Frekans Cevabının İyileştirilmesi ve Taşınabilecek Yükün Artırılması için Şekil Hafızalı Alaşımların Demet Olarak Kullanılması

Transkript

1 Frekans Cevabının İyileştirilmesi ve Taşınabilecek Yükün Artırılması için Şekil Hafızalı Alaşımların Demet Olarak Kullanılması S. Dindar * Ş. Ertuğrul TÜBİTAK Ulusal Gözlemevi İstanbul Teknik Üniversitesi Antalya İstanbul Özet Gelişen teknolojiyle birlikte, hafif ve küçük eyleyici teknolojisi ihtiyacı, son yıllarda Şekil Hafızalı Alaşımların (ŞHA) öne çıkmasını sağlamıştır. Biyomedikal uygulamalarda ve özellikle yapay kas benzeri tasarımlarda bilinen eyleyicilerin yerini almaya başlamıştır. Bu alaşımların gürültüsüz çalışması, kütlelerine oranla güçlerinin yüksek olması ve istenilen ebatta kullanılabilmeleri, öne çıkan özelliklerinden bazılarıdır. Birçok önemli artısının yanı sıra düşük verimlilik, düşük güç ve yavaş çalışmaları şekil hafızalı alaşımların geliştirilmesi gereken özelliklerindendir. Şekil hafızalı alaşımları demet halinde kullanmak, taşınabilecek yükü ve frekans cevabını birlikte iyileştirmenin en verimli yollarından biridir. Bu amaçla, konum algılayıcı, sürücü ve birden fazla alaşım telini içeren bir test düzeneği ile deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Kapalı ve açık çevrimde, farklı referansların izlenmesi sırasında zamana bağlı olarak, direnç, akım, yer değişimi ilişkileri incelenmiştir. Anahtar kelimeler: şekil hafızalı alaşım, frekans cevabı, kas benzeri eyleyici, yapay kas Abstract In recent years, the need of lightweight and small actuation technology leads to shape memory alloys (SMA) to put on the table that have quite promising properties such as high power to mass ratio, noise free working and decreased cost and complexity. SMAs are well fitted for biomedical applications and especially muscle like actuators. Along with many advantages, low power and slow actuation are properties that need to be improved. Bundling SMAs is a useful way of providing heavier weight lifting capability and better frequency response. For this purpose, experiments are carried out by employing a setup including position sensor, SMA wires and wire drivers. While analyzing frequency responses of the open loop and closed loop controlled wires, displacement, resistance and current relations have also been investigated. Keywords: artificial muscle, frequency response, muscle like actuator, shape memory alloy I.Giriş 1 Şekil hafızalı alaşımlar, yaklaşık 700 C de verilmiş, ilk şekillerini hatırlayan alaşımlardır. Alaşım, elastik * saniye.dindar@tubitak.gov.tr seniz@itu.edu.tr 1 olmayan ve bir limite kadar olan şekil değişimlerini aynen korur. Fakat ısıtıldığında, gerçekleşen bu şekil değişimi 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, dışarıdan 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 [1]. Yapay kas veya kas benzeri eyleyici olarak biyomedikal ve robotik alanlarında kullanılabilmesi [2, 3, 4, 5, 6] için, düşük verimlilik, düşük güç ve yavaş çalışma gibi dezavantajları ortadan kaldırmak amacıyla; taşınabilecek yükü, frekans cevabını kötüleştirmeden artırmak bu çalışmanın hedefini oluşturmaktadır. Bu doğrultuda, iki temel yaklaşım temel 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 [7]. 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. II. Test Düzeneği Şekil 1 de görüldüğü gibi, düzenek, mekanik ve elektronik olmak üzere iki kısımdan oluşmaktadır.

2 Şekil. 1. Sistemin genel görünümü [8] Elektronik kısmında, Şekil. 2 de görüldüğü gibi, çalışmanın bir önceki aşamasında tasarlanmış ve kullanılmış olan [9], iki tane 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, 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 yanı sıra, 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 3 de görüldüğü gibi, 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 değişmekte ve yük hareket etmektedir. Konumu değişen yük ile konum ölçer birlikte hareket ettiğinden, yükün son konumu konum ölçer tarafından algılanmaktadır. 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. Şekil. 3. Test yükü, konum algılayıcı ve ŞHA telleri [8] Sistemin yazılımı, 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 Diyagramları elde edilmiştir. Üç farklı çaptaki tel için grafikler hazırlanmış ve frekans cevaplarının karşılaştırılması yapılmıştır. Giriş sinyali genlikleri, teller farklı akımlarda etkinleştirildiğinden, üretici firmanın belirlediği verilere göre belirlenmiştir. II. Frekans Cevabı Analizi A. Açık çevrim frekans cevabı analizi Testlerde, üç farklı çaptaki ŞHA telinin farklı frekanslardaki (0.1-7 Hz) etkileştirme sinyaline karşılık, yükün yer değiştirmesi incelenmiştir. Şekil 4 te tellerin Şekil. 2. Sistemin temel elemanları [8] 2

3 giriş sinyaline karşılık, yükün konum bilgisi arasındaki genlik oranları ve faz farkı ölçülerek çizdirilmiştir. 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. 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. Şekil 6 da verilen, paralel bağlı çapındaki tellerin voltaj düşüm değeri, sürücü devrede kullanılan direnç değerleri nedeniyle, tel üzerindeki gerçek voltaj düşüşünün 1/3 üdür. Şekil. 6. Paralel bağlı çaplı tellerin 0.4 hz de konum, gerilim ve giriş sinyalleri [8] B. Kapalı çevrim frekans cevabı analizi B1. Kapalı çevrim kontrol Sistemin kontrolü Şekil.7 deki gibi gerçekleştirilmiştir. Şekil. 4. Tellerin açık çevrim Bode Grafiği [8] 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, telin çalışabildiği frekans aralığını daha da daraltmaktadır. Şekil 5 te görüldüğü gibi, direnç ve konum grafiği doğrusala yakındır. Bu doğrusallıktan faydalanılarak, direnç ve konum arasında ilişki kurularak, algılayıcı kullanılmadan konum bilgisi tahmin edilebilir. Bu şekilde konum ve direnci ilişkilendirme, algılayıcı kullanılamayacak kadar dar alanlarda, konumun kestirilmesini sağlayacaktır. Şekil. 7. ŞHA tellerin kapalı çevrim kontrol diyagramı [8] İnce ve kalın tellerin kapalı çevrimde kontrol edildiğinde, giriş referans sinyaline karşılık yükün konumu Şekil 8 ve 9 da verilmiştir. Şekil. 8. Paralel bağlı çaplı tellerin 0.5 hz de kapalı çevrim kontrol cevabı [8] Şekil. 5. Paralel bağlı çaplı tellerin 0.5 hz de konum direnç grafiği [8] 3 Şekil çaplı telin, 0.2 hz de kapalı çevrim kontrol cevabı [8]

4 İnce telin 0.5 Hz de verdiği cevabı kalın tel ancak 0.2 Hz de verebilmektedir. Denetleyici, tellerin daha hızlı ısınmasını sağladığından ve hata azaldıkça etkinleştirme akımını da azalttığından, tellerin kısalma süresi belirgin olarak azalmıştır. Soğuma süresince herhangi bir akım gönderilmediğinden, denetleyicinin soğuma kısmında etkisi olmamıştır. Dolayısıyla kalın telin uzun soğuma zamanı aynı kalmıştır. B2. Kapalı çevrim frekans cevabı Açık çevrimde, 0.2 Hz 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, (Şekil.10) bu gecikmeler 0.2 Hz yerine 2 Hertzde gerçekleşmiştir. Kapalı çevrimde, 0.2 Hz frekansında herhangi bir gecikme olmadan, teller, giriş sinyalini takip etmiştir. Şekil. 10. Tellerin kapalı çevrim bode grafiği [8] 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, genlikler oranı ince teller için 0.5 civarından 1 e yükselirken, 0 civarı olan kalın telin genlikler oranı 0.3 e yükselmiştir. Yükün etkisi şekil 11 de gösterilmiştir. Şekil. 11. Kapalı çevrimde yükün etkisi [8] Yükün sistem cevabına etkisi, genliği artırma olarak açık çevrimde hissedilirken, şekil 11 de görüldüğü gibi, bu etki kapalı çevrimde, düşük frekanslarda oldukça azdır, yüksek frekanslarda da faz gecikmesini artırma yönünde az da olsa etkisi görülmüştür. 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. IV. Sonuçlar 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. Sisteme denetleyici eklenmesi, telin ısınmasını hızlandırmıştır. Fakat soğuma, tel kalınlaştıkça yavaşlamaya devam etmektedir. Diğer yandan tellerin demet halinde kullanılması, hem ısınmayı hem de soğumayı hızlandırırken telin taşıyabileceği yükü de artırmıştır. Taşınan yükün ağırlaştırılması, açık çevrimde yükün yer değiştirmesini artırırken, kapalı çevrimde, özellikle 1 Hertz in altında herhangi bir etkisi görülmemektedir. Konum direnç arasındaki doğrusala yakın ilişki, hacmin sınırlı olduğu uygulamalarda kullanılabilir. Bu ilişki eğri uydurma yöntemi ile yapılabilir ve konum algılayıcı kullanılmadan, konum bilgisi tahmin edilebilir (self-sensing) [10, 11]. Bu da yapay kas ve biyomedikal uygulamalarında önemli avantaj sağlayacaktır. Tellerin mekanik olarak paralel, elektriksel olarak seri bağlanması, telleri etkinleştirme akımını sabit bırakırken, gerilimin artmasına neden olacaktır. Elektriksel olarak paralel bağlanması ise, gerilimin aynı kalmasını ve akımın artmasını sağlar. Seçimin, sürücü kartın akım ve gerilim kapasitesine göre yapılması veya bağlantı şekline göre demet halindeki telleri besleyebilecek sürücü tasarımı uygun olacaktır. Demet haline getirilen tellerin, makaralarla paralelleştirmek yerine, mekanik olarak paralel kullanımı, eyleyicinin uzun ömürlü olması açısından, faydalı olduğu da varılan sonuçlar arasındadır [8]. Kaynakça [1] Dönmez B., Özkan B. and Kadıoğlu S. Precise position control using shape memory alloy wires, Turkish Journal of Electrical Engineering and Computer Science /elk , [2] Coral W., Rossi C., Colorado J., Lemus D. and Barrientos A. SMAbased muscle-like actuation in biologically inspired robots: A state of the art review. t.y. [3] Duerig T.W., Pelton A. and Stöckel D. An overview of nitinol medical applications. Mater Sci Eng, 1999; :149-60,

5 [4] Kim S., Hawkes E., Choy K., Joldaz M., Foleyz J. and Wood R. Artificial muscle fiber using niti spring for soft robotics. In: IEEE/RSJ International conference on intelligent robots and systems. IEEE: 2009 p , [5] Song C. History and current situation of shape memory alloys devices for minimally invasive surgery. Open Med. Dev. J 2010;2:24-31, [6] Zhang J. and Yin Y. SMA-based bionic integration design of selfsensor-actuator-structure for artificial skeletal muscle. Sensors and Actuators A: Physical, [7] Mosley M. J., Mavroidis C., Pfeiffer C., Design and Dynamics of a shape memory alloy wire bundle actuator, t.y. [8] Dindar S. Bundling shape memory alloy wires to improve frequency response and payload lifting capability, Yüksek Lisans Tezi, İTÜ, [9] Tağlıoğlu G. B. Position and speed control of shape memory alloys for usage as actuators, Yüksek Lisans Tezi, İTÜ, [10] Lan C.C., Fan C.H., An accurate self-sensing method for the control of shape memory alloy actuated flexures, Sensors and Actuators A: Physical /j.sna 18 July, [11] Wang T.M., Shi Z.Y., Liu D., Ma C., Zhang Z.H. An accurately controlled antagonistic shape memory alloy actuator with selfsensing. Sensors, ISSN ,