صفحه 1:
طراحىءمدلسازى و ارتقاء عضله بازوى مصنوعى با استفاده
از آلياز هاى حافظه دار SMA
استاد :
صفحه 2:
چکیده
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1555555
آليازهاى حافظه دار (/51/1) زيرمجموعه اى از مواد هوشمند هستند كه ويزكى اساسى آنها
تغيير شكل بزرك ناشى از تغيير در ريزساختار آنها تحت تاثير محرك هاى غيرمكانيكى و ميدان
مغناطیسی میباشند. اين آلیاژها دو اثر مهم حافظه دارى و سوير الاستيسيته را از خود نشان مى
دهنذ که باعث میشود این مواذنبة کانیدای بسیارمناسبی بزای سیستم های قزل ستسورهاو
طراحی عملگرها تبدیل شوند. از مزایای SMA میتوان به وزن کم. نیاز به توان تحریک پایین.
خستگی طولانی.. قابلیت انطباق با بدن. تحریک پذیری الکتریکی و حرارتی, عملکرد و تحریک
بی صدا در مقایسه با ساير محرکهاه عمر مفید و طولانی اشاره کرد.. فرکانس عملکردی محدود
این آلیاژها یکی از عمده معایب آنهاست.
صفحه 3:
فازهای آلیازهای حافظه دار SMA
ص
* آستنيت 417571151317115 (فاز در دماى بالا) :
ساختار آن مكعبى بوده و به علت دارا بودن تقارن بالا محكمتر است.
*** مارتنزيت 11/818115517115 (فاز در دماى بايين) :
gl JSS مونو کلینیک بوده و نسبت به آستنیت تقارن کمتری دارد. از نوع فاز ترمو الاستیک
بوده و دارای دو خاصیت لغزنده بودن و انرژی کم فصل مشترک است.
صفحه 4:
علت تغییر شکل آلیاژ و بازگشت به حالت اولیه
21 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 0 0 0 0 0 0 0 ز 000007070070700
عاملى که سبب تغییر شکل فلز میشود اختلاف ساختار مولکولی در هر فاز است. زمانیکه بار
اعمال میشود فلز تغییر شکل میدهد. سپس به محض برداشته شدن بار و اعمال کمی aS
مولکول به شکل ساختاری سخت در می آید به گونه ای که به یک ساختار با شبکه متفاوت
مبدل ميشود.
در پدیده حافظه داری نمنه در حللت کاملا مارتنزیتی به مقدار معینی تغییر فرم داده ميشود.
سپس با گرم کردن نمونه و بازگشت آن به حللت آستین شکل نمونه نیز به حالت اول خود
برمیگردد.
صفحه 5:
Martensite
Deforming the
Martensite
Deformed
Martensite
Austenite
Martensite
صفحه 6:
مقدمه
در این مقلله با الهام از نحوه قرار گیری عضله ها در بازوی انسان عملگر جدیدی برای تقلید
حرکت بازو طراحی شده و با استفاده از اثر ترمو الکتریک زمان پاسخ عملگر کاهش داده شده
است. این فرایند مستلزم حل همزمان معادلات انتقال حرارت. معادلات ساختاری: توصیف
فرایند تغییر فاز و همچنین معادلات دینامیکی حاک بر عملگر میباشد. پاسخ دینامیکی عملگر و
مدلسازی آن و تاثیر پارامترهای برروی آن بررسی ميشود. نتایج حاصل نشانگر ن است
که با استفاده از روش پیشنهادی میتوان زمان پاسخ عملگر را تا ۵۰ کاهش داد. کشف
نایتینول (آلیاژ نیکل تیتانیوم) که سازگاری بسیار مناسبی با بد
ان دارد. باعث توجه بیش
از پیش به استفاده از این مواد در بیومکانیک شده است.
صفحه 7:
صفحه 8:
کاربردهای پزشکی - ارتوپدی 51۷۲۸
ص
كاربرد يزشكى SMA به عنوان یک عملگر با اثر باقیمانده در داخل بدن قلبل بررسى است.
آلياؤى كه در بدن افراد براى بهبود رفتار بالينى اعضاى أن به كار كرفته شده است. نبليد مولد
هيجكونه حساسيتى باشد و نيز بصورت ذراتى از يون آماده وارد خون شخص كيرنده شود.
صفحه 9:
کاربردهای پزشکی - ارتوپدی 51۷/۸
سس 7
ونع و یوس ی میباشد. انواع مختلفی
تها با خاصیت حافظه داری در ترمیم شکستگی یا ترک استخوان ساخته ۵
هابه گهنه. ای تقیبر شکل:می یایند که.دو طرف. شکستگی و ترک را با هم یکی کرده و
میفشرند. گرمای ایجاد شده را میتوان به کمک یک وسیله خارجی به آلیاژ منتقل کرد. معمولا
از لین بستها در مواقعی استفاده می شود که محل شکستگی یا ترک را نتوان گچ گرفت. مانند
نواحی صورت شامل بینی؛ فک و حفره چشم.
صفحه 10:
صفحه 11:
اهداف
ص
هدف اصلى اين عملكر. تقلى ويزكى هاى مكانيكى عضلات با حفظ سادكى ميباشند. در اين
طراحى از يك فريم براى اتصال بخش هاى مختلف به يكديكر استفاده شده است. از جفت سيم
هاى 51/4 به صورت موازى به عنوان المان انقباضى استفاده شده كه با نسبت قلبل قبولى
منحنى نيرو - جابجليى عضله را تقلى ميكنند. هيرونارى عملكر ديكرى را براى عضله مصنوعى
با استفاده از 51۷1۸ بيجشى ارائه نمود.
صفحه 12:
شبیه سازی آلیاژهای حافظه دار 517۸
21 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 0 0 0 0 0 0 0 ز 000007070070700
در لين مرجع دو نوع عملكر طراحى شده است كه هردو داراى سيم ييجشى 51/14 بيستون
ساخته شده از رزین. یک کلاهک. یک راهنمای کلی از جنس سیلیکون؛ يك فنر فشرده شده
پیچشی از یک فلز نرم و یک میله از جنس /5[۷1 میباشند. براساس این مدل ویژگی های
مکانیکی براساس معماری عضلات میتوانند به ۳ المان ساده سازی شوند. نتایج نشان می دهد
سیم های 57۷ میتوانند ویژگی های نیرو - سرعت عضلات اسکلتی را تقلید و شبیه سازی
صفحه 13:
مدلسازی بازوی مصنوعی
TTT MMA
در مدلسازی بازوی مصنوعی اثر ترمو الکتریک و به طور ویئه لثر پلتیر برای لين كار مناسب به
نظر می رسد زیرا در اين اثر با توجه به جهت جریان الکتریکی چشمه دملیی در محل تماس دو
ماده متفاوت ایجاد ميشود. انواع مکانیسم های موجود برای عملگرها مورد بررسی قرار گرفته و
معادلات دینامیکی آنها ارلئه شده و در بخش سوم معادلات ساختاری و توصیف تغییر فاز ارائه
خواهد شد و در بخش چهارم مدل انتقال حرارت و نحوه جل لین معادلات استخراج می شود و
در نهایت زاوبه خروجی عملگر و پارامترهای موثر بر آن بررس , خواهد گردید.
صفحه 14:
انواع عملگر بازوی مصنوعی
** عملگر بایاس 186 :
متشکل از یک 5۷1۸ و فدر پیچشی میباشد که مطلبق شکل دو کوپلر را به یکدیگر متصل
ميكند. كويلر اول به 51۷1۸ متصل بوده و کوپلر دوم به یک سیم صلب. زامممه
SMa’
* عملگر دیفرانسیلی ][(1:
متشکل از دو ٩1۷1/8 مخللف و کوپلر میلنی بوده و به جای سیم سخت از SMA برای ایجاد
۷
نیروی بازیابی استفاده شده است.
su
صفحه 15:
مکانیسم عملکرد عملگرها
طراحی عملگری با پاسخ سریع ضروری است. مفصل بازوی انسان توسط دو عضله استخوانی
مخللف (جلو و پشت بازو) تحریک میشود که با الگوبرداری از لین عضله یک عملگر جدید جهت
تقلید حرکت مفصل بازوی انسان طراحی شده است. آلیاژهای حافظه دار مخللف مانتد عضله
بازوی انسان عمل می کنند. زیرا مستقیما به کوپلر متصل هستند و نیروی دو طرفه برای
حرکت عملگر را تامین می کنند. فنر پیچشی به منظور تقلید عملکرد تاندون استفاده می شود.
که در داخل کوپلرقرار می گیرد.
صفحه 16:
انتقال حرارث
در عملگرهای ساخته شده از 51۷1 زمان ایجاد تحریک و به تبع لن فركانس ياسخ به
خصوص در سیتم های دینامیکی بسیار مهم است. کرنش در لین مواد غالبا توسط دما کنترل
می شود. اثر پلتیر که در آن از مواد نیمه هادی استفاده می شود. میتولند برای کاهش زمان
سرمایش موثر باشد. ساختار کریستالی نیمه هادی هابه گونه است که سطح والانس یک شبکه
کاملا پر بوده و سطح رسانش شبکه دیگر خالی است.
9
som on
Be
NITINOL WIRE
صفحه 17:
روش کار
در دو انتهای ٩1۷1۸ سرد كردن
انجام می شود. شکل زیر سیستم ترمو الکتریک استفاده شده برای سرمایش را نشان می د؛
که در آن از دو نیمه هادی به عنوان المان های 3,1 استفاده شده است و در بین آنها یک
4 وجود دارد. برپایه این اصل می توان با تغیبر جهت جریان الکتریکی. یکی از 5171۸
ها را حرارت داده و به طور همزمان دیگری را سرد کرد تا سرعت پاسخ سیستم افزايش يابد.
در لین روش با استفاده از نیمه هادی به عنوان چشمه د.
Nesemiconductor }* SMA P-semiconductor
صفحه 18:
طراحی یک عملگر برای تقلید حرکت بازوی انسان در ۳ بخش انجام گردید. بدین منظور ابتدا
مبحث تحریک این آلیژ و سرعت پاسخ مورد مطالعه قرار گرفت. که با توجه به پایین سرعت
پاسخ در اين آلیاژها منجر به استفاده از اثر ترمو الکتریک و به طور ویژه اثر پلتی گردید. استفاده
از لین لثربه صورت چند بلوک متصل به هم مطرح شده و منجر به تشکیل یک سری معادلات
انتقال حرارت پیچیده گردید سپس اقدام به مقایسه عوامل موثر در انتقال حرارت گردید که
هدف از این کار به دست آوردن مقادیر بهینه از پارامترهای هندسی جهت استفاده در عملگر
بود.
صفحه 19:
نتیجه گیری
TTT MMA
نتایج نشان دهنده لین بود که اين روش برای تسریع روند سرمایش این آلیاژها موثر و مناسب
است. بخش بعدی در طراحی عملگرها مربوط به مدلسازی دینامیکی و به دست آوردن زاوبه
خروجی آن بود. با الهام از نحوه قرار گیری عضلات بازو وبا استفاده از دو SMA و دو کوپلر و
یک فنر پیچشی اقدام به طراحی عملگر شد. پاسخ دینامیکی عملگر در لین مدلسازی بررسی و
سپس اقدام به شبیه سازی عملگر جدید ترمو الکتریک گردید. که نشان دهنده لین واقعیت بود
که با استفاده از روش پیشنهادی. زمان پاسخ عملگر تا بیش از 1۵۰ قابل کاهش است.
صفحه 20:
صفحه 21: