طراحي و مدلسازي بازوي مصنوعي با استفاده از آلياژهاي حافظه‌دار

Design, modeling and enhancement of an artificial arm muscle using shape memory alloys

آلياژهاي حافظه‌دار (SMA) زير مجموعه‌اي از مواد هوشمند هستند كه ويژگي اساسي آنها تغيير شكل بزرگ ناشي از تغيير در ريزساختار آنها، تحت تاثير دما و ميدان مغناطيسي مي‌باشد. اين آلياژها دو اثر مهم حافظه داري و سوپرالاستيسته را ازخود نشان مي‌دهندكه باعث مي‌شود اين مواد به كانديداي بسيار مناسبي براي سيستم‌هاي كنترل، سنسورها و طراحي عملگرها تبديل شوند. از مزاياي آلياژهاي حافظه‌دار مي‌توان به اندازه كوچك، وزن كم، نياز به توان تحريك پايين، تحريك‌پذيري الكتريكي و حرارتي، عملكرد و تحريك بيصدا در مقايسه با ساير محرك‌ها، عمر مفيد و طولاني و نسبت توان به وزن بالا اشاره كرد. فركانس عملكردي محدود اين آلياژها يكي از عمده معايب آنهاست. در اين مقاله، با الهام از نحوه قرارگيري عضله‌ها در بازوي انسان عملگرجديدي براي تقليد حركت بازو طراحي شده و با استفاده از اثر ترموالكتريك زمان پاسخ عملگر كاهش يافته است. اين فرآيند مستلزم حل همزمان معادلات انتقال حرارت، معادلات ساختاري، توصيف فرايند تغيير فاز و همچنين معادلات ديناميكي حاكم بر عملگر مي باشد. پاسخ ديناميكي عملگر با نتايج تجربي موجود در ساير مقالات مقايسه و صحت نتايج حاصل از اين مدلسازي‌ها بررسي مي‌شود و تاثير پارامترهاي مختلف بر روي پاسخ عملگر مورد بررسي قرارمي‌گيرد. نتايج حاصل نشانگر آن است كه با استفاده از روش پيشنهادي مي‌توان زمان پاسخ عملگر را تا بيش از 50% كاهش داد.

Shape memory alloys are a category of smart materials which exhibit large deformations under temperature or magnetic stimuli due to micromechanical changes. These alloys offer a good potential in design of control systems, sensors and actuators due to two main effects called shape memory effect and superelastic effect. Main advantages of these systems are their small scale, low weight, low activation power, long life and high power to weight ratio. On the other hand, the main disadvantage of the thermal type is their low actuation frequency. In this work, inspired by human arm muscles, a new actuator is designed and its actuation time is minimized utilizing the thermoelectric effect. The process requires simultaneous analysis of heat transfer, constitutive equations, phase transformation and also the dynamic equations of the actuator. The dynamic response of the designed actuator is compared with the similar experimental data available in the literature and finally it is shown that, the actuation time of the proposed actuator can be reduced at least 50% as a result of the Peltier effect.