采用PMX測控系統對形狀記憶觸覺執行器進行研究
執行器可以幫助人們更安全地操作機器和設備。將事故風險降至最低。比如形狀記憶觸覺信息系統在汽車中的應用。
形狀記憶合金（SMA）可以作為無噪音和輕量化的小型驅動器在極小空間中運行。盡管尺寸很小，但這些驅動器的功率密度是所有已知驅動器中最高的。
作為一個走心的形狀觸覺系統解決方案，首先我們來了解下
——
什么是形狀記憶效應？
形狀記憶元件在馬氏體狀態下發生機械變形，如超過臨界應力，會以穩定的狀態出現高延伸率（高達約8%）。如果隨后溫度升高，由馬氏體轉變為奧氏體狀態時，則會發生形狀記憶元件的重塑。這個過程是遲滯和可逆的 [1]。如圖1所示，通過電加熱，形狀記憶元件可以在狀態1和2之間來回切換。在材料轉換過程中，可以檢測到電阻的顯著變化。
FG線驅動器通常由鎳鈦合金組成，在連續操作中可產生400兆帕的最大拉應力，一次操作時可產生800兆帕的最大拉應力[2]。例如，一根1g自重的FG線可以移動5000g的負載。由于上述特性，通過形狀記憶效應可以設計出非常輕巧和緊湊的觸覺元件。
圖2展示了弓形FG驅動器。鉸鏈式FG線兩端通過機械裝置夾緊，中間部分與執行機構連接。這個執行器可以用來向人類傳遞觸覺刺激。
力觸覺功能梯度制動器的特點是其定位特性。在這里，準靜態刺激可以被傳遞，通過觸覺受體進行區分，在強度方面比振動執行器更好。
接下來，我們通過一幅圖，讓大家更直觀地了解一個理念——通過觸覺感受，實現汽車與人的智能交流。
1)汽車中的控制單元，
2)傳感器和控制單元之間的數據總線系統，
3)帶集成放大器輸出的傳感器系統，
4)障礙物，
5)腳踏板區域，
6)方向盤區域，
7)座椅區域，
8)腰部區域，
9)背部區域，
10)帶集成電子設備的油門踏板，
11)觸覺鞋，
12)測量和控制觸覺執行機構，
13)感應接口，
14)根據圖2的FG執行機構，
15)FG執行機構的電子設備，
16)電源模塊-如電容器或蓄電池
圖3顯示了用于汽車的
觸覺信息反饋系統
。車輛通過傳感器檢測環境條件，例如行駛時與其他車輛的距離、停車時的障礙物或檢測附近的危險等。例如，該信號可由超聲波傳感器檢測并轉發給控制單元。
現在，觸覺刺激信息可通過各種皮膚受體傳遞給駕駛員。如4)所示，可通過方向盤上的
模擬觸覺元件
傳輸與前方車輛的距離信息，或在座椅中產生位置相關的刺激，例如在座椅腰部區使用相關執行器。
刺激感知的一個特別有趣的點也是腳部區域。將執行器集成到鞋子中來實現。在足弓區域，可以使用FG執行器可以產生2 mm的最大行程。也就是說執行器行程超出了鞋底1.2毫米厚度的不敏感區，可產生了5 N的最大刺激，行程為0.8毫米。然后通過無線信息傳輸與控制單元建立連接。
為了評估這一概念，需要將FG執行器安裝在鞋內后足弓區域，并且觸覺銷需穿透鞋底，以確保能到達鞋內足弓區。
測試由帶有控制和Codesys編程功能的PMX通用測量放大器進行。FG驅動器行程以及觸覺信號的刺激強度由電位傳感器檢測并發送到測量放大器。FG執行器的觸發是通過事件控制的，根據伺服電機對鞋子的負載激勵，可以測量FG執行器的行程。
在周期循環開始時，控制器發出關閉繼電器的信號，關閉電源和被測執行器之間的電路，FG導線縮短，原理如圖2所示。實驗裝置如圖4所示。
1)實驗室電源，2)繼電器卡，3)集成 PLC 功能的通用放大器 PMX，4)電阻力傳感器，6)電位傳感器，7)帶內置觸覺FG執行器的男鞋，8)三腳架，9)用于產生觸覺刺激的FG執行器
PMX測量放大器為測試臺提供了一種量身定制的解決方案。其靈活的設計允許使用多種傳感器進行精確測量，并可通過數字輸入和輸出以及CODESYS軟件PLC控制整個試驗臺。所有測量值均以20kHz采樣，并可通過以太網接口在HBM CATMAN軟件上進行可視化和存儲。
在接下來的實驗中，還模擬了鞋內的壓力負荷，類似于步行時的壓力負荷。兩個伺服電機被用來在鞋底產生壓力。圖6顯示了相關的動態測量過程（隨時間變化）。
制動加載，FG 執行器上的負載也會改變。如果行程達到零位，則關閉FG導線的電流并打開負載。如果執行機構仍處于奧氏體狀態，它會被機械力拉長，或經歷假彈性應變。關閉反作用力后，FG執行器現在跳回到擴展位置，這取決于其轉換溫度。用戶可以注意到的，脈沖時間只有4秒。
圖5 在電流脈沖為2.8A和1.2V的情況下，在無機械負載的情況下進行FG執行器測量的試驗結果。在試驗中，使用直徑為0.5mm的FG導線，可產生最大11N力和2.7mm行程。實驗中行程限制在2毫米以內。
圖6 在電流脈沖為2.8A和1.2V的情況下，機械載荷（前后）FG執行器的測量結果。在實驗中，使用直徑為0.5mm的FG線，可產生最大11N力和2.7mm行程。實驗中行程限制在2毫米以內。
“這里列出的基本信息是‘基于形狀記憶因素的適宜觸覺反饋元件’項目的一部分（由 BMBF 科學項目資助）。由于PMX測量系統精確且易于編程，能夠在短時間內完成測試。PMX作為測試的控制系統同時，并可作為數據采集（DAQ）用于以后的測試評估。
“機械設計和測試是產品開發的基礎，在進一步的研究過程中，這些技術將轉移到機器安全、汽車技術和服裝工業。”Alexander Czechowicz 博士在項目介紹會上如此評論。
ZAF是應用形狀記憶技術中心簡稱，是工具和材料的研究基金會成員，主要面向工具和刀具行業、固態成形、汽車、精密機械、機床和閥門技術等工業進行研究和項目開發，是德國 Wuppertal Bergische 大學的一個研究所。
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