طراحی و ساخت مکانیزم دو درجه‌ی آزادی انگشت انسان به کمک آلیاژهای حافظه‌دار با قابلیت کنترل برخط نیرو توسط کامپیوتر

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، تهران

2 تهران

3 دانشگاه تهران

4 دانشکده مکانیک دانشگاه تهران

چکیده

در این مقاله به‌کمک سیم‌های حافظه‌دار، یک کنترل‌کننده‌ی مدل مبنا‌ برای ردیابی نیروی نوک انگشتان دست مصنوعی توسعه یافته است. جنبه‌های مختلف مدل‌سازی ازجمله بررسی استاتیکی، تحلیل انتقال حرارتی و بررسی مکانیزم سیم‌های حافظه‌دار که به‌ عنوان عملگر استفاده شده‌اند مورد مطالعه قرار گرفته است. برای مدل‌سازی سیم‌های حافظه‌دار از مدل برینسون اصلاح شده استفاده شده است. مدل اصلی برینسون قادر به پیش‌بینی صحیح رفتار آلیاژ حافظه‌دار نبود بنابراین، برخی اصلاحات بر روی آن صورت گرفته است. برای کنترل اختلاف پتانسیل اعمالی به سیم‌های آلیاژ حافظه‌دار و بالتبع آن کنترل جریان ورودی به این سیم‌ها، یک کنترل‌کننده براساس مدل آلیاژهای حافظه‌دار طراحی شده است. هدف اصلی کنترل‌کننده‌ی ارائه شده کنترل نیروی انگشت دو درجه آزادی برای گرفتن اجسام مختلف می‌باشد. مدل شامل مدل‌سازی آلیاژهای حافظه‌دار می‌باشد و برای جبران‌کردن عدم اطمینان‌های سیستم از یک جبران‌ساز پی-آی-دی در یک سیستم مدار بسته استفاده شده است. اثر جبران‌ساز فقط بر روی حالت‌هایی از جنس مشتق اعمال می‌شود که تفاوت مقاله حاضر با کار‌های مشابه می‌باشد. نتایج برای یک سیگنال مرجع دلخواه گزارش شد که پاسخ مدل ‌ارائه شده به‌خوبی آزمایش تجربی را دنبال می‌نماید. مقادیر نسبی خطای آزمایش‌های عملی انجام شده برای سیگنال دلخواه بررسی شده برای بیشینه‌ی فراجهش نرمالیزه %18 می‌باشد و برای دنبال‌کردن سیگنال توسط شبیه‌سازی انجام شده در حدود%5 می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Design and implementation of a 2DOF human finger using shape memory alloys with computer-based online force control

نویسندگان [English]

  • farzam mirzakhani 1
  • moosa ayati 2
  • pouya fahimi 3
  • mostafa baghani 4
1 School of mechanical engineering, College of engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
4 University of Tehran, Mechanical engineering department
چکیده [English]

In this paper, using shape memory alloy (SMA) wires, a model-based controller for force tracking of fingertips of an artificial hand finger is developed. Different aspects of modeling including static analysis, heat transfer analysis and also investigation of SMA wires, which are used as actuators, are studied. In order to parametrize the SMA wires a modified Brinson’s model is used. Brinson’s original model was not capable of accurately predicting all loading conditions thus some modifications are utilized. In order to control the applied potential difference of memory wires and consequently to control the electrical current to these wires and based on the model of shape memory wires a controller is designed. The main goal of presented controller is force controlling of a two DOF hand finger in order to grasp objects. This model contains SMA model and for compensation of system uncertainties, a proportional integrator derivative (PID) controller has been included in the closed-loop system. The effect of compensator will act only on the derivative type states and this is a new approach compared to similar literature. Simulation results of tracking a reference signal is reported which confirm that the model is in good agreement with experimental tests. The analysis of the relative tracking error for an arbitrary reference signal is 18% for the maximum normalized overshoot in experimental tests and 5% in the simulation.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Shape memory alloys
  • Model-based control
  • Artificial finger
  • Force Control