Fio de liga de memória de forma para atuação do braço da garra do robô: como variar a pressão de garra?

Para um braço de garra robótico que estamos projetando para uso no chão de fábrica em componentes muito pequenos, propomos o uso de chicotes de fios de liga de memória de forma ativada eletricamente (SMA) para atuação.

O dispositivo que está sendo projetado é semelhante às máquinas Pick & Place usadas para montagem de circuitos, mas se move sobre uma superfície de trabalho do tamanho de um gancho de aeronave sobre rodas. Ele manipula objetos irregulares e porosos de forma entre 0,5 e 8 cm.cm cada - portanto, o mecanismo tradicional de P&P a vácuo não atrai. Além disso, objetos individuais na linha de montagem têm diferentes durezas e pesos.

Nossas restrições de design são:

• Garantindo vibração e som mínimos a zero
• Usando um volume mínimo dentro do mecanismo (as baterias estão na distância entre eixos, proporcionando estabilidade, portanto, seu peso não é uma preocupação)
• Variação fina da pressão da garra

Acreditamos que a SMA atenda bem às duas primeiras restrições, mas precisamos de algumas orientações para alcançar a restrição 3, ou seja, diferentes níveis de pressão da garra controlados eletronicamente.

Minhas perguntas:

• A PWM de uma corrente acima do limite de ativação (320 mA para Flexinol HT de 0,005 polegadas ) pode fornecer força de atuação variável e repetível?
• Nós precisaríamos de sensores de pressão em cada ponta do dedo e um controle de malha fechada para aderência, ou a garra pode ser calibrada periodicamente e manter força repetível?
• Existe algum precedente ou estudo bem documentado a que devemos nos referir?

Veja as características técnicas dos fios dos atuadores Flexinol .

O que você deseja fazer é criar uma estrutura que aproveite a contração disponível do fio de nitinol para obter o curso e a força desejados para sua aplicação. O artigo fornece alguns exemplos de estruturas:

A porcentagem de contração do nitinol está relacionada à sua temperatura. No entanto, a relação é não linear e difere entre a fase de aquecimento e a fase de resfriamento. Essas diferenças precisarão ser levadas em consideração.

No artigo controle de precisão da posição do flexinol usando arduino, o autor descreve como usar as propriedades do nitinol para que o fio possa atuar como seu próprio sensor de feedback:

O Flexinol, também conhecido como Fio Muscular, é um fio leve e forte fabricado com Nitinol que pode ser contratado ao conduzir eletricidade. Neste artigo, apresentarei uma abordagem para o controle de precisão desse efeito, com base no controle da tensão no circuito Flexinol. Além disso, aproveitando o fato de que a resistência do Flexinol cai previsivelmente à medida que se contrai, o mecanismo descrito aqui usa o próprio fio como um sensor em um circuito de controle de realimentação. Algumas vantagens de eliminar a necessidade de um sensor separado são a contagem reduzida de peças e a complexidade mecânica reduzida.

Portanto, usando o PWM para variar a tensão no fio e usando um ADC para ler essa queda de tensão, você pode projetar o controle de malha fechada da porcentagem de contração do fio de nitinol. Em seguida, usando uma estrutura mecânica apropriada, você pode converter essa contração no curso e na força desejados necessários para sua aplicação.

Por que você não deve usar o SMA

Em primeiro lugar, tenho que me perguntar por que você escolheu usar ligas com memória de forma em um aplicativo robótico. Se você olhar para qualquer lista de aplicativos para SMAs, quase nunca verá um aplicativo robótico na lista.

A maioria dos aplicativos SMA não é acionada e inclui itens como armações de óculos e tacos de golfe.

Algumas aplicações usam o SMA como atuador, mas geralmente apenas uma ou duas vezes. São aplicações como stents médicos, que precisam ser inseridos em uma artéria pequena, mas abrem uma vez dentro.

O motivo pelo qual não há aplicações robóticas nas quais a SMA precisa atuar como atuador e exercer uma força que faz com que algo se mova é o fato de estar sujeito a fadiga. De acordo com a Wikipedia :

A SMA está sujeita a fadiga; um modo de falha pelo qual o carregamento cíclico resulta no início e na propagação de uma trinca que eventualmente resulta em perda de função catastrófica por fratura. além desse modo de falha, que não é observado exclusivamente em materiais inteligentes. A SMA também está sujeita à fadiga funcional, pela qual a SMA não falha estruturalmente, mas, devido a uma combinação de tensão aplicada e / ou temperatura, perde (até certo ponto) sua capacidade de sofrer uma transformação de fase reversível.

Mas se você insistir

Como a SMA sofre fluência e fadiga, você precisará ter algum tipo de transdutor de força e sistema de controle para garantir que está aplicando uma força conhecida.

O que eu sugeriria Em vez de SMAs, existem muitos pequenos atuadores que podem satisfazer suas restrições sem as enormes desvantagens do SMA.

Bobinas de voz: Simplesmente consistem em um ímã permanente e uma bobina. Ajustar o fluxo de corrente afeta diretamente a força aplicada ao ímã. Sem equipamentos, eles são totalmente silenciosos e mais eficientes em termos de energia que os SMAs. A força aplicada é bastante repetível, desde que a temperatura ambiente não varie enormemente. Você pode comprá-los como componentes prontos da Moticont . Ou abra um disco rígido, veja se há um dedo robótico pronto!

Atuadores piezo : Existe uma gama de motores diferentes baseados em cerâmica piezo. Estes são geralmente motores muito pequenos, mas caros. Experimente os motores Squiggle da Tech Newscale .

Há uma empresa chamada Flexsys que fabrica atuadores usando as duas tecnologias.