Dziękujemy za odwiedzenie Nature.com. Używana przez Ciebie wersja przeglądarki ma ograniczoną obsługę CSS. Aby zapewnić Ci najlepsze wrażenia, zalecamy korzystanie z nowszej wersji przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w Internet Explorerze). W międzyczasie, aby zapewnić ciągłą obsługę, będziemy renderować witrynę bez stylów i JavaScriptu.
Siłowniki są powszechnie stosowane i zapewniają kontrolowany ruch poprzez zastosowanie odpowiedniej siły wzbudzenia lub momentu obrotowego do wykonywania różnych operacji w produkcji i automatyzacji przemysłowej. Potrzeba szybszych, mniejszych i bardziej wydajnych napędów napędza innowacje w projektowaniu napędów. Napędy ze stopu z pamięcią kształtu (SMA) oferują szereg zalet w porównaniu z napędami konwencjonalnymi, w tym wysoki stosunek mocy do masy. W niniejszej rozprawie opracowano dwustopniowy siłownik oparty na SMA, który łączy zalety mięśni o strukturze pierzastej systemów biologicznych z unikalnymi właściwościami SMA. W niniejszym badaniu zbadano i rozszerzono dotychczasowe siłowniki SMA poprzez opracowanie modelu matematycznego nowego siłownika opartego na bimodalnym układzie przewodów SMA i przetestowanie go eksperymentalnie. W porównaniu ze znanymi napędami opartymi na SMA, siła napędowa nowego napędu jest co najmniej 5 razy wyższa (do 150 N). Odpowiadająca temu utrata masy wynosi około 67%. Wyniki analizy wrażliwości modeli matematycznych są przydatne do dostrajania parametrów projektowych i zrozumienia kluczowych parametrów. W niniejszym badaniu przedstawiono również wielostopniowy napęd N-stopniowy, który może być wykorzystany do dalszej poprawy dynamiki. Siłowniki mięśniowe oparte na dipwalerianie SMA mają szeroki zakres zastosowań, od automatyki budynkowej po precyzyjne systemy dostarczania leków.
Układy biologiczne, takie jak struktury mięśniowe ssaków, mogą aktywować wiele subtelnych aktuatorów1. Ssaki mają różne struktury mięśniowe, z których każda służy określonemu celowi. Jednak znaczną część struktury tkanki mięśniowej ssaków można podzielić na dwie szerokie kategorie. Równoległe i pierzaste. W ścięgnach podkolanowych i innych zginaczach, jak sama nazwa wskazuje, muskulatura równoległa ma włókna mięśniowe równoległe do ścięgna centralnego. Łańcuch włókien mięśniowych jest ułożony w linii i połączony funkcjonalnie przez otaczającą je tkankę łączną. Chociaż mówi się, że mięśnie te mają duże wychylenie (procentowe skrócenie), ich ogólna siła mięśniowa jest bardzo ograniczona. Natomiast w mięśniu trójgłowym łydki2 (mięsień brzuchaty boczny (GL)3, mięsień brzuchaty przyśrodkowy (GM)4 i mięsień płaszczkowaty (SOL)) i prostowniku uda (mięsień czworogłowy)5,6 tkanka mięśniowa pierzasta znajduje się w każdym mięśniu7. W strukturze pierzastej włókna mięśniowe mięśnia dwupierzastego występują po obu stronach ścięgna centralnego pod kątami skośnymi (kątami pierzastymi). Nazwa „pennate” pochodzi od łacińskiego słowa „penna”, oznaczającego „pióro”, i, jak pokazano na ryc. 1, ma wygląd przypominający pióro. Włókna mięśnia pierzastego są krótsze i ustawione pod kątem do osi podłużnej mięśnia. Ze względu na strukturę pierzastą ogólna ruchomość tych mięśni jest ograniczona, co prowadzi do poprzecznej i podłużnej składowej procesu skracania. Z drugiej strony, aktywacja tych mięśni prowadzi do wzrostu ogólnej siły mięśniowej ze względu na sposób pomiaru fizjologicznego pola przekroju poprzecznego. Dlatego dla danego pola przekroju poprzecznego mięśnie pierzaste będą silniejsze i będą generować większe siły niż mięśnie o włóknach równoległych. Siły generowane przez poszczególne włókna generują siły mięśniowe na poziomie makroskopowym w tej tkance mięśniowej. Ponadto, mięśnie te posiadają tak unikalne właściwości, jak szybki skurcz, ochrona przed uszkodzeniami rozciągającymi i amortyzacja. Zmienia ona relację między wkładem włókien a mocą wyjściową mięśni, wykorzystując wyjątkowe cechy i geometryczną złożoność układu włókien związanego z liniami działania mięśni.
Przedstawiono schematyczne diagramy istniejących konstrukcji siłowników opartych na SMA w odniesieniu do bimodalnej architektury mięśniowej, na przykład (a), przedstawiające interakcję siły dotykowej, w której urządzenie w kształcie dłoni, uruchamiane przewodami SMA, jest zamontowane na dwukołowym autonomicznym robocie mobilnym9,10. (b) Robotyczna proteza oczodołu z antagonistycznie umieszczoną sprężynową protezą oczodołu SMA. Położenie protezy oka jest kontrolowane sygnałem z mięśnia ocznego oka11. (c) Siłowniki SMA idealnie nadają się do zastosowań podwodnych ze względu na wysoką częstotliwość odpowiedzi i niską szerokość pasma. W tej konfiguracji siłowniki SMA służą do tworzenia ruchu falowego poprzez symulację ruchu ryb, (d) siłowniki SMA służą do tworzenia mikrorobota do inspekcji rur, który może wykorzystywać zasadę ruchu ślimaka calowego, sterowanego przez ruch drutów SMA wewnątrz kanału 10, (e) przedstawia kierunek włókien mięśniowych skurczowych i generowania siły skurczowej w tkance mięśnia brzuchatego łydki, (f) przedstawia druty SMA ułożone w formie włókien mięśniowych w strukturze mięśnia pierzastego.
Siłowniki stały się ważnym elementem systemów mechanicznych ze względu na szeroki zakres zastosowań. W związku z tym zapotrzebowanie na mniejsze, szybsze i bardziej wydajne napędy staje się krytyczne. Pomimo swoich zalet, tradycyjne napędy okazały się drogie i czasochłonne w utrzymaniu. Siłowniki hydrauliczne i pneumatyczne są złożone i drogie, a także podatne na zużycie, problemy ze smarowaniem i awarie komponentów. W odpowiedzi na zapotrzebowanie, nacisk kładzie się na rozwój ekonomicznych, zoptymalizowanych pod kątem rozmiaru i zaawansowanych siłowników opartych na inteligentnych materiałach. Trwające badania koncentrują się na siłownikach warstwowych ze stopu z pamięcią kształtu (SMA), aby sprostać temu zapotrzebowaniu. Siłowniki hierarchiczne są wyjątkowe, ponieważ łączą wiele dyskretnych siłowników w geometrycznie złożone podsystemy makroskopowe, zapewniając zwiększoną i rozszerzoną funkcjonalność. Pod tym względem opisana powyżej ludzka tkanka mięśniowa stanowi doskonały, wielowarstwowy przykład takiej wielowarstwowej aktywacji. Niniejsze badanie opisuje wielopoziomowy napęd SMA z kilkoma indywidualnymi elementami napędowymi (przewodami SMA) ustawionymi zgodnie z orientacją włókien występującą w mięśniach bimodalnych, co poprawia ogólną wydajność napędu.
Głównym celem siłownika jest generowanie mocy mechanicznej, takiej jak siła i przemieszczenie, poprzez konwersję energii elektrycznej. Stopy z pamięcią kształtu to klasa „inteligentnych” materiałów, które mogą przywracać swój kształt w wysokich temperaturach. Pod wysokim obciążeniem wzrost temperatury drutu SMA prowadzi do odzyskiwania kształtu, co skutkuje wyższą gęstością energii aktywacji w porównaniu z różnymi bezpośrednio łączonymi materiałami inteligentnymi. Jednocześnie pod wpływem obciążeń mechanicznych SMA stają się kruche. W pewnych warunkach obciążenie cykliczne może absorbować i uwalniać energię mechaniczną, wykazując odwracalne histeryczne zmiany kształtu. Te unikalne właściwości sprawiają, że SMA idealnie nadaje się do czujników, tłumienia drgań, a zwłaszcza siłowników12. Mając to na uwadze, przeprowadzono wiele badań nad napędami opartymi na SMA. Należy zauważyć, że siłowniki oparte na SMA są zaprojektowane do zapewniania ruchu postępowego i obrotowego w różnych zastosowaniach13,14,15. Chociaż opracowano kilka siłowników obrotowych, naukowcy są szczególnie zainteresowani siłownikami liniowymi. Te siłowniki liniowe można podzielić na trzy typy: jednowymiarowe, przemieszczeniowe i różnicowe[16]. Początkowo napędy hybrydowe tworzono w połączeniu z napędami SMA i innymi napędami konwencjonalnymi. Jednym z przykładów hybrydowego siłownika liniowego opartego na SMA jest zastosowanie przewodu SMA z silnikiem prądu stałego, zapewniającego siłę wyjściową około 100 N i znaczną przemieszczeniowość[17].
Jednym z pierwszych osiągnięć w dziedzinie napędów opartych całkowicie na SMA był napęd równoległy SMA. Wykorzystując wiele przewodów SMA, napęd równoległy oparty na SMA został zaprojektowany w celu zwiększenia mocy napędu poprzez równoległe ułożenie wszystkich przewodów SMA18. Równoległe połączenie siłowników nie tylko wymaga większej mocy, ale także ogranicza moc wyjściową pojedynczego przewodu. Inną wadą siłowników opartych na SMA jest ograniczony zakres ruchu, jaki mogą osiągnąć. Aby rozwiązać ten problem, stworzono belkę kablową SMA zawierającą odchyloną elastyczną belkę w celu zwiększenia przemieszczenia i uzyskania ruchu liniowego, ale nie generującą większych sił19. Miękkie, odkształcalne struktury i tkaniny dla robotów oparte na stopach z pamięcią kształtu zostały opracowane głównie w celu wzmocnienia uderzeń20,21,22. W zastosowaniach wymagających dużych prędkości, zgłaszano kompaktowe pompy napędzane cienkowarstwowymi membranami SMA do zastosowań napędzanych mikropompami23. Częstotliwość napędu cienkowarstwowej membrany SMA jest kluczowym czynnikiem w sterowaniu prędkością napędu. Dlatego silniki liniowe SMA mają lepszą odpowiedź dynamiczną niż silniki sprężynowe lub prętowe SMA. Robotyka miękka i technologia chwytania to dwa kolejne zastosowania wykorzystujące siłowniki oparte na SMA. Na przykład, aby zastąpić standardowy siłownik stosowany w zacisku o sile 25 N, opracowano siłownik równoległy ze stopu z pamięcią kształtu 24. W innym przypadku, siłownik miękki SMA został wykonany na bazie drutu z wbudowaną matrycą, zdolny do wytworzenia maksymalnej siły naciągu 30 N. Ze względu na swoje właściwości mechaniczne, siłowniki SMA są również wykorzystywane do produkcji siłowników naśladujących zjawiska biologiczne. Jednym z takich rozwiązań jest 12-komórkowy robot, który jest biomimetykiem organizmu przypominającego dżdżownicę, wyposażony w SMA, generujący ruch sinusoidalny w celu uruchomienia ognia26,27.
Jak wspomniano wcześniej, istnieje ograniczenie maksymalnej siły, jaką można uzyskać z istniejących siłowników opartych na SMA. Aby rozwiązać ten problem, niniejsze badanie przedstawia biomimetyczną bimodalną strukturę mięśniową. Napędzana jest drutem ze stopu z pamięcią kształtu. Zapewnia ona system klasyfikacji, który obejmuje kilka drutów ze stopu z pamięcią kształtu. Do tej pory w literaturze nie opisano siłowników opartych na SMA o podobnej architekturze. Ten unikalny i nowatorski system oparty na SMA został opracowany w celu zbadania zachowania SMA podczas bimodalnego ustawienia mięśni. W porównaniu z istniejącymi siłownikami opartymi na SMA, celem niniejszego badania było stworzenie biomimetycznego siłownika dipwalerianowego, który generowałby znacznie większe siły w małej objętości. W porównaniu z konwencjonalnymi napędami napędzanymi silnikami krokowymi, stosowanymi w systemach automatyki i sterowania budynkami HVAC, proponowana konstrukcja napędu bimodalnego oparta na SMA zmniejsza masę mechanizmu napędowego o 67%. W dalszej części terminy „mięsień” i „napęd” są używane zamiennie. Niniejsze badanie analizuje symulację wielofizyczną takiego napędu. Zachowanie mechaniczne takich układów zostało zbadane metodami eksperymentalnymi i analitycznymi. Rozkłady siły i temperatury badano dalej przy napięciu wejściowym 7 V. Następnie przeprowadzono analizę parametryczną w celu lepszego zrozumienia zależności między kluczowymi parametrami a siłą wyjściową. Ostatecznie, przewidziano siłowniki hierarchiczne, a efekty poziomów hierarchicznych zaproponowano jako potencjalny obszar przyszłych zastosowań siłowników niemagnetycznych w protezach. Zgodnie z wynikami wyżej wymienionych badań, zastosowanie architektury jednostopniowej generuje siły co najmniej cztery do pięciu razy większe niż opisane siłowniki oparte na SMA. Ponadto wykazano, że ta sama siła napędowa generowana przez napęd wielostopniowy jest ponad dziesięciokrotnie większa niż w przypadku konwencjonalnych napędów opartych na SMA. Badanie następnie przedstawia kluczowe parametry za pomocą analizy wrażliwości między różnymi projektami i zmiennymi wejściowymi. Początkowa długość przewodu SMA (\(l_0\)), kąt pierzasty (\(\alpha\)) i liczba pojedynczych włókien (n) w każdym pojedynczym włóknie mają silny negatywny wpływ na wielkość siły napędowej, podczas gdy napięcie wejściowe (energia) okazało się dodatnio skorelowane.
Drut SMA wykazuje efekt pamięci kształtu (SME) obserwowany w rodzinie stopów niklowo-tytanowych (Ni-Ti). Zazwyczaj SMA wykazują dwie fazy zależne od temperatury: fazę niskotemperaturową i fazę wysokotemperaturową. Obie fazy mają unikalne właściwości ze względu na obecność różnych struktur krystalicznych. W fazie austenitu (fazie wysokotemperaturowej) występującej powyżej temperatury transformacji materiał wykazuje wysoką wytrzymałość i jest słabo odkształcalny pod obciążeniem. Stop zachowuje się jak stal nierdzewna, dzięki czemu jest w stanie wytrzymać wyższe ciśnienia aktywacji. Wykorzystując tę właściwość stopów Ni-Ti, druty SMA są pochylone, tworząc siłownik. Opracowano odpowiednie modele analityczne w celu zrozumienia podstawowej mechaniki zachowania termicznego SMA pod wpływem różnych parametrów i różnych geometrii. Uzyskano dobrą zgodność między wynikami eksperymentalnymi i analitycznymi.
Przeprowadzono badanie eksperymentalne na prototypie pokazanym na rys. 9a w celu oceny wydajności napędu bimodalnego opartego na SMA. Dwie z tych właściwości, siła generowana przez napęd (siła mięśni) i temperatura przewodu SMA (temperatura SMA), zostały zmierzone eksperymentalnie. Wraz ze wzrostem różnicy napięć na całej długości przewodu w napędzie, temperatura przewodu wzrasta z powodu efektu ciepła Joule'a. Napięcie wejściowe przyłożono w dwóch 10-sekundowych cyklach (pokazanych jako czerwone kropki na rys. 2a, b) z 15-sekundowym okresem chłodzenia między każdym cyklem. Siłę blokującą mierzono za pomocą tensometru piezoelektrycznego, a rozkład temperatury przewodu SMA monitorowano w czasie rzeczywistym za pomocą kamery LWIR o wysokiej rozdzielczości klasy naukowej (patrz charakterystyka użytego sprzętu w Tabeli 2). pokazuje, że podczas fazy wysokiego napięcia temperatura przewodu rośnie monotonicznie, ale gdy nie płynie prąd, temperatura przewodu nadal spada. W obecnym układzie eksperymentalnym temperatura przewodu SMA spadła podczas fazy chłodzenia, ale nadal była wyższa od temperatury otoczenia. Na rys. 2e przedstawiono migawkę temperatury przewodu SMA z kamery LWIR. Z kolei na rys. 2a przedstawiono siłę blokującą generowaną przez układ napędowy. Gdy siła mięśni przekroczy siłę przywracającą sprężyny, ruchome ramię, jak pokazano na rys. 9a, zaczyna się poruszać. Gdy tylko rozpocznie się aktywacja, ruchome ramię styka się z czujnikiem, wytwarzając siłę masową, jak pokazano na rys. 2c, d. Gdy maksymalna temperatura jest bliska \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), maksymalna zaobserwowana siła wynosi 105 N.
Wykres przedstawia wyniki eksperymentalne temperatury przewodu SMA i siły generowanej przez bimodalny siłownik oparty na SMA w ciągu dwóch cykli. Napięcie wejściowe jest przykładane w dwóch 10-sekundowych cyklach (pokazanych jako czerwone kropki) z 15-sekundowym okresem schładzania pomiędzy każdym cyklem. Przewód SMA użyty w eksperymentach to przewód Flexinol o średnicy 0,51 mm firmy Dynalloy, Inc. (a) Wykres przedstawia siłę eksperymentalną uzyskaną w ciągu dwóch cykli, (c, d) przedstawia dwa niezależne przykłady działania siłowników z ruchomym ramieniem na piezoelektryczny przetwornik siły PACEline CFT/5 kN, (b) wykres przedstawia maksymalną temperaturę całego przewodu SMA w czasie dwóch cykli, (e) przedstawia migawkę temperatury pobraną z przewodu SMA za pomocą kamery LWIR oprogramowania FLIR ResearchIR. Parametry geometryczne brane pod uwagę w eksperymentach podano w Tabeli jeden.
Wyniki symulacji modelu matematycznego i wyniki eksperymentalne porównano przy napięciu wejściowym 7 V, jak pokazano na rys. 5. Zgodnie z wynikami analizy parametrycznej i w celu uniknięcia możliwości przegrzania przewodu SMA, do siłownika doprowadzono moc 11,2 W. Programowalny zasilacz prądu stałego użyto do dostarczenia napięcia wejściowego 7 V, a na przewodzie zmierzono prąd 1,6 A. Siła generowana przez napęd i temperatura SDR rosną po przyłożeniu prądu. Przy napięciu wejściowym 7 V maksymalna siła wyjściowa uzyskana z wyników symulacji i wyników eksperymentalnych pierwszego cyklu wynosi odpowiednio 78 N i 96 N. W drugim cyklu maksymalna siła wyjściowa uzyskana z wyników symulacji i eksperymentalnych wyniosła odpowiednio 150 N i 105 N. Rozbieżność między pomiarami siły okluzji a danymi eksperymentalnymi może wynikać z metody pomiaru siły okluzji. Wyniki eksperymentalne przedstawiono na rys. Rys. 5a odpowiada pomiarowi siły blokującej, która z kolei została zmierzona, gdy wał napędowy stykał się z piezoelektrycznym przetwornikiem siły PACEline CFT/5 kN, jak pokazano na rys. 2s. Dlatego też, gdy wał napędowy nie styka się z czujnikiem siły na początku strefy chłodzenia, siła natychmiast spada do zera, jak pokazano na rys. 2d. Ponadto innymi parametrami wpływającymi na kształtowanie się siły w kolejnych cyklach są wartości czasu chłodzenia i współczynnik konwekcyjnego przenoszenia ciepła w poprzednim cyklu. Z rys. 2b wynika, że po 15 sekundach chłodzenia przewód SMA nie osiągnął temperatury pokojowej i dlatego miał wyższą temperaturę początkową (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) w drugim cyklu napędowym w porównaniu z pierwszym cyklem (\(25\,^{\circ}\hbox {C}\)). Tak więc, w porównaniu z pierwszym cyklem, temperatura drutu SMA podczas drugiego cyklu nagrzewania osiąga początkową temperaturę austenitu (\(A_s\)) wcześniej i pozostaje dłużej w okresie przejściowym, co powoduje naprężenia i siłę. Z drugiej strony, rozkłady temperatury podczas cykli nagrzewania i chłodzenia uzyskane z eksperymentów i symulacji wykazują duże podobieństwo jakościowe do przykładów z analizy termograficznej. Analiza porównawcza danych termicznych drutu SMA z eksperymentów i symulacji wykazała spójność podczas cykli nagrzewania i chłodzenia oraz w dopuszczalnych tolerancjach dla danych eksperymentalnych. Maksymalna temperatura drutu SMA, uzyskana na podstawie wyników symulacji i eksperymentów pierwszego cyklu, wynosi odpowiednio \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) i \(75\,^{\circ }\hbox {C}\), a w drugim cyklu maksymalna temperatura drutu SMA wynosi \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) i \(83\,^{\circ }\ hbox {C}\). Opracowany model potwierdza wpływ efektu pamięci kształtu. Rola zmęczenia i przegrzania nie została uwzględniona w niniejszym przeglądzie. W przyszłości model zostanie udoskonalony o historię naprężeń przewodu SMA, co uczyni go bardziej odpowiednim do zastosowań inżynierskich. Wykresy siły wyjściowej napędu i temperatury przewodu SMA, uzyskane z bloku Simulink, mieszczą się w dopuszczalnych tolerancjach danych eksperymentalnych przy impulsie napięcia wejściowego 7 V. Potwierdza to poprawność i niezawodność opracowanego modelu matematycznego.
Model matematyczny opracowano w środowisku MathWorks Simulink R2020b, wykorzystując podstawowe równania opisane w sekcji Metody. Na rys. 3b przedstawiono schemat blokowy modelu matematycznego Simulink. Model symulowano dla impulsu napięcia wejściowego 7 V, jak pokazano na rys. 2a, b. Wartości parametrów użytych w symulacji podano w tabeli 1. Wyniki symulacji procesów przejściowych przedstawiono na rysunkach 1 i 1. Rysunki 3a i 4. Na rys. 4a, b przedstawiono napięcie indukowane w przewodzie SMA oraz siłę generowaną przez siłownik w funkcji czasu. Podczas odwrotnej transformacji (nagrzewania), gdy temperatura drutu SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura początkowa fazy austenitu modyfikowanego naprężeniem), szybkość zmiany objętościowego udziału martenzytu (\(\dot{\xi }\)) będzie równa zero. Podczas odwrotnej transformacji (nagrzewania), gdy temperatura drutu SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura początkowa fazy austenitu modyfikowanego naprężeniem), szybkość zmiany objętościowego udziału martenzytu (\(\dot{\ xi }\)) będzie równa zero. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала austenitnoй фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нулю. Podczas odwrotnej transformacji (nagrzewania), gdy temperatura drutu SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura początku austenitu zmodyfikowana naprężeniem), szybkość zmiany objętościowego udziału martenzytu (\(\dot{\ xi }\ )) będzie równa zeru.在反向转变(加热)过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时，马氏体体积分数的变化率（\(\dot{\ xi }\))将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t
(a) Wynik symulacji przedstawiający rozkład temperatury i temperaturę złącza wywołaną naprężeniem w siłowniku diwalerianowym opartym na SMA. Gdy temperatura drutu przekracza temperaturę przemiany austenitycznej w fazie nagrzewania, zmodyfikowana temperatura przemiany austenitycznej zaczyna wzrastać, a gdy temperatura walcówki przekracza temperaturę przemiany martenzytycznej w fazie chłodzenia, temperatura przemiany martenzytycznej spada. SMA do analitycznego modelowania procesu napędu. (Szczegółowy opis każdego podsystemu modelu Simulink znajduje się w sekcji dodatku do pliku uzupełniającego).
Wyniki analizy dla różnych rozkładów parametrów przedstawiono dla dwóch cykli napięcia wejściowego 7 V (10-sekundowe cykle nagrzewania i 15-sekundowe cykle schładzania). Podczas gdy (ac) i (e) przedstawiają rozkład w czasie, z drugiej strony (d) i (f) ilustrują rozkład w zależności od temperatury. Dla odpowiednich warunków wejściowych maksymalne obserwowane naprężenie wynosi 106 MPa (granica plastyczności drutu poniżej 345 MPa), siła wynosi 150 N, maksymalne przemieszczenie wynosi 270 µm, a minimalny udział objętościowy martenzytu wynosi 0,91. Z drugiej strony, zmiana naprężenia i zmiana udziału objętościowego martenzytu w zależności od temperatury są podobne do charakterystyki histerezy.
To samo wyjaśnienie dotyczy bezpośredniej transformacji (chłodzenia) z fazy austenitu do fazy martenzytu, gdzie temperatura drutu SMA (T) i temperatura końcowa fazy martenzytu modyfikowanego naprężeniem (\(M_f^{\prime}\ )) jest doskonała. Na rys. 4d,f pokazuje zmianę naprężenia indukowanego (\(\sigma\)) i ułamka objętości martenzytu (\(\xi\)) w drucie SMA jako funkcję zmiany temperatury drutu SMA (T), dla obu cykli napędowych. Na rys. 3a pokazuje zmianę temperatury drutu SMA w czasie w zależności od impulsu napięcia wejściowego. Jak widać na rysunku, temperatura drutu nadal rośnie dzięki dostarczaniu źródła ciepła przy zerowym napięciu i późniejszemu chłodzeniu konwekcyjnemu. Podczas nagrzewania, retransformacja martenzytu w fazę austenitu rozpoczyna się, gdy temperatura drutu SMA (T) przekracza skorygowaną o naprężenie temperaturę zarodkowania austenitu (\(A_s^{\prime}\)). W tej fazie drut SMA jest ściskany, a siłownik generuje siłę. Również podczas chłodzenia, gdy temperatura drutu SMA (T) przekracza temperaturę zarodkowania zmodyfikowanej o naprężenie fazy martenzytu (\(M_s^{\prime}\)), następuje dodatnie przejście z fazy austenitu w fazę martenzytu. Siła napędowa maleje.
Główne aspekty jakościowe napędu bimodalnego opartego na SMA można uzyskać z wyników symulacji. W przypadku sygnału wejściowego impulsu napięciowego temperatura drutu SMA wzrasta z powodu efektu ciepła Joule'a. Początkowa wartość udziału objętościowego martenzytu (\(\xi\)) jest ustawiona na 1, ponieważ materiał początkowo znajduje się w fazie całkowicie martenzytycznej. W miarę nagrzewania się drutu temperatura drutu SMA przekracza skorygowaną o naprężenie temperaturę zarodkowania austenitu \(A_s^{\prime}\), co powoduje zmniejszenie udziału objętościowego martenzytu, jak pokazano na rysunku 4c. Ponadto na rysunku 4e przedstawiono rozkład skoków siłownika w czasie, a na rysunku 5 – siłę napędową w funkcji czasu. Powiązany układ równań obejmuje temperaturę, udział objętościowy martenzytu i naprężenie, które rozwija się w drucie, powodując skurcz drutu SMA i siłę generowaną przez siłownik. Jak pokazano na rysunku Zmiana napięcia 4d,f w funkcji temperatury oraz zmiana objętościowego udziału martenzytu w funkcji temperatury odpowiadają charakterystyce histerezy SMA w symulowanym przypadku przy napięciu 7 V.
Porównanie parametrów napędowych uzyskano poprzez eksperymenty i obliczenia analityczne. Przewody poddano impulsowemu napięciu wejściowemu 7 V przez 10 sekund, a następnie schłodzono przez 15 sekund (faza chłodzenia) w dwóch cyklach. Kąt pierzasty ustawiono na \(40^{\circ}\), a początkowa długość przewodu SMA w każdej pojedynczej odnodze wynosiła 83 mm. (a) Pomiar siły napędowej za pomocą ogniwa tensometrycznego (b) Monitorowanie temperatury przewodu za pomocą kamery termowizyjnej.
Aby zrozumieć wpływ parametrów fizycznych na siłę wytwarzaną przez napęd, przeprowadzono analizę wrażliwości modelu matematycznego na wybrane parametry fizyczne, a parametry uszeregowano według ich wpływu. Najpierw próbkowanie parametrów modelu przeprowadzono, stosując zasady projektowania eksperymentalnego, które podążały za rozkładem jednostajnym (patrz Sekcja uzupełniająca dotycząca analizy wrażliwości). W tym przypadku parametry modelu obejmują napięcie wejściowe (\(V_{in}\)), początkową długość przewodu SMA (\(l_0\)), kąt trójkątny (\(\alpha\)), stałą sprężyny polaryzacji (\( K_x\ )), współczynnik konwekcyjnego przenikania ciepła (\(h_T\)) i liczbę gałęzi unimodalnych (n). W następnym kroku szczytową siłę mięśni wybrano jako wymóg projektu badania i uzyskano parametryczne efekty każdego zestawu zmiennych na siłę. Wykresy tornada do analizy wrażliwości uzyskano ze współczynników korelacji dla każdego parametru, jak pokazano na rys. 6a.
(a) Wartości współczynnika korelacji parametrów modelu i ich wpływ na maksymalną siłę wyjściową 2500 unikalnych grup powyższych parametrów modelu pokazano na wykresie tornada. Wykres pokazuje korelację rang kilku wskaźników. Widać wyraźnie, że \(V_{in}\) jest jedynym parametrem o dodatniej korelacji, a \(l_0\) jest parametrem o najwyższej ujemnej korelacji. Wpływ różnych parametrów w różnych kombinacjach na szczytową siłę mięśni pokazano na (b, c). \(K_x\) waha się od 400 do 800 N/m, a n od 4 do 24. Napięcie (\(V_{in}\)) zmieniło się z 4 V na 10 V, długość przewodu (\(l_{0 } \)) zmieniła się z 40 na 100 mm, a kąt ogona (\ (\alpha \)) zmieniał się od \ (20 – 60 \,^ {\circ }\).
Na rys. 6a przedstawiono wykres tornada różnych współczynników korelacji dla każdego parametru z wymaganiami projektowymi dotyczącymi szczytowej siły napędowej. Z rys. 6a można wywnioskować, że parametr napięcia (\(V_{in}\)) jest bezpośrednio związany z maksymalną siłą wyjściową, a współczynnik konwekcyjnego przenoszenia ciepła (\(h_T\)), kąt płomienia (\ ( \alpha\)) , stała sprężyny przemieszczenia ( \(K_x\)) są negatywnie skorelowane z siłą wyjściową i początkową długością (\(l_0\)) przewodu SMA, a liczba gałęzi unimodalnych (n) wykazuje silną odwrotną korelację. W przypadku bezpośredniej korelacji w przypadku wyższej wartości współczynnika korelacji napięcia (\(V_ {in}\)) wskazuje to, że ten parametr ma największy wpływ na moc wyjściową. Inna podobna analiza mierzy siłę szczytową, oceniając wpływ różnych parametrów w różnych kombinacjach dwóch przestrzeni obliczeniowych, jak pokazano na rys. 6b, c. \(V_{in}\) i \(l_0\), \(\alpha\) i \(l_0\) mają podobne wzorce, a wykres pokazuje, że \(V_{in}\) i \(\alpha\ ) i \(\alpha\) mają podobne wzorce. Mniejsze wartości \(l_0\) skutkują wyższymi siłami szczytowymi. Pozostałe dwa wykresy są zgodne z rysunkiem 6a, gdzie n i \(K_x\) są skorelowane ujemnie, a \(V_{in}\) są skorelowane dodatnio. Ta analiza pomaga zdefiniować i dostosować parametry wpływające, dzięki którym siła wyjściowa, skok i sprawność układu napędowego mogą być dostosowane do wymagań i zastosowania.
Aktualne prace badawcze wprowadzają i badają napędy hierarchiczne z N poziomami. W hierarchii dwupoziomowej, jak pokazano na rys. 7a, zamiast każdego przewodu SMA siłownika pierwszego poziomu, uzyskano układ bimodalny, jak pokazano na rys. 9e. Na rys. 7c pokazano, jak przewód SMA jest owinięty wokół ruchomego ramienia (ramienia pomocniczego), które porusza się tylko w kierunku wzdłużnym. Jednakże główne ramię ruchome nadal porusza się w taki sam sposób, jak ruchome ramię siłownika wielostopniowego pierwszego stopnia. Zazwyczaj napęd N-stopniowy powstaje poprzez zastąpienie przewodu SMA \(N-1\) stopnia napędem pierwszego stopnia. W rezultacie każda gałąź imituje napęd pierwszego stopnia, z wyjątkiem gałęzi, która utrzymuje sam przewód. W ten sposób można tworzyć struktury zagnieżdżone, które generują siły kilkakrotnie większe niż siły napędów głównych. W tym badaniu, dla każdego poziomu, uwzględniono całkowitą efektywną długość przewodu SMA wynoszącą 1 m, jak pokazano w formie tabeli na rys. 7d. Prąd płynący przez każdy przewód w każdym projekcie unimodalnym oraz wynikające z niego naprężenie wstępne i napięcie w każdym segmencie przewodu SMA są takie same na każdym poziomie. Zgodnie z naszym modelem analitycznym, siła wyjściowa jest dodatnio skorelowana z poziomem, podczas gdy przemieszczenie jest skorelowane ujemnie. Jednocześnie występował kompromis między przemieszczeniem a siłą mięśni. Jak widać na rys. 7b, podczas gdy maksymalną siłę osiąga się w największej liczbie warstw, największe przemieszczenie obserwuje się w najniższej warstwie. Gdy poziom hierarchii został ustawiony na \(N=5\), szczytowa siła mięśniowa wyniosła 2,58 kN przy 2 obserwowanych skokach \(\upmu\)m. Z drugiej strony, napęd pierwszego stopnia generuje siłę 150 N przy skoku 277 \(\upmu\)m. Siłowniki wielopoziomowe są w stanie naśladować prawdziwe mięśnie biologiczne, podczas gdy sztuczne mięśnie oparte na stopach z pamięcią kształtu są w stanie generować znacznie większe siły, zapewniając precyzyjne i precyzyjne ruchy. Ograniczenia tej zminiaturyzowanej konstrukcji polegają na tym, że wraz ze wzrostem hierarchii, ruch ulega znacznemu zmniejszeniu, a proces produkcji napędu rośnie.
(a) Dwustopniowy (\(N=2\)) liniowy siłownik warstwowy ze stopu z pamięcią kształtu pokazano w konfiguracji bimodalnej. Proponowany model uzyskano poprzez zastąpienie przewodu SMA w siłowniku warstwowym pierwszego stopnia innym siłownikiem warstwowym jednostopniowym. (c) Odkształcona konfiguracja siłownika wielowarstwowego drugiego stopnia. (b) Opisano rozkład sił i przemieszczeń w zależności od liczby poziomów. Stwierdzono, że szczytowa siła siłownika jest dodatnio skorelowana z poziomem skali na wykresie, podczas gdy skok jest ujemnie skorelowany z poziomem skali. Prąd i napięcie wstępne w każdym przewodzie pozostają stałe na wszystkich poziomach. (d) Tabela przedstawia liczbę odgałęzień i długość przewodu SMA (światłowód) na każdym poziomie. Charakterystyki przewodów oznaczono indeksem 1, a liczba gałęzi wtórnych (jedna połączona z odgałęzieniem pierwotnym) oznaczono największą liczbą w indeksie dolnym. Na przykład na poziomie 5 \(n_1\) odnosi się do liczby przewodów SMA obecnych w każdej strukturze bimodalnej, a \(n_5\) odnosi się do liczby odnóg pomocniczych (jedna połączona z odnogą główną).
Wielu badaczy zaproponowało różne metody modelowania zachowania SMA z pamięcią kształtu, które zależą od właściwości termomechanicznych towarzyszących makroskopowym zmianom w strukturze krystalicznej związanym z przejściem fazowym. Formułowanie metod konstytutywnych jest z natury złożone. Najczęściej stosowany model fenomenologiczny zaproponował Tanaka28 i jest szeroko stosowany w zastosowaniach inżynierskich. Model fenomenologiczny zaproponowany przez Tanakę [28] zakłada, że ułamek objętościowy martenzytu jest funkcją wykładniczą temperatury i naprężenia. Później Liang i Rogers29 oraz Brinson30 zaproponowali model, w którym przyjęto, że dynamika przejścia fazowego jest funkcją cosinusową napięcia i temperatury, z niewielkimi modyfikacjami modelu. Becker i Brinson zaproponowali model kinetyczny oparty na diagramie fazowym do modelowania zachowania materiałów SMA w dowolnych warunkach obciążenia, a także częściowych przejść. Banerjee32 wykorzystuje metodę dynamiki diagramów fazowych Bekkera i Brinsona31 do symulacji manipulatora o jednym stopniu swobody, opracowaną przez Elahinię i Ahmadiana33. Metody kinetyczne oparte na diagramach fazowych, uwzględniające niemonotoniczną zmianę napięcia wraz z temperaturą, są trudne do wdrożenia w zastosowaniach inżynierskich. Elakhinia i Ahmadian zwracają uwagę na te niedociągnięcia istniejących modeli fenomenologicznych i proponują rozszerzony model fenomenologiczny do analizy i definiowania zachowania pamięci kształtu w dowolnych złożonych warunkach obciążenia.
Model strukturalny drutu SMA podaje naprężenie (\(\sigma\)), odkształcenie (\(\epsilon\)), temperaturę (T) i udział objętościowy martenzytu (\(\xi\)) drutu SMA. Fenomenologiczny model konstytutywny został po raz pierwszy zaproponowany przez Tanakę28, a następnie przyjęty przez Lianga29 i Brinsona30. Pochodna równania ma postać:
gdzie E to zależny od fazy moduł Younga SMA, uzyskany przy użyciu wzoru \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) oraz \(E_A\) i \(E_M\), reprezentujących odpowiednio fazę austenityczną i martenzytyczną, a współczynnik rozszerzalności cieplnej jest reprezentowany przez \(\theta _T\). Współczynnik wkładu przejścia fazowego wynosi \(\Omega = -E \epsilon _L\), a \(\epsilon _L\) to maksymalne odzyskiwalne odkształcenie w przewodzie SMA.
Równanie dynamiki faz pokrywa się z funkcją cosinus opracowaną przez Lianga29, a później przyjętą przez Brinsona30, zamiast funkcji wykładniczej zaproponowanej przez Tanakę28. Model przejścia fazowego jest rozszerzeniem modelu zaproponowanego przez Elakhinię i Ahmadiana34 i zmodyfikowanym w oparciu o warunki przejścia fazowego podane przez Lianga29 i Brinsona30. Warunki zastosowane w tym modelu przejścia fazowego obowiązują przy złożonych obciążeniach termomechanicznych. W każdej chwili czasu, podczas modelowania równania konstytutywnego, obliczana jest wartość ułamka objętościowego martenzytu.
Obowiązujące równanie retransformacji, wyrażone jako przemiana martenzytu w austenit pod wpływem ogrzewania, jest następujące:
gdzie \(\xi\) jest objętościowym ułamkiem martenzytu, \(\xi _M\) jest objętościowym ułamkiem martenzytu otrzymanym przed podgrzaniem, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) i \(C_A\) – parametry przybliżenia krzywej, T – temperatura drutu SMA, \(A_s\) i \(A_f\) – odpowiednio temperatura początku i końca fazy austenitu.
Równanie sterowania bezpośrednią transformacją, reprezentowane przez przemianę fazową austenitu w martenzyt w warunkach chłodzenia, jest następujące:
gdzie \(\xi _A\) jest objętościowym ułamkiem martenzytu uzyskanym przed schłodzeniem, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) i \ ( C_M \) – parametry dopasowania krzywej, T – temperatura drutu SMA, \(M_s\) i \(M_f\) – odpowiednio początkowa i końcowa temperatura martenzytu.
Po różniczkowaniu równań (3) i (4) równania transformacji odwrotnej i bezpośredniej upraszczają się do następującej postaci:
Podczas transformacji w przód i w tył \(\eta _{\sigma}\) i \(\eta _{T}\) przyjmują różne wartości. Podstawowe równania związane z \(\eta _{\sigma}\) i \(\eta _{T}\) zostały wyprowadzone i szczegółowo omówione w dodatkowej sekcji.
Energia cieplna potrzebna do podniesienia temperatury drutu SMA pochodzi z efektu Joule'a. Energia cieplna absorbowana lub uwalniana przez drut SMA jest reprezentowana przez ciepło przemiany. Strata ciepła w drucie SMA wynika z wymuszonej konwekcji, a biorąc pod uwagę pomijalny wpływ promieniowania, równanie bilansu energii cieplnej przedstawia się następująco:
Gdzie \(m_{wire}\) jest całkowitą masą drutu SMA, \(c_{p}\) jest właściwym ciepłem właściwym SMA, \(V_{in}\) jest napięciem przyłożonym do drutu, \(R_{ohm} \ ) – rezystancja SMA zależna od fazy, zdefiniowana jako; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) gdzie \(r_M\ ) i \(r_A\) są rezystywnością fazy SMA w martenzycie i austenicie, odpowiednio, \(A_{c}\) jest powierzchnią drutu SMA, \(\Delta H \) jest stopem z pamięcią kształtu. Ciepło przemiany utajonej drutu, T i \(T_{\infty}\) są temperaturami drutu SMA i otoczenia, odpowiednio.
Po uruchomieniu drutu ze stopu z pamięcią kształtu, ulega on ściśnięciu, wytwarzając siłę w każdej gałęzi konstrukcji bimodalnej, zwaną siłą włókien. Siły włókien w każdym włóknie drutu SMA tworzą razem siłę mięśniową, która uruchamia aktywację, jak pokazano na rys. 9e. Ze względu na obecność sprężyny napinającej, całkowita siła mięśniowa N-tego siłownika wielowarstwowego wynosi:
Podstawiając \(N = 1\) do równania (7), siłę mięśni prototypu napędu bimodalnego pierwszego stopnia można uzyskać w następujący sposób:
gdzie n to liczba ramion unimodalnych, \(F_m\) to siła mięśni generowana przez napęd, \(F_f\) to wytrzymałość włókien w przewodzie SMA, \(K_x\) to sztywność sprężyny polaryzującej, \(\alpha\) to kąt trójkąta, \(x_0\) to początkowe przesunięcie sprężyny polaryzującej, utrzymującej kabel SMA w pozycji wstępnie naprężonej, a \(\Delta x\) to przesunięcie siłownika.
Całkowite przemieszczenie lub ruch napędu (\(\Delta x\)) w zależności od napięcia (\(\sigma\)) i odkształcenia (\(\epsilon\)) na przewodzie SMA N-tego stopnia, na jakie nastawiony jest napęd (patrz rys. dodatkowa część wyjścia):
Równania kinematyczne określają zależność między odkształceniem napędu (\(\epsilon\)) a przemieszczeniem lub przemieszczeniem (\(\Delta x\)). Odkształcenie drutu Arb jako funkcja początkowej długości drutu Arb (\(l_0\)) i długości drutu (l) w dowolnym momencie t w jednej gałęzi unimodalnej przedstawia się następująco:
gdzie \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) otrzymuje się przez zastosowanie wzoru cosinusa w \(\Delta\)ABB ', jak pokazano na rysunku 8. Dla napędu pierwszego stopnia (\(N = 1\)), \(\Delta x_1\) wynosi \(\Delta x\), a \(\alpha _1\) wynosi \(\alpha \), jak pokazano na rysunku 8. Jak pokazano na rysunku 8, różniczkując czas z równania (11) i podstawiając wartość l, szybkość odkształcenia można zapisać jako:
gdzie \(l_0\) jest początkową długością przewodu SMA, l jest długością przewodu w dowolnym momencie t w jednej gałęzi unimodalnej, \(\epsilon\) jest odkształceniem rozwiniętym w przewodzie SMA, a \(\alpha\) jest kątem trójkąta, \(\Delta x\) jest przesunięciem napędowym (jak pokazano na rysunku 8).
Wszystkie n struktur jednoszczytowych (\(n=6\) na tym rysunku) są połączone szeregowo z napięciem wejściowym \(V_{in}\). Etap I: Schemat przewodu SMA w konfiguracji bimodalnej w warunkach zerowego napięcia Etap II: Przedstawiono kontrolowaną strukturę, w której przewód SMA jest ściskany w wyniku odwrotnej konwersji, jak pokazano czerwoną linią.
Jako dowód koncepcji opracowano bimodalny napęd oparty na SMA w celu przetestowania symulowanego wyprowadzenia równań bazowych z wynikami eksperymentalnymi. Model CAD bimodalnego siłownika liniowego pokazano na rys. 9a. Z kolei na rys. 9c przedstawiono nową konstrukcję zaproponowaną dla obrotowego połączenia pryzmatycznego z wykorzystaniem dwupłaszczyznowego siłownika opartego na SMA o strukturze bimodalnej. Elementy napędu wytworzono metodą wytwarzania przyrostowego na drukarce 3D Ultimaker 3 Extended. Materiałem użytym do druku 3D elementów jest poliwęglan, który nadaje się do materiałów odpornych na ciepło, ponieważ jest wytrzymały, trwały i ma wysoką temperaturę zeszklenia (110-113 \(^{\circ }\) C). Ponadto w eksperymentach wykorzystano drut ze stopu pamięci kształtu Flexinol firmy Dynalloy, Inc., a właściwości materiału odpowiadające drutowi Flexinol wykorzystano w symulacjach. W celu uzyskania dużych sił wytwarzanych przez siłowniki wielowarstwowe, jak pokazano na rys. 9b, d, wiele przewodów SMA ułożono w formie włókien tworzących bimodalny układ mięśni.
Jak pokazano na rysunku 9a, kąt ostry utworzony przez ruchomy przewód SMA nazywany jest kątem (\(\alpha\)). Za pomocą zacisków zaciskowych przymocowanych do lewego i prawego zacisku, przewód SMA jest utrzymywany pod żądanym kątem bimodalnym. Sprężyna dociskowa zamocowana na złączu sprężynowym służy do regulacji różnych grup rozciągnięć sprężyny dociskowej w zależności od liczby (n) włókien SMA. Ponadto, położenie ruchomych części jest zaprojektowane tak, aby przewód SMA był wystawiony na działanie środowiska zewnętrznego w celu wymuszonego chłodzenia konwekcyjnego. Górna i dolna płyta zespołu odłączanego pomagają utrzymać niską temperaturę przewodu SMA dzięki wytłaczanym wycięciom zaprojektowanym w celu zmniejszenia masy. Dodatkowo, oba końce przewodu CMA są zamocowane odpowiednio do lewego i prawego zacisku za pomocą zacisku. Do jednego końca zespołu ruchomego przymocowany jest tłok, aby zachować odstęp między płytami górną i dolną. Tłok służy również do przykładania siły blokującej do czujnika poprzez styk, aby zmierzyć siłę blokującą po uruchomieniu przewodu SMA.
Bimodalna struktura mięśniowa SMA jest połączona szeregowo i zasilana napięciem impulsowym. Podczas cyklu impulsów napięciowych, gdy napięcie jest przyłożone, a drut SMA jest nagrzany powyżej temperatury początkowej austenitu, długość drutu w każdym splocie ulega skróceniu. To cofnięcie aktywuje podzespół ruchomego ramienia. Gdy napięcie zostało wyzerowane w tym samym cyklu, nagrzany drut SMA został schłodzony poniżej temperatury powierzchni martenzytu, powracając w ten sposób do swojego pierwotnego położenia. W warunkach zerowego naprężenia drut SMA jest najpierw pasywnie rozciągany przez sprężynę polaryzującą, aby osiągnąć stan odplecionego martenzytu. Śruba, przez którą przechodzi drut SMA, porusza się z powodu ściskania wytworzonego przez przyłożenie impulsu napięciowego do drutu SMA (SPA osiąga fazę austenitu), co prowadzi do uruchomienia ruchomej dźwigni. Gdy drut SMA jest cofany, sprężyna polaryzująca wytwarza siłę przeciwstawną, dodatkowo rozciągając sprężynę. Gdy naprężenie w napięciu impulsowym spada do zera, przewód SMA wydłuża się i zmienia swój kształt na skutek wymuszonego chłodzenia konwekcyjnego, osiągając fazę podwójnego martenzytu.
Proponowany liniowy układ siłownika oparty na SMA ma konfigurację bimodalną, w której przewody SMA są ułożone pod kątem. (a) przedstawia model CAD prototypu, który wymienia niektóre komponenty i ich znaczenie dla prototypu, (b, d) przedstawiają opracowany prototyp eksperymentalny35. Podczas gdy (b) przedstawia widok z góry prototypu z połączeniami elektrycznymi oraz użytymi sprężynami napinającymi i tensometrami, (d) przedstawia widok perspektywiczny konfiguracji. (e) Schemat liniowego układu siłownika z przewodami SMA umieszczonymi bimodalnie w dowolnym momencie t, pokazujący kierunek i przebieg siły włókien i mięśni. (c) Zaproponowano 2-stopniowe obrotowe połączenie pryzmatyczne do wdrożenia dwupłaszczyznowego siłownika opartego na SMA. Jak pokazano, łącze przekazuje ruch liniowy z dolnego napędu do górnego ramienia, tworząc połączenie obrotowe. Z drugiej strony, ruch pary pryzmatów jest taki sam, jak ruch wielowarstwowego napędu pierwszego stopnia.
Przeprowadzono badanie eksperymentalne na prototypie pokazanym na rys. 9b w celu oceny wydajności napędu bimodalnego opartego na SMA. Jak pokazano na rys. 10a, układ eksperymentalny składał się z programowalnego zasilacza prądu stałego dostarczającego napięcie wejściowe do przewodów SMA. Jak pokazano na rys. 10b, do pomiaru siły blokującej za pomocą rejestratora danych Graphtec GL-2000 użyto tensometru piezoelektrycznego (PACEline CFT/5 kN). Dane są rejestrowane przez komputer w celu dalszych badań. Tensometry i wzmacniacze ładunku wymagają stałego zasilania, aby wytworzyć sygnał napięciowy. Odpowiednie sygnały są przekształcane na moc wyjściową zgodnie z czułością piezoelektrycznego czujnika siły i innymi parametrami opisanymi w tabeli 2. Po przyłożeniu impulsu napięciowego temperatura przewodu SMA wzrasta, powodując jego ściśnięcie, co z kolei powoduje generowanie siły przez siłownik. Wyniki eksperymentalne dotyczące siły mięśniowej generowanej przez impuls napięcia wejściowego o wartości 7 V przedstawiono na rys. 2a.
(a) W eksperymencie wykorzystano układ siłownika liniowego opartego na technologii SMA do pomiaru siły generowanej przez siłownik. Ogniwo tensometryczne mierzy siłę blokującą i jest zasilane napięciem 24 V prądu stałego. Na całej długości kabla przyłożono napięcie o wartości 7 V za pomocą programowalnego zasilacza prądu stałego GW Instek. Przewód SMA kurczy się pod wpływem ciepła, a ruchome ramię styka się z ogniwem tensometrycznym i wywiera siłę blokującą. Ogniwo tensometryczne jest podłączone do rejestratora danych GL-2000, a dane są przechowywane na komputerze hosta w celu dalszego przetwarzania. (b) Schemat przedstawiający łańcuch komponentów układu eksperymentalnego do pomiaru siły mięśni.
Stopy z pamięcią kształtu są wzbudzane energią cieplną, dlatego temperatura staje się ważnym parametrem w badaniu zjawiska pamięci kształtu. Eksperymentalnie, jak pokazano na rys. 11a, przeprowadzono obrazowanie termiczne i pomiary temperatury na prototypowym siłowniku diwalerianu opartym na SMA. Programowalne źródło prądu stałego przyłożyło napięcie wejściowe do przewodów SMA w układzie doświadczalnym, jak pokazano na rys. 11b. Zmianę temperatury przewodu SMA mierzono w czasie rzeczywistym za pomocą kamery LWIR o wysokiej rozdzielczości (FLIR A655sc). Host wykorzystuje oprogramowanie ResearchIR do rejestrowania danych w celu dalszego przetwarzania. Po przyłożeniu impulsu napięcia temperatura przewodu SMA wzrasta, powodując jego kurczenie się. Na rys. 2b przedstawiono wyniki eksperymentalne temperatury przewodu SMA w funkcji czasu dla impulsu napięcia wejściowego 7 V.
Czas publikacji: 28.09.2022
