طراحي و مدل‌سازي ديناميكي يك ماژول متشكل از فنر فشاري تحريك شده با سيم آلياژ حافظه‌دار

Design and dynamic modeling of a module included a compressive spring and actuated by shape memory alloy wire

در سال‌هاي اخير مطالعات زيادي در زمينه طراحي و ساخت بازوهاي مكانيكي در مقياس كوچك انجام گرفته است. اين بازوها كاربردهاي زيادي در صنعت و به‌خصوص در پزشكي دارند. يك كاربرد عملي اين بازوها آندوسكوپي است. در آندوسكوپي علاوه بر كوچك بودن بازو، به قابليت مانور بالا و چرخش مناسب سر بازو و همچنين انعطاف‌پذيري بدنه بازو نياز است تا امكان حركت آسان آندوسكوپ در محيط پر پيچ و خم روده در مقايسه با نمونه‌هاي قديمي فراهم شود. در اين مقاله توسعه يك ماژول پايه‌اي انعطاف‌پذير براي استفاده در اين ساختار مدنظر قرار گرفته است. با اتصال سه سيم آلياژ حافظه‌دار در زواياي 120 درجه نسبت به هم در اطراف يك فنر فشاري، امكان تغيير زاويه‌ نسبتاً بزرگ صفحات ابتدايي و انتهايي فنر با كرنش كم سيم آلياژ حافظه‌دار فراهم مي‌شود. در اين مقاله مدلي براي تغيير شكل فنر توسعه يافته كه با مدل برينسون براي رفتار سيم آلياژ حافظه‌دار تركيب و براي بيان رفتار ماژول استفاده شده است. مدل‌سازي ديناميكي و شبيه‌سازي در محيط سيمولينك نرم‌افزار مت‌لب پياده‌سازي و عملكرد ماژول و ابعاد بهينه‌ آن براي كاربرد مورد نظر پيشنهاد شده است. با استفاده از نتايج شبيه‌سازي و تجربي، ابعاد مناسب ماژول براي ايجاد بيشترين چرخش تحت تاثير سيم آلياژ حافظه‌دار پيشنهاد شده است.

In recent years many investigations have been performed on design and fabrication of micro mechanical manipulators. These manipulators have a wide application in industry, specifically medical applications. A practical usage of this manipulator is endoscopy system. In the endoscopy system, a small manipulator with high maneuverability and flexible body is needed to make the probe’s movement into the colon easier than classic manipulators. In this paper a basic flexible module is developed for use in this structure. Connecting three wires of shape memory alloy uniformly distributed in circumference of a compressive spring with angle of 120 degrees, it is possible to make an sufficiently large displacement in the end planes with small strain of wires. In this paper, a model is developed to define the spring deformation which in the following is coupled with the model of SMA wire presented by Brinson to describe the module behavior definitely. Dynamic modeling and simulation is implemented in MATLAB-Simulink and module performance in addition to proper geometry for the considered application is extracted. Through the results of simulation verified by experiment, proper parameters of module for providing more deflection and rotation when activated by SMA are extracted.