Проектирование и разработка не

Jun 30, 2023

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 10758 (2022) Цитировать эту статью

2742 Доступа

1 Цитаты

10 Альтметрика

Подробности о метриках

Приводы повсеместно используются для создания контролируемого движения посредством приложения подходящей силы возбуждения или крутящего момента для выполнения различных операций в производстве и промышленной автоматизации. Требования, предъявляемые к более быстрым, меньшим и эффективным приводам, стимулируют инновации в разработке приводов. Приводы на основе сплава с памятью формы (SMA) имеют множество преимуществ перед обычными приводами, включая высокое соотношение мощности к весу. Эта статья объединяет преимущества пеннатной мышцы биологической системы и уникальные свойства СМА для разработки двупеннатного актуатора на основе СМА. Настоящее исследование исследует и расширяет предыдущие приводы SMA путем разработки математической модели нового привода, основанной на двучленном расположении проводов SMA, и экспериментальной проверки ее. Установлено, что новый привод обеспечивает как минимум в пять раз большую силу срабатывания (до 150 Н) по сравнению с известными приводами на основе SMA. Соответствующее снижение веса составляет около 67%. Результаты анализа чувствительности математической модели облегчают настройку параметров конструкции и понимание критических параметров. В этом исследовании также представлен иерархический привод N-го уровня, который можно использовать для дальнейшего усиления сил срабатывания. Двупеннатный мышечный актуатор на основе SMA имеет широкое применение, начиная от управления автоматизацией зданий и заканчивая точными системами доставки лекарств.

Биологические системы, такие как мышечная архитектура млекопитающих, могут стимулировать множество тонких исполнительных механизмов1. Млекопитающие имеют разнообразную мышечную архитектуру, каждая из которых служит определенной цели. Тем не менее, большую часть архитектуры мускулатуры млекопитающих можно разделить на две обширные категории; Параллельный и Пеннатный. Параллельная мускулатура, обнаруженная в подколенных сухожилиях и других мышцах-сгибателях, как следует из названия, имеет мышечные волокна, параллельные центральному сухожилию. Последовательность мышечных волокон расположена в ряд и функционально связана окружающей их соединительной тканью. Хотя считается, что эти мышцы имеют большую экскурсию (процент сокращения), их общая мышечная сила весьма ограничена. Напротив, перистая мускулатура обнаруживается в каждой мышце комплекса трехглавой мышцы голени2 (латеральная икроножная мышца (GL)3, медиальная икроножная мышца (GM)4 и камбаловидная мышца (SOL)) и на разгибательной стороне бедра (четырехглавая мышца бедра)5,6. ,7. При пеннатной архитектуре мышечные волокна в двуперистой мышечной ткани расположены по обе стороны от центрального сухожилия под косым углом (угол перистости). Пеннатное слово происходит от латинского слова «penna», что означает перо, что объясняет его внешний вид, напоминающий перо, как показано на рис. 1. Волокна перистых мышц короче и ориентированы под углом к ​​продольной оси мышц. Из-за перистости вся экскурсия этих мышц уменьшается, что приводит к латеральному и продольному компоненту процесса укорочения. С другой стороны, из-за способа измерения физиологической площади поперечного сечения активация этих мышц генерирует более высокую общую мышечную силу8. Таким образом, в данной площади поперечного сечения перистая мышца будет сильнее и будет производить более высокую силу по сравнению с мышцей с параллельными волокнами. Сила, создаваемая одним волокном, вызывает в этой мускулатуре генерацию мышечной силы на макроуровне. Кроме того, он обладает уникальными свойствами, такими как быстрое сжатие, предотвращение повреждений при растяжении и амортизация. Он меняет взаимосвязь между входными волокнами и выходной мышечной силой, используя уникальные характеристики и геометрическую сложность расположения волокон относительно линии действия мышц.

показана схема существующей конструкции привода на основе SMA по сравнению с архитектурой двуперистых мышц, например (a) представляет тактильное силовое взаимодействие, где устройство в форме руки, приводимое в действие с помощью проводов SMA, установлено на двухколесном автономном мобильном роботе9,10 , (б) роботизированный протез глазной орбиты с антагонистически установленным подпружиненным протезом глазной орбиты SMA. Положение глазного протеза контролируется сигналом глазной мышцы глаза11. (c) Приводы SMA идеально подходят для подводных применений благодаря их высокой частотной характеристике и низкой полосе пропускания. В этой конфигурации приводы SMA используются для создания волнового движения путем моделирования движения рыбы10. (d) Приводы SMA используются для создания микророботов для проверки труб, которые могут перемещаться внутри трубопровода, используя принцип движения дюймового червяка, приводимого в действие Спицы СМА10, (д) ​​— направление сокращения мышечных волокон и генерации сократительной силы в ткани пеннатной мышцы икроножной мышцы, (е) — расположение спиц СМА в форме мышечных волокон в пеннатной мышечной архитектуре.