Bentuk Memory Alloy wire untuk aktuasi lengan gripper robot: Bagaimana memvariasikan tekanan grip?

Untuk lengan gripper robot yang kami rancang untuk digunakan di lantai pabrik pada komponen yang sangat kecil, kami mengusulkan untuk menggunakan kawat memanfaatkan Shape Memory Alloy (SMA) yang diaktifkan secara elektrik untuk aktuasi.

Perangkat yang dirancang mirip dengan mesin Pick & Place yang digunakan untuk perakitan sirkuit, tetapi bergerak di atas permukaan kerja berukuran gantungan pesawat di atas roda. Ini memanipulasi objek berpori dan berbentuk tidak beraturan antara masing-masing 0,5 cu.cm dan 8 cu.cm - karenanya mekanisme P&P vakum tradisional tidak menarik. Juga, objek individu di jalur perakitan memiliki kekerasan dan bobot yang berbeda-beda.

Kendala desain kami adalah:

Memastikan getaran dan suara minimal hingga nol
Menggunakan volume minimal dalam mekanisme (baterai berada di wheelbase, memberikan stabilitas, sehingga beratnya tidak menjadi masalah)
Variasi baik dari tekanan gripper

Kami percaya SMA memenuhi dua kendala pertama dengan baik, tetapi perlu beberapa panduan untuk mencapai kendala 3, yaitu berbagai tingkat tekanan gripper yang dikendalikan secara elektronik.

Pertanyaan saya:

Dapatkah PWM arus di atas ambang aktivasi (320 mA untuk 0,005 inci Flexinol HT ) memberikan kekuatan aktuasi variabel yang berulang?
Apakah kita memerlukan sensor tekanan pada setiap ujung jari dan kontrol loop tertutup untuk genggaman, atau dapatkah genggaman dikalibrasi secara berkala dan mempertahankan gaya yang berulang?
Apakah ada preseden atau studi yang terdokumentasi dengan baik yang harus kita rujuk?

mobile-robot

— Anindo Ghosh
sumber

Jawaban:

Lihatlah kertas Karakteristik Teknis Kabel Aktuator Flexinol .

Yang ingin Anda lakukan adalah menyusun struktur yang memanfaatkan kontraksi yang tersedia dari kawat nitinol untuk mencapai stroke dan kekuatan yang diinginkan untuk aplikasi Anda. Makalah ini memberikan beberapa contoh struktur:

struktur 1

struktur 2

stroke dan kekuatan

Persentase kontraksi nitinol terkait dengan suhunya. Namun, hubungannya tidak linier dan berbeda antara fase pemanasan dan fase pendinginan. Perbedaan-perbedaan ini perlu diperhitungkan.

temp vs kontraksi

Dalam artikel kontrol posisi flexinol presisi menggunakan Arduino , penulis menjelaskan cara menggunakan properti nitinol sehingga kawat dapat bertindak sebagai sensor umpan balik itu sendiri:

Flexinol, juga dikenal sebagai Muscle Wire, adalah kawat yang kuat dan ringan yang terbuat dari Nitinol yang dapat dibuat untuk berkontraksi saat menghantarkan listrik. Pada artikel ini saya akan menyajikan pendekatan untuk kontrol presisi efek ini berdasarkan pada pengontrolan tegangan pada rangkaian Flexinol. Selain itu, mengambil keuntungan dari fakta bahwa resistensi Flexinol turun seperti yang diprediksi saat kontrak, mekanisme yang dijelaskan di sini menggunakan kawat itu sendiri sebagai sensor dalam loop kontrol umpan balik. Beberapa keuntungan dari menghilangkan kebutuhan akan sensor terpisah adalah berkurangnya jumlah komponen dan berkurangnya kompleksitas mekanik.

Jadi dengan menggunakan PWM untuk memvariasikan tegangan di kawat dan menggunakan ADC untuk membaca penurunan tegangan, Anda dapat merancang kontrol loop tertutup dari persentase kontraksi kawat nitinol. Kemudian, dengan menggunakan struktur mekanis yang sesuai, Anda dapat menerjemahkan kontraksi itu menjadi goresan dan gaya yang diinginkan untuk aplikasi Anda.

— tertanam.kyle
sumber

Dari paragraf terakhir, itu akan menyiratkan bahwa kalibrasi ulang berkala terhadap sensor tekanan harus memungkinkan kita membuang sensor gripper-tip dan masih mendapatkan pengulangan yang masuk akal? Kedengarannya bermanfaat, terima kasih! Rekalibrasi harian dapat dimasukkan ke dalam jadwal tugas ... Luar biasa.

— Anindo Ghosh

@AnindoGhosh Itu dan merancang untuk tidak terlalu menekankan kawat. Lihat Bagian dua dari kertas Flexinol: "Jika kawat aktuator Flexinol® digunakan dalam kondisi yang sesuai, maka mendapatkan gerakan berulang dari kawat selama puluhan juta siklus adalah masuk akal."

— embedded.kyle

Desain saat ini bekerja menggunakan SMA sekitar setengah dari 4% yang dapat dikontrak, dan kembali bukan oleh pegas, itu adalah push-pull menggunakan segmen SMA lainnya, sekali lagi hanya melenturkan 2%. Dengan demikian kita akan tinggal jauh dari tekanan yang berlebihan dan terus menerus pada kawat. Pegas cahaya digunakan untuk stabilitas struktural, tetapi cukup lemah untuk tidak signifikan dalam hal tegangan. Jadi diharapkan seperempat juta siklus harus bekerja dengan aman - itu lebih dari yang dibutuhkan dalam spesifikasi.

— Anindo Ghosh

Mengapa Anda tidak harus menggunakan SMA

Pertama, saya harus bertanya-tanya mengapa Anda memilih untuk menggunakan paduan memori bentuk dalam aplikasi robot. Jika Anda melihat salah satu daftar aplikasi untuk SMA, Anda hampir tidak akan pernah melihat aplikasi robot pada daftar.

Sebagian besar aplikasi SMA tidak digerakkan, dan termasuk hal-hal seperti bingkai kacamata dan klub golf.

Beberapa aplikasi memang menggunakan SMA sebagai aktuator, tetapi biasanya hanya sekali atau dua kali. Ini adalah aplikasi seperti stent medis, yang perlu dimasukkan ke dalam arteri kecil, tetapi terbuka begitu masuk.

Alasan tidak ada aplikasi robotik di mana SMA perlu bertindak sebagai aktuator dan mengerahkan kekuatan menyebabkan sesuatu bergerak, adalah bahwa hal itu dapat menyebabkan kelelahan. Menurut Wikipedia :

SMA mudah lelah; mode kegagalan dimana pemuatan siklik menghasilkan inisiasi dan propagasi retakan yang pada akhirnya menghasilkan hilangnya fungsi katastropik akibat fraktur. selain mode kegagalan ini, yang tidak secara eksklusif diamati pada material pintar. SMA juga tunduk pada Kelelahan Fungsional, dimana SMA tidak gagal secara struktural, tetapi, karena kombinasi stres yang diterapkan, dan / atau suhu, kehilangan (sampai taraf tertentu) kemampuannya untuk menjalani transformasi fase reversibel.

Tetapi jika Anda bersikeras

Karena SMA mengalami creep dan fatigue, Anda harus memiliki semacam transduser gaya dan sistem kontrol untuk memastikan Anda menerapkan gaya yang dikenal.

Apa yang saya sarankan Daripada SMA, ada banyak aktuator kecil yang dapat memenuhi kendala Anda tanpa kelemahan besar SMA.

Voice Coils: Ini hanya terdiri dari magnet permanen dan koil. Menyesuaikan aliran arus secara langsung mempengaruhi gaya yang diberikan pada magnet. Tanpa diketahui, ini benar-benar diam, dan lebih hemat daya daripada SMA. Gaya yang diterapkan cukup berulang, selama suhu lingkungan tidak sangat bervariasi. Anda dapat membeli ini sebagai komponen jadi dari Moticont . Atau buka hard drive, lihat ada jari robot yang siap pakai!

Jari robot voice coil

Aktuator piezo : Ada berbagai motor yang berbeda berdasarkan keramik piezo. Ini biasanya sangat kecil, tetapi motor mahal. Coba motor Squiggle dari Newscale Tech .

Motor berlekuk

Ada perusahaan bernama Flexsys yang membuat aktuator menggunakan kedua teknologi.

Aktuator Koil Suara

— Roket
sumber

Sebenarnya, aktuator berulang yang berbasis SMA tidak jarang sama sekali, dan jauh lebih murah daripada harga Squiggle Motor yang tidak realistis. Kami telah mengevaluasi pertengkaran, tentu saja, tetapi perusahaan jelas tidak tertarik pada bisnis volume rendah, strategi pemasaran dan penetapan harga mereka secara aktif menghambat ritel. Berikut adalah beberapa produk aktuator SMA dan makalah penelitian robotika: store.migamotors.com/... jongohpark.pe.kr/data/treatise/142.pdf www-bsac.eecs.berkeley.edu/~sbergbre/research/publications/…

— Anindo Ghosh

@AnindoGhosh - Saya setuju bahwa motor Squiggle sulit didapat dan mahal. Tapi Anda harus serius mempertimbangkan aktuator kumparan suara. Ini akan memberi Anda tahun kehidupan yang andal. Berbeda dengan Nanomuscle yang tidak memiliki aplikasi . Lihat saja daftar 'aplikasi' yang disarankan oleh perusahaan itu sendiri. Belum ada satu pun dari mereka yang benar-benar ada. Itu semua adalah saran. Semua makalah yang Anda tautkan hanyalah prototipe. Perhatikan dengan serius untuk melihat apakah Anda dapat menemukan satu aplikasi robot komersial yang menggunakan SMA.

— Rocketmagnet

@AnindoGhosh - Tolong, dengarkan suara pengalaman. Kami sudah pernah ke sini sebelumnya. Kami tergoda oleh janji SMA lebih dari sekali, tetapi selalu meninggalkan mereka karena mereka sangat tidak bisa diandalkan. Sebelum Anda pergi ke mana pun dengan mereka, letakkan seseorang melalui tes kehidupan yang tepat di bawah kondisi realistis.

— Rocketmagnet

Pengujian realistis sedang berlangsung. Suara pengalaman sering memberi tahu kita bahwa inovasi = naif, jadi saya akan membiarkan itu berlalu. Juga, anehnya, ada sejumlah mesin yang digerakkan SMA, yang beroperasi selama satu dekade atau lebih dalam beberapa kasus, di pabrik tempat perangkat baru ini akan digunakan. Klien tampaknya cukup senang dengan barang-barang itu, jelas dia belum mendengar suara pengalaman. Saya pasti akan menyebutkannya.

— Anindo Ghosh

@AnindoGhosh - Saya ingin tahu beberapa aplikasi dunia nyata ini. Melihat situs web pabrikan untuk daftar aplikasi, saya hanya dapat menemukan aplikasi 'potensial', 'masa depan', dan 'mungkin'. Mereka tidak mencantumkan yang sekarang, meskipun teknologinya telah ada lebih dari satu dekade.

— Rocketmagnet