A study of the fast phase transformation of Shape-memory alloy wires and its application to tactile display and bidirectional tactile communication

形状记忆合金丝快速相变及其在触觉显示和双向触觉通信中的应用研究

基本信息

批准号：
20H04214
负责人：
澤田秀之
金额：
$ 11.32万
依托单位：
Waseda University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

形状記憶合金(SMA)の相変態は熱の移動によって引き起こされるため、これまでは高速動作が要求されるようなアクチュエーションとその制御には不向きであると考えられていた。申請者らは、SMAの微細ワイヤにパルス電流を流すと、その周波数に同期して300Hzを超える周波数まで、十分に触知覚が可能な振動が発生することを見出した。本申請研究では、SMAワイヤの高速伸縮動作と時間応答を精密に測定して、物性的特性を解明することを目的とする。更に、SMAの変態動作のダイナミクスならびに変態量を正確に制御する手法を確立し、ソフトアクチュエータ、フレキシブルセンサへの応用展開を図る。第２年度となる本年度は、SMAワイヤに与える応力と温度ならびに、その際の変位量の計測値をもとに、最大の変位を与える物理条件について考察をおこなった。次に、Ti-Ni-Cu系SMAワイヤについて微小振動の物理モデルを構築し、有限要素法により高速変態の解析と考察をおこなった。SMAに流すパルス電流値、パルスの周波数およびDuty比を様々に変化させて物理シミュレーションをおこない、実験による変位計側の結果と併せてSMAの高速動作メカニズムについて考察した。更に、SMAワイヤのソフトセンサ・アクチュエータへの応用展開を進めた。まずは人間が指で素材をなぞった際に知覚する触覚感覚を、同様のなぞり動作によって計測できる触覚センサを開発した。本年度は単一センサによって素材をなぞることで得られるデータを取得し、異なる素材について特徴が得られることを確認した。また、5×5のSMA素子を高密度に配置した触覚ディスプレイの構築を進めた。次にSMAワイヤを柔軟なアクチュエータとして応用した魚ロボットを開発した。SMAアクチュエータに流す微小電流を制御することにより、様々な遊泳動作が可能であることを示した。

由于形状记忆合金（SMA）中的相变是由传热引起的，因此它以前被认为不适合需要高速操作的驱动和控制。申请人发现，当将脉冲电流施加到SMA的细线时，可以完全在与该频率同步的300 Hz超过300 Hz同步的频率上完全发生振动。这项申请研究旨在准确测量SMA线的高速拉伸和时间响应，以阐明物理特性。此外，一种用于准确控制SMA转换操作的动力学和转换量的方法，并将应用程序用于软执行器和灵活的传感器。今年是第二年，我们讨论了基于在SMA线上施加的应力和温度以及当时的位移量所测量的应力和温度，这些物理状况给出了最大位移。接下来，我们为Ti-Ni-Cu SMA电线构建了一个微型启动的物理模型，并使用有限元方法进行了分析并检查并检查了快速转换。通过改变SMA的脉冲电流值，脉冲频率和占空比，以及在位移仪表侧的实验结果来进行物理模拟，讨论了SMA的高速操作机制。此外，该公司一直在努力开发SMA电线到软传感器和执行器的应用。首先，我们开发了一种触觉传感器，该传感器可以通过用手指用手指来测量他们在用手指追踪材料时用手指来测量触感的感觉在用手指来追踪材料时所感知的触觉感觉。今年，我们通过使用单个传感器追踪材料来获得数据，证实可以获得不同材料的特性。此外，我们已经开始构建一个以高密度排列的5x5 SMA元素的触觉显示。接下来，我们开发了一种使用SMA电线作为柔性执行器的鱼机器人。已经表明，通过控制流过SMA执行器的小电流，可以进行各种游泳操作。