Dziękujemy za odwiedzenie Nature.com.Wersja przeglądarki, której używasz, ma ograniczoną obsługę CSS.Aby uzyskać najlepsze wrażenia, zalecamy korzystanie ze zaktualizowanej przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w Internet Explorerze).W międzyczasie, aby zapewnić ciągłe wsparcie, będziemy renderować witrynę bez stylów i języka JavaScript.
Siłowniki są używane wszędzie i tworzą kontrolowany ruch poprzez zastosowanie odpowiedniej siły lub momentu wzbudzenia do wykonywania różnych operacji w automatyce produkcyjnej i przemysłowej.Potrzeba szybszych, mniejszych i wydajniejszych napędów napędza innowacje w projektowaniu napędów.Dyski Shape Memory Alloy (SMA) oferują szereg zalet w porównaniu z konwencjonalnymi dyskami, w tym wysoki stosunek mocy do masy.W tej rozprawie opracowano dwupiórowy siłownik oparty na SMA, który łączy w sobie zalety pierzastych mięśni systemów biologicznych i unikalne właściwości SMA.Niniejsze badanie bada i rozszerza poprzednie siłowniki SMA, opracowując model matematyczny nowego siłownika w oparciu o bimodalny układ przewodów SMA i testując go eksperymentalnie.W porównaniu do znanych napędów opartych na SMA, siła zadziałania nowego napędu jest co najmniej 5-krotnie większa (do 150 N).Odpowiednia utrata wagi wynosi około 67%.Wyniki analizy wrażliwości modeli matematycznych są przydatne do dostrajania parametrów projektowych i zrozumienia kluczowych parametrów.W tym badaniu dodatkowo przedstawiono wielopoziomowy napęd N-tego stopnia, który można wykorzystać do dalszego zwiększenia dynamiki.Oparte na technologii SMA siłowniki mięśni dwuwalerianianowych mają szeroki zakres zastosowań, od automatyki budynkowej po precyzyjne systemy dostarczania leków.
Systemy biologiczne, takie jak struktury mięśniowe ssaków, mogą aktywować wiele subtelnych aktuatorów1.Ssaki mają różne struktury mięśni, z których każda służy do określonego celu.Jednak większość struktury tkanki mięśniowej ssaków można podzielić na dwie szerokie kategorie.Równolegle i pennate.W ścięgnach podkolanowych i innych zginaczach, jak sama nazwa wskazuje, mięśnie równoległe mają włókna mięśniowe równoległe do ścięgna centralnego.Łańcuch włókien mięśniowych jest ułożony i funkcjonalnie połączony przez otaczającą je tkankę łączną.Chociaż mówi się, że te mięśnie mają duży ruch (procentowe skrócenie), ich ogólna siła mięśniowa jest bardzo ograniczona.Natomiast w mięśniu trójgłowym łydki2 (bocznym mięśniu brzuchatym łydki (GL)3, przyśrodkowym mięśniu brzuchatym łydki (GM)4 i mięśniu płaszczkowatym (SOL)) oraz mięśniu prostownika uda (mięsień czworogłowy uda)5,6 w każdym mięśniu znajduje się tkanka mięśniowa prącia7.W strukturze pierzastej włókna mięśniowe w muskulaturze bipennate są obecne po obu stronach ścięgna środkowego pod kątami ukośnymi (kąty pierzaste).Pennate pochodzi od łacińskiego słowa „penna”, co oznacza „pióro” i, jak pokazano na ryc.1 ma wygląd przypominający piórko.Włókna mięśni prącia są krótsze i ustawione pod kątem w stosunku do osi podłużnej mięśnia.Ze względu na pierzastą strukturę ogólna ruchomość tych mięśni jest zmniejszona, co prowadzi do składowych poprzecznych i podłużnych procesu skracania.Z drugiej strony aktywacja tych mięśni prowadzi do większej ogólnej siły mięśniowej ze względu na sposób pomiaru fizjologicznego pola przekroju poprzecznego.Dlatego dla danego pola przekroju poprzecznego mięśnie prążkowane 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 posiada tak wyjątkowe właściwości jak szybki skurcz, ochrona przed uszkodzeniami rozciągającymi, amortyzacja.Zmienia zależność między wkładem włókien a mocą wyjściową mięśni, wykorzystując unikalne cechy i geometryczną złożoność układu włókien związanego z liniami działania mięśni.
Pokazano schematyczne diagramy istniejących projektów siłowników opartych na SMA w odniesieniu do bimodalnej architektury mięśniowej, na przykład (a), reprezentujących interakcję siły dotykowej, w której urządzenie w kształcie dłoni uruchamiane przewodami SMA jest montowane na dwukołowym autonomicznym robocie mobilnym9,10., (b) Zrobotyzowana proteza oczodołu z antagonistycznie umieszczoną sprężynową protezą oczodołu SMA.Położenie protezy oka jest kontrolowane przez sygnał z mięśnia gałki ocznej11, (c) Siłowniki SMA są idealne do zastosowań podwodnych ze względu na ich wysoką częstotliwość i niską szerokość pasma.W tej konfiguracji siłowniki SMA służą do wytworzenia ruchu falowego poprzez symulację ruchu ryb, (d) siłowniki SMA służą do stworzenia robota do inspekcji mikro rur, który może wykorzystywać zasadę ruchu ślimaka calowego, sterowanego ruchem drutów SMA wewnątrz kanału 10, (e) pokazuje kierunek skurczu włókien mięśniowych i generowania siły skurczowej w tkance mięśnia brzuchatego łydki, (f) pokazuje przewody SMA ułożone w postaci włókien mięśniowych w strukturze mięśnia prącia.
Siłowniki stały się ważną częścią układów mechanicznych ze względu na ich szeroki zakres zastosowań.Dlatego potrzeba mniejszych, szybszych i wydajniejszych napędów staje się krytyczna.Pomimo swoich zalet, tradycyjne napędy okazały się drogie i czasochłonne w utrzymaniu.Siłowniki hydrauliczne i pneumatyczne są złożone i drogie oraz narażone na zużycie, problemy ze smarowaniem i awarie komponentów.W odpowiedzi na zapotrzebowanie nacisk kładzie się na opracowanie opłacalnych, zoptymalizowanych pod względem wielkości i zaawansowanych siłowników opartych na inteligentnych materiałach.Trwające badania dotyczą warstwowych siłowników ze stopu z pamięcią kształtu (SMA), aby sprostać tej potrzebie.Hierarchiczne siłowniki są wyjątkowe, ponieważ łączą wiele dyskretnych siłowników w geometrycznie złożone podsystemy w skali makro, aby zapewnić zwiększoną i rozszerzoną funkcjonalność.Pod tym względem opisana powyżej ludzka tkanka mięśniowa stanowi doskonały wielowarstwowy przykład takiej wielowarstwowej aktywacji.Obecne badanie opisuje wielopoziomowy napęd SMA z kilkoma pojedynczymi elementami napędowymi (przewodami SMA) wyrównanymi do orientacji włókien obecnych 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 dużym obciążeniem wzrost temperatury drutu SMA prowadzi do odzyskania kształtu, co skutkuje wyższą gęstością energii aktywacji w porównaniu z różnymi bezpośrednio połączonymi inteligentnymi materiałami.Jednocześnie pod wpływem obciążeń mechanicznych SMA stają się kruche.W pewnych warunkach obciążenie cykliczne może pochłaniać i uwalniać energię mechaniczną, wykazując odwracalne histeretyczne zmiany kształtu.Te wyjątkowe 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 translacyjnego i obrotowego w różnych zastosowaniach13,14,15.Chociaż opracowano niektóre siłowniki obrotowe, naukowcy są szczególnie zainteresowani siłownikami liniowymi.Te siłowniki liniowe można podzielić na trzy rodzaje siłowników: siłowniki jednowymiarowe, przemieszczeniowe i różnicowe 16 .Początkowo dyski hybrydowe powstawały w połączeniu z SMA i innymi konwencjonalnymi napędami.Jednym z takich przykładów hybrydowego siłownika liniowego opartego na SMA jest użycie przewodu SMA z silnikiem prądu stałego w celu zapewnienia siły wyjściowej około 100 N i znacznego przemieszczenia17.
Jednym z pierwszych rozwiązań napędów opartych całkowicie na SMA był napęd równoległy SMA.Korzystając z wielu przewodów SMA, napęd równoległy oparty na SMA został zaprojektowany w celu zwiększenia mocy napędu poprzez równoległe umieszczenie wszystkich przewodów SMA18.Równoległe połączenie elementów wykonawczych nie tylko wymaga większej mocy, ale także ogranicza moc wyjściową pojedynczego przewodu.Inną wadą siłowników opartych na SMA jest ograniczony skok, jaki mogą osiągnąć.Aby rozwiązać ten problem, stworzono belkę kablową SMA zawierającą odchylaną belkę elastyczną w celu zwiększenia przemieszczenia i uzyskania ruchu liniowego, ale nie generującego większych sił19.Miękkie, odkształcalne struktury i tkaniny dla robotów oparte na stopach z pamięcią kształtu zostały opracowane przede wszystkim w celu wzmocnienia uderzenia20,21,22.W zastosowaniach, w których wymagane są wysokie prędkości, opisano pompy z napędem kompaktowym wykorzystujące cienkowarstwowe SMA do zastosowań napędzanych mikropompami23.Częstotliwość napędu cienkowarstwowej membrany SMA jest kluczowym czynnikiem kontrolującym prędkość sterownika.Dlatego silniki liniowe SMA mają lepszą reakcję dynamiczną niż silniki sprężynowe lub prętowe SMA.Miękka robotyka i technologia chwytania to dwie inne aplikacje wykorzystujące siłowniki oparte na SMA.Na przykład, aby zastąpić standardowy element uruchamiający stosowany w zacisku dystansowym 25 N, opracowano równoległy element uruchamiający 24 ze stopu z pamięcią kształtu.W innym przypadku wykonano miękki siłownik SMA na bazie drutu z osadzoną matrycą, który jest w stanie wytworzyć maksymalną siłę uciągu 30 N. Ze względu na swoje właściwości mechaniczne SMA są również wykorzystywane do produkcji siłowników naśladujących zjawiska biologiczne.Jedno z takich opracowań obejmuje 12-komórkowego robota, który jest biomimetykiem organizmu podobnego do dżdżownicy z SMA do generowania ruchu sinusoidalnego w celu wystrzelenia26,27.
Jak wspomniano wcześniej, maksymalna siła, jaką można uzyskać z istniejących siłowników opartych na SMA, jest ograniczona.Aby rozwiązać ten problem, w tym badaniu przedstawiono biomimetyczną bimodalną strukturę mięśni.Napędzany drutem ze stopu z pamięcią kształtu.Zapewnia system klasyfikacji obejmujący kilka drutów ze stopów z pamięcią kształtu.Do tej pory w literaturze nie opisano żadnych siłowników opartych na SMA o podobnej architekturze.Ten wyjątkowy i nowatorski system oparty na SMA został opracowany w celu zbadania zachowania SMA podczas bimodalnego wyrównania mięśni.W porównaniu z istniejącymi siłownikami opartymi na SMA, celem tego badania było stworzenie biomimetycznego siłownika dwuwalerianianowego, który generowałby znacznie większe siły w małej objętości.W porównaniu z konwencjonalnymi napędami napędzanymi silnikami krokowymi, stosowanymi w systemach automatyki budynków i systemów sterowania HVAC, proponowana konstrukcja napędu bimodalnego oparta na SMA zmniejsza wagę mechanizmu napędowego o 67%.W dalszej części terminy „mięśnie” i „popęd” są używane zamiennie.Niniejsze badanie dotyczy wielofizycznej symulacji takiego napędu.Mechaniczne zachowanie takich układów badano metodami eksperymentalnymi i analitycznymi.Rozkłady siły i temperatury były dalej badane przy napięciu wejściowym 7 V. Następnie przeprowadzono analizę parametryczną, aby lepiej zrozumieć związek między kluczowymi parametrami a siłą wyjściową.Wreszcie, przewidziano hierarchiczne siłowniki i zaproponowano efekty na poziomie hierarchicznym jako potencjalny przyszły obszar dla niemagnetycznych siłowników do zastosowań protetycznych.Zgodnie z wynikami wspomnianych badań, zastosowanie architektury jednostopniowej wytwarza siły co najmniej cztery do pięciu razy większe niż zgłoszone siłowniki oparte na SMA.Ponadto wykazano, że ta sama siła napędowa generowana przez wielopoziomowy napęd wielopoziomowy jest ponad dziesięciokrotnie większa niż w przypadku konwencjonalnych napędów opartych na technologii SMA.Następnie badanie przedstawia kluczowe parametry przy użyciu analizy wrażliwości między różnymi projektami i zmiennymi wejściowymi.Początkowa długość drutu SMA (\(l_0\)), kąt pierzasty (\(\alpha\)) i liczba pojedynczych żył (n) w każdej pojedynczej żyłce mają silny negatywny wpływ na wielkość siły napędowej.siły, natomiast 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) istniejącej powyżej temperatury przemiany materiał wykazuje dużą wytrzymałość i słabo odkształca się pod obciążeniem.Stop zachowuje się jak stal nierdzewna, dzięki czemu jest w stanie wytrzymać wyższe ciśnienie uruchamiania.Wykorzystując tę właściwość stopów Ni-Ti, druty SMA są pochylone, tworząc siłownik.Opracowano odpowiednie modele analityczne, aby zrozumieć podstawową mechanikę zachowania termicznego SMA pod wpływem różnych parametrów i różnych geometrii.Uzyskano dobrą zgodność wyników eksperymentalnych i analitycznych.
Przeprowadzono badania eksperymentalne na prototypie pokazanym na rys. 9a w celu oceny osiągów napędu bimodalnego opartego na SMA.Dwie z tych właściwości, siła generowana przez napęd (siła mięśniowa) i temperatura drutu SMA (temperatura SMA), zostały zmierzone eksperymentalnie.Wraz ze wzrostem różnicy napięć na całej długości drutu w napędzie, temperatura drutu wzrasta z powodu efektu ogrzewania Joule'a.Napięcie wejściowe zastosowano w dwóch 10-sekundowych cyklach (pokazanych jako czerwone kropki na ryc. 2a, b) z 15-sekundowym okresem chłodzenia między każdym cyklem.Siłę blokowania mierzono za pomocą tensometru piezoelektrycznego, a rozkład temperatury drutu SMA monitorowano w czasie rzeczywistym za pomocą kamery LWIR o wysokiej rozdzielczości klasy naukowej (patrz charakterystyka używanego sprzętu w tabeli 2).pokazuje, że podczas fazy wysokiego napięcia temperatura drutu wzrasta monotonicznie, ale gdy nie płynie prąd, temperatura drutu nadal spada.W obecnej konfiguracji eksperymentalnej temperatura drutu SMA spadła podczas fazy chłodzenia, ale nadal była wyższa od temperatury otoczenia.na ryc.2e pokazuje migawkę temperatury na przewodzie SMA pobraną z kamery LWIR.Z drugiej strony na ryc.2a przedstawia siłę blokującą generowaną przez układ napędowy.Kiedy siła mięśnia przekracza siłę przywracającą sprężyny, ruchome ramię, jak pokazano na rysunku 9a, zaczyna się poruszać.Gdy tylko rozpocznie się uruchamianie, ruchome ramię styka się z czujnikiem, wytwarzając siłę ciała, jak pokazano na rys.2c, zm.Gdy maksymalna temperatura jest bliska \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), maksymalna zaobserwowana siła wynosi 105 N.
Wykres przedstawia wyniki eksperymentalne temperatury drutu SMA i siły generowanej przez siłownik bimodalny oparty na SMA podczas dwóch cykli.Napięcie wejściowe jest przykładane w dwóch 10-sekundowych cyklach (pokazanych jako czerwone kropki) z 15-sekundowym okresem schładzania pomiędzy każdym cyklem.Drutem SMA użytym do eksperymentów był drut Flexinol o średnicy 0,51 mm firmy Dynalloy, Inc. (a) Wykres przedstawia doświadczalną siłę uzyskaną w dwóch cyklach, (c, d) pokazuje dwa niezależne przykłady działania siłowników poruszającego się ramienia na piezoelektryczny przetwornik siły PACEline CFT/5kN, (b) Wykres przedstawia maksymalną temperaturę całego drutu SMA w czasie dwóch cykli, (e) pokazuje migawkę temperatury pobraną z drutu SMA za pomocą FLIR ResearchIR oprogramowanie kamery LWIR.Parametry geometryczne brane pod uwagę w eksperymentach podano w tabeli.jeden.
Wyniki symulacji modelu matematycznego i wyniki eksperymentalne porównano w warunkach napięcia wejściowego 7V, jak pokazano na rys.5.Zgodnie z wynikami analizy parametrycznej oraz w celu uniknięcia możliwości przegrzania przewodu SMA do siłownika dostarczono moc 11,2 W.Programowalny zasilacz prądu stałego został użyty do dostarczenia 7 V jako napięcia wejściowego, a prąd 1,6 A został zmierzony w przewodzie.Siła generowana przez napęd i temperatura SDR wzrastają 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 z wyników symulacji i eksperymentu wynosiła odpowiednio 150 N i 105 N.Rozbieżność między pomiarami siły okluzji a danymi eksperymentalnymi może wynikać z zastosowanej metody pomiaru siły okluzji.Wyniki eksperymentu pokazane na ryc.5a odpowiada pomiarowi siły blokującej, która z kolei została zmierzona, gdy wał napędowy stykał się z piezoelektrycznym przetwornikiem siły PACEline CFT/5kN, jak pokazano na rys.2s.Dlatego, gdy wał napędowy nie styka się z czujnikiem siły na początku strefy chłodzenia, siła natychmiast staje się zerowa, jak pokazano na rys. 2d.Ponadto innymi parametrami wpływającymi na kształtowanie się siły w kolejnych cyklach są wartości czasu chłodzenia oraz współczynnik konwekcyjnego przejmowania ciepła w poprzednim cyklu.z ryc.2b widać, że po 15-sekundowym okresie chłodzenia drut SMA nie osiągnął temperatury pokojowej i dlatego miał wyższą temperaturę początkową (\(40\,^{\circ}\hbox {C}\)) w drugim cyklu jazdy w porównaniu z pierwszym cyklem (\(25\, ^{\circ}\hbox {C}\)).Tak więc, w porównaniu z pierwszym cyklem, temperatura drutu SMA podczas drugiego cyklu nagrzewania osiąga wcześniej początkową temperaturę austenitu (\(A_s\)) i dłużej pozostaje w okresie przejściowym, co skutkuje naprężeniami i siłą.Z drugiej strony rozkłady temperatur 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 ogrzewania i chłodzenia oraz w ramach dopuszczalnych tolerancji dla danych eksperymentalnych.Maksymalna temperatura drutu SMA, uzyskana z 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 \(83\,^{\circ }\ hbox {C} \).Zasadniczo opracowany model potwierdza działanie efektu pamięci kształtu.Rola zmęczenia i przegrzania nie została uwzględniona w tym przeglądzie.W przyszłości model zostanie udoskonalony w celu uwzględnienia historii naprężeń drutu SMA, dzięki czemu będzie bardziej odpowiedni do zastosowań inżynierskich.Wykresy siły wyjściowej napędu i temperatury SMA uzyskane z bloku Simulink mieszczą się w dopuszczalnych tolerancjach danych eksperymentalnych w warunkach impulsu napięcia wejściowego 7 V. Potwierdza to poprawność i niezawodność opracowanego modelu matematycznego.
Model matematyczny został opracowany w środowisku MathWorks Simulink R2020b przy użyciu podstawowych równań opisanych w rozdziale Metody.na ryc.3b przedstawia schemat blokowy modelu matematycznego Simulink.Model symulowano dla impulsu napięcia wejściowego 7 V, jak pokazano na rys. 2a, b.Wartości parametrów użytych w symulacji zestawiono w tabeli 1. Wyniki symulacji procesów przejściowych przedstawiono na rysunkach 1 i 1. Rysunki 3a i 4. Na rys.4a,b pokazuje indukowane napięcie w przewodzie SMA i siłę generowaną przez siłownik w funkcji czasu. Podczas transformacji odwrotnej (ogrzewania), gdy temperatura drutu SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura początku fazy austenitu modyfikowanego naprężeniami), szybkość zmiany ułamka objętościowego martenzytu (\(\dot{\xi }\)) będzie równa zeru. Podczas transformacji odwrotnej (ogrzewania), gdy temperatura drutu SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura początku fazy austenitu modyfikowanego naprężeniami), szybkość zmiany ułamka objętościowego martenzytu (\(\dot{\ xi }\)) będzie równa zeru. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равно нул ю. Podczas transformacji odwrotnej (ogrzewania), gdy temperatura drutu SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (temperatura początku austenitu modyfikowanego naprężeniami), szybkość zmiany frakcji objętościowej 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 pokazujący rozkład temperatury i temperaturę złącza wywołaną naprężeniami w siłowniku diwalerianianowym opartym na SMA.Gdy temperatura drutu przekracza temperaturę przejścia austenitu w etapie nagrzewania, temperatura przejścia austenitu modyfikowanego zaczyna rosnąć i podobnie, gdy temperatura walcówki przekracza temperaturę przejścia martenzytycznego w etapie chłodzenia, temperatura przejścia martenzytu spada.SMA do analitycznego modelowania procesu uruchamiania.(Aby uzyskać szczegółowy widok każdego podsystemu modelu Simulink, zobacz sekcję dodatku w pliku dodatkowym).
Wyniki analizy dla różnych rozkładów parametrów przedstawiono dla dwóch cykli napięcia wejściowego 7V (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 z temperaturą.Dla odpowiednich warunków wejściowych maksymalne obserwowane naprężenie wynosi 106 MPa (mniej niż 345 MPa, granica plastyczności drutu), 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 wraz z temperaturą są zbliżone do charakterystyki histerezy.
To samo wyjaśnienie dotyczy bezpośredniej przemiany (chłodzenia) z fazy austenitu do fazy martenzytu, gdzie temperatura drutu SMA (T) i temperatura końcowa fazy martenzytu zmodyfikowanego naprężeniem (\(M_f^{\prime}\ )) są doskonałe.na ryc.4d,f przedstawia zmianę naprężenia indukowanego (\(\sigma\)) i udziału objętościowego martenzytu (\(\xi\)) w drucie SMA w funkcji zmiany temperatury drutu SMA (T), dla obu cykli jazdy.na ryc.Na rysunku 3a przedstawiono zmianę temperatury przewodu SMA w czasie w zależności od impulsu napięcia wejściowego.Jak widać na rysunku, temperatura drutu nadal rośnie, dostarczając źródło ciepła przy zerowym napięciu, a następnie chłodzenie konwekcyjne.Podczas ogrzewania retransformacja martenzytu do fazy austenitu rozpoczyna się, gdy temperatura drutu SMA (T) przekracza skorygowaną naprężenia temperaturę zarodkowania austenitu (\(A_s^{\prime}\)).Podczas tej fazy drut SMA jest ściskany, a siłownik wytwarza siłę.Również podczas chłodzenia, gdy temperatura drutu SMA (T) przekracza temperaturę zarodkowania zmodyfikowanej naprężeniowo fazy martenzytycznej (\(M_s^{\prime}\)) następuje dodatnie przejście z fazy austenitu do fazy martenzytu.siła napędowa maleje.
Główne aspekty jakościowe napędu bimodalnego opartego na SMA można uzyskać z wyników symulacji.W przypadku wejścia impulsu napięciowego temperatura przewodu SMA wzrasta z powodu efektu ogrzewania Joule'a.Początkowa wartość ułamka objętościowego martenzytu (\(\xi\)) jest ustawiona na 1, ponieważ materiał jest początkowo w fazie całkowicie martenzytycznej.Gdy drut dalej się nagrzewa, temperatura drutu SMA przekracza skorygowaną naprężenia temperaturę zarodkowania austenitu \(A_s^{\prime}\), co powoduje spadek ułamka objętościowego martenzytu, jak pokazano na rysunku 4c.Ponadto na ryc.4e przedstawia rozkład skoków siłownika w czasie, a na ryc.5 – siła napędowa w funkcji czasu.Powiązany układ równań obejmuje temperaturę, udział objętościowy martenzytu i naprężenia, które rozwijają się w drucie, powodując kurczenie się drutu SMA i siłę generowaną przez siłownik.Jak pokazano na ryc.4d, f, zmiana napięcia wraz z temperaturą i zmiana frakcji objętościowej martenzytu wraz z temperaturą odpowiadają charakterystyce histerezy SMA w symulowanym przypadku przy 7 V.
Porównanie parametrów jazdy uzyskano na drodze eksperymentów i obliczeń analitycznych.Druty poddano impulsowemu napięciu wejściowemu 7 V przez 10 sekund, a następnie schładzano przez 15 sekund (faza chłodzenia) w dwóch cyklach.Kąt pierzasty jest ustawiony na \(40^{\circ}\), a początkowa długość drutu SMA w każdej odnodze pojedynczego pinu jest ustawiona na 83 mm.(a) Pomiar siły napędowej za pomocą ogniwa obciążnikowego (b) Monitorowanie temperatury drutu za pomocą termowizyjnej kamery termowizyjnej.
W celu zrozumienia wpływu parametrów fizycznych na siłę wytwarzaną przez napęd przeprowadzono analizę wrażliwości modelu matematycznego na wybrane parametry fizyczne i uszeregowano parametry ze względu na ich wpływ.Po pierwsze, próbkowanie parametrów modelu zostało wykonane przy użyciu eksperymentalnych zasad projektowania, które były zgodne z równomiernym rozkładem (patrz sekcja dodatkowa dotycząca analizy wrażliwości).W tym przypadku parametry modelu obejmują napięcie wejściowe (\(V_{in}\)), początkową długość przewodu SMA (\(l_0\)), kąt trójkąta (\(\alpha\)), stałą sprężyny polaryzacji (\(K_x\ )), współczynnik konwekcyjnego przejmowania ciepła (\(h_T\)) oraz liczbę rozgałęzień unimodalnych (n).W następnym kroku wybrano szczytową siłę mięśni jako wymóg projektu badania i uzyskano efekty parametryczne każdego zestawu zmiennych na siłę.Wykresy tornada do analizy wrażliwości uzyskano ze współczynników korelacji dla każdego parametru, jak pokazano na ryc. 6a.
(a) Wartości współczynników korelacji parametrów modelu i ich wpływ na maksymalną siłę wyjściową 2500 unikalnych grup powyższych parametrów modelu przedstawiono na wykresie tornada.Wykres przedstawia korelację rangową kilku wskaźników.Oczywiste jest, że \(V_{in}\) jest jedynym parametrem z dodatnią korelacją, a \(l_0\) jest parametrem z najwyższą korelacją ujemną.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 waha się od 4 do 24. Napięcie (\(V_{in}\)) zmieniło się z 4V na 10V, długość drutu (\(l_{0} \)) zmieniła się z 40 na 100 mm, a kąt ogona (\ (\alpha \)) zmienił się z \ (20 – 60 \, ^ {\circ }\).
na ryc.6a przedstawia wykres tornada różnych współczynników korelacji dla każdego parametru z wymaganiami projektowymi szczytowej siły napędowej.z ryc.6a widać, że parametr napięcia (\(V_{in}\)) jest bezpośrednio związany z maksymalną siłą wyjściową, a współczynnik konwekcyjnego przejmowania ciepła (\(h_T\)), kąt płomienia (\ (\alpha\)) , stała sprężystości przemieszczenia (\(K_x\)) jest ujemnie skorelowana z siłą wyjściową i początkową długością (\(l_0\)) drutu SMA, a liczba rozgałęzień unimodalnych (n) wykazuje silną korelację odwrotną W przypadku korelacji bezpośredniej W przypadku większej wartości współczynnika korelacji napięciowej (\(V_ {in}\)) wskazuje, że parametr ten 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 ryc. 6b, c.\(V_{in}\) i \(l_0\), \(\alpha\) i \(l_0\) mają podobne wzory, a wykres pokazuje, że \(V_{in}\) i \(\alpha\ ) i \(\alpha\) mają podobne wzory.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.Analiza ta pomaga zdefiniować i dostosować parametry wpływające, za pomocą których można dostosować siłę wyjściową, skok i wydajność układu napędowego do wymagań i zastosowania.
Obecne prace badawcze wprowadzają i badają hierarchiczne napędy z N poziomami.W dwupoziomowej hierarchii, jak pokazano na rys. 7a, gdzie zamiast każdego przewodu SMA siłownika pierwszego poziomu, uzyskuje się układ bimodalny, jak pokazano na rys. 7a.9e.na ryc.7c pokazuje, jak drut SMA jest owinięty wokół ruchomego ramienia (ramię pomocnicze), które porusza się tylko w kierunku wzdłużnym.Jednak główne ramię ruchome nadal porusza się w taki sam sposób jak ramię ruchome wielostopniowego siłownika pierwszego stopnia.Zazwyczaj napęd N-stopniowy jest tworzony przez zastąpienie przewodu SMA stopnia \(N-1\) napędem pierwszego stopnia.W rezultacie każda gałąź imituje napęd pierwszego stopnia, z wyjątkiem gałęzi, która trzyma sam drut.W ten sposób można tworzyć zagnieżdżone struktury, które wytwarzają siły kilkakrotnie większe niż siły napędów pierwotnych.W tym badaniu dla każdego poziomu uwzględniono całkowitą efektywną długość drutu SMA wynoszącą 1 m, jak pokazano w formie tabelarycznej na ryc. 7d.Prąd przepływający przez każdy przewód w każdej konstrukcji unimodalnej oraz wynikające z tego 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.W tym samym czasie nastąpił kompromis między przemieszczeniem a siłą mięśni.Jak widać na ryc.7b, podczas gdy maksymalna siła jest osiągana w największej liczbie warstw, największe przemieszczenie obserwuje się w najniższej warstwie.Gdy poziom hierarchii został ustawiony na \(N=5\), stwierdzono szczytową siłę mięśni 2,58 kN przy 2 zaobserwowanych ruchach \(\upmu\)m.Natomiast 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 przy precyzyjnych i subtelniejszych ruchach.Ograniczenia tej zminiaturyzowanej konstrukcji polegają na tym, że wraz ze wzrostem hierarchii ruch jest znacznie zmniejszony, a złożoność procesu produkcji napędu wzrasta.
(a) Dwustopniowy (\(N=2\)) warstwowy układ siłownika liniowego ze stopu z pamięcią kształtu pokazano w konfiguracji bimodalnej.Proponowany model uzyskano poprzez zastąpienie przewodu SMA w warstwowym siłowniku pierwszego stopnia innym jednostopniowym siłownikiem warstwowym.(c) Zdeformowana konfiguracja wielowarstwowego siłownika 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, natomiast skok jest skorelowany ujemnie z poziomem skali.Prąd i napięcie wstępne w każdym przewodzie pozostają stałe na wszystkich poziomach.(d) Tabela pokazuje liczbę odczepów i długość przewodu SMA (światłowodu) na każdym poziomie.Charakterystykę drutów oznaczono indeksem 1, a liczbę odgałęzień drugorzędnych (jedną podłączoną do głównej nogi) 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 (jednej połączonej z odnogą główną).
Wielu badaczy zaproponowało różne metody modelowania zachowania SMA z pamięcią kształtu, które zależą od właściwości termomechanicznych towarzyszących makroskopowym zmianom struktury krystalicznej związanym z przejściem fazowym.Sformułowanie metod konstytutywnych jest z natury złożone.Najczęściej używany model fenomenologiczny został zaproponowany przez Tanaka28 i jest szeroko stosowany w zastosowaniach inżynierskich.Model fenomenologiczny zaproponowany przez Tanakę [28] zakłada, że udział objętościowy martenzytu jest funkcją wykładniczą temperatury i naprężeń.Później Liang i Rogers29 oraz Brinson30 zaproponowali model, w którym zakładano, że dynamika przemian fazowych jest cosinusem 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 diagramu fazowego Bekkera i Brinsona31 do symulacji manipulatora o jednym stopniu swobody opracowanego przez Elahinię i Ahmadiana33.Metody kinetyczne oparte na diagramach fazowych, które uwzględniają niemonotoniczną zmianę napięcia wraz z temperaturą, są trudne do wdrożenia w zastosowaniach inżynierskich.Elakhinia i Ahmadian zwracają uwagę na te wady 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 Tanaka28, a następnie przyjęty przez Lianga29 i Brinsona30.Pochodna równania ma postać:
gdzie E jest zależnym od fazy modułem Younga SMA uzyskanym przy użyciu \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) i \(E_A\) i \(E_M\) reprezentujących moduł Younga są odpowiednio fazami austenitycznymi i martenzytycznymi, a współczynnik rozszerzalności cieplnej jest reprezentowany przez \(\theta _T\).Współczynnik udziału przejścia fazowego wynosi \(\Omega = -E \epsilon _L\), a \(\epsilon _L\) to maksymalne możliwe do odzyskania naprężenie w przewodzie SMA.
Równanie dynamiki faz pokrywa się z funkcją cosinus opracowaną przez Lianga29 i później przyjętą przez Brinsona30 zamiast funkcji wykładniczej zaproponowanej przez Tanaka28.Model przemian fazowych jest rozwinięciem modelu zaproponowanego przez Elakhinię i Ahmadiana34 i zmodyfikowanego w oparciu o warunki przejścia fazowego podane przez Lianga29 i Brinsona30.Warunki zastosowane w tym modelu przejścia fazowego obowiązują przy złożonych obciążeniach termomechanicznych.W każdym momencie czasu podczas modelowania równania konstytutywnego obliczana jest wartość udziału objętościowego martenzytu.
Obowiązujące równanie retransformacji, wyrażone przez przemianę martenzytu w austenit w warunkach ogrzewania, jest następujące:
gdzie \(\xi\) to udział objętościowy martenzytu, \(\xi _M\) to udział objętościowy martenzytu uzyskany przed ogrzewaniem, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) i \(C_A\) – parametry aproksymacji krzywej, T – temperatura drutu SMA, \(A_s\) i \(A_f\) – początek i koniec fazy austenitu, odpowiednio, temperatury.
Równanie sterowania przemianą bezpośrednią, reprezentowane przez przemianę fazową austenitu w martenzyt w warunkach chłodzenia, jest następujące:
gdzie \(\xi _A\) to ułamek objętości martenzytu uzyskany 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 zróżniczkowaniu równań (3) i (4) równania transformacji odwrotnej i prostej upraszcza się do postaci:
Podczas transformacji do przodu i do tyłu \(\eta _{\sigma}\) 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 ogrzewania Joule'a.Energia cieplna pochłaniana lub uwalniana przez drut SMA jest reprezentowana przez utajone ciepło przemiany.Straty ciepła w przewodzie SMA są spowodowane wymuszoną konwekcją, a biorąc pod uwagę znikomy wpływ promieniowania, równanie bilansu energii cieplnej jest następujące:
gdzie \(m_{przewód}\) to całkowita masa przewodu SMA, \(c_{p}\) to ciepło właściwe przewodu SMA, \(V_{in}\) to napięcie przyłożone do przewodu, \(R_{ohm} \ ) – rezystancja fazowa SMA, zdefiniowana jako;\(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ) gdzie \(r_M\ ) i \(r_A\) to rezystywność fazowa SMA odpowiednio w martenzycie i austenicie, \(A_{c}\) to pole powierzchni drutu SMA, \(\Delta H \) to stop z pamięcią kształtu.Utajone ciepło przejścia drutu, T i \(T_{\infty}\) to odpowiednio temperatury drutu SMA i otoczenia.
Kiedy drut ze stopu z pamięcią kształtu jest uruchamiany, drut ściska się, tworząc siłę w każdej gałęzi konstrukcji bimodalnej, zwaną siłą włókna.Siły włókien w każdym pasmie drutu SMA razem tworzą siłę mięśni do uruchomienia, jak pokazano na ryc. 9e.Ze względu na obecność sprężyny napinającej, całkowita siła mięśni N-tego wielowarstwowego siłownika wynosi:
Podstawiając \(N = 1\) do równania (7), siłę mięśni pierwszego stopnia prototypu napędu bimodalnego można otrzymać w następujący sposób:
gdzie n to liczba odnóg jednomodalnych, \(F_m\) to siła mięśni generowana przez napęd, \(F_f\) to wytrzymałość włókna w przewodzie SMA, \(K_x\) to sztywność odkształcenia.sprężyna, \(\alpha\) to kąt trójkąta, \(x_0\) to początkowe przesunięcie sprężyny napinającej utrzymującej kabel SMA w pozycji wstępnie napiętej, a \(\Delta x\) to skok siłownika.
Całkowite przemieszczenie lub ruch napędu (\(\Delta x\)) w zależności od napięcia (\(\sigma\)) i naprężenia (\(\epsilon\)) na przewodzie SMA N-tego stopnia, napęd jest ustawiony na (patrz rys. dodatkowa część wyjścia):
Równania kinematyczne podają zależność między odkształceniem napędu (\(\epsilon\)) a przemieszczeniem lub przemieszczeniem (\(\Delta x\)).Odkształcenie drutu Arb w funkcji początkowej długości drutu Arb (\(l_0\)) i długości drutu (l) w dowolnym momencie t w jednej gałęzi unimodalnej jest następujące:
gdzie \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) uzyskuje się stosując wzór na cosinus 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, różniczując czas z równania (11) i podstawiając wartość l, prędkość odkształcenia można zapisać jako:
gdzie \(l_0\) to początkowa długość przewodu SMA, l to długość przewodu w dowolnym momencie t w jednej gałęzi jednomodalnej, \(\epsilon\) to odkształcenie powstałe w przewodzie SMA, a \(\alpha \) to kąt trójkąta , \(\Delta x\) to przesunięcie napędu (jak pokazano na rysunku 8).
Wszystkie n jednoszczytowych struktur (\(n=6\) na tym rysunku) są połączone szeregowo z \(V_{in}\) jako napięciem wejściowym.Etap I: Schematyczny diagram przewodu SMA w konfiguracji bimodalnej w warunkach zerowego napięcia Etap II: Pokazano kontrolowaną strukturę, w której przewód SMA jest ściskany w wyniku odwrotnej konwersji, jak pokazano czerwoną linią.
Jako dowód słuszności koncepcji opracowano napęd bimodalny oparty na SMA w celu przetestowania symulowanego wyprowadzenia podstawowych równań z wynikami eksperymentalnymi.Model CAD bimodalnego siłownika liniowego przedstawiono na rys.9a.Z drugiej strony na ryc.9c przedstawia nowy projekt zaproponowany dla obrotowego pryzmatycznego połączenia z wykorzystaniem dwupłaszczyznowego siłownika opartego na SMA o strukturze bimodalnej.Komponenty napędu zostały wyprodukowane przy użyciu wytwarzania przyrostowego na drukarce 3D Ultimaker 3 Extended.Materiałem używanym do drukowania komponentów w 3D jest poliwęglan, który jest odpowiedni do materiałów odpornych na ciepło, ponieważ jest mocny, trwały i ma wysoką temperaturę zeszklenia (110-113 \(^{\circ }\) C).Ponadto w doświadczeniach wykorzystano drut ze stopu Flexinol z pamięcią kształtu firmy Dynalloy, Inc., aw symulacjach wykorzystano właściwości materiału odpowiadające drutowi Flexinol.Wiele drutów SMA jest ułożonych jako włókna obecne w bimodalnym układzie mięśni, aby uzyskać duże siły wytwarzane przez wielowarstwowe siłowniki, jak pokazano na ryc. 9b, d.
Jak pokazano na rysunku 9a, kąt ostry utworzony przez ruchome ramię drutu SMA nazywany jest kątem (\(\alpha\)).Za pomocą zacisków zaciskowych przymocowanych do lewego i prawego zacisku przewód SMA jest utrzymywany pod żądanym kątem bimodalnym.Urządzenie sprężyny napinającej utrzymywane na łączniku sprężynowym jest przeznaczone do regulacji różnych grup rozciągania sprężyny napinającej zgodnie z liczbą (n) włókien SMA.Ponadto położenie ruchomych części jest zaprojektowane tak, aby drut SMA był wystawiony na działanie środowiska zewnętrznego w celu wymuszonego chłodzenia konwekcyjnego.Górna i dolna płyta odłączanego zespołu pomagają utrzymać niską temperaturę drutu SMA dzięki wytłaczanym wycięciom zaprojektowanym w celu zmniejszenia masy.Ponadto oba końce przewodu CMA są przymocowane odpowiednio do lewego i prawego zacisku za pomocą zacisku.Trzpień jest przymocowany do jednego końca ruchomego zespołu, aby zachować prześwit między górną i dolną płytą.Trzpień służy również do przykładania siły blokującej do czujnika poprzez styk w celu pomiaru siły blokującej, gdy przewód SMA jest uruchamiany.
Bimodalna struktura mięśniowa SMA jest elektrycznie połączona szeregowo i zasilana wejściowym napięciem impulsowym.Podczas cyklu impulsów napięciowych, po przyłożeniu napięcia i podgrzaniu drutu SMA powyżej temperatury początkowej austenitu, długość drutu w każdej żyłce ulega skróceniu.To wycofanie aktywuje podzespół ruchomego ramienia.Gdy napięcie zostało zerowane w tym samym cyklu, ogrzany drut SMA został schłodzony poniżej temperatury powierzchni martenzytu, powracając tym samym do pierwotnego położenia.W warunkach zerowego naprężenia drut SMA jest najpierw biernie rozciągany przez sprężynę napinającą, aby osiągnąć stan martenzytyczny po rozłączeniu.Śruba, przez którą przechodzi drut SMA, porusza się w wyniku kompresji wywołanej podaniem impulsu napięcia na drut SMA (SPA osiąga fazę austenitu), co prowadzi do uruchomienia ruchomej dźwigni.Kiedy drut SMA jest cofany, sprężyna napinająca wytwarza siłę przeciwną poprzez dalsze rozciąganie sprężyny.Kiedy naprężenie w napięciu impulsowym staje się zerowe, drut SMA wydłuża się i zmienia swój kształt na skutek wymuszonego chłodzenia konwekcyjnego, osiągając podwójną fazę martenzytyczną.
Proponowany system siłowników liniowych oparty na SMA ma konfigurację bimodalną, w której przewody SMA są ustawione pod kątem.(a) przedstawia model CAD prototypu, w którym wymieniono niektóre komponenty i ich znaczenie dla prototypu, (b, d) reprezentuje opracowany eksperymentalny prototyp35.Podczas gdy (b) pokazuje widok prototypu z góry z zastosowanymi połączeniami elektrycznymi i sprężynami napinającymi oraz tensometrami, (d) pokazuje perspektywiczny widok konfiguracji.( e ) Schemat liniowego systemu uruchamiającego z drutami SMA umieszczonymi bimodalnie w dowolnym momencie t, pokazujący kierunek i przebieg włókna oraz siłę mięśni.(c) Zaproponowano obrotowe połączenie pryzmatyczne 2-DOF do rozmieszczenia dwupłaszczyznowego siłownika opartego na SMA.Jak pokazano, łącznik przenosi ruch liniowy z dolnego napędu na górne ramię, tworząc połączenie obrotowe.Z drugiej strony ruch pary pryzmatów jest taki sam jak ruch wielowarstwowego napędu pierwszego stopnia.
Na prototypie pokazanym na rys. 9b przeprowadzono badania eksperymentalne w celu oceny osiągów napędu bimodalnego opartego na SMA.Jak pokazano na rysunku 10a, konfiguracja eksperymentalna składała się z programowalnego zasilacza prądu stałego do dostarczania napięcia wejściowego do przewodów SMA.Jak pokazano na ryc.10b, tensometr piezoelektryczny (PACEline CFT/5kN) zastosowano do pomiaru siły blokującej za pomocą rejestratora danych Graphtec GL-2000.Dane są zapisywane przez gospodarza do dalszych badań.Tensometry i wzmacniacze ładunku wymagają stałego zasilania w celu wytworzenia sygnału napięciowego.Odpowiednie sygnały są przetwarzane na moc wyjściową zgodnie z czułością piezoelektrycznego czujnika siły i innymi parametrami, jak opisano w Tabeli 2. Po przyłożeniu impulsu napięcia temperatura przewodu SMA wzrasta, powodując ściśnięcie przewodu SMA, co powoduje generowanie siły przez siłownik.Eksperymentalne wyniki wyjściowej siły mięśniowej przez impuls napięcia wejściowego 7 V pokazano na ryc.2a.
( a ) W eksperymencie skonfigurowano system siłowników liniowych oparty na SMA w celu pomiaru siły generowanej przez siłownik.Ogniwo obciążnikowe mierzy siłę blokowania i jest zasilane napięciem 24 V DC.Spadek napięcia o wartości 7 V zastosowano na całej długości kabla za pomocą programowalnego zasilacza prądu stałego firmy GW Instek.Drut SMA kurczy się pod wpływem ciepła, a ruchome ramię styka się z ogniwem obciążnikowym i wywiera siłę blokującą.Ogniwo obciążeniowe jest podłączone do rejestratora danych GL-2000, a dane są przechowywane na hoście do dalszego przetwarzania.(b) Schemat przedstawiający łańcuch elementów zestawu eksperymentalnego do pomiaru siły mięśni.
Stopy z pamięcią kształtu są wzbudzane energią cieplną, więc temperatura staje się ważnym parametrem do badania zjawiska pamięci kształtu.Eksperymentalnie, jak pokazano na ryc. 11a, wykonano obrazowanie termiczne i pomiary temperatury na prototypowym siłowniku dwuwalerianianowym opartym na SMA.Programowalne źródło prądu stałego przyłożyło napięcie wejściowe do przewodów SMA w konfiguracji eksperymentalnej, jak pokazano na rysunku 11b.Zmianę temperatury drutu SMA mierzono w czasie rzeczywistym za pomocą kamery LWIR o wysokiej rozdzielczości (FLIR A655sc).Host wykorzystuje oprogramowanie ResearchIR do zapisywania danych do dalszego przetwarzania.Po przyłożeniu impulsu napięcia temperatura drutu SMA wzrasta, powodując kurczenie się drutu SMA.na ryc.Rysunek 2b przedstawia eksperymentalne wyniki temperatury drutu SMA w funkcji czasu dla impulsu napięcia wejściowego 7 V.
Czas postu: 28 września 2022 r