Alambre de aleación con memoria de forma para la activación del brazo de agarre del robot: ¿Cómo variar la presión de agarre?

Para un brazo de agarre robótico que estamos diseñando para uso en el piso de la fábrica en componentes muy pequeños, proponemos utilizar mazos de cables de aleación de memoria de forma (SMA) activados eléctricamente para la actuación.

El dispositivo que se está diseñando es similar a las máquinas Pick & Place utilizadas para el ensamblaje de circuitos, pero se mueve sobre una superficie de trabajo del tamaño de un colgador de avión sobre ruedas. Manipula objetos porosos y de formas irregulares entre 0,5 y 8 cm cúbicos cada uno, de ahí que el mecanismo tradicional de vacío P&P no sea atractivo. Además, los objetos individuales en la línea de montaje tienen diferentes durezas y pesos.

Nuestras limitaciones de diseño son:

• Asegurando una vibración y sonido mínimos a cero
• Usar un volumen mínimo dentro del mecanismo (las baterías están en la distancia entre ejes, lo que proporciona estabilidad, por lo que su peso no es una preocupación)
• Variación fina de la presión de la pinza

Creemos que SMA cumple bien las dos primeras restricciones, pero necesitamos alguna orientación para lograr la restricción 3, es decir, diferentes niveles de presión de la pinza controlada electrónicamente.

Mis preguntas:

• ¿Puede PWM de una corriente por encima del umbral de activación (320 mA para 0.005 pulgadas Flexinol HT ) proporcionar una fuerza de actuación variable y repetible?
• ¿Necesitaríamos sensores de presión en cada punta de los dedos y un control de circuito cerrado para el agarre, o se puede calibrar periódicamente la pinza y mantener una fuerza repetible?
• ¿Hay algún precedente o estudio bien documentado al que debamos referirnos?

Eche un vistazo al documento Características técnicas de los alambres del actuador Flexinol .

Lo que querrá hacer es diseñar una estructura que aproveche la contracción disponible del alambre de nitinol para lograr el golpe y la fuerza deseados para su aplicación. El documento da un par de estructuras de ejemplo:

El porcentaje de contracción de nitinol está relacionado con su temperatura. Sin embargo, la relación no es lineal y difiere entre la fase de calentamiento y la fase de enfriamiento. Estas diferencias deberán tenerse en cuenta.

En el artículo control de posición de flexinol de precisión usando arduino, el autor describe cómo usar las propiedades del nitinol para que el cable pueda actuar como su propio sensor de retroalimentación:

Flexinol, también conocido como Muscle Wire, es un cable fuerte y liviano hecho de Nitinol que puede contraerse cuando se conduce electricidad. En este artículo presentaré un enfoque para el control de precisión de este efecto basado en el control del voltaje en el circuito Flexinol. Además, aprovechando el hecho de que la resistencia de Flexinol cae de manera predecible a medida que se contrae, el mecanismo descrito aquí usa el cable como sensor en un circuito de control de retroalimentación. Algunas ventajas de eliminar la necesidad de un sensor separado son el recuento reducido de piezas y la complejidad mecánica reducida.

Entonces, al usar PWM para variar el voltaje a través del cable y usar un ADC para leer esa caída de voltaje, puede diseñar un control de bucle cerrado del porcentaje de contracción del cable de nitinol. Luego, utilizando una estructura mecánica adecuada, puede traducir esa contracción en la carrera deseada y la fuerza necesaria para su aplicación.

Por qué no deberías usar SMA

En primer lugar, me pregunto por qué ha elegido utilizar aleaciones con memoria de forma en una aplicación robótica. Si observa cualquiera de las listas de aplicaciones para SMA, casi nunca verá una aplicación robótica en la lista.

La mayoría de las aplicaciones de SMA no se activan e incluyen elementos como monturas de gafas y palos de golf.

Algunas aplicaciones utilizan el SMA como un actuador, pero generalmente solo una o dos veces. Estas son aplicaciones como stents médicos, que deben insertarse en una arteria pequeña, pero abrirse una vez dentro.

La razón por la que no hay aplicaciones robóticas donde la SMA necesita actuar como un actuador y ejercer una fuerza para que algo se mueva, es que está sujeta a fatiga. Según la Wikipedia :

La AME está sujeta a fatiga; un modo de falla por el cual la carga cíclica da como resultado el inicio y la propagación de una grieta que eventualmente resulta en una pérdida catastrófica de la función por fractura. Además de este modo de falla, que no se observa exclusivamente en materiales inteligentes. Las AME también están sujetas a la fatiga funcional, por lo que la AME no falla estructuralmente, pero, debido a una combinación de tensión aplicada, y / o temperatura, pierde (hasta cierto punto) su capacidad de sufrir una transformación de fase reversible.

Pero si insistes

Debido a que SMA se somete a la fluencia y la fatiga, usted tiene que tener algún tipo de transductor de fuerza y sistema de control para asegurarse de que está aplicando una fuerza conocida.

Lo que sugeriría En lugar de SMA, hay muchos actuadores pequeños que pueden satisfacer sus limitaciones sin los grandes inconvenientes de SMA.

Bobinas de voz: estas consisten simplemente en un imán permanente y una bobina. Ajustar el flujo de corriente afecta directamente la fuerza aplicada al imán. Sin cambios, son totalmente silenciosos y más eficientes que los SMA. La fuerza aplicada es bastante repetible, siempre que la temperatura ambiente no varíe enormemente. Puede comprarlos como componentes confeccionados de Moticont . O abra un disco duro, ¡mira que hay un dedo robótico listo!

Actuadores piezoeléctricos: hay una gama de motores diferentes basados ​​en cerámica piezoeléctrica. Estos suelen ser motores muy pequeños, pero caros. Prueba los motores Squiggle de Newscale Tech .

Hay una compañía llamada Flexsys que fabrica actuadores usando ambas tecnologías.