Formgedächtnis Legierungsdraht für die Betätigung des Robotergreiferarms: Wie kann der Griffdruck variiert werden?

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Für einen Roboter-Greiferarm, den wir für den Einsatz in der Fabrik an sehr kleinen Bauteilen entwickeln, schlagen wir vor, elektrisch aktivierte SMA-Kabelbäume (Shape Memory Alloy) zur Betätigung zu verwenden.

Das Gerät, das entworfen wird, ähnelt Pick & Place-Maschinen, die für die Schaltungsmontage verwendet werden, bewegt sich jedoch auf Rädern über eine Arbeitsfläche in Flugzeughaltergröße. Es manipuliert unregelmäßig geformte und poröse Objekte zwischen jeweils 0,5 cu cm und 8 cu cm - daher ist der herkömmliche Vakuum-P & P-Mechanismus nicht attraktiv. Außerdem haben einzelne Objekte in der Montagelinie unterschiedliche Härten und Gewichte.

Unsere Designbeschränkungen sind:

  • Gewährleistung minimaler bis null Vibrationen und Geräusche
  • Verwenden Sie nur ein minimales Volumen innerhalb des Mechanismus (Batterien befinden sich am Radstand und sorgen für Stabilität, sodass ihr Gewicht keine Rolle spielt).
  • Feine Variation des Greiferdrucks

Wir glauben, dass SMA die ersten beiden Bedingungen gut erfüllt, benötigen jedoch eine Anleitung zum Erreichen der Bedingung 3, dh unterschiedliche Druckniveaus des elektronisch gesteuerten Greifers.

Meine Fragen:

  • Kann die PWM eines Stroms über der Aktivierungsschwelle (320 mA für 0,005 Zoll Flexinol HT ) eine variable, wiederholbare Betätigungskraft liefern?
  • Würden wir Drucksensoren an jeder Fingerspitze und eine Regelung für den Griff benötigen, oder kann der Greifer regelmäßig kalibriert werden und eine wiederholbare Kraft aufrechterhalten?
  • Gibt es einen gut dokumentierten Präzedenzfall oder eine Studie, auf die wir uns beziehen sollten?
Anindo Ghosh
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Antworten:

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Schauen Sie sich das Papier Technische Eigenschaften von Flexinol-Aktuatordrähten an .

Sie möchten eine Struktur entwickeln, die die verfügbare Kontraktion des Nitinoldrahtes nutzt, um den gewünschten Hub und die gewünschte Kraft für Ihre Anwendung zu erzielen. Das Papier gibt einige Beispielstrukturen:

Strukturen 1

Strukturen 2

Schlag und Kraft

Der Prozentsatz der Kontraktion von Nitinol hängt von seiner Temperatur ab. Die Beziehung ist jedoch nicht linear und unterscheidet sich zwischen der Heizphase und der Kühlphase. Diese Unterschiede müssen berücksichtigt werden.

Temperatur vs. Kontraktion

In dem Artikel Präzisions-Flexinol-Positionskontrolle mit Arduino beschreibt der Autor, wie die Eigenschaften von Nitinol genutzt werden, damit der Draht als eigener Rückkopplungssensor fungieren kann:

Flexinol, auch als Muskeldraht bekannt, ist ein starker, leichter Draht aus Nitinol, der sich beim Leiten von Elektrizität zusammenziehen kann. In diesem Artikel werde ich einen Ansatz zur präzisen Steuerung dieses Effekts vorstellen, der auf der Steuerung der Spannung in der Flexinol-Schaltung basiert. Unter Ausnutzung der Tatsache, dass der Widerstand von Flexinol vorhersehbar abnimmt, wenn es sich zusammenzieht, verwendet der hier beschriebene Mechanismus den Draht selbst als Sensor in einem Rückkopplungsregelkreis. Einige Vorteile der Notwendigkeit eines separaten Sensors sind eine verringerte Anzahl von Teilen und eine verringerte mechanische Komplexität.

Wenn Sie also PWM verwenden, um die Spannung über dem Draht zu variieren, und einen ADC verwenden, um diesen Spannungsabfall abzulesen, können Sie eine Regelung für den Prozentsatz der Kontraktion des Nitinoldrahtes entwerfen. Mit einer geeigneten mechanischen Struktur können Sie diese Kontraktion dann in den gewünschten Hub und die gewünschte Kraft umsetzen, die für Ihre Anwendung erforderlich sind.

embedded.kyle
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Ab dem letzten Absatz würde dies bedeuten, dass eine regelmäßige Neukalibrierung gegen einen Drucksensor es uns ermöglichen sollte, auf Greiferspitzensensoren zu verzichten und dennoch eine angemessene Wiederholbarkeit zu erzielen. Das klingt nützlich, danke! Eine tägliche Neukalibrierung kann in den Aufgabenplan integriert werden ... Hervorragend.
Anindo Ghosh
@AnindoGhosh Das und das Entwerfen, um den Draht nicht zu überlasten. Siehe Abschnitt 2 des Flexinol-Dokuments: "Wenn der Flexinol®-Aktuatordraht unter den entsprechenden Bedingungen verwendet wird, ist es sinnvoll, eine wiederholbare Bewegung des Drahtes für zig Millionen Zyklen zu erzielen."
embedded.kyle
Das aktuelle Design verwendet den SMA mit etwa der Hälfte der 4%, die sich zusammenziehen können, und die Rückgabe erfolgt nicht durch eine Feder, sondern durch Drücken und Ziehen mit einem anderen SMA-Segment, das wiederum nur 2% biegt. Somit würden wir uns sowohl von Überbeanspruchung als auch von kontinuierlicher Beanspruchung des Drahtes fernhalten. Leichte Federn werden für eine gewisse strukturelle Stabilität verwendet, sind jedoch schwach genug, um hinsichtlich der Beanspruchung unbedeutend zu sein. Es ist also zu hoffen, dass eine Viertelmillion Zyklen sicher funktionieren - das ist mehr als in der Spezifikation gefordert.
Anindo Ghosh
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Warum sollten Sie SMA nicht verwenden?

Zunächst muss ich mich fragen, warum Sie sich für die Verwendung von Formgedächtnislegierungen in einer Roboteranwendung entschieden haben. Wenn Sie sich eine der Anwendungslisten für SMAs ansehen, sehen Sie fast nie eine Roboteranwendung auf der Liste.

Die meisten SMA-Anwendungen sind nicht betätigt und umfassen beispielsweise Brillengestelle und Golfschläger.

Einige Anwendungen verwenden den SMA als Aktuator, normalerweise jedoch nur ein- oder zweimal. Dies sind Anwendungen wie medizinische Stents, die in eine kleine Arterie eingeführt werden müssen, sich aber einmal im Inneren öffnen.

Der Grund, warum es keine Roboteranwendungen gibt, bei denen die SMA als Aktuator fungieren und eine Kraft ausüben muss, die bewirkt, dass sich etwas bewegt, ist, dass sie Ermüdung ausgesetzt ist. Laut Wikipedia :

SMA ist Müdigkeit ausgesetzt; Ein Fehlermodus, bei dem die zyklische Belastung zur Auslösung und Ausbreitung eines Risses führt, der schließlich zu einem katastrophalen Funktionsverlust durch Bruch führt. zusätzlich zu diesem Fehlermodus, der nicht ausschließlich bei intelligenten Materialien beobachtet wird. SMA unterliegen auch einer funktionellen Ermüdung, wobei die SMA nicht strukturell versagt, sondern aufgrund einer Kombination aus angelegter Spannung und / oder Temperatur (bis zu einem gewissen Grad) ihre Fähigkeit verliert, eine reversible Phasenumwandlung durchzuführen.

Aber wenn Sie darauf bestehen

Weil SMA Kriechen und Ermüdung ausgesetzt ist, werden Sie es tun über eine Art Kraftaufnehmer und Steuerungssystem verfügen, um sicherzustellen, dass Sie eine bekannte Kraft anwenden.

Was ich vorschlagen würde Anstelle von SMAs gibt es viele kleine Aktuatoren, die Ihre Einschränkungen ohne die großen Nachteile von SMA erfüllen können.

Schwingspulen : Diese bestehen einfach aus einem Permanentmagneten und einer Spule. Das Einstellen des Stromflusses wirkt sich direkt auf die auf den Magneten ausgeübte Kraft aus. Diese sind völlig geräuschlos und energieeffizienter als SMAs. Die ausgeübte Kraft ist ziemlich wiederholbar, solange die Umgebungstemperatur nicht stark variiert. Sie können diese als fertige Komponenten bei Moticont kaufen . Oder öffnen Sie eine Festplatte, schauen Sie, es gibt einen fertigen Roboterfinger!

Schwingspulenroboterfinger

Piezoaktoren: Es gibt eine Reihe verschiedener Motoren, die auf Piezokeramik basieren. Dies sind normalerweise sehr kleine, aber teure Motoren. Probieren Sie die Squiggle-Motoren von Newscale Tech .

Kringelmotor

Es gibt eine Firma namens Flexsys , die Aktuatoren mit beiden Technologien herstellt.

Schwingspulenantrieb

Raketenmagnet
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Tatsächlich sind wiederholbare SMA-basierte Aktuatoren keine Seltenheit und weitaus billiger als die unrealistischen Preise für Squiggle-Motoren. Wir haben den Kringel natürlich evaluiert, aber das Unternehmen ist eindeutig nicht an einem Geschäft mit geringem Volumen interessiert, da seine Marketing- und Preisstrategie den Einzelhandel aktiv entmutigt. Hier sind einige SMA-Aktuatorprodukte und Forschungsarbeiten zur Robotik: store.migamotors.com/… jongohpark.pe.kr/data/treatise/142.pdf www-bsac.eecs.berkeley.edu/~sbergbre/research/publications/…
Anindo Ghosh
@ AnindoGhosh - Ich stimme zu, dass Squiggle-Motoren schwer zu bekommen und teuer sind. Sie sollten jedoch ernsthaft über den Schwingspulenaktuator nachdenken. Es wird Ihnen Jahre zuverlässigen Lebens bieten. Im Gegensatz zum Nanomuskel, der keine Anwendungen hat . Schauen Sie sich einfach die Liste der vom Unternehmen selbst vorgeschlagenen "Anwendungen" an. Keiner von ihnen existiert tatsächlich noch. Das sind alles Vorschläge. Alle von Ihnen verlinkten Artikel sind nur Prototypen. Sehen Sie sich ernsthaft an, ob Sie eine einzige kommerzielle Roboteranwendung finden, die SMAs verwendet.
Raketenmagnet
@AnindoGhosh - Bitte hören Sie auf die Stimme der Erfahrung. Wir waren schon einmal hier. Wir wurden mehr als einmal vom Versprechen der SMAs verführt, haben sie aber immer aufgegeben, weil sie äußerst unzuverlässig sind. Bevor Sie mit ihnen irgendwohin gehen, müssen Sie einen realistischen Lebenstest unter realistischen Bedingungen durchführen.
Raketenmagnet
Die realistischen Tests sind im Gange. Die Stimme der Erfahrung sagt uns oft, dass Innovation = Naivität ist, also werde ich das passieren lassen. Seltsamerweise gibt es in der Fabrik, in der dieses neue Gerät eingesetzt werden soll, eine ganze Reihe von SMA-betätigten Maschinen, die in einigen Fällen ein Jahrzehnt oder länger in Betrieb sind. Der Kunde scheint ziemlich zufrieden mit dem Zeug zu sein, offensichtlich hat er die Stimme der Erfahrung noch nicht gehört. Ich werde es sicher erwähnen.
Anindo Ghosh
@AnindoGhosh - Ich würde gerne wissen, was einige dieser realen Anwendungen sind. Wenn ich auf der Website eines Herstellers nach einer Liste von Anwendungen suche , kann ich nur "potenzielle", "zukünftige" und "mögliche" Anwendungen finden. Sie listen keine aktuellen auf, obwohl die Technologie seit mehr als einem Jahrzehnt besteht.
Raketenmagnet