Bundling shape memory alloy wires to improve frequency response and payload lifting capability

Abstract

Şekil hafızalı alaşımlar (ŞHA), adından da anlaşılacağı üzere, yaklaşık 700°C'de verilmiş, ilk şekillerini hatırlayan alaşımlardır. Alaşım, elastik olmayan ve bir limite kadar olan şekil değişimlerini aynen korur. Fakat ısıtıldığında, gerçekleşen bu deformasyonlar ortadan kaybolur ve alaşım ilk şeklini alır.Alaşımın, martenzit ve östenit olarak adlandırılan ve şekil değişimlerine sebep olan iki ana fazı bulunmaktadır. Bu iki ana faz arasındaki geçişler sıcaklık değişimiyle sağlanır. Martenzit fazı, malzeme soğukken içinde bulunduğu fazdır ve malzeme bu fazda deforme edilir. Malzemenin ısıtılmasıyla, martenzit fazından östenit fazına geçiş başlar. Östenit fazında ise, malzemenin kristal yapısı ilk halini alır ve malzeme deformasyondan önceki şekline dönmüş olur. Dolayısıyla, alaşımın şeklini değiştirmenin yolu, dışardan bir ısı kaynağıyla ya da malzemenin içinden akım geçirerek malzemeyi ısıtmaktır. Bu da, alaşımın içinden geçen akımı kontrol ederek malzemenin şeklini kontrol etme olanağı sağlar.Son yıllarda, hafif ve küçük eyleyici teknolojisi gereksinimi, şekil hafızalı alaşımların da öne çıkmasına olanak sağladı. Bu alaşımlar, gürültüsüz çalışma, istenilen ebatta hazırlanabilme, kütlesine oranla yüksek güç sağlayabilme gibi önemli avantajlara sahiptir. Ayrıca fiyatının uygun olması ve basit bir yapıya sahip olması da avantajları arasındadır. En önemli dezavantajlarından bazıları ise, verimliliğinin düşük olması, çalışabildiği frekans aralığının dar olması ve düşük yük taşıma kapasitesidir, bununla birlikte gösteridiği histerizis davranış, alaşmın kontrolünü zorlaştırmaktadır.Yapay kas veya kas benzeri eyleyiciler gibi biyomedikal ve robotik alanlarında kullanılabilmesi için, bu dezavantajlardan bazılarını ortadan kaldırmak amacıyla; taşınabilecek yükü, frekans cevabını kötüleştirmeden artırmak bu çalışmanın hedefini oluşturmaktadır.Bu doğrultuda, iki temel yaklaşım baz alınabilir: ilki, tel sayısını artırmak taşınabilecek yük kapasitesini de artırmaktadır. Fakat bu, aynı zamanda daha fazla ısı ve ısıdaki artışa nispeten daha küçük bir yüzey alanı genişlemesi olduğundan, soğuma süresi artacak ve tellerde, bir sonraki etkinleştirme için daha fazla gecikmeye neden olacaktır. Dolayısıyla, frekans cevabı kötüleşecektir. Taşınabilecek yükün artırılmasının bir diğer yolu, aynı zamanda bu çalışmada da izlenen yol, ise küçük çaplı alaşım teli sayısını artırmaktır. Tel sayısının artırılması kaldırılabilecek yükün artırılması demek olduğu gibi, aynı zamanda daha geniş yüzey alanı demektir. Bu da daha kısa soğuma süresi ve daha iyi bir frekans cevabı olarak alaşımın davranışına yansımaktadır. Bu çalışmada da incelenen, ince tellerin demet haline getirilerek daha fazla yükü frekans cevabını kötüleştirmeden kaldırabilmesini sağlamaktır. Bu çalışma, mekanik, elektronik ve yazılım kısımları olmak üzere, üç ana kısımdan oluşmaktadır.Elektronik kısmında, daha önce başka bir çalışmada tasarlanmış ve kullanılmış olan, iki şekil hafızalı alaşım sürücü devresi ve bir tane veri toplama kartı bulunmaktadır. Tel sürücü, veri toplama kartından gelen sinyali referans alarak bir akım çıkışı üretir ve bu akımla teli sürer. Teli gönderilen akımın referans sinyalini takip edebilmesi için, devre üzerinde bir PI kontrol gerçekleştirilmiştir. Devre çıkışı, 10 volt girişe karşılık, 1 amper çıkış üretmektedir, yani çıkışın girişe oranı 1/10'dur. Her ne kadar devre kendi içerisinde kapalı çevrim çalışsa da yazılıma akım takibi konusunda herhangi bir geri besleme gelmediğinden genel olarak açık çevrim çalışmaktadır. Akım bilgisi geri besleme olarak yazılıma gönderilmek yerine, tel üzerindeki gerilim düşümü kart tarafından algılanmakta ve yazılıma gönderilmektedir. Bunun yanısıra, referans sinyali de yazılım tarafından belirlendiğinden ve tele gönderilen akım bu sinyalin 1/10'u olduğundan, bu iki verinin birbirine bölünmesiyle telin direnci hesaplanabilmektedir. Elektronik kısmının bir diğer elemanı olan veri toplama kartı ise, konum okuyucudan aldığı konum bilgisini ve tel üzerindeki gerilim düşümü bilgisini yazılıma göndermekle sorumludur. Ayrıca, akım referans sinyalini de tel sürücüye iletmekle görevlidir. Mekanik kısım, şekil hafızalı alaşım tellerinden, 150 gramlık bir yükten ve yükün konumunu ölçmek için kullanılmış olan, doğrusal değişimli diferansiyel transformatörden (DDDT) oluşmaktadır. Yük, dikey konumlandırılmış tellerin ucuna bağlı olup, diferansiyel transformatöre de mekanik olarak monte edilmiştir. Dolayısıyla, alaşım etkinleştirildiğinde, telin boyu değişecek, yük hareket edecektir. Konumu değişen yük ile konum ölçer birlikte hareket ettiğinden, yükün son konumu konum ölçer tarafından okunmuş olacaktır. Kullanılan yük 150 gram olup, sırasıyla iki adet 76 µm, bir adet 100 µm ve bir adet 150 µm çaplı tellerin ucuna bağlanmıştır. Tellerin, her birinin boyu yaklaşık 30 cm'dir. Sistemin yazılımı, National Instruments firması tarafından piyasaya sürülmüş olan, LabVIEW ortamında grafik arayüz kullanılarak hazırlanmıştır. DDDT'yi beslemek ve referans voltajını göndermek için iki analog çıkış; konumu ve tel üzerindeki voltaj düşüşünü okumak için de iki analog giriş kullanılmıştır. Bu giriş ve çıkışlar kullanılarak, farklı frekanslardaki (0.1-7 Hz arasında) sinüs sinyalleri, tel sürücüye referans sinyali olarak gönderilmiştir. Yükün konum değişimi, sistemin çıkışı olarak okunmuş ve hem açık çevrim, hem de kapalı çevrimde bode grafikleri elde edilmiştir. Her tel için bu grafikler hazırlanmış ve frekans cevaplarının karşılaştırılması yapılmıştır.Giriş sinyali genlikleri, teller farklı akımlarda etkinleştirildiğinden, üretici firmanın vermiş olduğu verilere göre belirlenmiştir.Açık çevrim frekans cevabı sonuçları aşağıdaki gibidir:-Telin çapının genişletilmesi, telin soğuması daha çok zaman aldığından, daha yavaş bir etkinleşmeye neden olmuştur.-Daha ağır yüklerde, yükün yer değiştirmesi daha fazla olmuştur. Fakat buna bağlı olarak, daha fazla yük, sisteme daha fazla gecikme getirmiştir.-76 µm çaplı bir tel, 80 gram yük taşıyabilmektedir. Tel sayısı ikiye katlandığında taşınabilecek yük de 160 grama çıktığından, 150 gram taşıyabilen 100 µm'lik bir alaşım telinden daha fazla yük taşınmış olacaktır. Diğer yandan, 76 µm'lik tel soğumak için 0.8 saniyeye ihtiyaç duymaktadır, ki bu süre, 100 µm'lik telin soğuma süresinin % 72'sini, 150 µm'lik telin soğuma süresinin ise % 40'ını teşkil etmektedir. Çaptaki, 24 µm'lik bir artış bile, yüksek frekanslarda daha belirginleşen, yaklaşık % 30'luk bir geç soğumayla sonuçlanmaktadır.-Fazda 180 derecelik bir gecikme, 76 µm'lik telde 5 Hz'de, 100 µm çaplı telde 2 Hz'de gerçekleşmektedir. 150 µm çaplı telde ise 1.2 Hz'de yük, 0.05 mm yer değiştirmiştir. Tellerin boylarındaki değişim ise, tel ikiye katlanarak kullanıldığından, bu yer değiştirmelerin iki katıdır. Dolayısıyla çapı genişletmek, zaten dar olan, telin çalışabildiği frekans aralığını da daraltmaktadır. -2 Hz'lik bir giriş sinyaline karşılık, ucunda 150 gramlık yük bağlanmış olan tellerden, 76 µm'lik iki tel, yükün konumunu 4.3 mm, 100 µm'lik tek tel 5 mm ve 150 µm'lik tel ise 0.8 mm değiştirmiştir. Yaklaşık 300 gramlık bir yük kullanılması durumunda ise, 150 µm'lik tel 0.8 mm yerine 1.6 mm yer değiştirmiştir ki bu da yük arttıkça konum değişiminin belli bir limite kadar arttığının göstergesidir.-Daha önce de belirtildiği gibi, iki 76 µm'lik ŞHA teli, tek 100 µm'lik ŞHA telinin taşıyabileceği yükü taşımış ve yüksek frekanslarda daha hızlı soğuma gerçekleştirmiştir. Teorik olarak, 76 µm'lik telin, 150 µm'lik telin taşıyabileceği maksimum yükü taşıyabilmesi için ise, iki adet daha 76 µm'lik ŞHA teline ihtiyaç vardır.Teller, kapalı çevrim kontrol edildiğinde ise sonuçlar aşağıdaki gibi olmaktadır:-Kontrolör, tellerin daha hızlı ısınmasını sağladığından ve hata azaldıkça etkinleştirme akımını da azalttığından, tellerin kasılma süresi kısalmıştır. Soğuma süresince herhangi bir akım gönderilmediğinden, kontrolörün soğuma kısmında etkisi olmamıştır.-Açık çevrimde, 0.2 hertz frekansta, 76 µm ve 100 µm teller yaklaşık 50 derecelik bir gecikme ile kasılmışlardır. Aynı durum 150 µm'lik telde 70 derecelik gecikmeyle gerçekleşmiştir. Çevrim kapalı hale getirildiğinde ise, bu gecikmeler 0.2 hertz yerine 2 hertzde gerçekleşmiştir. Kapalı çevrimde, 0.2 hertz frekansında herhangi bir gecikme olmadan, teller, giriş sinyalini takip etmiştir.-1 hertzde, mutlak genlik değeri, 76 ve 100 µm çaplı teller için 0.5'ten az iken, 150 µm çaplı tel için bu değer 0 civarındadır. Çevrim kapalı hale getirildiğinde, genlik değeri ince teller için 0.5 civarından 1'e yükselirken, 0 civarı olan kalın telin genlik değeri 0.3'e yükselmiştir.-Kapalı çevrim kontrollü telin kalınlığının az bir miktar artırılması frekans cevabını etkilemezken, çap iki katına çıkarıldığında, demet olarak kullanım hem genlik değerini iyileştirmekte hem de gecikmeyi azaltmaktadır. Fakat 76 µm çaplı telin, iki katı çaptaki tel ile aynı yükü kaldırabilmesi için, demetteki tel sayısını da 4'e çıkarmak gerekmektedir.-Yükün etkisi, genliği artırma olarak açık çevrimde hissedilirken, kapalı çevrimde etkisi oldukça azdır.Şekil hafızalı alaşımların, yapay kas gibi biyomedikal uygulamalarda kullanımında, kalın tel yerine, ince tellerin demet olarak kullanılmasının, frekans cevabını kötüleştirmeden daha fazla yük taşıyabilmek adına, daha efektif olduğu sonucuna varılmıştır. Demet haline getirilen tellerin, makaralarla paralelleştirmek yerine, mekanik olarak paralel kullanımı, eyleyicinin uzun ömürlü olması açısından, faydalı olduğu da varılan sonuçlar arasındadır.

Shape memory alloys (SMA), as the name implies, memorize their original shape, which is given at about 700°C. Severe deformations at low temperatures remain until alloy is heated up. In return of heating, alloy remembers and gets its original, pre-deformed shape. There are two main phases, called martensite and ostenite, causing shape changes of the alloy. Transition between these two phases happens based on temperature changes. Martensite phase occurs when material is cold and that is the phase where deformation takes place. Heating leads material to alter from martensite to ostenite. Then the alloy goes back to its pre-deformed shape by relocating its crystal structure with heat. So, heat is the way of managing of SMA phase transitions which is created either by an outside heat source or by current passing throughout the material. Thus, it is feasible to control position of SMA by controlling the current. In recent years, the need of lightweight and small actuation technology leads to shape memory alloys to put on the table that have quite promising properties such as high power to mass ratio, easy to establish and noise free working. They provide the opportunity to take conventional actuators' place in many applications; thus encouraging the development of advanced actuators with a noticeable decrease of cost and complexity. While targeting this, there are some drawbacks, such as poor efficiency, low weight lifting capabilities and poor frequency response. In addition, control of SMA becomes a challenge because of hysteresis behavior of the alloy.Handling couple of SMA drawbacks of it usage as an actuator or an artificial muscle, such as increasing weight lifting capability and improving frequency response, are the main aims of this research. There are two approaches for a heavier payload that SMA can lift: the easiest way is to use a wider wire. Since thick SMA wire requires more time for cooling after actuation, the wire will be ready seconds afterwards for the next actuation. Consequently, increasing the diameter of the SMA wire results in a good weight lifting capability, in contrast it makes frequency response even worse. Other approach of improving the payload capability, which is followed in this research, is to bundle an increased the number of SMA wire. The more SMA wire means the more weight lifting capability and the wider surface area. And the fruit of using wider surface area is a shorter cooling time, which results in a better frequency response. All in all, by increasing the number of wire, it is subjected in this research that to get a faster cooling time with the same payload capabilities with a wider SMA wire.There are three main parts of the experimental setup used in this work: electrical, mechanical and software parts. Electrical part consists of two SMA wire drivers which were already built for another research and a data acquisition card (DAQ). Wire driver is responsible from sending current to the wire based on the reference voltage received from DAQ card. In order the current to follow the reference value, a PI control was implemented. Controller gains are defined to provide 1 amperes output in return for a 10 volts input. The driver has a closed loop so the output, which is SMA wire actuation current, that follow the reference. However, the loop is closed within the driver and it is not sending back any current feedback to software. Instead, wire driver sends voltage drop value on the SMA wire to data acquisition card as a feedback. Since current value is already known, which is 1/10 of the reference value, it is easy to calculate wire resistance in software by dividing voltage drop value to current value. DAQ card is responsible from acquiring reference voltage data from software and send them to SMA wire drivers. In addition, it delivers voltage drop value from driver card to software.Mechanical part comprises SMA wires lifting a load (150 gr) and a LVDT (Linear Variable Differential Transformer) to measure displacement of load. Load is placed on a vertical linear guide and core of LVDT is mounted on load. When SMA wire is actuated, it causes the load to displace which in turn leads to core displacement so that LVDT can measure and sends the position data to software. Respectively, two SMA wires with 76 µm diameter, one wire with 100 µm diameter and one wire with 150 µm diameter is screwed carrying same load, 150 gr. Wire length is same for three wires, 30 cm.Software part built within LabVIEW, using graphical interface, and has two analog outputs: powering up LVDT and sending reference voltage value to the SMA wire driver via DAQ card and two analog inputs: reading position and voltage drop value of SMA. By utilizing these analog inputs and outputs, a sine wave signal at different frequencies (between 0.1 Hz and 7 Hz) is sent as reference signal to the driver. And Bode graph is plotted for three wires with different diameter to compare their frequency responses. Input signal magnitudes are chosen based on the approximate current value for 1 second given in the manufacturer website.Open loop and closed loop tests are carried out and open loop results show that, - Increasing the diameter of the wire results in a slow actuation, since the wire needs more time to cool down.- For heavier payloads, gain is increasing which means displacement of load becomes longer. However, as a drawback, the heavier the load leads to the larger delays.- An SMA wire with 76 µm diameter can carry 80 gr load. Doubling the number of the wire increases the payload lifting capability to 160 gr which is higher than 100 µm wire's weight lifting capability. On the other hand, 76 µm wire needs 0.8 second to cool down which is 72% of cooling time of 100 µm wire and 40% cooling time of 150 µm wire. Even 24 µm widening of the wire results in about 30% slower cooling time, which is more obvious at relatively high frequencies.- Phase delay is 180 degree at 5 Hz for 76 µm wire, 2 Hz for 100 µm wire under 150 gr loading. For the same load, 150 µm wire displaces the load 0.05 mm at 1.2 Hz. Since the wires are twofold, the variation of wire length is actually double of these displacements. Bearing mind that the narrow bandwidth of SMA wires, widening the diameter of SMA wire ends up with a drastically reduced bandwidth. - For a 0.2 Hz input signal, displacement of the load, which is 150 gr, is 4.3 mm for 76 µm wire, 5 mm for 100 µm wire and 0.8 mm for 150 µm wire. Using about 300 gr payload instead of 150 gr leads 150 µm SMA wire to displace 1.6 mm instead of 0.8 mm.- Two SMA wires with 76 µm diameters have the same payload lifting capability with one SMA wire with 100 µm diameter. In addition, as mentioned before, two 76 µm SMA wires are about 30% faster than 100 µm SMA wire. Additionally, in theory, it requires two more SMA wires with 76 µm to have the same weight lifting capability with one SMA wire with 150 µm diameter. On the other hand, outcomes of the closing the control loop are;- Controller makes the SMA wire contract faster. Since the controller first starts with maximum current to contract the wire rapidly, then decreases the actuation current while the error becomes smaller. Because of the fact that, no current flows during cooling cycle; closed loop control has no influence on cooling.- In open loop experiments, at 0.2 hertz, 76 µm and 100 µm wires respond to input signal with about 50 degrees of delay. 150 µm wire has a delay about 70 degrees. Closed loop control is eliminated these delays and the all three wires can follow the sine input without any delay at 0.2 hertz. - Phase delays occuring at 0.2 hertz in case of open loop experiments takes place at about 2 hertz for the closed loop controlled experiments.- Absolute gain is less than 0.5 for 76 µm and 100 µm wires and almost zero for 150 µm at 1 hertz. At the same frequency, it is about 1 for 76 µm and 100 µm wires and 0.3 for 150 µm at 1 hertz. It can be concluded that, closed loop control of the wires is quite beneficial for both pursuing input signal and displacement of the load.- Bundling the wires is very effective to accelerate the response and makes evident difference in open loop experiments. - In closed loop experiments, for small increase in diameter of the wire, bundling does not differ much. However, in case of 76 µm and 150 µm wires, instead of doubling diameter of the wire, it would be more useful, especially for longer displacement at high frequencies, to use 4x76 µm wires in parallel to carry the same load. Since 150 µm wire has a 320 gr payload capability and it is 80 gr for the 76 µm wire. - Payload has an effect on displacement in open loop experiments but closed loop controlled wire does almost not effected from the load.Usage of SMA wires in biomedical applications such as artificial muscle, instead of using a thicker wire, it is the most efficient way to bundle the increased the number of thinner wire in order to obtain a faster and powerful muscle. Mechanically parallel bundled SMA wires are more effective than one wire bundled using pulleys, that is, mechanically serial mounted. Since, in case of a damage of a wire does not make the whole actuator or muscle out of use.