Спасибо за посещение сайта Nature.com. Версия вашего браузера имеет ограниченную поддержку CSS. Для наилучшего взаимодействия с сайтом мы рекомендуем использовать обновлённую версию браузера (или отключить режим совместимости в Internet Explorer). В настоящее время, для обеспечения дальнейшей поддержки, мы будем отображать сайт без стилей и JavaScript.
Исполнительные механизмы используются повсеместно и создают управляемое движение путем приложения соответствующей силы возбуждения или крутящего момента для выполнения различных операций в производстве и промышленной автоматизации. Потребность в более быстрых, компактных и эффективных приводах стимулирует инновации в их проектировании. Приводы на основе сплавов с памятью формы (SMA) обладают рядом преимуществ перед традиционными приводами, включая высокое соотношение мощности к весу. В данной диссертации был разработан двухперистый привод на основе SMA, сочетающий в себе преимущества перьевых мышц биологических систем и уникальные свойства SMA. В этом исследовании изучаются и расширяются предыдущие приводы на основе SMA путем разработки математической модели нового привода на основе бимодального расположения проводов SMA и его экспериментального тестирования. По сравнению с известными приводами на основе SMA, сила привода нового привода как минимум в 5 раз выше (до 150 Н). Соответствующая потеря веса составляет около 67%. Результаты анализа чувствительности математических моделей полезны для настройки параметров проектирования и понимания ключевых параметров. В этом исследовании также представлен многоуровневый N-ступенчатый привод, который может быть использован для дальнейшего повышения динамики. Приводы на основе дивалерата с памятью формы (SMA) имеют широкий спектр применения, от автоматизации зданий до систем точной доставки лекарств.
Биологические системы, такие как мышечные структуры млекопитающих, могут активировать множество тонких исполнительных механизмов1. У млекопитающих различное мышечное строение, каждое из которых выполняет определенную функцию. Однако большую часть структуры мышечной ткани млекопитающих можно разделить на две широкие категории: параллельные и перистые. В мышцах задней поверхности бедра и других сгибателях, как следует из названия, параллельная мускулатура имеет мышечные волокна, параллельные центральному сухожилию. Цепочка мышечных волокон выстроена и функционально связана соединительной тканью вокруг них. Хотя эти мышцы, как говорят, имеют большую амплитуду движения (процент укорочения), их общая мышечная сила очень ограничена. В отличие от этого, в трехглавой мышце голени2 (латеральная икроножная мышца (GL)3, медиальная икроножная мышца (GM)4 и камбаловидная мышца (SOL)) и разгибателе бедра (четырехглавой мышце бедра)5,6 в каждой мышце находится перистая мышечная ткань7. В перистых мышцах мышечные волокна расположены по обе стороны центрального сухожилия под косыми углами (перистые углы). Слово «перистый» происходит от латинского слова «penna», что означает «перо», и, как показано на рис. 1, имеет перьеобразный вид. Волокна перистых мышц короче и расположены под углом к ​​продольной оси мышцы. Из-за перистой структуры общая подвижность этих мышц снижается, что приводит к поперечной и продольной составляющим процесса укорочения. С другой стороны, активация этих мышц приводит к большей общей мышечной силе благодаря способу измерения физиологической площади поперечного сечения. Следовательно, при заданной площади поперечного сечения перистые мышцы будут сильнее и будут генерировать большие силы, чем мышцы с параллельными волокнами. Силы, генерируемые отдельными волокнами, создают мышечные силы на макроскопическом уровне в этой мышечной ткани. Кроме того, она обладает такими уникальными свойствами, как быстрое сокращение, защита от повреждений при растяжении, амортизация. Этот метод преобразует взаимосвязь между входной мощностью волокон и выходной мощностью мышц, используя уникальные особенности и геометрическую сложность расположения волокон, связанных с линиями действия мышц.
На схематических диаграммах показаны существующие конструкции актуаторов на основе сплавов с памятью формы (SMA) в контексте бимодальной мышечной архитектуры, например (a), демонстрирующий взаимодействие тактильной силы, при котором устройство в форме кисти, приводимое в действие проволоками из сплавов с памятью формы, установлено на двухколесном автономном мобильном роботе9,10. (b) Роботизированный орбитальный протез с антагонистически расположенным пружинным орбитальным протезом из сплава с памятью формы. Положение протезного глаза контролируется сигналом от глазной мышцы11, (c) Актуаторы из сплавов с памятью формы идеально подходят для подводных применений благодаря их высокой частотной характеристике и низкой полосе пропускания. В этой конфигурации актуаторы из сплавов с памятью формы используются для создания волнового движения путем имитации движения рыбы; (d) актуаторы из сплавов с памятью формы используются для создания микроробота для осмотра труб, который может использовать принцип движения «гусеницы», управляемый движением проводов из сплавов с памятью формы внутри канала 10; (e) показано направление сокращения мышечных волокон и создание сократительной силы в ткани икроножной мышцы; (f) показаны провода из сплавов с памятью формы, расположенные в виде мышечных волокон в структуре перистых мышц.
Исполнительные механизмы стали важной частью механических систем благодаря широкому спектру их применения. Поэтому потребность в более компактных, быстрых и эффективных приводах становится критически важной. Несмотря на свои преимущества, традиционные приводы оказались дорогостоящими и трудоемкими в обслуживании. Гидравлические и пневматические приводы сложны и дороги, подвержены износу, проблемам со смазкой и поломкам компонентов. В ответ на спрос основное внимание уделяется разработке экономически эффективных, оптимизированных по размерам и передовых приводов на основе интеллектуальных материалов. Текущие исследования посвящены слоистым приводам из сплавов с памятью формы (SMA) для удовлетворения этой потребности. Иерархические приводы уникальны тем, что они объединяют множество дискретных приводов в геометрически сложные макроскопические подсистемы, обеспечивая расширенную функциональность. В этом отношении описанная выше мышечная ткань человека представляет собой отличный многослойный пример такого многослойного привода. В данном исследовании описывается многоуровневый привод из SMA с несколькими отдельными приводными элементами (проволоками из SMA), выровненными по ориентации волокон, присутствующих в бимодальных мышцах, что улучшает общую производительность привода.
Основная цель актуатора — генерация механической мощности, такой как сила и перемещение, путем преобразования электрической энергии. Сплавы с памятью формы — это класс «умных» материалов, способных восстанавливать свою форму при высоких температурах. При высоких нагрузках повышение температуры проволоки из сплава с памятью формы приводит к восстановлению формы, что обеспечивает более высокую плотность энергии привода по сравнению с различными непосредственно связанными «умными» материалами. В то же время, под механическими нагрузками сплавы с памятью формы становятся хрупкими. При определенных условиях циклическая нагрузка может поглощать и высвобождать механическую энергию, демонстрируя обратимые гистерезисные изменения формы. Эти уникальные свойства делают сплавы с памятью формы идеальными для датчиков, гашения вибраций и особенно для актуаторов12. Учитывая это, было проведено много исследований в области приводов на основе сплавов с памятью формы. Следует отметить, что актуаторы на основе сплавов с памятью формы предназначены для обеспечения поступательного и вращательного движения для различных применений13,14,15. Хотя были разработаны некоторые вращательные актуаторы, исследователи особенно заинтересованы в линейных актуаторах. Эти линейные актуаторы можно разделить на три типа: одномерные, актуаторы перемещения и дифференциальные актуаторы 16. Первоначально гибридные приводы создавались в сочетании с приводами на основе сплавов с памятью формы (SMA) и другими традиционными приводами. Одним из таких примеров гибридного линейного актуатора на основе SMA является использование проволоки из сплава с памятью формы с двигателем постоянного тока для обеспечения выходной силы около 100 Н и значительного перемещения17.
Одной из первых разработок в области приводов, полностью основанных на сплавах с памятью формы (SMA), стал параллельный привод на основе SMA. Используя несколько проводов из SMA, параллельный привод на основе SMA предназначен для увеличения мощности привода за счет параллельного соединения всех проводов из SMA18. Параллельное соединение приводов не только требует большей мощности, но и ограничивает выходную мощность одного провода. Еще одним недостатком приводов на основе SMA является ограниченный диапазон перемещения. Для решения этой проблемы была создана балка из SMA-кабеля, содержащая деформированную гибкую балку для увеличения перемещения и достижения линейного движения, но это не позволило создать более высокие силы19. Мягкие деформируемые конструкции и ткани для роботов на основе сплавов с памятью формы были разработаны в основном для усиления ударных нагрузок20,21,22. Для применений, где требуются высокие скорости, были разработаны компактные насосы с приводом на основе тонкопленочных SMA для микронасосов23. Частота привода тонкопленочной мембраны из SMA является ключевым фактором в управлении скоростью привода. Поэтому линейные двигатели на основе SMA обладают лучшей динамической характеристикой, чем пружинные или стержневые двигатели на основе SMA. Мягкая робототехника и технологии захвата — это еще две области применения актуаторов на основе сплавов с памятью формы (SMA). Например, для замены стандартного актуатора, используемого в космическом зажиме с усилием 25 Н, был разработан параллельный актуатор из сплава с памятью формы 24. В другом случае был изготовлен мягкий актуатор из сплава с памятью формы на основе проволоки со встроенной матрицей, способный создавать максимальное усилие натяжения 30 Н. Благодаря своим механическим свойствам сплавы с памятью формы также используются для создания актуаторов, имитирующих биологические явления. Одна из таких разработок включает в себя 12-клеточный робот, являющийся биомиметиком дождевого червя, с использованием сплава с памятью формы для генерации синусоидального движения с целью выстрела26,27.
Как уже упоминалось, существует ограничение на максимальную силу, которую можно получить от существующих актуаторов на основе сплавов с памятью формы (SMA). Для решения этой проблемы в данном исследовании представлена ​​биомиметическая бимодальная мышечная структура, приводимая в движение проволокой из сплава с памятью формы. Она обеспечивает систему классификации, включающую несколько типов проволоки из сплавов с памятью формы. До настоящего времени в литературе не сообщалось об актуаторах на основе SMA с аналогичной архитектурой. Эта уникальная и новая система на основе SMA была разработана для изучения поведения SMA во время бимодального выравнивания мышцы. По сравнению с существующими актуаторами на основе SMA, целью данного исследования было создание биомиметического дивалератного актуатора для генерации значительно больших сил в малом объеме. По сравнению с обычными приводами на основе шаговых двигателей, используемыми в системах автоматизации и управления зданиями HVAC, предлагаемая конструкция бимодального привода на основе SMA снижает вес приводного механизма на 67%. Далее термины «мышца» и «привод» используются взаимозаменяемо. В данном исследовании изучается многофизическое моделирование такого привода. Механическое поведение таких систем изучалось экспериментальными и аналитическими методами. Распределение силы и температуры было дополнительно исследовано при входном напряжении 7 В. Затем был проведен параметрический анализ для лучшего понимания взаимосвязи между ключевыми параметрами и выходной силой. Наконец, были предложены иерархические актуаторы и иерархические эффекты уровней как потенциальное направление развития немагнитных актуаторов для протезирования. Согласно результатам вышеупомянутых исследований, использование одноступенчатой ​​архитектуры обеспечивает силы как минимум в четыре-пять раз выше, чем у актуаторов на основе сплавов с памятью формы (SMA). Кроме того, было показано, что та же самая движущая сила, создаваемая многоуровневым приводом, более чем в десять раз превышает силу, создаваемую обычными приводами на основе SMA. Затем в исследовании представлены ключевые параметры с использованием анализа чувствительности между различными конструкциями и входными переменными. Начальная длина проволоки из SMA (\(l_0\)), угол перистости (\(\alpha\)) и количество отдельных жил (n) в каждой отдельной жиле оказывают сильное отрицательное влияние на величину движущей силы. сила, в то время как входное напряжение (энергия) оказалось положительно коррелированным.
Проволока из сплава с памятью формы (SMA) демонстрирует эффект памяти формы (SME), характерный для семейства никель-титановых (Ni-Ti) сплавов. Как правило, сплавы с памятью формы имеют две зависящие от температуры фазы: низкотемпературную и высокотемпературную. Обе фазы обладают уникальными свойствами благодаря наличию различных кристаллических структур. В аустенитной фазе (высокотемпературной фазе), существующей выше температуры фазового перехода, материал обладает высокой прочностью и плохо деформируется под нагрузкой. Сплав ведет себя как нержавеющая сталь, поэтому способен выдерживать более высокие давления при приводе. Используя это свойство сплавов Ni-Ti, проволоки из сплава с памятью формы наклоняются для образования привода. Разработаны соответствующие аналитические модели для понимания фундаментальной механики термического поведения сплава с памятью формы под воздействием различных параметров и различных геометрических форм. Было получено хорошее соответствие между экспериментальными и аналитическими результатами.
Для оценки характеристик бимодального привода на основе сплава с памятью формы (SMA) было проведено экспериментальное исследование прототипа, показанного на рис. 9а. Были экспериментально измерены две характеристики: сила, создаваемая приводом (мышечная сила), и температура проволоки из сплава с памятью формы (температура SMA). По мере увеличения разности напряжений по всей длине проволоки в приводе температура проволоки повышается из-за эффекта Джоуля-нагрева. Входное напряжение подавалось в два 10-секундных цикла (показаны красными точками на рис. 2а, б) с 15-секундным периодом охлаждения между каждым циклом. Сила блокировки измерялась с помощью пьезоэлектрического тензометрического датчика, а распределение температуры проволоки из сплава с памятью формы контролировалось в реальном времени с помощью высокоразрешающей LWIR-камеры научного класса (характеристики используемого оборудования см. в таблице 2). На рисунке показано, что во время фазы высокого напряжения температура проволоки монотонно возрастает, но когда ток не течет, температура проволоки продолжает падать. В текущей экспериментальной установке температура проволоки из сплава с памятью формы снижалась во время фазы охлаждения, но оставалась выше температуры окружающей среды. На рис. 2e показан снимок температуры проволоки из сплава с памятью формы, полученный с помощью LWIR-камеры. С другой стороны, на рис. 2a показана блокирующая сила, создаваемая системой привода. Когда сила мышцы превышает восстанавливающую силу пружины, подвижный рычаг, как показано на рис. 9a, начинает двигаться. Как только начинается срабатывание, подвижный рычаг вступает в контакт с датчиком, создавая объемную силу, как показано на рис. 2c, d. Когда максимальная температура приближается к \(84\,^{\circ}\hbox {C}\), максимальная наблюдаемая сила составляет 105 Н.
На графике показаны экспериментальные результаты температуры проволоки из сплава с памятью формы (SMA) и силы, создаваемой бимодальным актуатором на основе SMA в течение двух циклов. Входное напряжение подавалось в два 10-секундных цикла (показаны красными точками) с 15-секундным периодом охлаждения между каждым циклом. Для экспериментов использовалась проволока из сплава с памятью формы диаметром 0,51 мм производства компании Dynalloy, Inc. (a) График показывает экспериментальную силу, полученную за два цикла, (c, d) показаны два независимых примера действия актуаторов с подвижным рычагом на пьезоэлектрический датчик силы PACEline CFT/5kN, (b) график показывает максимальную температуру всей проволоки из сплава с памятью формы в течение двух циклов, (e) показан снимок температуры, полученный с проволоки из сплава с памятью формы с помощью LWIR-камеры, разработанной с использованием программного обеспечения FLIR ResearchIR. Геометрические параметры, учтенные в экспериментах, приведены в таблице 1.
Результаты моделирования с использованием математической модели и экспериментальные результаты сравниваются при входном напряжении 7 В, как показано на рис. 5. Согласно результатам параметрического анализа и во избежание перегрева проволоки из сплава с памятью формы, на привод подавалась мощность 11,2 Вт. Для подачи входного напряжения 7 В использовался программируемый источник постоянного тока, а ток через проволоку составлял 1,6 А. Сила, создаваемая приводом, и температура SDR увеличиваются при подаче тока. При входном напряжении 7 В максимальная выходная сила, полученная из результатов моделирования и экспериментальных результатов первого цикла, составляет 78 Н и 96 Н соответственно. Во втором цикле максимальная выходная сила, полученная из результатов моделирования и экспериментальных результатов, составила 150 Н и 105 Н соответственно. Расхождение между измерениями силы окклюзии и экспериментальными данными может быть связано с методом измерения силы окклюзии. Экспериментальные результаты показаны на рис. 5a соответствует измерению силы блокировки, которая, в свою очередь, измерялась, когда приводной вал находился в контакте с пьезоэлектрическим датчиком силы PACEline CFT/5kN, как показано на рис. 2s. Следовательно, когда приводной вал не контактирует с датчиком силы в начале зоны охлаждения, сила немедленно становится равной нулю, как показано на рис. 2d. Кроме того, другими параметрами, влияющими на формирование силы в последующих циклах, являются значения времени охлаждения и коэффициента конвективной теплопередачи в предыдущем цикле. Из рис. 2b видно, что после 15-секундного периода охлаждения проволока из сплава с памятью формы не достигла комнатной температуры и, следовательно, имела более высокую начальную температуру (40 °C) во втором цикле привода по сравнению с первым циклом (25 °C). Таким образом, по сравнению с первым циклом, температура проволоки из сплава с памятью формы во втором цикле нагрева достигает начальной температуры аустенита (\(A_s\)) раньше и дольше остается в переходном периоде, что приводит к возникновению напряжений и сил. С другой стороны, распределения температуры во время циклов нагрева и охлаждения, полученные экспериментальным путем и в результате моделирования, имеют высокое качественное сходство с примерами из термографического анализа. Сравнительный анализ тепловых данных проволоки из сплава с памятью формы, полученных экспериментальным путем и в результате моделирования, показал согласованность во время циклов нагрева и охлаждения и в пределах допустимых погрешностей для экспериментальных данных. Максимальная температура проволоки из сплава с памятью формы, полученная по результатам моделирования и экспериментов первого цикла, составляет \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) и \(75\,^{\circ }\hbox {C }\, соответственно), а во втором цикле максимальная температура проволоки из сплава с памятью формы составляет \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) и \(83\,^{\circ }\hbox {C}\). Разработанная модель подтверждает эффект памяти формы. Роль усталости и перегрева в данном обзоре не рассматривалась. В будущем модель будет усовершенствована с учетом истории напряжений в проволоке из сплава с памятью формы, что сделает ее более подходящей для инженерных применений. Графики выходной силы привода и температуры сплава с памятью формы, полученные из блока Simulink, находятся в пределах допустимых отклонений экспериментальных данных при условии импульса входного напряжения 7 В. Это подтверждает корректность и надежность разработанной математической модели.
Математическая модель была разработана в среде MathWorks Simulink R2020b с использованием основных уравнений, описанных в разделе «Методы». На рис. 3b показана блок-схема математической модели Simulink. Модель была смоделирована для импульса входного напряжения 7 В, как показано на рис. 2a, b. Значения параметров, использованных в моделировании, приведены в таблице 1. Результаты моделирования переходных процессов представлены на рисунках 1 и 1, 3a и 4. На рис. 4a,b показано индуцированное напряжение в проводе из сплава с памятью формы и сила, создаваемая актуатором, как функция времени. В процессе обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки из сплава с памятью формы \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала образования модифицированной напряжением аустенитной фазы), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\xi }\)) будет равна нулю. В процессе обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки из сплава с памятью формы \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала образования модифицированной напряжением аустенитной фазы), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равна нулю. Во время обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала аустенитной фазы, модифицированная напряжением), скорость изменения объёмной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\)) будет равнозначной. В процессе обратного превращения (нагрева), когда температура проволоки из сплава с памятью формы, \(T < A_s^{\prime}\) (температура начала образования аустенита, модифицированного напряжением), скорость изменения объемной доли мартенсита (\(\dot{\ xi }\ )) будет равна нулю.在反向转变（加热）过程中，当SMA 线温度\(T < A_s^{\prime}\)（应力修正奥氏体相起始温度）时，马氏体体积分数的变化率（\(\dot{\ xi }\))将为零。在 反向 转变 （加热） 中 ， 当 当 当 线 温度 \ (t При обратном превращении (нагреве) при электроде СПФ \(T < A_s^{\prime}\) (температура зарождения аустенитной фазы с поправкой на напряжение) скорость изменения объёмной доли мартенсита (\( \dot{\xi }\)) будет одинаково обусловлена. При обратном превращении (нагреве) при температуре проволоки из сплава с памятью формы \(T < A_s^{\prime}\) (температуре зарождения аустенитной фазы, скорректированной на напряжение) скорость изменения объемной доли мартенсита (\( \dot{\ xi }\)) будет равна нулю.Следовательно, скорость изменения напряжения (\(\dot{\sigma}\)) будет зависеть только от скорости деформации (\(\dot{\epsilon}\)) и градиента температуры (\(\dot{T} \)) при использовании уравнения (1). Однако, по мере повышения температуры проволоки из сплава с памятью формы и пересечения (\(A_s^{\prime}\)), начинает формироваться аустенитная фаза, и (\(\dot{\xi}\)) принимается за заданное значение уравнения (3). Поэтому скорость изменения напряжения (\(\dot{\sigma}\)) совместно контролируется \(\dot{\epsilon}, \dot{T}\) и \(\dot{\xi}\) и равна заданному значению в формуле (1). Это объясняет изменения градиента, наблюдаемые на картах изменяющихся во времени напряжений и сил в течение цикла нагрева, как показано на рис. 4a, b.
(a) Результаты моделирования, показывающие распределение температуры и температуру соединения, вызванную напряжением, в двухвалератном актуаторе на основе сплава с памятью формы. Когда температура проволоки пересекает температуру аустенитного перехода на стадии нагрева, модифицированная температура аустенитного перехода начинает повышаться, и аналогично, когда температура проволочного стержня пересекает температуру мартенситного перехода на стадии охлаждения, температура мартенситного перехода понижается. Сплав с памятью формы для аналитического моделирования процесса приведения в действие. (Подробное описание каждой подсистемы модели Simulink см. в разделе приложения дополнительного файла.)
Результаты анализа для различных распределений параметров показаны для двух циклов входного напряжения 7 В (10-секундные циклы прогрева и 15-секундные циклы охлаждения). В то время как (ac) и (e) отображают распределение во времени, (d) и (f) иллюстрируют распределение в зависимости от температуры. Для соответствующих входных условий максимальное наблюдаемое напряжение составляет 106 МПа (менее 345 МПа, предел текучести проволоки), сила — 150 Н, максимальное смещение — 270 мкм, а минимальная объемная доля мартенсита — 0,91. С другой стороны, изменение напряжения и изменение объемной доли мартенсита в зависимости от температуры имеют гистерезисный характер.
Аналогичное объяснение применимо и к прямой трансформации (охлаждению) из аустенитной фазы в мартенситную, где температура проволоки из сплава с памятью формы (T) и конечная температура мартенситной фазы, модифицированной напряжением (\(M_f^{\prime}\ )), являются превосходными. На рис. 4d,f показано изменение индуцированного напряжения (\(\sigma\)) и объемной доли мартенсита (\(\xi\)) в проволоке из сплава с памятью формы в зависимости от изменения температуры проволоки (T) для обоих циклов воздействия. На рис. 3a показано изменение температуры проволоки из сплава с памятью формы во времени в зависимости от входного импульса напряжения. Как видно из рисунка, температура проволоки продолжает повышаться при подаче источника тепла при нулевом напряжении и последующем конвективном охлаждении. В процессе нагрева ретрансформация мартенсита в аустенитную фазу начинается, когда температура проволоки из сплава с памятью формы (T) пересекает скорректированную по напряжению температуру зарождения аустенита (\(A_s^{\prime}\)). В этой фазе проволока из сплава с памятью формы сжимается, и привод создает усилие. Также в процессе охлаждения, когда температура проволоки из сплава с памятью формы (T) пересекает температуру зарождения модифицированной по напряжению мартенситной фазы (\(M_s^{\prime}\)), происходит положительный переход из аустенитной фазы в мартенситную. Приводное усилие уменьшается.
Основные качественные аспекты бимодального привода на основе СМА можно получить из результатов моделирования. В случае импульсного входного напряжения температура проволоки из СМА повышается за счет эффекта Джоулева нагрева. Начальное значение объемной доли мартенсита (\(\xi\)) установлено равным 1, поскольку материал изначально находится в полностью мартенситной фазе. По мере дальнейшего нагрева проволоки температура проволоки из СМА превышает скорректированную по напряжению температуру зарождения аустенита \(A_s^{\prime}\), что приводит к уменьшению объемной доли мартенсита, как показано на рисунке 4c. Кроме того, на рис. 4e показано распределение ходов привода во времени, а на рис. 5 – движущая сила как функция времени. Соответствующая система уравнений включает температуру, объемную долю мартенсита и напряжение, возникающее в проволоке, приводящее к усадке проволоки из СМА и силе, создаваемой приводом. Как показано на рис. На рисунках 4d и 4f показано изменение напряжения в зависимости от температуры и изменение объемной доли мартенсита в зависимости от температуры, что соответствует гистерезисным характеристикам сплава с памятью формы в моделируемом случае при напряжении 7 В.
Сравнение параметров привода было получено экспериментальным путем и с помощью аналитических расчетов. Провода подвергались импульсному входному напряжению 7 В в течение 10 секунд, затем охлаждались в течение 15 секунд (фаза охлаждения) в два цикла. Угол пера установлен на уровне \(40^{\circ}\), а начальная длина проволоки из сплава с памятью формы в каждом отдельном штырьке составляет 83 мм. (a) Измерение приводной силы с помощью тензодатчика. (b) Мониторинг температуры проволоки с помощью тепловизионной инфракрасной камеры.
Для понимания влияния физических параметров на силу, создаваемую приводом, был проведен анализ чувствительности математической модели к выбранным физическим параметрам, и параметры были ранжированы в соответствии с их влиянием. Сначала выборка параметров модели проводилась с использованием принципов экспериментального планирования, которые следовали равномерному распределению (см. Дополнительный раздел по анализу чувствительности). В данном случае параметры модели включают входное напряжение (\(V_{in}\)), начальную длину проволоки из сплава с памятью формы (\(l_0\)), угол треугольника (\(\alpha\)), постоянную пружины смещения (\( K_x\ )), коэффициент конвективной теплопередачи (\(h_T\)) и количество унимодальных ветвей (n). На следующем этапе в качестве требования к планированию исследования была выбрана пиковая сила мышц, и были получены параметрические эффекты каждого набора переменных на силу. Диаграммы торнадо для анализа чувствительности были получены из коэффициентов корреляции для каждого параметра, как показано на рис. 6а.
(a) Значения коэффициентов корреляции параметров модели и их влияние на максимальную выходную силу для 2500 уникальных групп вышеуказанных параметров модели показаны на диаграмме «торнадо». График показывает ранговую корреляцию нескольких показателей. Ясно, что \(V_{in}\) является единственным параметром с положительной корреляцией, а \(l_0\) — параметром с самой высокой отрицательной корреляцией. Влияние различных параметров в различных комбинациях на пиковую мышечную силу показано на рисунках (b, c). \(K_x\) изменяется от 400 до 800 Н/м, а n — от 4 до 24. Напряжение (\(V_{in}\)) изменяется от 4 В до 10 В, длина проволоки (\(l_{0}\)) изменяется от 40 до 100 мм, а угол наклона хвостовой части (\(\alpha\)) изменяется от \(20 – 60 \, ^ {\circ }\).
На рис. 6а показана диаграмма «торнадо» различных коэффициентов корреляции для каждого параметра с требованиями к расчету пиковой силы привода. Из рис. 6а видно, что параметр напряжения (\(V_{in}\)) напрямую связан с максимальной выходной силой, а коэффициент конвективной теплопередачи (\(h_T\)), угол пламени (\ ( \alpha\)), постоянная пружины смещения ( \(K_x\)) отрицательно коррелируют с выходной силой и начальной длиной (\(l_0\)) проволоки из сплава с памятью формы, а количество унимодальных ветвей (n) показывает сильную обратную корреляцию. В случае прямой корреляции более высокое значение коэффициента корреляции напряжения (\(V_{in}\)) указывает на то, что этот параметр оказывает наибольшее влияние на выходную мощность. Другой аналогичный анализ измеряет пиковую силу, оценивая влияние различных параметров в различных комбинациях двух вычислительных пространств, как показано на рис. 6b, c. Значения \(V_{in}\) и \(l_0\), \(\alpha\) и \(l_0\) имеют схожие закономерности, и график показывает, что значения \(V_{in}\) и \(\alpha\) и \(\alpha\) имеют схожие закономерности. Меньшие значения \(l_0\) приводят к более высоким пиковым значениям силы. Два других графика согласуются с рисунком 6a, где n и \(K_x\) отрицательно коррелируют, а \(V_{in}\) положительно коррелируют. Этот анализ помогает определить и скорректировать влияющие параметры, с помощью которых выходная сила, ход и эффективность приводной системы могут быть адаптированы к требованиям и применению.
В текущей исследовательской работе представлены и изучены иерархические приводы с N уровнями. В двухуровневой иерархии, как показано на рис. 7a, вместо каждого провода из сплава с памятью формы (SMA) первого уровня привода, достигается бимодальная компоновка, как показано на рис. 9e. На рис. 7c показано, как провод из сплава с памятью формы наматывается на подвижный рычаг (вспомогательный рычаг), который движется только в продольном направлении. Однако основной подвижный рычаг продолжает двигаться так же, как и подвижный рычаг многоступенчатого привода первой ступени. Как правило, N-ступенчатый привод создается путем замены провода из сплава с памятью формы на 1 ступень приводом первой ступени. В результате каждая ветвь имитирует привод первой ступени, за исключением ветви, которая удерживает сам провод. Таким образом, могут быть сформированы вложенные структуры, создающие силы, в несколько раз превышающие силы основных приводов. В данном исследовании для каждого уровня учитывалась общая эффективная длина проволоки из сплава с памятью формы (SMA) 1 м, как показано в табличном виде на рис. 7d. Ток через каждую проволоку в каждой одномодальной конструкции, а также результирующее предварительное напряжение и напряжение в каждом сегменте проволоки из сплава с памятью формы одинаковы на каждом уровне. Согласно нашей аналитической модели, выходная сила положительно коррелирует с уровнем, в то время как перемещение отрицательно коррелирует. В то же время наблюдался компромисс между перемещением и силой мышц. Как видно на рис. 7b, хотя максимальная сила достигается при наибольшем количестве слоев, наибольшее перемещение наблюдается в самом нижнем слое. Когда уровень иерархии был установлен на \(N=5\), пиковая сила мышц составила 2,58 кН при 2 наблюдаемых ходах \(\upmu\)м. С другой стороны, привод первой ступени генерирует силу 150 Н при ходе 277 \(\upmu\)м. Многоуровневые актуаторы способны имитировать настоящие биологические мышцы, тогда как искусственные мышцы на основе сплавов с памятью формы способны генерировать значительно большие усилия с точными и мелкими движениями. Ограничениями такой миниатюрной конструкции являются то, что с увеличением иерархии диапазон движений значительно уменьшается, а сложность процесса изготовления привода возрастает.
(a) Показана двухступенчатая (\(N=2\)) слоистая линейная система актуатора из сплава с памятью формы в бимодальной конфигурации. Предложенная модель достигается заменой проволоки из сплава с памятью формы в первом этапе многослойного актуатора на другой одноступенчатый многослойный актуатор. (c) Деформированная конфигурация второго этапа многослойного актуатора. (b) Описано распределение сил и перемещений в зависимости от количества уровней. Установлено, что пиковая сила актуатора положительно коррелирует с уровнем шкалы на графике, в то время как ход отрицательно коррелирует с уровнем шкалы. Ток и предварительное напряжение в каждой проволоке остаются постоянными на всех уровнях. (d) В таблице показано количество отводов и длина проволоки из сплава с памятью формы (волокна) на каждом уровне. Характеристики проволок обозначены индексом 1, а количество вторичных ответвлений (одно из которых соединено с основным выводом) обозначено наибольшим числом в нижнем индексе. Например, на уровне 5 \(n_1\) обозначает количество проводов из сплава с памятью формы, присутствующих в каждой бимодальной структуре, а \(n_5\) обозначает количество вспомогательных выводов (один из которых соединен с основным выводом).
Многие исследователи предложили различные методы моделирования поведения сплавов с памятью формы, зависящие от термомеханических свойств, сопровождающих макроскопические изменения кристаллической структуры, связанные с фазовым переходом. Формулировка конститутивных методов по своей природе сложна. Наиболее часто используемая феноменологическая модель предложена Танакой [28] и широко применяется в инженерных приложениях. Феноменологическая модель, предложенная Танакой [28], предполагает, что объемная доля мартенсита является экспоненциальной функцией температуры и напряжения. Позже Лян и Роджерс [29] и Бринсон [0] предложили модель, в которой динамика фазового перехода предполагалась косинусной функцией напряжения и температуры, с небольшими модификациями модели. Беккер и Бринсон предложили кинетическую модель на основе фазовой диаграммы для моделирования поведения материалов из сплавов с памятью формы при произвольных условиях нагружения, а также частичных переходах. Баннерджи [2] использует метод динамики фазовой диаграммы Беккера и Бринсона [1] для моделирования манипулятора с одной степенью свободы, разработанного Элахинией и Ахмадианом [33]. Кинетические методы, основанные на фазовых диаграммах, учитывающие немонотонное изменение напряжения в зависимости от температуры, трудно реализовать в инженерных приложениях. Элахиния и Ахмадиан обращают внимание на эти недостатки существующих феноменологических моделей и предлагают расширенную феноменологическую модель для анализа и определения поведения памяти формы при любых сложных условиях нагружения.
Структурная модель проволоки из сплава с памятью формы (SMA) позволяет определить напряжение (\(\sigma\)), деформацию (\(\epsilon\)), температуру (T) и объемную долю мартенсита (\(\xi\)) проволоки из SMA. Феноменологическая конститутивная модель была впервые предложена Танакой28, а затем принята Лянгом29 и Бринсоном30. Производная уравнения имеет вид:
где E — зависящий от фазы модуль Юнга сплава с памятью формы, полученный с использованием формулы \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\), где \(E_A\) и \(E_M\), представляющие собой модули Юнга аустенитной и мартенситной фаз соответственно, а коэффициент теплового расширения представлен \(\theta _T\). Фактор вклада фазового перехода равен \(\Omega = -E \epsilon _L\), а \(\epsilon _L\) — максимальная восстанавливаемая деформация в проволоке из сплава с памятью формы.
Уравнение динамики фаз совпадает с косинусной функцией, разработанной Лянгом29 и впоследствии принятой Бринсоном30 вместо экспоненциальной функции, предложенной Танакой28. Модель фазового перехода является расширением модели, предложенной Элахинией и Ахмадианом34, и модифицирована на основе условий фазового перехода, приведенных Лянгом29 и Бринсоном30. Условия, используемые для этой модели фазового перехода, действительны при сложных термомеханических нагрузках. В каждый момент времени значение объемной доли мартенсита рассчитывается при моделировании определяющего уравнения.
Уравнение обратного превращения, описывающее превращение мартенсита в аустенит в условиях нагрева, имеет следующий вид:
где \(\xi\) — объемная доля мартенсита, \(\xi _M\) — объемная доля мартенсита, полученного до нагрева, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f – A_s)\), \ ( \displaystyle b_A = -a_A/C_A\) и \(C_A\) — параметры аппроксимации кривой, T — температура проволоки из сплава с памятью формы, \(A_s\) и \(A_f\) — температура начала и конца аустенитной фазы соответственно.
Уравнение прямого управления фазовым превращением, описывающее фазовое превращение аустенита в мартенсит в условиях охлаждения, имеет следующий вид:
где \(\xi _A\) — объемная доля мартенсита, полученного до охлаждения, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s – M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) и \ ( C_M \) — параметры аппроксимации кривой, T — температура проволоки из сплава с памятью формы, \(M_s\) и \(M_f\) — начальная и конечная температуры мартенсита соответственно.
После дифференцирования уравнений (3) и (4) уравнения обратного и прямого преобразования упрощаются до следующего вида:
При прямом и обратном преобразовании \(\eta _{\sigma}\) и \(\eta _{T}\) принимают разные значения. Основные уравнения, связанные с \(\eta _{\sigma}\) и \(\eta _{T}\), были выведены и подробно рассмотрены в дополнительном разделе.
Тепловая энергия, необходимая для повышения температуры проволоки из сплава с памятью формы, поступает за счет эффекта Джоуля. Тепловая энергия, поглощаемая или выделяемая проволокой из сплава с памятью формы, представлена ​​скрытой теплотой превращения. Потери тепла в проволоке из сплава с памятью формы обусловлены вынужденной конвекцией, и, учитывая пренебрежимо малое влияние излучения, уравнение баланса тепловой энергии имеет следующий вид:
Где \(m_{wire}\) — общая масса проволоки из сплава с памятью формы, \(c_{p}\) — удельная теплоемкость сплава с памятью формы, \(V_{in}\) — напряжение, приложенное к проволоке, \(R_{ohm} \ ) — фазозависимое сопротивление сплава с памятью формы, определяемое как: \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\ ), где \(r_M\ ) и \(r_A\) — удельное сопротивление фаз сплава с памятью формы в мартенсите и аустените соответственно, \(A_{c}\) — площадь поверхности проволоки из сплава с памятью формы, \(\Delta H \) — сплав с памятью формы. Скрытая теплота перехода проволоки, T и \(T_{\infty}\) — температуры проволоки из сплава с памятью формы и окружающей среды соответственно.
При воздействии на проволоку из сплава с памятью формы она сжимается, создавая силу в каждой ветви бимодальной конструкции, называемую силой волокна. Силы волокон в каждой жиле проволоки из сплава с памятью формы совместно создают мышечную силу, необходимую для привода, как показано на рис. 9e. Благодаря наличию пружины смещения, суммарная мышечная сила N-го многослойного актуатора составляет:
Подставив \(N = 1\) в уравнение (7), силу мышц прототипа бимодального привода первой ступени можно получить следующим образом:
где n — количество одномодальных ножек, \(F_m\) — сила мышцы, создаваемая приводом, \​​(F_f\) — прочность волокна в проводе SMA, \(K_x\) — жесткость пружины смещения, \(\alpha\) — угол треугольника, \(x_0\) — начальное смещение пружины смещения для удержания кабеля SMA в предварительно натянутом положении, и \(\Delta x\) — ход привода.
Суммарное перемещение привода (\(\Delta x\)) зависит от напряжения (\(\sigma\)) и деформации (\(\epsilon\)) на проводе из сплава с памятью формы N-го каскада, при этом привод устанавливается на значение (см. рис. дополнительную часть выходного сигнала):
Кинематические уравнения описывают связь между деформацией привода (\(\epsilon\)) и смещением или перемещением (\(\Delta x\)). Деформация проволоки Арба как функция начальной длины проволоки Арба (\(l_0\)) и длины проволоки (l) в любой момент времени t в одной унимодальной ветви описывается следующим образом:
где \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 – 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) получается путем применения формулы косинуса в \(\Delta\)ABB ', как показано на рисунке 8. Для привода первой ступени (\(N = 1\)) \(\Delta x_1\) равно \(\Delta x\), а \(\alpha _1\) равно \(\alpha \), как показано на рисунке 8. Продифференцируя время из уравнения (11) и подставляя значение l, скорость деформации можно записать как:
где \(l_0\) — начальная длина проволоки из сплава с памятью формы, l — длина проволоки в любой момент времени t в одной одномодальной ветви, \(\epsilon\) — деформация, развивающаяся в проволоке из сплава с памятью формы, и \(\alpha\) — угол треугольника, \(\Delta x\) — смещение привода (как показано на рисунке 8).
Все n однопиковых структур (\(n=6\) на этом рисунке) соединены последовательно с \(V_{in}\) в качестве входного напряжения. Этап I: Схематическое изображение проволоки из сплава с памятью формы в бимодальной конфигурации при нулевом напряжении. Этап II: Показана управляемая структура, в которой проволока из сплава с памятью формы сжимается за счет обратного преобразования, как показано красной линией.
В качестве подтверждения концепции был разработан бимодальный привод на основе сплава с памятью формы (SMA) для проверки результатов моделирования с использованием экспериментальных данных. CAD-модель бимодального линейного привода показана на рис. 9a. С другой стороны, на рис. 9c показана новая конструкция, предложенная для вращательного призматического соединения с использованием двухплоскостного привода на основе сплава с памятью формы (SMA) с бимодальной структурой. Компоненты привода были изготовлены методом аддитивного производства на 3D-принтере Ultimaker 3 Extended. Материалом для 3D-печати компонентов является поликарбонат, который подходит для термостойких материалов, поскольку он прочный, долговечный и имеет высокую температуру стеклования (110-113 °C). Кроме того, в экспериментах использовалась проволока из сплава с памятью формы Flexinol от Dynalloy, Inc., а свойства материала, соответствующие проволоке Flexinol, использовались в моделировании. Множество проводов из сплава с памятью формы расположены в виде волокон, образующих бимодальное расположение мышц, что позволяет получать высокие силы, создаваемые многослойными актуаторами, как показано на рис. 9b, d.
Как показано на рисунке 9а, острый угол, образованный подвижным рычагом из проволоки SMA, называется углом (\(\alpha\)). С помощью клеммных зажимов, прикрепленных к левому и правому зажимам, проволока SMA удерживается под желаемым бимодальным углом. Пружинное устройство, установленное на пружинном соединителе, предназначено для регулировки различных групп пружин в зависимости от количества (n) волокон SMA. Кроме того, расположение подвижных частей спроектировано таким образом, чтобы проволока SMA была открыта для внешней среды для принудительного конвекционного охлаждения. Верхняя и нижняя пластины съемного узла помогают охлаждать проволоку SMA благодаря вырезам, предназначенным для уменьшения веса. Кроме того, оба конца проволоки CMA закреплены на левом и правом клеммах соответственно с помощью обжима. К одному концу подвижного узла прикреплен поршень для поддержания зазора между верхней и нижней пластинами. Поршень также используется для приложения блокирующей силы к датчику через контакт для измерения блокирующей силы при срабатывании проволоки SMA.
Бимодальная структура мышцы из сплава с памятью формы (SMA) электрически соединена последовательно и питается от входного импульсного напряжения. Во время цикла импульсного напряжения, когда подается напряжение и проволока SMA нагревается выше начальной температуры аустенита, длина проволоки в каждой жиле укорачивается. Это втягивание активирует подвижный рычаг. Когда напряжение обнуляется в том же цикле, нагретая проволока SMA охлаждается ниже температуры поверхности мартенсита, возвращаясь в исходное положение. В условиях нулевого напряжения проволока SMA сначала пассивно растягивается пружиной смещения до достижения состояния расдвойникования мартенсита. Винт, через который проходит проволока SMA, перемещается за счет сжатия, создаваемого подачей импульса напряжения на проволоку SMA (SPA достигает аустенитной фазы), что приводит к срабатыванию подвижного рычага. Когда проволока SMA втягивается, пружина смещения создает противодействующую силу, дополнительно растягивая пружину. Когда напряжение в импульсном напряжении становится равным нулю, проволока из сплава с памятью формы удлиняется и изменяет свою форму из-за принудительного конвекционного охлаждения, достигая двойной мартенситной фазы.
Предлагаемая система линейного привода на основе SMA имеет бимодальную конфигурацию, в которой проволоки SMA расположены под углом. (a) изображает CAD-модель прототипа, на которой указаны некоторые компоненты и их значение для прототипа, (b, d) представляют разработанный экспериментальный прототип35. При этом (b) показывает вид сверху прототипа с электрическими соединениями, пружинами смещения и используемыми тензодатчиками, (d) показывает перспективный вид установки. (e) Схема системы линейного привода с проволоками SMA, расположенными бимодально в любой момент времени t, показывающая направление и ход волокон и силу мышц. (c) Предложено 2-степенное вращательное призматическое соединение для развертывания двухплоскостного привода на основе SMA. Как показано, звено передает линейное движение от нижнего привода к верхнему рычагу, создавая вращательное соединение. С другой стороны, движение пары призм такое же, как движение многослойного привода первой ступени.
Для оценки характеристик бимодального привода на основе сплава с памятью формы (SMA) было проведено экспериментальное исследование прототипа, показанного на рис. 9b. Как показано на рис. 10a, экспериментальная установка состояла из программируемого источника постоянного тока для подачи входного напряжения на провода SMA. Как показано на рис. 10b, для измерения силы блокировки использовался пьезоэлектрический тензометрический датчик (PACEline CFT/5kN) с помощью регистратора данных Graphtec GL-2000. Данные записываются главным устройством для дальнейшего исследования. Тензометрические датчики и усилители заряда требуют постоянного источника питания для генерации сигнала напряжения. Соответствующие сигналы преобразуются в выходную мощность в соответствии с чувствительностью пьезоэлектрического датчика силы и другими параметрами, как описано в таблице 2. При подаче импульса напряжения температура провода SMA повышается, вызывая его сжатие, что приводит к генерации силы приводом. Экспериментальные результаты выходной силы мышцы при подаче входного импульса напряжения 7 В показаны на рис. 2a.
(a) В эксперименте была создана система линейного актуатора на основе сплава с памятью формы (SMA) для измерения силы, создаваемой актуатором. Тензодатчик измеряет блокирующую силу и питается от источника постоянного тока 24 В. Падение напряжения 7 В прикладывалось по всей длине кабеля с помощью программируемого источника постоянного тока GW Instek. Провод SMA сжимается из-за нагрева, и подвижный рычаг контактирует с тензодатчиком, создавая блокирующую силу. Тензодатчик подключен к регистратору данных GL-2000, и данные сохраняются на главном устройстве для дальнейшей обработки. (b) Схема, показывающая цепочку компонентов экспериментальной установки для измерения мышечной силы.
Сплавы с эффектом памяти формы возбуждаются тепловой энергией, поэтому температура становится важным параметром для изучения явления памяти формы. Экспериментально, как показано на рис. 11а, были проведены тепловизионные и температурные измерения прототипа дивалератного актуатора на основе сплава с эффектом памяти формы. В экспериментальной установке, как показано на рис. 11б, к проволокам из сплава с эффектом памяти формы подавалось входное напряжение от программируемого источника постоянного тока. Изменение температуры проволоки из сплава с эффектом памяти формы измерялось в реальном времени с помощью высокоразрешающей LWIR-камеры (FLIR A655sc). Для записи данных и их дальнейшей обработки использовалось программное обеспечение ResearchIR. При подаче импульса напряжения температура проволоки из сплава с эффектом памяти формы повышается, вызывая ее сжатие. На рис. 2б показаны экспериментальные результаты зависимости температуры проволоки из сплава с эффектом памяти формы от времени при входном напряжении 7 В.