Memoria Shape Filo in lega per l'attivazione del braccio di presa del robot: come variare la pressione di presa?

Per un braccio di presa robotizzato che stiamo progettando per l'uso in fabbrica su componenti molto piccoli, proponiamo di utilizzare cablaggi SMA (Shape Memory Alloy) ad attivazione elettrica per l'attivazione.

Il dispositivo progettato è simile alle macchine Pick & Place utilizzate per l'assemblaggio dei circuiti, ma si sposta su una superficie di lavoro delle dimensioni di un gancio per aeromobile su ruote. Manipola oggetti di forma irregolare e porosi tra 0,5 cu.cm e 8 cu.cm ciascuno - quindi il tradizionale meccanismo P&P del vuoto non fa appello. Inoltre, i singoli oggetti nella catena di montaggio hanno durezze e pesi variabili.

I nostri vincoli di progettazione sono:

• Garantire vibrazioni e suoni minimi o nulli
• Utilizzando un volume minimo all'interno del meccanismo (le batterie sono al passo, garantendo stabilità, quindi il loro peso non è un problema)
• Variazione fine della pressione della pinza

Riteniamo che SMA soddisfi bene i primi due vincoli, ma abbiamo bisogno di una guida per ottenere il vincolo 3, ovvero diversi livelli di pressione della pinza controllata elettronicamente.

Le mie domande:

• La PWM di una corrente superiore alla soglia di attivazione (320 mA per Flexinol HT da 0,005 pollici ) può fornire una forza di attuazione variabile e ripetibile?
• Avremmo bisogno di sensori di pressione su ogni punta delle dita e di un controllo ad anello chiuso per la presa, oppure la pinza può essere calibrata periodicamente e mantenere una forza ripetibile?
• C'è qualche precedente o studio ben documentato a cui dovremmo fare riferimento?

Dai un'occhiata alle caratteristiche tecniche della carta dei cavi dell'attuatore Flexinol .

Quello che vorrai fare è ideare una struttura che sfrutti la contrazione disponibile del filo di nitinol per ottenere la corsa e la forza desiderate per la tua applicazione. L'articolo fornisce un paio di strutture di esempio:

La percentuale di contrazione del nitinol è correlata alla sua temperatura. Tuttavia, la relazione non è lineare e differisce tra la fase di riscaldamento e la fase di raffreddamento. Queste differenze dovranno essere prese in considerazione.

Nell'articolo controllo di posizione del flexinol di precisione usando arduino l'autore descrive come usare le proprietà del nitinol in modo che il filo possa agire come proprio sensore di feedback:

Il Flexinol, noto anche come Muscle Wire, è un filo forte e leggero realizzato in Nitinol che può essere contratto per condurre l'elettricità. In questo articolo presenterò un approccio al controllo di precisione di questo effetto basato sul controllo della tensione nel circuito Flexinol. Inoltre, sfruttando il fatto che la resistenza di Flexinol diminuisce prevedibilmente mentre si contrae, il meccanismo qui descritto utilizza il filo stesso come sensore in un circuito di controllo di feedback. Alcuni vantaggi dell'eliminazione della necessità di un sensore separato sono la riduzione del conteggio delle parti e la ridotta complessità meccanica.

Quindi, usando PWM per variare la tensione attraverso il filo e usando un ADC per leggere quella caduta di tensione, è possibile progettare il controllo ad anello chiuso della percentuale di contrazione del filo di nitinol. Quindi, utilizzando una struttura meccanica appropriata, è possibile tradurre quella contrazione nella corsa e nella forza desiderate necessarie per l'applicazione.

Perché non dovresti usare SMA

Innanzitutto, devo chiedermi perché hai scelto di utilizzare leghe a memoria di forma in un'applicazione robotica. Se guardi uno degli elenchi di applicazioni per SMA, non vedrai quasi mai un'applicazione robotizzata nell'elenco.

La maggior parte delle applicazioni SMA non sono attivate e includono elementi come montature per occhiali e mazze da golf.

Alcune applicazioni usano SMA come attuatore, ma di solito solo una o due volte. Queste sono applicazioni come gli stent medici, che devono essere inseriti in un'arteria piccola, ma si aprono una volta all'interno.

La ragione per cui non ci sono applicazioni robotiche in cui la SMA deve agire come un attuatore ed esercitare una forza che fa muovere qualcosa è che è soggetta a fatica. Secondo Wikipedia :

SMA è soggetta a fatica; una modalità di fallimento mediante la quale il carico ciclico provoca l'avvio e la propagazione di una crepa che alla fine provoca una catastrofica perdita di funzione a causa di una frattura. oltre a questa modalità di guasto, che non si osserva esclusivamente nei materiali intelligenti. Le SMA sono anche soggette a Fatica Funzionale, per cui la SMA non fallisce strutturalmente, ma, a causa di una combinazione di stress applicato e / o temperatura, perde (in una certa misura) la sua capacità di subire una trasformazione di fase reversibile.

Ma se insisti

Poiché SMA subisce brividi e affaticamento, dovrai avere un qualche tipo di trasduttore di forza e un sistema di controllo per assicurarti di applicare una forza nota.

Cosa suggerirei Piuttosto che SMA, ci sono molti piccoli attuatori che possono soddisfare i tuoi vincoli senza gli enormi svantaggi di SMA.

Bobine vocali: consistono semplicemente in un magnete permanente e una bobina. La regolazione del flusso di corrente influisce direttamente sulla forza applicata al magnete. Incustoditi, sono totalmente silenziosi e più efficienti dal punto di vista energetico rispetto alle SMA. La forza applicata è abbastanza ripetibile, purché la temperatura ambiente non cambi enormemente. Puoi acquistarli come componenti già pronti da Moticont . O apri un disco rigido, guarda c'è un dito robot pronto!

Attuatori piezoelettrici: esiste una gamma di motori diversi basati sulla ceramica piezoelettrica. Questi sono di solito motori molto piccoli, ma costosi. Prova i motori Squiggle di Newscale Tech .

C'è una società chiamata Flexsys che realizza attuatori usando entrambe le tecnologie.