Εφαρμογές και έλεγχος έξυπνων υλικών με έμφαση στην χρησιμοποίησή τους ως επενεργητές

Abstract

Smart materials are the target of an ongoing research effort due to their increasing use as parts of commercial devices from the wider area of mechanics (medical devices, robotics, aeronautics, etc.). Standard classification metrics are their ability to produce work with respect to their geometric dimensions (external volume), the range of actuation frequencies and the energy source used for their actuation. Shape Memory Alloys (SMAs), as part of this family of materials, are selected for the actuation of devices found in the area of robotics applications. This thesis focuses on this type of materials and examines them from the scope of robotics applications.The macroscopic SMA behavior is characterized by memory effects linked to the transformation mechanism, between two phases, and to the material loading history. These phenomena are described, in micromechanics models, by the energy equilibrium that is formed by the values of the constitutive quantities (force, deformation, temperature) and the loading history. When operating under the conditions present in robotics applications, these quantities may not be directly accessible and the recorded values may contain variations (measurement noise). In these conditions the existing models are modified so that the role of the structural components, that are sensitive to noise, is suppressed.This direction has been used for two types of SMAs, distinguished by their geometric properties and hence their dynamic characteristics. The difficulty to access the material temperature is initially shown by making the comparison between the recorded values and the theoretically expected responses. The fast actuator dynamics allow for the infiltration of exogenous dynamic characteristics, in a theoretically expected static hysteretic relationship. The presence of this additional dynamics, combined with the system sensitivity to variations of the environmental conditions prohibits the use of static SMA models for the construction the control law. In this environment, the construction of local approximations to the hysteresis trajectories is proposed, as a means to produce updated system descriptions from the input - output pairs. The validity of this method is verified by incorporating a low output sampling scheme in the feedback loop, under which the local trajectory approximate is used in place of the recorded output.At a second phase the investigation focuses on SMA actuators of a helical spring shape, in an antagonistic configuration. For this type of actuators, the effect of the heat transfer dynamics is less drastic and allows the use of a complete model. An SMA model is constructed by formulating a generalized elastoplastic model through the approximation of a phenomenological model.This reformulation enables the actuators' characterization directly on the force - deformation plane and reduces the hysteresis memory length to provide the model with robustness characteristics against input variations (noise). The examination of the antagonistic operation focuses on the magnitude of the internal forces, for different relationships of state between active and passive springs. The examination of this relationship leads to the proposition of a systematic approach in the design of antagonistic devices and the selection of the appropriate actuation strategies.

Τα έξυπνα υλικά αποτελούν μέρος συνεχούς ερευνητικής προσπάθειας λόγω της αυξανόμενης συμμετοχής τους ως τμήματα διατάξεων σε εμπορικές εφαρμογές που άπτονται της μηχανικής (ιατρικές εφαρμογές, ρομποτική, αεροναυπηγική, κτλ.). Μέτρα ταξινόμησής τους είναι η ικανότητά τους για την παραγωγή έργου ως προς τις εξωτερικές τους διαστάσεις, το εύρος συχνοτήτων λειτουργίας και η μορφή ενέργειας που χρησιμοποιείται για την ενεργοποίησή τους.Τα μορφομνήμονα κράματα (ΜΚ), ως μέρος αυτής της ομάδας υλικών, επιλέγονται για την ενεργοποίηση διατάξεων με χαρακτηριστικά που συναντώνται σε εφαρμογές μηχανικής - ρομποτικής. Αυτή είναι η κατηγορία των υλικών στην οποία επικεντρώνεται η παρούσα διατριβή και αντίστοιχα η σκοπιά από την οποία τα αντιμετωπίζει.Η μακροσκοπική συμπεριφορά των ΜΚ χαρακτηρίζεται από φαινόμενα μνήμης που συνδέονται με τον μηχανισμό μετασχηματισμού μεταξύ δύο φάσεων και το ιστορικό φόρτισής του. Αυτά τα φαινόμενα ερμηνεύονται, σε μικρομηχανικά μοντέλα, από το ισοζύγιο ενέργειας που προκύπτει από τις τιμές των καταστατικών μεγεθών (δύναμη, παραμόρφωση και θερμοκρασία) και την προηγούμενη φόρτιση. Κατά την λειτουργία στις συνθήκες ρομποτικών διατάξεων η άμεση πρόσβαση στις τιμές αυτών των μεγεθών μπορεί να είναι περιορισμένη και οι καταγραφόμενες τιμές να περιέχουν διακυμάνσεις (θόρυβο). Σε αυτές τις συνθήκες απαιτείται η προσαρμογή των μοντελοποιούμενων χαρακτηριστικών του συστήματος ώστε να υποβαθμίζεται ο ρόλος των δομικών στοιχείων του μοντέλου που είναι ευαίσθητα σε αυτές τις διακυμάνσεις.Αυτή η προσέγγιση ακολουθείται για δύο τύπους ΜΚ που διαχωρίζονται ως προς τα γεωμετρικά τους χαρακτηριστικά και κατά συνέπεια από την δυναμική τους. Η αδυναμία άμεσης μέτρησης της θερμοκρασίας του επενεργητή αναδεικνύεται αρχικά από την σύγκριση μεταξύ πειραματικών παρατηρήσεων και θεωρητικών αποκρίσεων. Η γρήγορη δυναμική του επενεργητή σε σχέση με τις δυνατότητες μέτρησης επιτρέπει την είσοδο εξωγενών δυναμικών χαρακτηριστικών σε μία θεωρητικά αναμενόμενη στατική περιγραφή υστέρησης. Η είσοδος της εξωγενούς δυναμικής στην μέτρηση, σε συνδιασμό με την ευαισθησία του συστήματος σε μεταβολές των περιβαλλοντικών συνθηκών αποτρέπει την χρήση στατικών μοντέλων για τους σκοπούς του ελέγχου. Σε αυτό το περιβάλλον προτείνεται η κατασκευή τοπικών προσεγγίσεων για τις τροχιές του συστήματος, ως μέσο επικαιροποίησης της περιγραφής του συστήματος από τα διαθέσιμα ζεύγη εισόδου - εξόδου. Η ισχύς της μεθόδου επιβεβαιώνεται από την λειτουργία του προτεινόμενου νόμου ελέγχου σε συνθήκες μειωμένης συχνότητας ανατροφοδότησης της εξόδου, κατά την οποία η τοπική προσέγγιση παίρνει την θέση της μετρούμενης τιμής.Σε δεύτερο στάδιο εξετάζεται η ανταγωνιστική λειτουργία των ΜΚ, για επενεργητές με την μορφή ελικοειδούς ελατηρίου. Για αυτούς τους επενεργητές, τα δυναμικά χαρακτηριστικά είναι λιγότερο δραστικά και επιτρέπουν την χρήση ενός στατικού μοντέλου. Η κατασκευή του γίνεται από την προσέγγιση ενός φαινομενολογικού μοντέλου από ένα γενικευμένο τελεστή υστέρησης. Αυτή η διατύπωση επιτρέπει τον χαρακτηρισμό του επενεργητή απευθείας στον χώρο δύναμης - παραμόρφωσης και μειώνει το βάθος της μνήμης του συστήματος, αποδίδοντας έτσι στο μοντέλο χαρακτηριστικά σθεναρότητας σε θόρυβο. Η μελέτη της ανταγωνιστικής διάταξης επενεργητών εξετάζει το πλάτος των αναπτυσσόμενων εσωτερικών δυνάμεων, για διαφορετική σχέση μεταξύ ενεργών και παθητικών επενεργητών. Αυτή η συσχέτιση οδηγεί στην συστηματική σχεδίαση τέτοιων διατάξεων και επιτρέπει την επιλογή των κατάλληλων τεχνικών ενεργοποίησης.