Conception et développement de non

Jun 30, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 10758 (2022) Citer cet article

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Les actionneurs sont omniprésents pour générer un mouvement contrôlé grâce à l'application d'une force ou d'un couple d'excitation approprié pour effectuer diverses opérations dans la fabrication et l'automatisation industrielle. Les demandes placées sur des actionneurs plus rapides, plus petits et efficaces stimulent l'innovation dans le développement des actionneurs. Les actionneurs à base d'alliage à mémoire de forme (SMA) présentent de multiples avantages par rapport aux actionneurs conventionnels, notamment un rapport puissance/poids élevé. Cet article intègre les avantages du muscle penné d'un système biologique et les propriétés uniques de SMA pour développer un actionneur bipenné à base de SMA. La présente étude explore et développe les actionneurs SMA précédents en développant le modèle mathématique du nouvel actionneur basé sur l'arrangement bipenné des fils SMA et en le validant expérimentalement. Le nouvel actionneur s'avère fournir des forces d'actionnement au moins cinq fois plus élevées (jusqu'à 150 N) par rapport aux actionneurs basés sur SMA rapportés. La réduction de poids correspondante est d'environ 67 %. Les résultats de l'analyse de sensibilité du modèle mathématique facilitent la personnalisation des paramètres de conception et la compréhension des paramètres critiques. Cette étude introduit en outre un actionneur hiérarchique de niveau N qui peut être déployé pour une amplification supplémentaire des forces d'actionnement. L'actionneur musculaire bipenné à base de SMA a de nombreuses applications allant des commandes d'automatisation des bâtiments aux systèmes précis d'administration de médicaments.

Les systèmes biologiques, tels que l'architecture musculaire des mammifères, peuvent inspirer une variété d'actionneurs nuancés1. Les mammifères ont un ensemble diversifié d'architectures musculaires, chacune servant un objectif particulier. Néanmoins, la majeure partie de l'architecture de la musculature des mammifères peut être généralisée en deux vastes catégories; Parallèle et penné. Trouvé dans les ischio-jambiers et d'autres muscles fléchisseurs, comme son nom l'indique, la musculature parallèle a des fibres musculaires parallèles au tendon central. Une succession de fibres musculaires est placée dans une rangée et fonctionnellement liée par le tissu conjonctif qui les entoure. Bien que l'on dise que ces muscles ont une grande excursion (pourcentage de raccourcissement), leur force musculaire totale est assez limitée. En revanche, la musculature pennée se trouve dans chaque muscle du complexe triceps sural2 (gastrocnemius lateralis (GL)3, gastrocnemius medialis (GM)4 et soleus (SOL)) et, du côté extenseur de la cuisse (quadriceps femoris)5,6,7. Dans l'architecture pennée, les fibres musculaires du tissu musculaire bipenné sont présentes des deux côtés du tendon central à un angle oblique (angle de pennation). Pennate est dérivé du mot latin 'penna', qui signifie plume, ce qui explique son aspect en forme de plume, comme illustré à la Fig. 1. Les fibres des muscles pennés sont plus courtes et orientées à un angle par rapport à l'axe longitudinal des muscles. En raison de la pennation, toute l'excursion de ces muscles est réduite, ce qui entraîne une composante latérale et longitudinale du processus de raccourcissement. D'autre part, en raison de la façon dont la section transversale physiologique est mesurée, l'activation de ces muscles génère une force musculaire totale plus élevée8. Ainsi, dans une section transversale donnée, un muscle penné serait plus fort et produirait une force plus élevée par rapport à un muscle à fibres parallèles. La force produite dans une seule fibre provoque la génération de force musculaire au niveau macro dans cette musculature. De plus, il possède des propriétés uniques telles que la contraction rapide, la prévention des dommages pendant l'extension et l'absorption des chocs. Il transforme la relation entre l'apport de fibres et la production de force musculaire en tirant parti des caractéristiques uniques et de la complexité géométrique de l'arrangement des fibres concernant la ligne d'action musculaire.

montre le schéma de la conception d'actionneur basée sur SMA existante vis-à-vis de l'architecture musculaire bipennée, par exemple (a) représente l'interaction de la force haptique, où un dispositif en forme de main actionné à l'aide de fils SMA est installé sur un robot mobile autonome à deux roues9,10, (b) une prothèse orbitaire oculaire robotique avec une prothèse orbitaire oculaire actionnée par ressort SMA montée de manière antagoniste. La position de l'œil prothétique est contrôlée par un signal provenant du muscle oculaire de l'œil11, (c) Les actionneurs SMA sont idéaux pour les applications sous-marines en raison de leur réponse à haute fréquence et de leur faible bande passante. Dans cette configuration, les actionneurs SMA sont utilisés pour créer un mouvement de forme d'onde en simulant le mouvement d'un poisson10, (d) les actionneurs SMA sont utilisés pour construire des micro-robots pour l'inspection des tuyaux qui peuvent se déplacer à l'intérieur d'un pipeline en utilisant le principe de mouvement pouce-ver actionné par des fils SMA, (e) montre la direction de contraction des fibres musculaires et la génération de force contractile dans un tissu musculaire penné gastrocnémien, (f) montre la disposition des fils SMA sous la forme de fibres musculaires dans l'architecture musculaire pennée.

Les actionneurs sont devenus un composant essentiel des systèmes mécaniques en raison de leur large éventail d'applications. En conséquence, le besoin d'actionneurs plus petits, plus rapides et plus efficaces est devenu d'une importance primordiale. Bien que les actionneurs conventionnels aient leurs avantages, leur maintenance s'est avérée coûteuse et chronophage. Les actionneurs hydrauliques et pneumatiques sont complexes dans leur conception et coûteux, et sont sujets à l'usure, aux problèmes de lubrification et aux défaillances des composants. En réponse au besoin, l'accent est mis sur le développement d'actionneurs économiques, de taille optimisée et avancés basés sur les matériaux intelligents. Les recherches actuelles se tournent vers des actionneurs hiérarchiques basés sur des alliages à mémoire de forme (SMA) afin de répondre à ce besoin. Les actionneurs hiérarchiques sont uniques en leur genre en ce sens qu'ils combinent un certain nombre d'éléments d'actionneur discrets dans des sous-systèmes à grande échelle géométriquement compliqués pour fournir une fonctionnalité accrue et étendue. À cet égard, le tissu musculaire humain susmentionné sert d'exemple multicouche parfait pour un tel actionnement hiérarchique. L'étude actuelle décrit un actionneur SMA hiérarchique avec plusieurs éléments d'actionneur individuels (fils SMA) disposés dans l'orientation des fibres présentes dans un muscle bipenné, ce qui améliore les performances globales de l'actionneur.

L'objectif principal d'un actionneur est de générer une sortie mécanique, telle qu'une force et un déplacement, en transformant l'énergie électrique. Les alliages à mémoire de forme sont une classe de matériaux intelligents qui peuvent restaurer leur forme après avoir été exposés à des températures élevées. Sous des charges élevées, une augmentation de la température du fil SMA peut provoquer une récupération de forme, entraînant une densité d'énergie d'actionnement élevée par rapport à divers matériaux intelligents à couplage direct. Pendant ce temps, lorsque les SMA sont soumis à des contraintes mécaniques, ils deviennent cassants. Dans certaines conditions, le chargement cyclique peut absorber et décharger de l'énergie mécanique en démontrant un changement de forme hystérétique réversible. Ces caractéristiques uniques ont rendu les SMA souhaitables pour la détection, l'amortissement des vibrations et en particulier pour les applications d'actionnement12. Compte tenu de cela, une quantité importante de recherches a été menée dans le domaine des actionneurs à base de SMA. Il est impératif de noter que les actionneurs basés sur SMA ont été conçus pour fournir à la fois un mouvement de translation et de rotation pour une variété d'applications13,14,15. Alors que certains actionneurs rotatifs ont été développés, les chercheurs se sont particulièrement intéressés aux actionneurs linéaires. Ces actionneurs linéaires peuvent être classés en trois types d'actionneurs : les actionneurs unidimensionnels, à force de polarisation et différentiels16. Initialement, des actionneurs hybrides ont été créés, combinant SMA avec d'autres actionneurs conventionnels. Un tel exemple d'actionneur linéaire hybride basé sur SMA était l'utilisation de fils SMA avec un moteur à courant continu pour fournir une force de sortie d'environ 100 N avec un déplacement considérable17.

L'un des premiers développements dans le domaine des actionneurs entièrement basés sur SMA a été l'actionneur SMA parallèle. À l'aide de nombreux fils SMA, un actionneur parallèle basé sur SMA a été conçu pour augmenter la capacité de force de l'actionneur en plaçant tous les fils SMA en parallèle18. Non seulement les connexions parallèles de l'actionneur nécessitaient plus de puissance, mais la force de sortie d'un seul fil était également limitée. Un autre inconvénient des actionneurs basés sur SMA était la course limitée qu'ils pouvaient atteindre. Pour résoudre ce problème, un faisceau actionné par fil SMA a été créé, qui incorporait des faisceaux flexibles déviés pour amplifier le déplacement et permettre un mouvement linéaire, mais n'a pas réussi à produire une force plus élevée19. Envisagés principalement pour l'amplification de la course, une structure de morphing souple à base d'alliage à mémoire de forme et un tissu robotique ont été développés20,21,22. Pour les zones qui nécessitaient de grandes vitesses, une pompe à actionneur compacte utilisant du SMA à couche mince a été signalée pour une application d'actionneur de micro-pompe23. La fréquence d'actionnement de la membrane SMA à couche mince est le facteur clé contrôlant la vitesse de l'actionneur. Par conséquent, par rapport aux moteurs SMA à ressort ou à bande, les moteurs SMA à fil ont une meilleure réponse dynamique. La robotique douce et la technologie de préhension sont deux autres applications dans lesquelles des actionneurs basés sur SMA ont été utilisés. Par exemple, pour remplacer les actionneurs standard utilisés dans la pince spatiale avec une force de sortie de 25 N, un actionneur parallèle à base d'alliage à mémoire de forme a été développé24. Un actionneur souple filaire SMA avec matrice intégrée capable de générer une force de traction maximale de 30 N a été produit dans un autre scénario25. Les SMA sont également utilisés pour réaliser des actionneurs en imitant des phénomènes biologiques grâce à leurs propriétés mécaniques. Un de ces développements impliquait un robot de 12 unités qui a été créé en bioimitant un organisme ressemblant à un ver de terre avec SMA pour générer un mouvement sinusoïdal pour l'actionnement26,27.

Comme mentionné, il existe des limites auxquelles la force maximale peut être obtenue à partir des actionneurs à base de SMA existants. Pour relever ce défi, la présente étude propose une architecture musculaire bipennée bionique ; entraîné par un fil en alliage à mémoire de forme. Il envisage un système hiérarchique qui comprend une pluralité de fils en alliage à mémoire de forme. Jusqu'à présent, aucun actionneur basé sur SMA impliquant une architecture similaire n'a été rapporté dans la littérature. Ce système unique et novateur basé sur le SMA a été développé pour explorer le comportement du SMA dans l'arrangement musculaire bipenné. L'objectif de cette étude était de créer un actionneur bipenné bio-inspiré pour générer une force significativement plus élevée dans un petit volume par rapport aux actionneurs à base de SMA existants. La conception proposée de l'actionneur bipenné à base de SMA s'est avérée avoir un poids inférieur de 67% du mécanisme d'entraînement par rapport aux actionneurs conventionnels à moteur pas à pas déployés dans le domaine de l'automatisation et des contrôles des bâtiments CVC. Désormais, les termes muscle et actionneur ont été utilisés de manière interchangeable tout au long de cet article. La modélisation multiphysique d'un tel actionneur a été étudiée dans cette étude. Le comportement mécanique d'un tel système a été étudié à l'aide de méthodes expérimentales et analytiques. Sous une condition de tension d'entrée de 7 V, les distributions de force et de température ont été étudiées plus en détail. Par la suite, une analyse paramétrique a été réalisée pour mieux comprendre la relation entre les paramètres critiques et la force de sortie. Enfin, un actionneur hiérarchique a été envisagé, et l'impact du niveau hiérarchique a été présenté comme une portée future potentielle dans la construction d'actionneurs non magnétiques pour des applications prothétiques. Selon les résultats des études susmentionnées réalisées, une force au moins quatre à cinq fois supérieure à celle des actionneurs à base de SMA rapportés a été générée à l'aide d'une architecture à un étage. De plus, la même force d'actionnement générée par des actionneurs hiérarchiques à plusieurs étages s'est avérée être plus de dix fois supérieure à celle des actionneurs conventionnels à base de SMA. L'étude a en outre rapporté les paramètres clés à l'aide d'une analyse de sensibilité parmi diverses variables de conception et d'entrée. La longueur initiale du fil SMA dans chaque branche unipennée (\(l_0\)), l'angle de pennation (\(\alpha\)) et le nombre de branches unipennées (n) ont eu un impact fort et inverse sur l'amplitude de la force d'actionnement, tandis que la tension d'entrée (énergie électrique) s'est avérée positivement corrélée.

Le fil SMA présente le phénomène d'effet de mémoire de forme (SME) qui se produit dans la famille des alliages nickel-titane (Ni-Ti). Généralement, les SMA présentent deux phases dépendant de la température, les phases basse et haute température. Les deux phases ont des propriétés uniques en raison de la présence de différentes structures cristallines. Dans la phase austénitique (phase à haute température), qui est présente au-dessus de la température de transformation, le matériau présente une résistance élevée et ne se déforme pas facilement sous charge. Le comportement de l'alliage est similaire à celui de l'acier inoxydable ; ainsi, il a la capacité de résister à des contraintes plus élevées lors de l'actionnement. Exploitant ce comportement caractéristique de l'alliage Ni-Ti, les fils SMA sont disposés obliquement pour former un actionneur. Le modèle analytique correspondant a été formulé pour comprendre la mécanique fondamentale du comportement de l'AMF en fonction de la température sous l'influence de divers paramètres et de différentes géométries. Un bon accord entre les résultats expérimentaux et analytiques a été obtenu.

Le prototype représenté sur la figure 9a est étudié expérimentalement pour évaluer les performances de l'actionneur bipenné à base de SMA. Deux des caractéristiques, la force générée par l'actionneur (force musculaire) et la température du fil SMA (température SMA), ont été mesurées expérimentalement. Avec un différentiel de tension établi sur toute la longueur du fil dans l'actionneur, la température du fil a été élevée par effet de chauffage Joule. La tension d'entrée a été fournie en deux cycles de 10 s (comme indiqué par les points rouges sur la Fig. 2a, b) avec une période de refroidissement de 15 s entre chaque cycle. Une cellule de charge piézoélectrique a été utilisée pour mesurer la force bloquée tandis que la distribution temporelle de la température des fils SMA a été surveillée en temps réel à l'aide d'une caméra LWIR haute résolution de qualité scientifique (voir le tableau 2 pour les spécifications des deux équipements utilisés). La figure 2b montre que pendant la phase de haute tension, la température du fil augmente de manière monotone, mais lorsqu'aucun courant ne passe, la température du fil diminue de manière constante. Dans la configuration expérimentale actuelle, la température des fils SMA chute pendant la phase de refroidissement ; cependant, elle reste au-dessus de la température ambiante. La figure 2e montre l'instantané de la température à travers les fils SMA obtenus à partir de la caméra LWIR. La figure 2a, d'autre part, représente la force de blocage générée par le système d'actionneur. Lorsque la force musculaire dépasse la force du ressort de rappel, le bras mobile, comme illustré sur la figure 9a, commence à se déplacer. Dès que l'actionnement commence, le bras mobile entre en contact avec le transducteur, générant une force de blocage comme indiqué sur les Fig. 2c,d. Alors que la température la plus élevée approchait \(84\,^{\circ }\hbox {C}\), une force maximale de 105 N a été observée.

Le graphique représente les résultats expérimentaux pour la température des fils SMA ainsi que la force générée par l'actionneur bipenné à base de SMA sur deux cycles. La tension d'entrée a été fournie en deux cycles de 10 s (comme indiqué par les points rouges) avec une période de refroidissement de 15 s entre chaque cycle. Le fil SMA utilisé pour l'expérimentation est le fil Flexinol de 0,51 mm de diamètre de Dynalloy, Inc. (a) Le graphique représente la force expérimentale obtenue au cours de deux cycles, (c, d) montre deux instances indépendantes du bras mobile de l'actionneur frappant le transducteur de force piézoélectrique PACEline CFT/5kN, (b) le graphique représente la température maximale sur toute la longueur du fil SMA pendant les deux cycles, et (e) montre l'instantané de la température à travers les fils SMA obtenues à partir de la caméra LWIR à l'aide du logiciel FLIR ResearchIR. Les paramètres géométriques considérés pour l'expérience peuvent être référencés dans le tableau 1.

Le résultat de la simulation du modèle mathématique et les résultats expérimentaux sont comparés pour le cas de la tension d'entrée de 7 V, comme indiqué sur la Fig. 5. Suite aux résultats obtenus à partir de l'analyse paramétrique et en évitant la possibilité de surchauffer les fils SMA, 11,2 W de puissance ont été fournis à l'actionneur. Une alimentation CC programmable a été utilisée pour fournir 7 V comme tension d'entrée et 1,6 A de courant a été mesuré dans tout le fil. La force générée par l'actionneur et la température du SMA ont augmenté au fur et à mesure que le courant était fourni. Dans le cas de la condition de tension d'entrée de 7 V, la force de sortie maximale obtenue dans les résultats de simulation et les résultats expérimentaux pour le premier cycle sont respectivement de 78 N et 96 N. Dans le deuxième cycle, la force de sortie maximale était de 150 N et 105 N pour les résultats de simulation et expérimentaux, respectivement. La différence entre la mesure de la force bloquée et les données expérimentales pourrait être attribuée à la technique de mesure de la force bloquée. Le résultat expérimental illustré à la Fig. 5a correspond à la mesure de la force bloquée, qui à son tour est mesurée lorsque l'arbre de l'actionneur entre en contact avec le transducteur de force piézoélectrique PACEline CFT/5kN, comme illustré à la Fig. 2c. Par conséquent, la force devient instantanément nulle lorsque l'arbre de l'actionneur n'est pas en contact avec le capteur de force au début de la zone de refroidissement, comme illustré sur la figure 2d. De plus, d'autres paramètres affectant la génération de force dans les cycles suivants sont le temps de refroidissement et les valeurs du coefficient de transfert de chaleur par convection dans le cycle précédent. Il ressort de la Fig. 2b qu'avec la période de refroidissement de 15 s, le fil SMA n'a pas atteint la température ambiante et a donc eu une température initiale plus élevée (\(40\,^{\circ }\hbox {C}\)) pendant le deuxième cycle d'actionnement par rapport au premier cycle (\(25\,^{\circ }\hbox {C}\)). Ainsi, la température du fil SMA pendant le deuxième cycle de chauffage atteint la température de début d'austénite (\(A_s\)) plus tôt par rapport au premier cycle et reste plus longtemps dans la période de transition, contribuant à la génération de contraintes et de forces. D'autre part, les profils de température pendant les cycles de chauffage et de refroidissement obtenus à partir de l'expérience et de la simulation présentent une grande ressemblance qualitative avec l'instance d'analyse par imagerie thermique. L'analyse comparative des données thermiques du fil SMA issues des expériences et de la simulation a montré une bonne ressemblance d'ajustement pendant les cycles de chauffage et de refroidissement et se situe dans la bande de tolérance acceptable des données expérimentales. La température maximale du fil SMA obtenue dans la simulation et les résultats expérimentaux pour le premier cycle étaient \(89\,^{\circ }\hbox {C}\) et \(75\,^{\circ }\hbox {C}\), respectivement, alors que, dans le deuxième cycle, la température maximale du fil SMA était \(94\,^{\circ }\hbox {C}\) et \(83\,^{\circ }\hbox {C}\). Le modèle développé confirme en principe le comportement de l'effet mémoire de forme. Le rôle de la fatigue et de la surchauffe n'a pas été pris en compte dans cette enquête. Dans un effort futuriste, le modèle sera affiné pour intégrer l'historique des contraintes du fil SMA afin de le rendre plus adapté aux applications d'ingénierie. Les courbes de force de sortie de l'actionneur et de température SMA obtenues à partir du bloc Simulink pour une condition d'impulsion de tension d'entrée de 7 V se situent dans la bande de tolérance acceptable des données expérimentales. Ceci valide la justesse et la robustesse du modèle mathématique développé.

Un modèle mathématique a été développé dans l'environnement MathWorks Simulink R2020b en utilisant les équations gouvernantes décrites dans la section méthodes. La figure 3b montre le schéma fonctionnel Simulink du modèle mathématique. Le modèle a été simulé pour l'impulsion de tension d'entrée de 7V, comme illustré sur les Fig. 2a,b. Les valeurs des paramètres utilisés dans la simulation sont répertoriées dans le tableau 1. Les résultats transitoires des simulations sont tracés sur les Fig. 3a et 4. Les figures 4a, b montrent la contrainte induite dans le fil SMA et la force générée par l'actionneur par rapport au temps. Pendant la transformation inverse (chauffage), lorsque la température du fil SMA, \(T < A_s^{\prime}\) (température de début de la phase d'austénite modifiée par contrainte), le taux de variation de la fraction volumique de martensite (\(\dot{\xi }\)) sera nul. Par conséquent, le taux de changement de contrainte (\(\dot{\sigma }\)) dépendra du taux de déformation (\(\dot{\epsilon }\)) et du gradient de température (\(\dot{T}\)) uniquement, comme régi par l'équation (1). Cependant, lorsque la température du fil SMA augmente et traverse (\(A_s^{\prime}\)), la phase austénitique commence à se former et le (\(\dot{\xi }\)) prend une valeur donnée par les équations (3). Par conséquent, le taux de changement de contrainte (\(\dot{\sigma }\)) est régi collectivement par \(\dot{\epsilon }, \dot{T}\) et \(\dot{\xi }\) comme indiqué dans l'équation (1). Cela explique le changement du gradient observé dans les tracés de contrainte et de force en fonction du temps pendant le cycle de chauffage, comme indiqué sur les figures 4a, b.

(a) Affiche la sortie de simulation de la distribution de température ainsi que la température de transition induite par la contrainte de l'actionneur bipenné à base de SMA. Lorsque la température du fil franchit la température de transition austénitique dans la phase de chauffage, la température de transition austénitique modifiée commence à augmenter, et de même les températures de transition martensitique chutent lorsque la température du fil franchit la température de transition martensitique dans la phase de refroidissement, (b) un schéma fonctionnel Simulink du modèle mathématique d'un actionneur linéaire SMA à base de bipennate qui a été utilisé pour la modélisation analytique du processus d'actionnement. (Reportez-vous à la section annexe du fichier supplémentaire pour une vue détaillée de chaque sous-système du modèle Simulink).

Sous la condition d'entrée de 7 V pour deux cycles, les résultats analytiques pour la distribution de divers paramètres sont affichés (10 s de chauffage et 15 s de cycle de refroidissement). Tandis que (a–c) et (e) représentent une distribution temporelle, d'autre part (d) et (f) illustrent une distribution en fonction de la température. Pour la condition d'entrée concernée, la contrainte maximale observée était de 106 MPa (ce qui était inférieur à 345 MPa, la limite d'élasticité du fil), avec une force de 150 N et un déplacement maximal de 270 \(\upmu\)m, et la fraction volumique minimale de martensite était de 0,91. D'autre part, la variation de la contrainte et la variation de la fraction volumique de martensite avec la température ressemblent à la propriété d'hystérésis.

La même explication est vraie pour la transformation directe (refroidissement) de la phase austénite à la phase martensite avec la relation entre la température du fil SMA (T) et la température de finition de la phase martensite modifiée par la contrainte (\(M_f^{\prime}\)) également. Les figures 4d,f montrent la variation de la contrainte induite dans le fil SMA (\(\sigma\)) et la fraction volumique de martensite (\(\xi\)) par rapport au changement de la température du fil SMA (T) pour deux cycles d'actionnement. La figure 3a montre la variation de température du fil SMA en fonction du temps par rapport à l'impulsion de tension d'entrée. On peut observer à partir du graphique que la température du fil continue d'augmenter à mesure que l'apport de chaleur est fourni, suivi d'un refroidissement par convection pendant une condition de tension nulle. Pendant le chauffage, lorsque la température du fil SMA (T) croise la température de début de la phase austénitique modifiée par la contrainte (\(A_s^{\prime}\)), la transformation inverse de la phase martensite à la phase austénite commence à se produire. A ce stade, le fil SMA se contracte et la force est générée par l'actionneur. De même pendant le refroidissement, lorsque la température du fil SMA (T) croise la température de début de la phase martensite modifiée par la contrainte (\(M_s^{\prime}\)), la transformation directe de la phase austénite à la phase martensite commence et la force de l'actionneur diminue.

Les principaux aspects qualitatifs de l'actionneur bipenné à base de SMA peuvent être dérivés des résultats de simulation. Dans le cas d'une entrée d'impulsion de tension, la température du fil SMA augmente en raison de l'effet de chauffage Joule. La valeur initiale de la fraction volumique de martensite (\(\xi\)) est fixée à un, car le matériau se trouve initialement dans la phase de martensite complète. Lorsque le fil est chauffé en continu, la température du fil SMA dépasse la température de début de phase d'austénite modifiée par contrainte \ (A_s ^ {\ prime} \), ce qui entraîne une diminution de la fraction volumique de martensite, comme indiqué sur la figure 4c. De plus, la figure 4e décrit la distribution temporelle de la course de l'actionneur et la variation de la force d'actionnement par rapport au temps est illustrée à la figure 5. L'ensemble couplé d'équations impliquant la température, la fraction volumique de martensite et la contrainte développée dans le fil entraîne la contraction du fil SMA et la génération de force par l'actionneur. La variation de la contrainte avec la température et la variation de la fraction volumique de martensite avec la température suivent la propriété d'hystérésis du SMA dans le cas de simulation de 7V, comme le montre la Fig. 4d, f.

La comparaison des paramètres d'actionnement est obtenue par des expériences et des calculs analytiques. Les fils ont été soumis pendant 10 s à une impulsion d'entrée de 7 V, puis laissés refroidir pendant 15 s (phase de refroidissement) pendant deux cycles. L'angle de pennation a été fixé à \ (40 ^ {\ circ } \) et la longueur initiale du fil SMA dans chaque branche unipennée a été fixée à 83 mm. (a) La force d'actionnement a été mesurée à l'aide d'une cellule de charge (b) La température des fils a été surveillée à l'aide d'une caméra infrarouge thermique.

Afin de comprendre l'influence des paramètres physiques sur la force de sortie de l'actionneur, l'étude d'analyse de sensibilité du modèle mathématique a été réalisée sur les paramètres physiques sélectionnés pour classer les paramètres dans l'ordre de leur influence. Premièrement, l'échantillonnage des paramètres du modèle a été effectué en utilisant les principes de conception expérimentale suivant une distribution uniforme (voir la section supplémentaire sur l'analyse de sensibilité). Dans ce cas, les paramètres du modèle consistent en la tension d'entrée (\(V_{in}\)), la longueur initiale du fil SMA (\(l_0\)), l'angle de pennation (\(\alpha\)), la constante de ressort de polarisation (\(K_x\)), le coefficient de transfert de chaleur par convection (\(h_T\)) et le nombre de branches unipennées (n). Dans l'étape suivante, la force musculaire maximale a été choisie comme exigence de conception pour l'étude et l'influence paramétrique de chaque ensemble de variables sur la génération de force est obtenue. Un graphique en tornade de l'analyse de sensibilité a été obtenu en termes de coefficients de corrélation pour chaque paramètre, comme le montre la figure 6a.

(a) Les valeurs du coefficient de corrélation des paramètres du modèle et leur influence sur la force de sortie maximale pour 2500 ensembles uniques pour les paramètres du modèle mentionnés sont présentées dans un diagramme de tornade. Le graphique illustre la corrélation de rang de plusieurs métriques. Il est clair que \(V_{in}\) est le seul paramètre positivement corrélé, tandis que \(l_0\) est le plus inversement corrélé. L'influence de divers paramètres dans de multiples combinaisons sur la force musculaire maximale est illustrée en (b, c). \(K_x\) varie de 400 à 800 N/m, tandis que n varie de 4 à 24. La tension (\(V_{in}\)) a été modifiée de 4 à 10 V, la longueur du fil (\(l_{0}\)) a été modifiée de 40 à 100 mm et l'angle de pennation (\(\alpha\)) a été modifié de \(20 - 60\,^{\circ }\).

La figure 6a montre le diagramme en tornade des divers coefficients de corrélation pour chaque paramètre par rapport à l'exigence de conception de la force d'actionnement maximale. On peut observer à partir de la Fig. 6a que les paramètres, la tension (\(V_{in}\)) sont directement corrélés à la force de sortie maximale, tandis que le coefficient de transfert de chaleur par convection (\(h_T\)), l'angle de pennation (\(\alpha\)), la constante de ressort de polarisation (\(K_x\)) sont inversement corrélés à la force de sortie et à la longueur initiale du fil SMA (\(l_0\)) et le nombre de branches unipennées (n) montre une corrélation forte et inverse. En cas de corrélation directe, la valeur la plus élevée du coefficient de corrélation pour la tension (\(V_{in}\)) signifie que ce paramètre influence le plus la sortie de force. Une autre analyse similaire est effectuée pour évaluer la force maximale en jugeant l'influence de divers paramètres dans de multiples combinaisons de deux espaces de conception, comme le montrent les Fig. 6b, c. \(V_{in}\) et \(l_0\), \(\alpha\) et \(l_0\) ont des schémas similaires, le graphique suggérant une valeur plus élevée de \(V_{in}\) et \(\alpha\) avec la valeur inférieure de \(l_0\) entraînant une force de pointe plus élevée. Les deux graphiques restants sont en accord avec la figure 6a, n et \(K_x\) étant négativement corrélés tandis que \(V_{in}\) ayant une corrélation positive. Cette analyse permet d'identifier et de personnaliser les paramètres influents grâce auxquels la force de sortie, la course et l'efficacité du système d'actionneur peuvent être adaptées en fonction des besoins et de l'application.

Les travaux de recherche en cours présentent et étudient un actionneur hiérarchique à N niveaux. Dans la hiérarchie à deux étages, comme illustré sur la figure 7a, dans laquelle au lieu de chaque fil SMA de l'actionneur de 1er niveau, l'agencement bipenné a été mis en œuvre comme illustré sur la figure 9e. La figure 7c illustre comment les fils SMA sont entrelacés avec le bras mobile (bras secondaire) qui se déplace uniquement dans sa direction longitudinale. Cependant, le bras mobile primaire continue à se déplacer de la même façon que le bras mobile de l'actionneur hiérarchique de 1er niveau. En général, l'actionneur de niveau N est créé en remplaçant les fils SMA de l'actionneur de niveau \(N-1\) par l'actionneur de premier niveau. En conséquence, chaque branche imite l'actionneur de premier niveau, à l'exception de la branche qui contient le fil lui-même. De cette manière, une structure emboîtée peut être formée, ce qui génère une force plusieurs fois supérieure à celle générée par l'actionneur de premier niveau. Dans la présente étude, un total de 1 m de longueur active de fil SMA a été considéré pour chaque niveau, comme indiqué sous forme de tableau à la Fig. 7d. Le courant traversant chaque fil dans chaque structure unipennée, ainsi que la précontrainte ainsi que la contrainte développée dans chaque segment de fil SMA étaient les mêmes à chaque niveau. Sur la base de notre modèle analytique, la force de sortie était positivement corrélée au niveau de la hiérarchie et le déplacement était inversement corrélé. Pendant ce temps, un compromis entre le déplacement et la force musculaire a été observé. Comme observé sur la figure 7b, alors que la force maximale a été obtenue pour le plus grand nombre de niveaux hiérarchiques, le déplacement maximal a été observé au niveau le plus bas. Une force musculaire maximale de 2,58 kN a été détectée lorsque le niveau hiérarchique a été ajusté à \(N=5\) où 2 \(\upmu\)m AVC ont été observés. D'autre part, l'actionneur de premier niveau a produit une force de 150 N avec une course de 277 \(\upmu\)m. L'actionneur hiérarchique parvient à imiter un muscle biologique réel, où le muscle artificiel à base d'alliage à mémoire de forme est capable de générer une force significativement plus élevée avec une course précise et plus fine. La limite de cette conception pour la miniaturisation est qu'avec un niveau de hiérarchie plus élevé, la course a été considérablement réduite avec des complications croissantes lors de la fabrication de l'actionneur.

(a) Un système d'actionnement linéaire hiérarchique à deux étages (\(N=2\)) basé sur un alliage à mémoire de forme est représenté dans une configuration bipennée. Le modèle suggéré est mis en œuvre en remplaçant les fils SMA dans l'actionneur hiérarchique de 1er niveau par un autre actionneur hiérarchique à un étage. (c) représente la configuration déformée de l'actionneur hiérarchique de 2ème niveau. (b) La distribution de la force et du déplacement en fonction du nombre de niveaux hiérarchiques a été décrite. La force maximale de l'actionneur s'est avérée positivement liée au niveau hiérarchique dans le graphique, tandis que la course s'est avérée inversement corrélée au niveau hiérarchique. Dans tous les niveaux, le courant et la précontrainte dans chaque fil ont été maintenus constants. (d) Le tableau illustre le nombre de branches dans chaque niveau et la longueur des fils SMA (fibres). Les caractéristiques du fil sont désignées par l'indice 1, et le nombre de bras secondaires (un attaché au bras principal) est désigné par le nombre maximum en indice. Par exemple, au niveau 5, \(n_1\) fait référence au nombre de fils SMA présents dans chaque structure bipennée, tandis que \(n_5\) fait référence au nombre de bras secondaires (un attaché au bras primaire).

Diverses approches ont été proposées par de nombreux chercheurs pour modéliser le comportement de mémoire de forme de l'AMF qui dépend de propriétés thermomécaniques accompagnées d'un changement de structure cristalline macroscopique associé aux transformations de phase. La formulation de la loi de comportement est de nature complexe. Le modèle phénoménologique le plus couramment utilisé a été proposé par Tanaka28 qui a été largement utilisé pour les applications d'ingénierie. Le modèle phénoménologique proposé par Tanaka28 suppose que la fraction volumique de martensite est une fonction exponentielle de la température et de la contrainte. Plus tard, Liang et Rogers29 et Brinson30 ont proposé un modèle dans lequel la cinétique de transformation de phase était supposée être une fonction cosinus de la contrainte et de la température avec peu de modifications au modèle. Un modèle cinétique basé sur un diagramme de phase a été proposé par Bekker et Brinson31 pour simuler le comportement du matériau SMA pour des conditions de chargement arbitraires, ainsi que pour une transformation partielle. Banerjee32 a adopté l'approche cinétique basée sur le diagramme de phases de Bekker et Brinson31 pour simuler le manipulateur à un degré de liberté développé par Elahinia et Ahmadian33. L'approche cinétique basée sur le diagramme de phase qui considère la variation non monotone de la contrainte avec la température est complexe à mettre en œuvre pour les applications d'ingénierie. Ces lacunes dans les modèles phénoménologiques existants ont été abordées par Elahinia et Ahmadian34 et un modèle phénoménologique amélioré a été proposé pour analyser et déterminer le comportement de la mémoire de forme dans toutes les conditions de chargement complexes.

Le modèle constitutif du fil SMA donne la relation entre la contrainte (\(\sigma\)), la déformation (\(\epsilon\)), la température (T) et la fraction volumique de martensite (\(\xi\)) du fil SMA. Le modèle constitutif phénoménologique a d'abord été proposé par Tanaka28 puis adopté par Liang29 et Brinson30. La forme dérivée de l'équation est donnée comme suit :

où E est le module de Young dépendant de la phase de SMA, est obtenu en utilisant \(\displaystyle E=\xi E_M + (1-\xi )E_A\) , \(E_A\) et \(E_M\) représente respectivement le module de Young de la phase austénitique et martensitique, tandis que le facteur de dilatation thermique est représenté par \(\theta _T\). Le facteur de contribution à la transformation de phase est \(\Omega = -E \epsilon _L\), et \(\epsilon _L\) est la déformation maximale récupérable dans le fil SMA.

Les équations de cinétique de phase sont les mêmes fonctions cosinus développées par Liang29 et adoptées plus tard par Brinson30 au lieu de la fonction exponentielle proposée par Tanaka28. Le modèle de transformation de phase est un modèle amélioré présenté par Elahinia et Ahmadian34 avec des modifications des conditions de transformation de phase données par Liang29 et Brinson30. Les conditions utilisées pour ce modèle de transformation de phase fonctionnent efficacement sous un chargement thermomécanique complexe. A chaque instant de temps, la valeur de la fraction volumique de martensite est calculée en simulant l'équation constitutive.

Transformation inverse (Martensite à Austénite)

L'équation directrice de la transformation inverse représentée par le changement de phase de la martensite à l'austénite pendant la condition de chauffage est donnée par :

où \(\xi\) est la fraction volumique de martensite, \(\xi _M\) est la fraction volumique de martensite atteinte avant chauffage, \(\displaystyle a_A = \pi /(A_f - A_s)\), \(\displaystyle b_A = -a_A/C_A\) et \(C_A\) sont des paramètres d'ajustement de courbe, T est la température du fil SMA, \(A_s\) et \(A_f\) sont austen températures de début et de fin de phase, respectivement.

Transformation directe (Austénite à Martensite)

L'équation directrice de la transformation directe représentée par le changement de phase de l'austénite à la martensite pendant le refroidissement est donnée par :

où \(\xi _A\) est la fraction volumique de martensite atteinte avant refroidissement, \(\displaystyle a_M = \pi /(M_s - M_f)\), \(\displaystyle b_M = -a_M/C_M\) et \(C_M\) sont des paramètres d'ajustement de courbe, T est la température du fil SMA, \(M_s\) et \(M_f\) sont respectivement les températures de début et de fin de la martensite.

Lors de la différenciation des équations (3) et (4), les équations de transformation inverse et directe se réduisent à la forme suivante :

Pendant les transformations avant et arrière, \(\eta _{\sigma }\) et \(\eta _{T}\) prennent des valeurs différentes. Les équations gouvernantes liées à \(\eta _{\sigma }\) et \(\eta _{T}\) ont été dérivées et discutées en détail dans la section supplémentaire.

L'énergie thermique nécessaire pour augmenter la température du fil SMA est obtenue par l'effet de chauffage Joule. L'énergie thermique absorbée ou libérée dans le fil SMA est représentée par la chaleur latente de transformation. La perte de chaleur dans le fil SMA est due à la convection forcée et considérant que les effets du rayonnement sont négligeables, l'équation du bilan énergétique thermique est donnée comme suit :

où \(m_{wire}\) est la masse totale du fil SMA, \(c_{p}\) est la capacité thermique spécifique du SMA, \(V_{in}\) est la tension appliquée à travers le fil, \(R_{ohm}\) est la résistance dépendante de la phase du SMA donnée par ; \(R_{ohm} = (l/A_{cross})[\xi r_M + (1-\xi )r_A]\) avec \(r_M\) et \(r_A\) comme résistivité du SMA dans les phases martensite et austénite, respectivement, \(A_{c}\) est la surface courbée du fil SMA, \(\Delta H\) est la chaleur latente de transformation des fils en alliage à mémoire de forme, T et \(T _{\infty}\) représentent respectivement les valeurs de température du fil SMA et de l'environnement ambiant.

Lorsque les fils en alliage à mémoire de forme sont actionnés, les fils se contractent en produisant une force dans chaque branche de l'arrangement bipenné, appelée force fibreuse. La force de la fibre dans chaque branche du fil SMA génère collectivement une force musculaire pour l'actionnement, comme le montre la figure 9e. En raison de la présence d'un ressort de rappel, la force musculaire totale de l'actionneur hiérarchique de niveau N est donnée comme suit :

En remplaçant, \(N = 1\), dans l'équation (7), la force musculaire pour un prototype d'actionneur bipenné de 1er niveau peut être obtenue comme :

où n est le nombre de branches unipennées, \(F_m\) est la force musculaire générée par l'actionneur, \(F_f\) est la force de la fibre dans le fil SMA, \(K_x\) est la rigidité du ressort de rappel, \(\alpha\) est l'angle de pennation, \(x_0\) est le déplacement initial du ressort de rappel pour maintenir les fils SMA dans l'arrangement de pré-tension, \(\Delta x\) est la course de l'actionneur.

Le déplacement total ou la course (\(\Delta x\)) de l'actionneur en fonction de la contrainte induite (\(\sigma\)) et de la déformation développée (\(\epsilon\)) dans le fil SMA pour un actionneur de niveau N est donné par (voir la section supplémentaire pour la dérivation) :

En remplaçant, \(N=1\), dans l'équation (9), la course d'un actionneur bipenné est donnée par :

L'équation cinématique donne la relation entre la déformation (\(\epsilon\)) et le déplacement ou la course (\(\Delta x\)) de l'actionneur. La déformation dans le fil SMA en fonction de la longueur initiale du fil SMA (\(l_0\)), et de la longueur du fil (l ) à tout instant t dans une seule branche unipennée est donnée comme suit :

où \(l = \sqrt{l_0^2 +(\Delta x_1)^2 - 2 l_0 (\Delta x_1) \cos \alpha _1}\) est obtenu en appliquant la formule du cosinus dans \(\Delta\)ABB', comme illustré à la Fig. 8. Pour l'actionneur de 1er niveau (\(N = 1\)), la variable \(\Delta x_1\) ) et \(\alpha _1\) est le \(\alpha\) tel qu'illustré à la Fig. 8. En différenciant l'équation (11) par rapport au temps et en remplaçant la valeur de l, la vitesse de déformation peut s'écrire comme suit :

En généralisant le taux de déformation pour l'actionneur de niveau N, l'équation se modifie comme suit :

où \(l_0\) est la longueur initiale du fil SMA, l est la longueur du fil à tout moment t dans une seule branche unipennée et \(\epsilon\) est la déformation développée dans le fil SMA, \(\alpha\) est l'angle de pennation et \(\Delta x\) est le déplacement de l'actionneur (comme illustré à la Fig. 8) .

Toutes les n structures unipennées (\(n=6\) sur cette figure) ont été connectées en série avec \(V_{in}\) comme tension d'entrée. Étape I : schéma des fils SMA dans une configuration bipennée dans des conditions de tension nulle ; Étape II : représente la structure sous actionnement où les fils SMA se sont contractés en raison de la transformation inverse, représentée par des lignes rouges.

Comme preuve de concept, un actionneur bipenné basé sur SMA est développé pour valider la sortie de simulation des équations gouvernantes avec les résultats expérimentaux. Le modèle CAO de l'actionneur linéaire bipenné a été illustré à la Fig. 9a. D'autre part, la figure 9c représente une nouvelle conception proposée pour une articulation prismatique-révolution utilisant un actionneur à base de SMA biplanaire avec une architecture bipennée. Les composants de l'actionneur ont été fabriqués à l'aide de la fabrication additive à l'aide de l'imprimante 3D Ultimaker 3 Extended. Le matériau utilisé pour l'impression 3D des composants est le polycarbonate car il est résistant, solide et a une température de transition vitreuse élevée (110–113 \(^{\circ }\) C), ce qui le rend approprié pour un matériau résistant à la chaleur. De plus, les fils en alliage à mémoire de forme utilisés pour l'expérimentation sont des fils d'actionneur Flexinol de Dynalloy, Inc, et les propriétés matérielles correspondant aux fils Flexinol sont utilisées dans la simulation. La pluralité de fils SMA est disposée sous la forme de fibres présentes dans un agencement musculaire bipenné pour obtenir une force élevée produite par l'actionneur hiérarchique, comme illustré sur les figures 9b, d.

L'angle aigu formé par les fils SMA avec bras mobile est appelé angle de pennation (\(\alpha\)) comme illustré à la Fig. 9a. Les fils SMA ont été maintenus à l'angle bipenné requis à l'aide de sertissages terminaux connectés aux fixations gauche et droite. L'agencement de ressort de polarisation qui est maintenu sur un connecteur à ressort est conçu de sorte que différents ensembles d'allongement du ressort de polarisation peuvent être ajustés en fonction du nombre (n) de fibres SMA. De plus, l'agencement du sous-ensemble mobile est conçu de manière à ce que les fils SMA soient exposés à l'environnement extérieur pour se refroidir sous l'action de la convection forcée. La plaque supérieure et inférieure du sous-ensemble mobile peut aider à refroidir les fils SMA à travers les coupes extrudées conçues pour réduire le poids. De plus, les deux extrémités du fil SMA sont fixées respectivement aux fixations gauche et droite à l'aide de sertissages terminaux. Un plongeur est fixé à une extrémité du sous-ensemble mobile pour maintenir l'espacement entre les plaques supérieure et inférieure. Le piston sert également à exercer la force de blocage sur le transducteur par contact pour mesurer la force de blocage lorsque les fils SMA sont actionnés.

L'architecture musculaire SMA bipennée est connectée électriquement en série qui est alimentée en tension pulsée d'entrée. Dans un cycle d'impulsion de tension, lorsque la tension est fournie et que les fils SMA sont chauffés au-dessus de la température de démarrage de l'austénite, la longueur du fil dans chaque branche se contracte. Cette contraction se traduit par l'actionnement du sous-ensemble de bras mobile. Lorsque la tension est réglée sur zéro dans le même cycle, le fil SMA chauffé est refroidi en dessous de la température de finition martensite, conduisant à la restauration de la position d'origine. Dans des conditions de tension nulle, les fils SMA sont initialement étendus passivement à l'aide d'un ressort de polarisation pour atteindre l'état de martensite démaillé. Avec la contraction due au chauffage en faisant passer une impulsion de tension aux fils SMA (le SMA atteint la phase austénite), les vis à travers lesquelles les fils SMA sont enroulés se déplacent, ce qui entraîne l'actionnement du bras mobile. Lorsque les fils SMA se contractent, l'agencement de ressort de polarisation génère une force dans le sens inverse par un allongement supplémentaire du ressort. Lorsque la tension devient nulle dans la tension pulsée, les fils SMA s'allongent en se refroidissant par convection forcée et changent de forme pour atteindre la phase de martensite maclée.

Système d'actionnement linéaire basé sur SMA proposé avec une configuration bipennée, où les fils SMA ont été disposés obliquement. (a) représente le modèle CAO du prototype avec certains des composants mentionnés ainsi que leurs valeurs utilisées pour le prototype, (b, d) représente le prototype de preuve de concept développé35. Tandis que (b) illustre la vue de dessus du prototype avec une connexion électrique et des ressorts de polarisation ainsi que la cellule de charge utilisée, tandis que (d) montre la vue en perspective de la configuration. ( e ) Schéma du système d'actionnement linéaire avec des fils SMA dans un arrangement bipenné à tout moment t, montrant la direction des forces des fibres et des muscles ainsi que la course. (c) Une articulation révolutive-prismatique à 2 degrés de liberté a été proposée en déployant des actionneurs biplanaires à base de SMA. Comme le montre le schéma, la liaison de connexion transfère le mouvement linéaire de l'actionneur inférieur au bras supérieur, ce qui donne une articulation rotoïde. Le mouvement de la paire prismatique, en revanche, est identique à celui de l'actionneur hiérarchique de 1er niveau.

Le prototype représenté sur la figure 9b est étudié expérimentalement pour évaluer les performances de l'actionneur bipenné à base de SMA. La configuration expérimentale, comme le montre la figure 10a, consiste en une alimentation CC programmable pour fournir une tension d'entrée aux fils SMA. Comme illustré sur la Fig. 10b, une cellule de charge piézoélectrique (PACEline CFT/5kN) est utilisée pour mesurer la force bloquée à l'aide d'un enregistreur de données Graphtec GL-2000. Les données sont enregistrées par un ordinateur hôte pour des investigations ultérieures. Une alimentation électrique constante est nécessaire pour que la cellule de charge et l'amplificateur de charge obtiennent le signal de tension. Le signal correspondant est converti en sortie de force en fonction de la sensibilité et d'autres paramètres du transducteur de force piézoélectrique comme mentionné dans le tableau 2. La température du fil SMA augmente lorsqu'une impulsion de tension est appliquée, entraînant la contraction du fil SMA, conduisant à la génération de force de l'actionneur. Le résultat expérimental de la sortie de la force musculaire pour une impulsion de tension d'entrée de 7 V est illustré à la Fig. 2a.

(a) Le système d'actionnement linéaire basé sur SMA a été mis en place dans une expérience pour mesurer la force générée par l'actionneur. Une cellule de charge mesure la force du bloc et est alimentée par une alimentation constante de 24 V. Une différence de tension de 7 V est appliquée sur toute la longueur du câble à l'aide d'une source d'alimentation CC programmable GW Instek. Le fil SMA se contracte sous l'effet de l'échauffement et le bras mobile entre en contact avec la cellule de charge en exerçant une force bloquée. La cellule de charge est connectée à l'enregistreur de données GL-2000 et les données sont enregistrées sur l'ordinateur hôte pour le post-traitement. (b) Un schéma montrant le circuit des composants de la configuration expérimentale de mesure de la force musculaire.

L'alliage à mémoire de forme est stimulé par l'énergie thermique et ainsi la température devient un paramètre important pour étudier le phénomène d'effet de mémoire de forme. Expérimentalement, l'imagerie thermique et la mesure de la température du prototype d'actionneur bipenné à base de SMA ont été réalisées comme illustré sur la figure 11a. Une source d'alimentation CC programmable fournit une tension d'entrée aux fils SMA dans l'agencement expérimental, comme illustré à la Fig. 11b. La variation de température des fils SMA est mesurée en temps réel à l'aide d'une caméra LWIR haute résolution de qualité scientifique (FLIR A655sc). Un ordinateur hôte enregistre les données à l'aide du logiciel ResearchIR pour un post-traitement ultérieur. Lorsqu'une impulsion de tension est appliquée, la température du fil SMA augmente, provoquant la contraction du fil SMA. La figure 2b illustre le résultat expérimental de la température du fil SMA en fonction du temps pour une impulsion de tension d'entrée de 7 V.

(a) Le système d'actionnement linéaire basé sur SMA a été mis en place dans une expérience pour surveiller la température du fil SMA de l'actionneur. Une différence de tension de 7 V est appliquée sur toute la longueur du câble à l'aide d'une source d'alimentation CC programmable GW Instek. L'actionneur est maintenu dans le plan focal de la caméra IR thermique FLIR A655sc pour surveiller avec précision les fils SMA très serrés. (b) Un schéma montrant le circuit des composants de la configuration expérimentale d'imagerie thermique.

Cet article a présenté un actionneur hiérarchique innovant basé sur un alliage à mémoire de forme qui comprend des fils SMA disposés sous la forme de fibres présentes dans le tissu musculaire bipenné. L'avantage biologique de l'utilisation du muscle penné est que les fibres présentes sont inclinées obliquement par rapport à la ligne d'action musculaire, permettant à la force des fibres d'être couplée à la force musculaire au niveau macro, conduisant à une production de force plus élevée. En outre, la rigidité de l'actionneur hiérarchique est régie collectivement par le changement de longueur de fil SMA, l'angle de pennation, le nombre de branches, la contrainte développée attribuant des caractéristiques de rigidité variables. Un modèle mathématique a été développé pour l'actionneur bipenné basé sur SMA avec un modèle Simulink compétent pour résoudre l'ensemble des équations gouvernantes implicites de l'actionneur. La modélisation mathématique a été suivie du développement de prototypes. Le prototype de l'actionneur a été fabriqué et les expériences ont été menées pour mesurer la force générée par l'actionneur. Les données expérimentales étaient cohérentes avec les résultats de la simulation, validant ainsi l'efficacité du modèle mathématique pour définir la physique de l'actionneur et estimer la force générée par le système.

Les travaux de recherche actuels sont partiellement motivés par la demande croissante de l'industrie des actionneurs et ont présenté un nouveau principe d'entraînement autre que l'électromagnétisme offrant une alternative aux actionneurs conventionnels intégrés aux mécanismes d'engrenage. L'actionneur en alliage à mémoire de forme à base musculaire bipennée a de nombreuses applications allant des commandes d'automatisation des bâtiments aux méthodes précises d'administration de médicaments. La présente invention répond également au besoin d'actionneurs dans l'étude impliquant l'imagerie par résonance magnétique car l'imagerie est très sensible au bruit électromagnétique généré par les moteurs à bobine conventionnels. En outre, cet actionneur peut également se présenter sous la forme d'une articulation prismatique-révolution à deux degrés de liberté, qui peut être utilisée dans des manipulateurs robotiques et des applications associées. Le système développé peut également servir d'actionneur hiérarchique à raideur variable. L'utilisation du produit proposé favorisera des taux d'utilisation plus élevés pour une large bande de force de préhension et donc un meilleur rapport coût-bénéfice. Dans le cadre du développement futur, différents boîtiers d'enveloppe et circuits de contrôleur seront conçus et mis en œuvre pour obtenir une optimisation de la taille et de la puissance. La taille de l'actionneur peut encore être optimisée en réduisant l'écart entre deux branches consécutives ou en agençant l'architecture bipennée en empilements verticaux. Ces améliorations permettront une force de sortie plus élevée à partir d'un actionneur de taille compacte. L'approche bio-imitatrice actuelle peut également être utilisée pour développer un mouvement rotatif pour des applications à couple moyen à élevé ainsi qu'un système de préhension à force variable bio-inspiré avec une application potentielle dans la robotique mobile.

Toutes les données pertinentes sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable et/ou sont incluses dans l'article principal et les informations supplémentaires.

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Ce travail de recherche a été partiellement financé par le Portescap India Pvt. Ltd. par le biais d'une subvention de responsabilité sociale des entreprises (RSE) (numéro de projet : PIPL/DORA/2020022). Les auteurs tiennent à remercier le professeur C. Chandraprakash (ME, IIT Kanpur) pour avoir accordé l'accès au fonctionnement d'une caméra LWIR pour l'expérience d'imagerie thermique. Les auteurs remercient également Abhishek Kumar Singh et P Mani Kumar, qui ont fourni des informations et une expertise qui ont grandement aidé la recherche.

Département de génie mécanique, Indian Institute of Technology Kanpur, Kanpur, 208016, Inde

Kanhaiya Lal Chaurasiya, A. Sri Harsha, Yashaswi Sinha et Bishakh Bhattacharya

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BB a conçu l'idée, supervisé et coordonné la recherche. KLC a conçu l'étude et développé la méthodologie. KLC, ASH et YS ont développé le modèle mathématique. KLC et ASH ont fabriqué le prototype. KLC, ASH et YS ont mené les expériences et effectué la simulation. KLC et YS ont analysé les données. Tous les auteurs ont participé à la rédaction de l'article et ont révisé le manuscrit.

Correspondance à Bishakh Bhattacharya.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Chaurasiya, KL, Harsha, AS, Sinha, Y. et al. Conception et développement d'un actionneur hiérarchique non magnétique alimenté par un muscle bipenné à base d'alliage à mémoire de forme. Sci Rep 12, 10758 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-14848-w

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Reçu : 02 février 2022

Accepté : 13 juin 2022

Publié: 24 juin 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-14848-w

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