정할 수 있는 영향 변수를 정의하고 조정할 수 있습니다.
본 연구에서는 N단계 계층형 구동 시스템을 소개하고 조사합니다. 그림 7a에 나타낸 2단계 계층 구조에서, 1단계 액추에이터의 각 SMA 와이어 대신 그림 9e와 같은 이중 모드 배열을 구현합니다. 그림 7c는 SMA 와이어가 종방향으로만 움직이는 가동 암(보조 암) 주위에 감겨 있는 모습을 보여줍니다. 그러나 주 가동 암은 1단계 다단 액추에이터의 가동 암과 동일한 방식으로 계속 움직입니다. 일반적으로 N단계 구동 시스템은 1단계 구동 시스템의 SMA 와이어를 (N-1)단계로 대체하여 구현합니다. 결과적으로, 와이어 자체를 고정하는 분기를 제외하고 각 분기는 1단계 구동 시스템을 모방합니다. 이러한 방식으로, 주 구동 시스템의 힘보다 수 배 더 큰 힘을 생성하는 중첩 구조를 형성할 수 있습니다. 본 연구에서는 각 레벨에서 총 유효 SMA 와이어 길이를 1m로 고려했으며, 이는 그림 7d의 표 형식으로 나타냈습니다. 각 단일 모드 설계에서 각 와이어를 통과하는 전류와 그 결과로 각 SMA 와이어 세그먼트에 발생하는 프리스트레스 및 전압은 각 레벨에서 동일합니다. 분석 모델에 따르면 출력 힘은 레벨과 양의 상관관계를 가지는 반면, 변위는 음의 상관관계를 가집니다. 동시에 변위와 근력 사이에는 상충 관계가 존재합니다. 그림 7b에서 볼 수 있듯이, 최대 힘은 가장 많은 레이어 수에서 발생하지만, 최대 변위는 가장 낮은 레이어에서 관찰됩니다. 계층 레벨을 \(N=5\)로 설정했을 때, 2 μm의 스트로크에서 2.58 kN의 최대 근력이 발생했습니다. 한편, 1단계 구동 장치는 277 μm의 스트로크에서 150 N의 힘을 발생시킵니다. 다단계 액추에이터는 실제 생체 근육을 모방할 수 있으며, 형상 기억 합금을 기반으로 한 인공 근육은 훨씬 더 큰 힘을 정밀하고 미세한 움직임으로 생성할 수 있습니다. 그러나 이러한 소형화된 설계의 한계는 계층 구조가 높아질수록 움직임이 크게 줄어들고 구동 장치 제조 공정이 복잡해진다는 점입니다.
(a) 2단(N=2) 적층형 형상 기억 합금 선형 액추에이터 시스템이 이중 모드 형상으로 나타나 있다. 제안된 모델은 1단 적층 액추에이터의 SMA 와이어를 다른 단일단 적층 액추에이터로 대체함으로써 구현되었다. (c) 2단 다층 액추에이터의 변형된 형상. (b) 레벨 수에 따른 힘과 변위 분포를 나타낸다. 액추에이터의 최대 힘은 그래프의 스케일 레벨과 양의 상관관계를 가지는 반면, 스트로크는 스케일 레벨과 음의 상관관계를 가진다. 각 와이어의 전류와 프리볼트는 모든 레벨에서 일정하게 유지된다. (d) 표는 각 레벨에서의 탭 수와 SMA 와이어(섬유)의 길이를 나타낸다. 와이어의 특성은 인덱스 1로 표시되며, 2차 분기(1차 다리에 연결된 하나)의 수는 아래첨자에서 가장 큰 숫자로 표시된다. 예를 들어, 레벨 5에서 ​​\(n_1\)은 각 이중 모드 구조에 존재하는 SMA 와이어의 수를 나타내고 \(n_5\)는 보조 다리(메인 다리에 연결된 하나)의 수를 나타냅니다.
많은 연구자들이 형상 기억 합금(SMA)의 거동을 모델링하기 위해 다양한 방법을 제안해 왔는데, 이러한 거동은 상전이와 관련된 결정 구조의 거시적 변화에 수반되는 열기계적 특성에 따라 달라집니다. 구성 방정식의 공식화는 본질적으로 복잡합니다. 가장 일반적으로 사용되는 현상론적 모델은 Tanaka28가 제안한 것으로, 엔지니어링 응용 분야에서 널리 사용됩니다. Tanaka[28]가 제안한 현상론적 모델은 마르텐사이트의 부피 분율이 온도와 응력의 지수 함수라고 가정합니다. 이후 Liang과 Rogers29, 그리고 Brinson30은 상전이 동역학이 전압과 온도의 코사인 함수라고 가정한 모델을 약간 수정하여 제안했습니다. Becker와 Brinson은 임의의 하중 조건 및 부분 전이 하에서 SMA 재료의 거동을 모델링하기 위해 상평도 기반 동역학 모델을 제안했습니다. Banerjee32는 Elahinia와 Ahmadian33이 개발한 단일 자유도 매니퓰레이터를 시뮬레이션하기 위해 Becker와 Brinson31의 상평도 동역학 방법을 사용했습니다. 온도에 따른 전압의 비단조적 변화를 고려하는 위상 다이어그램 기반의 동역학적 방법은 공학적 응용 분야에서 구현하기 어렵습니다. 엘라키니아와 아마디안은 기존 현상학적 모델의 이러한 단점을 지적하고, 복잡한 하중 조건에서도 형상 기억 거동을 분석하고 정의할 수 있는 확장된 현상학적 모델을 제안합니다.
SMA 와이어의 구조 모델은 SMA 와이어의 응력(σ), 변형률(ε), 온도(T) 및 마르텐사이트 부피 분율(ξ)을 제공합니다. 현상학적 구성 모델은 Tanaka28에 의해 처음 제안되었고 이후 Liang29 및 Brinson30에 의해 채택되었습니다. 방정식의 미분은 다음과 같은 형태를 가집니다.
여기서 E는 \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) 공식을 사용하여 얻은 상 의존적 SMA 영률이고, \(E_A\)와 \(E_M\)은 각각 오스테나이트상과 마르텐사이트상의 영률을 나타내며, 열팽창 계수는 \(\theta _T\)로 표시됩니다. 상전이 기여 인자는 \(\Omega = -E \epsilon _L\)이고, \(\epsilon _L\)은 SMA 와이어의 최대 회복 가능 변형률입니다.
위상 동역학 방정식은 Tanaka28이 제안한 지수 함수 대신 Liang29이 개발하고 Brinson30이 채택한 코사인 함수와 일치합니다. 상전이 모델은 Elakhinia와 Ahmadian34이 제안한 모델을 확장하고 Liang29와 Brinson30이 제시한 상전이 조건을 기반으로 수정한 것입니다. 이 상전이 모델에 사용된 조건은 복잡한 열기계적 하중 조건에서 유효합니다. 각 시점에서 마르텐사이트의 부피 분율 값은 구성 방정식을 모델링할 때 계산됩니다.
가열 조건에서 마르텐사이트가 오스테나이트로 변환되는 것을 나타내는 지배적인 재변환 방정식은 다음과 같습니다.
여기서 \(\xi\)는 마르텐사이트의 부피 분율이고, \(\xi_M\)는 가열 전 얻어진 마르텐사이트의 부피 분율이며, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) 및 \(C_A\)는 곡선 근사 매개변수이고, T는 SMA 와이어 온도이며, \(A_s\)와 \(A_f\)는 각각 오스테나이트 상의 시작 및 끝 온도입니다.
냉각 조건에서 오스테나이트가 마르텐사이트로 상변환되는 것을 나타내는 직접 변환 제어 방정식은 다음과 같습니다.
여기서 \(\xi _A\)는 냉각 전에 얻은 마르텐사이트의 부피 분율이고, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) 및 \ ( C_M \)은 곡선 맞춤 매개변수이고, T는 SMA 와이어 온도이며, \(M_s\)와 \(M_f\)는 각각 초기 및 최종 마르텐사이트 온도입니다.
식 (3)과 (4)를 미분하면 역변환식과 정변환식은 다음과 같은 형태로 간소화됩니다.
순방향 및 역방향 변환 동안 \(\eta _{\sigma}\)와 \(\eta _{T}\)는 서로 다른 값을 갖습니다. \(\eta _{\sigma}\)와 \(\eta _{T}\)와 관련된 기본 방정식은 추가 섹션에서 자세히 유도 및 논의되었습니다.
SMA 와이어의 온도를 높이는 데 필요한 열에너지는 줄 발열 효과에서 비롯됩니다. SMA 와이어가 흡수하거나 방출하는 열에너지는 변환 잠열로 나타낼 수 있습니다. SMA 와이어의 열 손실은 강제 대류에 의한 것이며, 복사 효과는 무시할 수 있으므로 열에너지 평형 방정식은 다음과 같습니다.
여기서 \(m_{wire}\)는 SMA 와이어의 총 질량, \(c_{p}\)는 SMA의 비열, \(V_{in}\)는 와이어에 인가되는 전압, \(R_{ohm} \ )는 SMA의 상 의존 저항으로 다음과 같이 정의됩니다. \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) 여기서 \(r_M\ )과 \(r_A\)는 각각 마르텐사이트와 오스테나이트 상의 SMA 상 저항률, \(A_{c}\)는 SMA 와이어의 표면적, \(\Delta H \)는 와이어의 형상 기억 합금의 전이 잠열, \(T_{\infty}\)와 \(T_{\infty}\)는 각각 SMA 와이어와 주변 환경의 온도입니다.
형상 기억 합금 와이어가 작동되면 와이어가 압축되어 이중 모드 설계의 각 분기에 섬유력이라고 하는 힘이 발생합니다. SMA 와이어의 각 가닥에 있는 섬유의 힘이 합쳐져 작동에 필요한 근력을 생성하며, 이는 그림 9e에 나타나 있습니다. 바이어싱 스프링의 존재로 인해 N번째 다층 액추에이터의 총 근력은 다음과 같습니다.
식 (7)에 \(N = 1\)을 대입하면 1단계 이중 모드 구동 프로토타입의 근력은 다음과 같이 얻을 수 있습니다.
여기서 n은 단일 모드 다리의 개수, \(F_m\)은 구동에 의해 생성된 근력, \​​(F_f\)는 SMA 와이어의 섬유 강도, \(K_x\)는 바이어스 스프링 강성, \(\alpha\)는 삼각형의 각도, \(x_0\)는 SMA 케이블을 사전 장력 위치에 유지하기 위한 바이어스 스프링의 초기 오프셋, \(\Delta x\)는 액추에이터 이동 거리입니다.
N단 SMA 와이어의 전압(σ)과 변형률(ε)에 따라 구동 장치의 총 변위 또는 이동량(Δx)은 다음과 같이 설정됩니다(출력의 추가 부분 그림 참조).
운동학 방정식은 구동 변형(ε)과 변위(Δx) 사이의 관계를 나타냅니다. 단일 모드 분기에서 초기 Arb 와이어 길이(l₀)와 임의의 시간 t에서의 와이어 길이(l)의 함수로서 Arb 와이어의 변형은 다음과 같습니다.
여기서 \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\)는 그림 8에 나타낸 바와 같이 \(\Delta\)ABB'에 코사인 공식을 적용하여 얻습니다. 첫 번째 단계 구동(\(N = 1\))의 경우 \(\Delta x_1\)는 \(\Delta x\)이고 \(\alpha _1\)는 \(\alpha \)입니다. 그림 8에서 볼 수 있듯이, 식 (11)에서 시간을 미분하고 l 값을 대입하면 변형률은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.
여기서 \(l_0\)는 SMA 와이어의 초기 길이이고, l은 단일 모드 분기에서 임의의 시간 t에서의 와이어 길이이며, \(\epsilon\)는 SMA 와이어에 발생한 변형이고, \(\alpha\)는 삼각형의 각도이며, \(\Delta x\)는 구동 오프셋입니다(그림 8 참조).
모든 n개의 단일 피크 구조(이 그림에서는 n=6)는 입력 전압 \(V_{in}\)과 직렬로 연결됩니다. 1단계: 0V 조건에서 이중 모드 구성의 SMA 와이어의 개략도. 2단계: 역변환으로 인해 SMA 와이어가 압축된 제어 구조(빨간색 선으로 표시됨).
개념 증명으로서, 시뮬레이션을 통해 도출된 기본 방정식의 타당성을 실험 결과와 비교하여 검증하기 위해 SMA 기반의 이중 모드 구동 장치를 개발했습니다. 이중 모드 선형 액추에이터의 CAD 모델은 그림 9a에 나타나 있습니다. 한편, 그림 9c는 이중 모드 구조를 갖는 2면 SMA 기반 액추에이터를 사용한 회전 프리즘 연결에 대한 새로운 설계안을 보여줍니다. 구동 부품은 Ultimaker 3 Extended 3D 프린터를 이용한 적층 제조 방식으로 제작되었습니다. 부품의 3D 프린팅에 사용된 재료는 폴리카보네이트로, 강하고 내구성이 뛰어나며 높은 유리 전이 온도(110~113°C)를 갖는 내열 재료로서 적합합니다. 또한, 실험에는 Dynalloy, Inc.의 Flexinol 형상 기억 합금 와이어가 사용되었으며, 시뮬레이션에는 Flexinol 와이어에 해당하는 재료 특성이 사용되었습니다. 그림 9b, d에 나타낸 바와 같이, 다층 액추에이터에서 생성되는 높은 힘을 얻기 위해 여러 개의 SMA 와이어가 근육의 이중 모드 배열에 존재하는 섬유처럼 배열됩니다.
그림 9a에서 보는 바와 같이, 가동 암 SMA 와이어가 이루는 예각을 α(α) 각도라고 합니다. 좌우 클램프에 단자 클램프를 부착하여 SMA 와이어를 원하는 이중 각도로 고정합니다. 스프링 커넥터에 장착된 바이어스 스프링 장치는 SMA 섬유의 개수(n)에 따라 다양한 바이어스 스프링 확장 그룹을 조절할 수 있도록 설계되었습니다. 또한, 가동 부품의 위치는 SMA 와이어가 외부 환경에 노출되어 강제 대류 냉각이 이루어지도록 설계되었습니다. 분리형 어셈블리의 상판과 하판에는 무게를 줄이기 위해 설계된 돌출부가 있어 SMA 와이어의 냉각을 돕습니다. 또한, CMA 와이어의 양 끝단은 각각 좌우 단자에 크림프 방식으로 고정됩니다. 가동 어셈블리의 한쪽 끝에는 상판과 하판 사이의 간격을 유지하기 위해 플런저가 부착되어 있습니다. 이 플런저는 SMA 와이어가 작동될 때 접점을 통해 센서에 차단력을 가하여 차단력을 측정하는 데에도 사용됩니다.
이중 모드 근육 구조의 SMA는 직렬로 전기적으로 연결되어 입력 펄스 전압에 의해 구동됩니다. 전압 펄스 주기 동안, 전압이 인가되어 SMA 와이어가 오스테나이트의 초기 온도 이상으로 가열되면 각 가닥의 와이어 길이가 줄어듭니다. 이 수축으로 인해 가동 암 하위 어셈블리가 작동합니다. 같은 주기에서 전압이 0으로 설정되면 가열된 SMA 와이어는 마르텐사이트 표면 온도 이하로 냉각되어 원래 위치로 돌아갑니다. 무응력 조건에서 SMA 와이어는 먼저 바이어스 스프링에 의해 수동적으로 늘어나 쌍정이 제거된 마르텐사이트 상태에 도달합니다. SMA 와이어가 통과하는 나사는 SMA 와이어에 전압 펄스가 인가되어 발생하는 압축력(SPA가 오스테나이트 상에 도달함)으로 인해 움직이며, 이로 인해 가동 레버가 작동합니다. SMA 와이어가 수축될 때, 바이어스 스프링은 스프링을 더 늘려 반대 방향으로 힘을 발생시킵니다. 임펄스 전압의 응력이 0이 되면, SMA 와이어는 강제 대류 냉각으로 인해 늘어나고 모양이 변하여 이중 마르텐사이트 상에 도달합니다.
제안된 SMA 기반 선형 액추에이터 시스템은 SMA 와이어가 각도를 이루는 이중 모드 구성을 갖습니다. (a)는 프로토타입의 CAD 모델을 나타내며, 프로토타입의 구성 요소와 그 의미를 설명합니다. (b, d)는 개발된 실험용 프로토타입을 나타냅니다. (b)는 전기 연결, 바이어스 스프링 및 스트레인 게이지가 사용된 프로토타입의 평면도를 보여주고, (d)는 장치의 투시도를 보여줍니다. (e)는 임의의 시간 t에서 이중 모드로 배치된 SMA 와이어를 갖는 선형 구동 시스템의 다이어그램으로, 섬유의 방향과 경로 및 근력을 보여줍니다. (c) 2-DOF 회전 프리즘 연결은 2면 SMA 기반 액추에이터를 구현하기 위해 제안되었습니다. 그림에서 볼 수 있듯이, 링크는 하단 구동부에서 상단 암으로 선형 운동을 전달하여 회전 연결을 생성합니다. 한편, 한 쌍의 프리즘의 움직임은 다층 1단계 구동부의 움직임과 동일합니다.
그림 9b에 나타낸 프로토타입을 이용하여 SMA 기반 이중 모드 구동 장치의 성능을 평가하기 위한 실험 연구를 수행하였다. 그림 10a에서 볼 수 있듯이, 실험 장치는 SMA 와이어에 입력 전압을 공급하는 프로그래밍 가능한 DC 전원 공급 장치로 구성되었다. 그림 10b에서와 같이, 압전 변형률 게이지(PACEline CFT/5kN)를 사용하여 Graphtec GL-2000 데이터 로거로 차단력을 측정하였다. 측정된 데이터는 호스트 시스템에 기록되어 추가 연구에 활용되었다. 변형률 게이지와 전하 증폭기는 전압 신호를 생성하기 위해 일정한 전원 공급이 필요하다. 이러한 신호는 압전력 센서의 감도 및 표 2에 설명된 기타 매개변수에 따라 전력 출력으로 변환된다. 전압 펄스가 인가되면 SMA 와이어의 온도가 상승하여 와이어가 압축되고, 이로 인해 액추에이터가 힘을 발생시킨다. 7V의 입력 전압 펄스에 의한 근력 출력의 실험 결과는 그림 2a에 나타내었다.
(a) 실험에서는 SMA 기반 선형 액추에이터 시스템을 설치하여 액추에이터가 발생시키는 힘을 측정했습니다. 로드셀은 차단력을 측정하며 24V DC 전원으로 구동됩니다. GW Instek 프로그래밍 가능 DC 전원 공급 장치를 사용하여 케이블 전체 길이에 걸쳐 7V의 전압 강하를 인가했습니다. SMA 와이어는 열에 의해 수축하고, 가동 암이 로드셀에 접촉하여 차단력을 발생시킵니다. 로드셀은 GL-2000 데이터 로거에 연결되어 있으며, 데이터는 추가 처리를 위해 호스트에 저장됩니다. (b) 근력 측정을 위한 실험 장치의 구성 요소 연결도를 나타낸 그림입니다.
형상 기억 합금은 열에너지에 의해 여기되므로 온도는 형상 기억 현상을 연구하는 데 중요한 매개변수입니다. 그림 11a에 나타낸 바와 같이, 프로토타입 SMA 기반 이가율 액추에이터에 대해 열화상 촬영 및 온도 측정을 수행했습니다. 그림 11b에 나타낸 실험 장치에서 프로그래밍 가능한 DC 전원은 SMA 와이어에 입력 전압을 인가했습니다. SMA 와이어의 온도 변화는 고해상도 장파장 적외선 카메라(FLIR A655sc)를 사용하여 실시간으로 측정했습니다. 호스트 시스템은 ResearchIR 소프트웨어를 사용하여 데이터를 기록하고 후처리했습니다. 전압 펄스가 인가되면 SMA 와이어의 온도가 상승하여 와이어가 수축합니다. 그림 2b는 7V 입력 전압 펄스에 대한 SMA 와이어 온도 대 시간의 실험 결과를 보여줍니다.