Marek Kciuk Politechnika Śląska Wydział Elektryczny Katedra Mechatroniki ul. Akademicka 10a 44-100 GLIWICE Materiały SMA jako elementy napędowe w mechatronice stan aktualny i prognoza dalszych prac Zagadnieniem poruszanym w rozdziale są materiały z pamięcią kształtu (SMA), wykorzystywane jako elementy wykonawcze: aktuatory w urządzeniach mechatronicznych. W pierwszej części przedstawiono znane typy materiałów zmieniających kształt, a następnie opisano zjawiska zachodzące w stopach z pamięcią kształtu oraz wynikające z tego możliwości zastosowania tego typu materiałów jako elementów czujnikowych oraz aktuatorów. W drugiej części przedstawiono wybrane aplikacje mechatroniczne, w których głównym elementem napędowym są siłowniki wykonane z SMA. Trzecia część porusza zagadnienia związane z metodami modelowania oraz sterowania aktywnych aktuatorów SMA. W podsumowaniu scharakteryzowano zakres prac naukowo-badawczych i aplikacyjnych aktualnie realizowanych w Polsce oraz zaproponowano dalszy kierunek prac. 1. Wprowadzenie W przypadku klasycznych materiałów materiał ma dokładnie określone właściwości, a konstruktorzy muszą się do tych właściwości dostosowywać, projektując elementy nośne, czy też obudowy różnych konstrukcji. Od około pięćdziesięciu lat znany jest nowy typ materiałów o zmiennych właściwościach, które mogą być świadomie przez projektanta (lub później przez użytkownika) zmieniane. Innymi słowy rozwój materiałoznawstwa oraz możliwości technologicznych w zakresie wytwarzania materiałów oraz struktur wielowarstwowych doprowadził do powstania materiałów o sterowalnych właściwościach. Tego typu materiały określa się mianem materiałów SMART. Jest to obecnie bardzo duża grupa nowoczesnych materiałów i struktur. Jednym z pierwszych materiałów, w których odkryto nieznane dotąd zjawiska zmiany właściwości były stopy metali, które w wyniku wzrostu lub spadku temperatury zmieniały kształt (w zjawisku tym nie chodzi bynajmniej o zjawisko rozszerzalności termicznej, lecz o zmianę kształtu zauważalną gołym okiem w określonym przedziale zmian temperatury). W latach 30-tych ubiegłego wieku zjawisko to zaobserwowano w pręcie wykonanym ze stopu niklu i tytanu, a w wyniku dalszych poszukiwań odkryto około 15 różnych stopów, w których to zjawisko występuje. 2. Typy materiałów z pamięcią kształtu Wśród materiałów zmieniających kształt wyróżnić można trzy grupy: stopy z pamięcią kształtu (SMA Shape Memory Alloy), zmieniające kształt pod wpływem zmian temperatury, magnetyczne stopy z pamięcią kształtu (MSM Magnetic Shape Memory), zmieniające kształt pod wpływem zmian pola magnetycznego, polimery z pamięcią kształtu (SMP Shape Memory Polymers), zmieniające kształt pod wpływem temperatury. Wymienione grupy materiałów charakteryzują się różnymi właściwościami mechanicznymi oraz dynamicznymi. Podstawowe właściwości powyższych grup zostały zebrane w tabeli 1. - 1 -
Tabela 1. Podstawowe cechy materiałów zmieniających kształt [1]. cecha Materiał SMA MSM SMP Odkształcenie 5% - monokryształy 15% - polikryształy 6% Do 400% Bodziec Temperatura Pole magnetyczne Temperatura Najpopularniejszy materiał NiTi (stop) NiMnGa (stop) Polietylen (polimer) Ruch domen Odwracalna Mechanizm Odwracalna przemiana i ścian przemiana zmiany kształtu martenzytyczna magnetycznych morfologiczna w polu Data odkrycia 1932 1996 1960 Maksymalne <500 MPa 5 MPa <1 MPa naprężenie Częstotliwość pracy Cechy dodatkowe Zależna od średnicy <1 Hz Pseudoelastyczność biokompatybilność 100 Hz Efekt Villari ego <1 Hz Biokompatybilność Biodegradowalność Najtańszy proces produkcyjny 3. Charakterystyka materiałów SMA Materiały SMA zmieniają swój kształt w wyniku zachodzącej w nich przemiany martenzytycznej. W tych dwóch stanach: martenzycie i austenicie właściwości stopu są różne. Stan martenzytu jest stanem niskotemperaturowym (występuje w temperaturach poniżej temperatury przemiany): charakteryzuje się małą sztywnością i dużą plastycznością. W związku z tym bardzo łatwo poddaje się odkształceniom mechanicznym wywołanym przez zewnętrzne siły. Stan austenitu jest stanem wysokotemperaturowym (występuje powyżej temperatury przemiany): charakteryzuje się bardzo dużą sztywnością i małą sprężystością. W wyniku przejścia międzyfazowego materiał powraca do swojego kształtu, mimo nawet znacznego obciążenia mechanicznego. W trakcie przemiany następuje zmiana właściwości oraz kształtu. Przemiana ta ma charakter nieliniowy i występuje w niej zjawisko histerezy. Podstawowa charakterystyka przemiany została przedstawiona na rysunku 1. Rys. 1. Charakterystyka przemiany martenzytycznej w stopie SMA [1]. - 2 -
Wady Zalety W wyniku przemiany martenzytycznej odwrotnej (tzn. przejście ze stanu martenzytu do stanu austenitu) materiał przyjmuje swój nominalny kształt zwany kształtem zapamiętanym. Zjawisko to zwane jest jednostronnym efektem pamięci kształtu (SME Shape Memoru Effect). Powrót do zapamiętanego kształtu odbywa się także w przypadku występowania sił mechanicznych. Zjawisko to umożliwia konstrukcję elementów wykonawczych (aktuatorów) z materiału SMA. Siłownik SMA jest więc aktywowany zmianą (przyrostem) temperatury. Różne mogą być powody aktywacji siłownika. Podstawowym czynnikiem jest zmiana temperatury otoczenia, wynikająca w sposób naturalny z warunków środowiskowych. Inną przyczyną może być zmiana temperatury wywołana przez urządzenia termoelektryczne: grzałki, chłodziarki, ogniwa Peltier a, a może być nim też prąd elektryczny przepływający bezpośrednio przez aktuator. Przy przepływie prądu przez aktuator SMA, w wyniku istnienia oporu elektrycznego, następuje przyrost temperatury związany z regułą Joule a-lenza (tzw. nagrzewanie oporowe). W przypadku aktuatorów SMA najczęściej wykorzystywana jest metoda dostarczania ciepła przez przepływający prąd, chociaż istnieje także pewna liczba urządzeń, w których elementem zmieniającym temperaturę są ogniwa Peltier a [17]. Zaletą rozwiązania z ogniwami Peltier a jest możliwość pracy dwukierunkowej. W zależności od kierunku przepływającego prądu ogniwo Peltiera zmienia kierunek transportu energii termicznej. Tak więc umożliwia ono nie tylko aktywację siłownika, ale także poprawę dynamiki przy dezaktywacji poprzez wymuszone odbieranie ciepła. Wadą tego rozwiązania jest jednak bardzo duża masa ogniw Peltier a w porównaniu z masą zasilanych cięgien. W tabeli 2 porównano dwie metody nagrzewania aktuatorów SMA. Tabela 2. Porównanie aktywnych metod dostarczania energii termicznej do aktuatorów SMA [1]. Nagrzewanie oporowe Zastosowanie ogniw Peltier a - prostota sterowania - duża dynamika chłodzenia - małe wymiary wymuszonego (odwrócenie polaryzacji - relatywnie duża sprawność (ciepło zasilania ogniw) generowane bezpośrednio - charakterystyka nagrzewania w aktuatorze) niezależna od rezystancji aktuatora - bardzo duża dynamika nagrzewania - możliwość nagrzewania lub chłodzenia - nagrzewanie prądem DC lub AC w tym samym układzie (wartość skuteczna AC) - bardzo mała dynamika chłodzenia naturalnego - wpływ zmian rezystancji aktuatora na charakterystykę grzania - możliwość łatwego uszkodzenia aktuatora - wymagane źródło prądowe o dużej stabilności - skomplikowana konwersja energii elektrycznej na odkształcenie - skomplikowany układ sterowania - duże straty ciepła na styku - wypadkowa sprawność mniejsza niż iloczyn sprawności ogniwa Peltier a i aktuatora SMA Pracę aktuatora SMA wykonanego w postaci cięgna lub sprężyny można schematycznie zilustrować za pomocą charakterystyki przedstawionej na rysunku 2. - 3 -
a) b) Rys 2. Schemat poglądowy aktuatora SMA [9]. Na rysunku 2a) przedstawiono cięgno SMA o średnicy d. Cięgno zostało mechanicznie wydłużone do długości L w wyniku działania siły obciążenia mechanicznego F. Układ sterowania steruje przepływającym prądem I: w wyniku przepływającego prądu następuje przemiana martenzytyczna odwrotna, w trakcie której dochodzi do aktywacji siłownika. Cięgno skraca się do długości nominalnej L 0 (zapamiętany kształt) mimo obciążenia go siłą F. Odkształcenie L jest zależne od wartości siły obciążenia mechanicznego (rysunek 2b). Obciążenie mechaniczne wpływa zarówno na odkształcenie aktuatora jak i na jego żywotność. Im większa jest siła F, tym mniej cykli może wykonać aktuator. Wartość nominalna obciążenia wynika z dopuszczalnej procentowej zmiany długości aktuatora. Przyjmuje się za wielkość nominalną 5% odkształcenia. Tak obciążony aktuator może wykonać ok 100 000 cykli, zanim straci swoje właściwości. 4. Aplikacje materiałów SMA Aktuatory SMA mogą pracować jako czujniki temperatury, aktuatory pasywne lub aktuatory aktywne. W przypadku materiału SMA pracującego jako czujnik temperatury odkształcenie aktuatora, wynikające ze zmiany temperatury, może powodować zadziałanie przełącznika elektrycznego lub zamknięcie/otwarcie zaworu z medium roboczym w postaci gazu lub cieczy. Czujniki tego typu pracują zwykle dwustanowo (załącz/wyłącz), a dodatkową zaletą jest histereza działania czujnika wynikająca z naturalnej histerezy materiału SMA. Przykładowe rozwiązanie konstrukcyjne zaworu termostatycznego przedstawia rysunek 3. - 4 -
Rys. 3. Zawór termostatyczny kontroli ciśnienia cieczy w automatycznej skrzyni biegów [2]. Aktuatory pasywne bazują na innym zjawisku (nie poruszanym w tej publikacji), a mianowicie na zjawisku superelastyczności (zwanym też zjawiskiem pseudoelastyczności). Zjawisko to zachodzi w specyficznych warunkach otoczenia oraz obciążenia. Aktuatory pasywne są stosowane np. w ortodoncji oraz w budownictwie. Cechą charakterystyczną aktuatorów pasywnych jest wytwarzanie dużej i zarazem stałej siły w szerokim zakresie odkształceń aktuatora. Na rysunku 4 przedstawiono przykładową aplikację aparatu ortodontycznego [3]. W przypadku tego typu aparatu korygującego zgryz nie jest wymagana korekcja ustawień aparatu w trakcie procesu leczenia. W związku z tym zastosowaniem wspomnieć należy, że materiał SMA będący stopem niklu i tytanu, charakteryzuje się biokompatybilnością (tabela 1), w związku z tym może długo przebywać w kontakcie z człowiekiem, nie powodując negatywnych skutków dla zdrowia. Rys. 4. Samokorygujący się aparat ortodontyczny wykonany z cięgien SMA [3]. W budownictwie pasywne aktuatory SMA są częścią systemu bezpieczeństwa, przejmując oraz zmieniając rozkład naprężeń konstrukcji zarówno w trakcie naturalnej eksploatacji budynku jak i w sytuacjach kryzysowych, takich jak trzęsienia ziemi. Na rysunku 5 przedstawiono schematycznie przykładowe rozwiązanie konstrukcyjne pasywnego tłumika drgań mostu z zastosowaniem aktuatora SMA [4]. Rys. 5. Zastosowanie tłumika drgań w konstrukcji mostu [4]. - 5 -
Aktywne siłowniki SMA są wykonywane w postaci tłoczków, sprężyn lub cięgien. Konstrukcja aktuatora w postaci sprężyny jest odpowiednikiem przekładni mechanicznej stosowanej w klasycznych rozwiązaniach wykorzystujących silniki elektryczne. Jeżeli cięgno o określonej długości i średnicy zostanie zamienione na sprężynę o tej samej średnicy, to w efekcie uzyskuje się większy zakres ruchu (kosztem siły działania). Siłowniki mogą być obciążone na cztery różne sposoby, przedstawione na rysunku 6. Każdy sposób obciążenia cechuje się inną charakterystyką siły w funkcji odkształcenia. Sposoby te można łączyć, uzyskując obciążenie o bardziej złożonej charakterystyce. Rys. 6. Podstawowe metody obciążenia mechanicznego siłowników SMA [1]. Interesującą możliwością jest praca przeciwsobna dwóch siłowników SMA (rys. 6b). Daje ona zysk sprawności w porównaniu z obciążeniem w postaci klasycznej sprężyny o liniowej charakterystyce (rys. 6c). Nie zasilony siłownik (działający jako obciążenie dla aktualnie zasilonego siłownika) stawia dużo mniejszy opór mechaniczny niż siła, którą generuje po jego zasileniu. Poprawa sprawności jest wynikiem istnienia różnicy sił w siłowniku zasilonym oraz niezasilonym. Siłowniki pracujące przeciwsobnie nie musza mieć takich samych parametrów np. siłownik główny może generować dużo większą siłę (która wykona zadanie oraz odkształci siłownik powrotny), niż siłownik powrotny, który musi mieć wystarczającą siłę, żeby przywrócić siłownik główny do stanu pierwotnego. Charakterystyka siły w funkcji odkształcenia sprężyny SMA została przedstawiona na rysunku 7. - 6 -
Rys. 7. Charakterystyka siły oraz oporu dla zasilonej i niezasilonej (zimnej) sprężyny SMA [1]. Jak widać na rysunku 7, siła działania sprężyny jest stała w całym zakresie pracy, zaś siła oporu (jaki wytwarza niezasilony siłownik) ma charakter liniowy i jest zdecydowanie mniejsza, niż siła aktywnego siłownika. Na podstawie różnych metod obciążania siłowników SMA, przedstawionych na rysunku 6, powstała szeroka gama różnorodnych aplikacji. Pierwsza zaprezentowana aplikacja została skomercjalizowana: jest to super lekki serwonapęd modelarski. Nazwa produktu to SMART SERVO RC-1. Całkowita masa napędu wynosi 0,9 g. Masa cięgien napędowych jest równa 20 mg, natomiast uciąg serwonapędu osiąga 15g/cm. Konstrukcja napędu została przedstawiona na rysunku 8 [23]. Rys. 8. Konstrukcja serwonapędu SMART SERVO RC-1 [23] Jako napęd zastosowano dwa cięgna SMA pracujące przeciwsobnie. Zakres obrotu orczyka wynosi 60 o ( 30 o od stanu równowagi). Układ napędowy jest zabezpieczony przed uszkodzeniem za pomocą dodatkowej sprężyny i ruchomej płytki PCB. Przewidywane zastosowanie to lekkie konstrukcje modelarskie, w szczególności samoloty. - 7 -
Do najbardziej złożonych konstrukcji robotów, napędzanych aktuatorami SMA, zaliczyć można roboty elastyczne. Główne kierunki rozwoju tego typu konstrukcji to roboty sieciowe (netrobots) oraz roboty odtwarzające ludzką mimikę. Przykład robota sieciowego zaprezentowano na rysunku 9. Rys. 9. Robot o konstrukcji sieciowej [24]. Robot przedstawiony na rysunku 9 posiada dwanaście aktuatorów SMA. Aktuatory stanowią zarówno elementy napędowe, jak i konstrukcyjne. Punkty połączeń napędów (zwane węzłami) są wprawiane w ruch za pomocą synchronicznie pracujących napędów. Odpowiedni sygnał sterujący jest generowany za pomocą oscylatorów pracujących synchronicznie. Robot typu sztuczna twarz przedstawiono na rysunku 10. Rys. 10. Robot typu sztuczna twarz napędzany aktuatorami SMA [25]. Mała dynamika aktuatorów SMA w przypadku tego typu robotów jest cechą pożądaną, albowiem twarz nie może w sposób bardzo gwałtowny zmienić swojego wyrazu. Obydwie powyższe konstrukcje charakteryzują się dużą liczbą swobody oraz koniecznością synchronizacji pracy napędów. - 8 -
Trzecim typem konstrukcji elastycznych są manipulatory typu trąba słonia, w których (podobnie, jak w przypadku robotów sieciowych) siłowniki SMA mogą być zarówno elementami napędowymi, jak i konstrukcyjnymi. Powstają także bardziej klasyczne roboty napędzane siłownikami SMA. Wśród nich wymienić można różne konstrukcje chwytaków, manipulatorów oraz sześcionożnych robotów kroczących. Na rysunku 11 przedstawiono chwytak pięciopalczasty napędzany aktuatorami SMA. Rys. 11. Pięciopalczasty chwytak napędzany cięgnami SMA [26]. Konstrukcje wielopalcowych manipulatorów, przedstawione w [17, 26], mają odwzorowywać możliwości ruchowe dłoni człowieka. Cięgna SMA nazywane są w tych rozwiązaniach sztucznymi mięśniami. Manipulator napędzany sprężynami SMA został przedstawiony na rysunku 12. Rys. 12. Mini manipulator ze sprężynami SMA. Manipulatory napędzane aktuatorami SMA charakteryzują się lekką konstrukcją i dużym udźwigiem. Sześcionożny robot kroczący, skonstruowany w Katedrze Mechatroniki na Wydziale Elektrycznym Politechniki Śląskiej, został przedstawiony na rysunku 13. - 9 -
Rys. 13. Robot sześcionożny napędzany sprężynami SMA. Został zaprojektowany i wykonany w ramach magisterskiej pracy dyplomowej. Napędzany jest sześcioma sprężynami SMA. Cztery z nich napędzają nogi przednie i tylnie w płaszczyźnie poziomej, zaś dwie sprężyny poruszają nogi środkowe w płaszczyźnie pionowej. Struktura napędu odpowiada strukturze napędu robota sześcionożnego z trzema serwonapędami. Za jedno z ciekawszych rozwiązań konstrukcyjnych (nie związanych z robotyką) uznać można wyświetlacz alfabetu Braila z ruchomymi pinami. Konstrukcję pojedynczego pinu oraz wyświetlacza 5x5 przedstawiono na rysunku 14. a) b) Rys. 14. Wyświetlacz Braila z ruchomymi pinami napędzanymi sprężynami SMA [27]: a) konstrukcja pinu, b) struktura wyświetlacza 5 x 5. Wyświetlacz alfabetu Braila można traktować jako uproszczoną wersję manipulatora wielonapędowego o dwóch stabilnych pozycjach. Zastosowanie bardziej precyzyjnego sterowania, - 10 -
umożliwiającego sterowanie pozycją każdego pinu, umożliwi wizualizację określonych kształtów. Rozwiązanie takie może znaleźć zastosowania zarówno w wizualizacji określonego terenu z uwzględnieniem jego ukształtowania jak również w celu wizualizacji projektowanych konstrukcji np. samochodów oraz poddanie ich wstępnym testom w niewielkich komorach aerodynamicznych. Rozwiązanie to jest konstrukcyjnie zbliżone do omawianego wcześniej robota typu sztuczna twarz. W większości zaprezentowanych rozwiązań zastosowano pracę przeciwsobną aktuatorów SMA (rys. 6), chociaż zdarzają się rozwiązania, w których obciążeniem jest siła grawitacji. W przypadku omawianej sztucznej twarzy jako obciążenie pracuje elastyczny materiał, stanowiący warstwę wierzchnią twarzy czyli element sprężysty. 5. Modelowanie materiałów SMA Istnieją różne kryteria, według których klasyfikuje się modele matematyczne aktuatorów SMA. Klasyfikacji można dokonać ze względu na skalę rozpatrywanego zjawiska: modele mikroskopowe, mezoskopowe i makroskopowe. W tym kryterium istotna jest skala rozpatrywanego zjawiska. W przypadku modeli mikroskopowych uwzględnia się pojedyncze cząstki lub niewielkie grupy cząstek. Modele mezoskopowe skupiają się na grupach cząstek, zwanych domenami (na tym modelu najłatwiej opisuje się przemianę martenzytyczną w stopie SMA). Przemiana martenzytyczna zachodzi pod wpływem przyrostu naprężeń wewnątrz struktury materiału. Zaczyna się ona w punktach niejednorodności, wynikających z zabrudzenia lub domieszkowania stopu pierwiastkami innych substancji. Wokół takiego punktu rozrasta się domena przeciwnego stanu (jeżeli stop znajduje się w stanie martenzytu to pojawiająca się domena ma stan austenitu i odwrotnie). Domena rozrasta się, aż do osiągnięcia stanu równowagi naprężeń. Z tego modelu wynika, że przemiana martenzytyczna nie ma charakteru jednorodnego. Modele makroskopowe opisują zjawiska obserwowalne gołym okiem. Innym kryterium jest typ równania konstytutywnego, opisującego przemianę energii zachodzącą w trakcie przemiany fazowej. Są to tzw. modele termodynamiczne. W tym przypadku można wyróżnić modele, bazujące na energii swobodnej wg Gibsa, Helmholtza [11] lub Landau a Devonshier a [10]. Są to np. modele stopów SMA: Boyda i Lagoudasa, Tanaki, Lianga i Rogersa oraz Brinston. Rozwinięciem modeli termodynamicznych jest opis metody dostarczenia energii termicznej niezbędnej do zainicjowania przemiany fazowej. Trzecim typem są modele bazujące na opisie zjawisk sprężystości i plastyczności. Najbardziej znane są modele Ikuty. Kolejne wersje modelu Ikuty opisują stan martenzytu i austenitu za pomocą elementów sprężystych i tłumiących o różnych współczynnikach zależnych od stanu, w jakim znajduje się stop SMA. Na rysunku 15 przedstawiono przykładowy model Ikuty. a) b) - 11 -
Rys. 15. Model Ikuty - stany austenitu (a) i martenzytu (b) opisane za pomocą elementów sprężystych i tłumiących [12]. Przemiana fazowa w modelu Ikuty jest opisana przez transformację wartości tych współczynników zgodnie z zachodzącymi zmianami właściwości materiału w trakcie przemiany. Stany te, w modelach Ikuty, zwane są warstwami. Podstawowy model uwzględnia dwie warstwy opisujące dwa stany. Kolejne modele wprowadzają większą liczbę warstw oraz warstwy nachodzące na siebie. Na bazie modelu Ikuty powstał program typu CAD, ułatwiający pracę inżynierom projektującym układy napędzane SMA [12]. Czwartą grupą są modele histerezowe. Skupiają się one na opisie zjawiska histerezy działania siłowników SMA. Bazują na aparacie matematycznym opracowanym do opisu zjawiska histerezy magnetycznej stosowanym w elektrotechnice. Tutaj wyróżnić można modele Preisach a [13] i Takac a [14]. Najnowsze modele opisują zachowanie aktuatorów SMA z wykorzystaniem techniki komputerowej. Istniejące modele matematyczne są przetwarzane na postać cyfrową. Tworzy się również nowe modele, wykorzystujące modelowanie metodą elementów skończonych (MES). Symulacje MES realizuje się w programach komercyjnych np. ANSYS (przykładem może być artykuł [15] opisujący modelowanie materiału SMA o strukturze plastra miodu). 6. Metody sterowania W najprostszym zastosowaniu jeden aktuator obciążony mechanicznie pracuje, wykonując ruch między dwoma pozycjami krańcowymi. W tym przypadku nie jest konieczne dokładne monitorowanie aktualnego położenia: istotny jest fakt osiągnięcia pozycji skrajnej. Tego typu pracę porównać można z działaniem dwustanowego tłoka pneumatycznego. Na rysunku 16. przedstawiono stanowisko do badania czasu odkształcenia dwóch szeregowo połączonych siłowników SMA (tłoczków) w funkcji obciążenia mechanicznego. Dwie skrajne pozycje są monitorowane za pomocą wyłączników krańcowych. Rys. 16. Dydaktyczne stanowisko do badania czasu działania siłowników SMA. [5] - 12 -
Na rysunku 17 przedstawiono klasyfikację metod sterowania aktuatorów SMA [1]. Rys. 17. Klasyfikacja metod sterowania siłowników SMA. W metodach analogowych stosuje się pętle sprzężenia zwrotnego do utrzymywania zadanej pozycji lub do określenia aktualnego położenia w celu obliczenia kolejnej wartości sygnału sterowania wynikającej z obliczenia modelu matematycznego. W przypadku materiałów SMA można stosować kilka typów pętli sprzężenia zwrotnego. Podstawową metodą jest zastosowanie czujnika położenia końcówki roboczej SMA jest to metoda bezpośrednia odczytu położenia. Istnieją jednak także metody pośrednie, w których następuje estymacja położenia na podstawie wartości temperatury elementu termoelektrycznego połączonego szeregowo z aktuatorem [6] lub na podstawie pomiaru rezystancji samego aktuatora [1]. W tym przypadku charakterystyka rezystancji w funkcji odkształcenia zależna jest także od obciążenia mechanicznego oraz kierunku działania aktuatora. Zależność tą przedstawiono na rysunku 18. Rys. 18. Zależność rezystancji cięgna SMA w funkcji odkształcenia dla wybranych obciążeń aktuatora SMA [1]. W sterowaniu aktuatorami SMA zastosowanie mają w dużej mierze modele histerezowe [7,8]. Sterowanie z wykorzystaniem modeli matematycznych wymaga dużej mocy obliczeniowej układów sterowania. Modele matematyczne pozwalają na w miarę precyzyjne sterowanie położeniem, jednak w temperaturach bliskich temperaturom charakterystycznym przemiany dokładność pozycjonowania pogarsza się. Zaletą tej klasy układów sterowania jest możliwość dokładnego pozycjonowania, a wadą duża moc obliczeniowa oraz duża ilość parametrów materiałowych, z których nie wszystkie można wyznaczyć doświadczalnie (część z nich musi być dobierana metodami symulacyjnymi, przez minimalizację funkcji błędu [16]). Dodatkowym utrudnieniem jest stromość zbocza charakterystyki przemiany fazowej. - 13 -
Niezmiernie ciekawa jest metoda cyfrowa Segmented Binary Control (SBC), która pierwszy raz została opisana w 2004r (jest najnowszą metodą sterowania aktuatorów SMA [17]). Wykorzystuje ona nietypową własność stopów SMA duży opór termiczny. Dzięki temu można podzielić siłownik na segmenty i sterować każdym z segmentów dwustanowo, niezależnie od segmentów sąsiednich. W ten sposób rozszerzono podstawową metodę sterowania dwustanowego i uzyskano N możliwych stabilnych pozycji. Niewielka odległość graniczna zapobiega przechodzeniu ciepła z segmentu cieplejszego do chłodniejszego. Zaletą tego typu sterowania jest prostota sterowania pojedynczym segmentem. Od strony układu sterowania nie ma różnicy, czy steruje jednym aktuatorem podzielonym na N segmentów, czy N pojedynczymi aktuatorami. Wadą tego rozwiązania jest duża liczba sygnałów sterujących. Dla robota o M stopniach swobody, z których każdy może przyjąć N pozycji, liczba sygnałów sterujących wynosi M N. Można ograniczyć ilość sygnałów, grupując segmenty. Twórcy metody SBC zaproponowali również takie rozwiązanie w przykładowej aplikacji, którą jest antropomorficzny chwytak pięciopalczasty sterowany z wykorzystaniem metody SBC. Założeniem było, aby chwytak mógł osiągnąć ruchliwość porównywalną ze sprawnością dłoni ludzkiej. W wyniku analizy możliwych kombinacji pozycji oraz wymaganych sposobów zasilania, odpowiednio pogrupowano segmenty. W wyniku tej operacji znacznie zredukowano liczbę wymaganych sygnałów sterujących [18]. Na rysunkach 19 oraz 20 przedstawiono ideę sterowania SBC oraz grupowania segmentów. Rys. 19. Idea sterowania segmentowego [17]: (a) klasyczna metoda zasilania aktuatorów SMA (b) metoda segmentowa Rys. 20. Przykład pogrupowania segmentów w metodzie SBC [18]. Innym rozwinięciem tej metody mógłby być podział aktuatora na segmenty o różnych długościach. W takim przypadku poprzez odpowiednie sterowanie można uzyskać większą - 14 -
liczbę kombinacji (uproszczonym odpowiednikiem tej metody jest dwukomorowy siłownik pneumatyczny o różnych długościach komór, umożliwiający osiągnięcie 4 pozycji). W układzie sterowania można zaimplementować binarnie zakodowaną tabelę długości osiąganych przy określonych sterowaniach. Ostatnie dwie szeroko rozwijane grupy układów sterowania aktuatorów SMA to układy sterowania z wykorzystaniem logiki rozmytej i sieci neuronowych. Sterowanie z wykorzystaniem sieci neuronowych jest realizowane w wielu zastosowaniach. Przykłady takich rozwiązań są przedstawione w [19, 25]. Autorzy przedstawionych artykułów porównują dokładność pozycjonowania aktuatora sterowanego przy wykorzystaniu sieci neuronowych z dokładnością sterowania przy użyciu metod modelowych i wskazują na wyższa precyzję sterowania. Wiąże się to jednak z użyciem sieci neuronowej o optymalnej strukturze i doborze (w procesie uczenia sieci) właściwych współczynników. Zaletą tej metody jest dokładność pozycjonowania. Wadą jest konieczność wybrania optymalnej w danym zastosowaniu struktury sieci oraz współczynników, co wiąże się z procesem uczenia, który może być relatywnie długi. 7. Podsumowanie Stopy SMA stanowią bardzo ciekawą i obiecującą pod względem możliwych zastosowań grupę materiałów typu SMART. Znajdują bardzo szerokie zastosowanie w mechatronice, zastępując stosowane dotychczas rozwiązania konwencjonalne. Sprawdzają się także w innych dziedzinach, takich jak medycyna, czy budownictwo (rozdział 4). W Polsce istnieją ośrodki naukowe, w których prowadzone są prace związane z lepszym poznaniem budowy i właściwości materiałów SMA, jak również prace ukierunkowane na ich różne nowatorskie zastosowania. Wśród wspomnianych ośrodków wyróżnić można Politechnikę Warszawską, Akademię Górniczo-Hutniczą im. S. Staszica w Krakowie, Politechnikę Śląską w Gliwicach oraz Politechnikę Częstochowską. Prowadzone prace aplikacyjne w dużej mierze są związane z różnymi projektami badawczymi oraz pracami dyplomowymi. Jako przykłady można podać konstrukcje nietypowych, superlekkich napędów oraz konstrukcji zrobotyzowanych [20,21]. Zupełnie inny obszar badań poznawczych jest realizowany w Instytucie Podstawowych Problemów Technicznych PAN w Warszawie. Tutaj realizowane są prace poznawcze z zakresu opisu i modelowania zjawisk [10]. Dalszy kierunek prac związanych z materiałami SMA to poszerzenie zastosowań. Działania w tym kierunku muszą być powiązane z pracami dotyczącymi problemów sterowania aktuatorów SMA oraz ich modelowania. Pojawił się pierwszy dodatek narzędziowy (Toolbox) służący do modelowania konstrukcji z zastosowaniem aktuatorów SMA [22] w programie ANSYS: w narzędziu zastosowano model Brinston materiału SMA. Jest to istotny krok na drodze rozpowszechniania rozwiązań konstrukcyjnych bazujących na materiałach SMA poprzez ułatwienie ich projektowania. Rys. 21. Symulacja obciążenia mechanicznego aktuatora SMA pod wpływem aktywacji [22]. Podobnych, ułatwiających rozwiązań, można się więc spodziewać w innych programach inżynierskich, takich jak LabVIEW, czy Matlab. Toolboxy ułatwiające projektowanie układów sterowania, są naturalnym kolejnym etapem poszerzającym dostęp do narzędzi projektowych. Spodziewać się więc można niedługo implementacji wybranych modeli matematycznych w wyżej - 15 -
wymienionych programach symulacyjnych. Na etapie prototypowania zastosowanie znajdzie technologia HIL (Hardware In the Loop). Literatura 1. M. Kciuk: Badania pomiarowe i modele aktuatorów SMA, uwzględniające zjawiska elektrotermo-mechaniczne oraz ich wykorzystanie w układach sterowania. Praca doktorska Promotor: prof. dr hab. inż. Krzysztof Kluszczyński, 2010. 2. D. Stoeckel, T Waram: Use of Ni-Ti shape memory alloys for thermal sensor-actuators. Proc. SPIE San Diego, 1991. 3. http://www.samuidentalsolution.com/products-and-services/orthodontics/ 4. G. Song, N. Ma, H.-N. Li: Applications of shape memory alloys in civil structures. Elsevier, Engineering Structures 28 (2006) 5. Mondo-Tronics: Electric Piston Instructions. 6. L. U. Odhner, Haruhiko, H. Asada: Sensorless Temperature estimation and control of Shape Memory Alloy Actuators using thermoelectric devices. IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS, VOL. 11, NO. 2, APRIL 2006. 7. T. Hasegawa, S. Majim: A control system to compensate the hysteresis by Preisach Model on SMA actuator. International Symposium On Micromechatronics And Human Science 1998 8. J.Jayender, R.V.Patel, S.Nikumb, M.Ostojic: H Loop Shaping Controller for Shape Memory Alloy Actuators. Proceedings of the 44th IEEE Conference on Decision and Control, and the European Control Conference 2005 Seville, Spain, December 12-15, 2005 9. K. Kluszczyński, M. Kciuk: SMA actuators: theory, performance curves and design problems. COMPEL 2013 vol. 32 no. 4, s. 1417-1427 10. A. Ziółkowski: Pseudoelastyczność stopów z pamięcią kształtu badania doświadczalne i opis teoretyczny. Praca habilitacyjna, IPPT PAN, Warszawa 2006. 11. K. Biereg: Porównanie wybranych równań konstytutywnych stopów z pamięcią kształtu. Modelowanie inżynierskie, Gliwice 2006 12. K. Ikuta, H. Shimizu: Two dimensional mathematical model of Shape Memory Alloy and intelligent SMA-CAD. IEEE 1993 13. R.B. Gorbert, D. W. L. Wang, K. A. Morris: Preisach model identificationof a two-wire SMA actuator. International Conference on Robotics & Automation Leuven Belgium, may 1998. 14. M. Kciuk, K. Chwastek, J. Szczygłowski, K. Kluszczyński: A study on hysteresis behaviour of sma linear actuators based on takacs concept. Electromagnetic phenomena in nonlinear circuits. EPNC 2014. XXIII Symposium, Pilsen, Czech Republic, July 2 - July 4, 2014. Proceedings 15. M.R. Hassan, F. Scarpa, N. A. Mohamed, M. Ruzzene: Tensile properties of Shape Memory Alloy chiral choneycombs. Physica Status solidi, 2008. 16. M. Schleich, F. Pfeifer: Modeling of Shape Memory Alloys and experimental Verification. PAMM 2003 17. B. Selden, K. J. Cho, H. Assada: Segmented binary control of SMA actuator systems using the Peltier effect. IEEE Proceedings 2004. International Conference on Robotics & Automation, New Orleans, LA 18. K. J. Cho, H. H. Assada: Multi-axis SMA actuator array for driving anthropomorphic robot hand. International Conference on Robotics & Automation, Spain, April, 2005. 19. Yeung Yam, Kin-fong Lei, Peter Baranyi: Neural-fuzzy based control experiments on a Shape Memory Alloy (SMA) positioning system. Proceedings of the American Control Conference, Arlington, VA June 25-27, 2001. - 16 -
20. M. Bodnicki, D. Kamiński.: In-pipe Microrobot Driven by SMA Elements. Mechatronics - Recent Technological and Scientific Advances, Springer International Publishing 2013 21. D. Prusak, T Uhl, M. Petko: Mikrorobotyka nowy kierunek rozwoju robotyki. Pomiary Automatyka Kontrola, PAK 5/2006 22. K. Divringi, C. Ozcan: Advanced Shape Memory Alloy Material Models for ANSYS. Ozen Engineering, 23. http://www.miniplanes.fr/images/products/2956/div-rc-1-3.jpg 24. Y. Sato, T Nagai, H. Yokoi, T Misuno, Y. Kakazu: Study on Distributed SMA-Net Robot Control by Coupled Oscillator System. SICE 2000 July 26 28, 2000, Iizuka. 25. Y. Yam, K-F Lei, P. Baranyi: Control of SMA Actuated artificial face via neuro-fuzzy techniques. IEEE International Fuzzy Systems Conference 2001 26. http://webdocs.cs.ualberta.ca/~database/mems/sma_mems/muscle.html 27. N. A. Mansour, A. M. R. Fath El-Bab, M. Abdellatif: Design Procedure and Simulation of a Novel Multi-Modal Tactile Display Device for Biomedical Applications. Journal of Sensor Technology Vol.4 No.1, 2014 http://file.scirp.org/html/2-4200111_43399.htm - 17 -