Tədqiqat, tək bir hava kamerası daxilində həm uzanma, həm də qısalma həyata keçirə bilən Bidirectional Origami-Inspired Soft Pneumatic Actuator (Bi-OSPA) adlı iki istiqamətli yumşaq pnevmatik aktuator hazırlayır. İki istiqamətli yumşaq aktuatorların çoxunda iki antaqonist aktuator və ya bir neçə hava kamerası tələb olunduğu halda, Bi-OSPA-da hərəkətin istiqaməti yalnız tətbiq olunan təzyiqin işarəsi ilə dəyişir: dizaynın normal iş diapazonunda vakuum təzyiqi aktuatoru uzadır, müsbət təzyiq isə aktuatoru qısaldır. Quruluş magic-ball/waterbomb origami həndəsəsindən ilhamlanıb və deformasiyanın böyük hissəsinin materialın həcm üzrə dartılmasından daha çox qat xətləri ətrafındakı fırlanma hərəkəti ilə baş verməsi hədəflənib.

Bu həndəsi yanaşmadan yalnız hərəkət yaratmaq üçün deyil, aktuatorun davranışını analitik şəkildə proqnozlaşdırmaq üçün də istifadə olunub. Tədqiqatçılar düz səthləri təxminən sərt, dağ–dərə və orta müstəvi qatlarını isə xətti burulma yayları kimi modelləşdirib; başlanğıc həndəsə və oxboyu yerdəyişmədən deformasiya olunmuş formanı hesablayan kinematik model hazırlayıblar. Daha sonra virtual iş yanaşması qatlarda toplanan elastik enerji ilə təzyiqin hava kamerasının həcminə gördüyü işi birləşdirərək elastik və çıxış qüvvələrini hesablamaq üçün istifadə olunub.

Aktuatorlar Shore 83A termoplastik elastomerdən FDM 3D çap üsulu ilə fiziki olaraq hazırlanıb. Qatlanma sərtlikləri təzyiq tətbiq edilmədən aparılan kvazi-statik sıxılma təcrübəsindən müəyyənləşdirilib; əldə olunan analitik elastik qüvvə əyrisi eksperimental qüvvə–yerdəyişmə cavabı ilə müqayisə edilib. Mənbədə analitik model ilə təcrübə arasındakı RMSE 0,14 N, təcrübədəki maksimum elastik qüvvə isə təxminən 1,6 N kimi bildirilib. Bununla belə, sərtlik parametrləri eksperimental əyridən kalibrə olunduğu üçün bu nəticə tamamilə müstəqil məlumat üzərində aparılmış kor yoxlama deyil.

Yeddi fərqli Bi-OSPA istifadə edilərək başlanğıc meyl bucaqları \(\phi_0\), təpə bucaqları \(\alpha_0\) və daxili radius \(r_0\) dəyişdirilib; vakuum və müsbət təzyiq altında uzanma, qısalma və izometrik qüvvə ölçülüb. Nəticələr həndəsənin yalnız hərəkət miqdarını deyil, qüvvə istehsalını da güclü şəkildə dəyişdirdiyini göstərib. İzometrik qüvvəyə ən çox təsir edən parametr \(\alpha_0\), daha sonra \(r_0\) və \(\phi_0\) olub. Eyni mütləq təzyiq böyüklüyündə vakuum altında əldə edilən itələmə qüvvəsi ümumilikdə müsbət təzyiq altında əldə edilən dartma qüvvəsindən daha yüksək olub.

Davamlılıq üzrə ilkin təcrübədə \(\phi_0=55^\circ\), \(\alpha_0=45^\circ\) və \(r_0=7\) mm həndəsəli yeni aktuator +60 kPa altında 1000 dövr işlədilib. İlk 50 dövrdə orta pik qüvvə 4,20 ± 0,03 N olduğu halda, son 50 dövrdə 4,04 ± 0,01 N ölçülüb; qüvvənin saxlanması %96,3 olub. Bu nəticə 1000 dövr ərzində performansın böyük hissəsinin qorunduğunu göstərir, lakin uzunmüddətli aktuator ömrü kimi şərh edilməməlidir.

Tədqiqatçılar həmçinin Bi-OSPA-nı Kresling origami əsaslı pnevmatik vahidlə ardıcıl birləşdirərək Kresling quruluşunun vakuum altındakı qısalmasını Bi-OSPA-nın uzanması ilə kompensasiya edib və təxminən saf burulma davranışı yaradıblar. Sistem fiziki olaraq şüşə qapağını çevirmək üçün istifadə edilib. İkinci nümayişdə tək Bi-OSPA bir sərbəstlik dərəcəli robot barmağında müsbət təzyiqlə fleksiyanı, vakuumla isə ekstensiyanı təmin edib. Bu tətbiqlər mexaniki funksiyanın nümayişidir; klinik protez, reabilitasiya və ya insan üzərində təcrübə deyil.

Türkiyə baxımından qiymətləndirmə: Tədqiqat Türkiyədə yumşaq robototexnika, robot tutucular, aşağı sərtlikli insan–robot qarşılıqlı təsir sistemləri, pnevmatik süni əzələlər və 3D çaplı mexatronika üzərində çalışan tədqiqat qrupları üçün birbaşa tətbiq oluna bilən dizayn yanaşması təqdim edə bilər. Xüsusən həndəsənin çapdan əvvəl qüvvə və yerdəyişmə hədəflərinə uyğun tənzimlənə bilməsi istehsal baxımından dəyərlidir. Lakin mövcud nəticələr laboratoriya miqyaslı prototiplərə aiddir; çaplar arasında nəzərəçarpacaq dəyişkənlik var, dinamik model mövcud deyil və dəqiq mövqe idarəetməsi üçün qapalı dövr sensor inteqrasiyası hələ həyata keçirilməyib.

Tədqiqatın həll etməyə çalışdığı əsas problem nədir?

Yumşaq pnevmatik aktuatorların əsas üstünlüyü sərt elektrik mühərriki–reduktor mexanizmləri ilə müqayisədə daha uyğun, yüngül və təhlükəsiz mexaniki qarşılıqlı təsir təmin edə bilmələridir. Lakin tək bir yumşaq pnevmatik aktuatorun eyni ox boyunca həm irəli, həm də geri istiqamətdə hərəkət yaratması asan deyil.

Geniş yayılmış həllərdən biri iki ayrı aktuatoru antaqonist şəkildə istifadə etməkdir: biri bir istiqamətdə hərəkət yaradır, digəri isə əks istiqamətdə hərəkət yaradır. Digər quruluşlarda eyni gövdə daxilində iki və ya daha çox hava kamerası istifadə olunur və hərəkət istiqaməti müxtəlif kameraların növbə ilə təzyiqləndirilməsi ilə dəyişdirilir.

Bu yanaşmalar işləsə də, hava xətti, klapan, idarəetmə və mexaniki quruluşun mürəkkəbliyini artıra bilər. Tədqiqatın hədəflədiyi həll tək hava kamerasında yalnız təzyiqin işarəsini dəyişdirərək iki istiqamətli hərəkət əldə etmək və eyni zamanda bu hərəkəti həndəsədən analitik şəkildə proqnozlaşdıra bilməkdir.

Bi-OSPA-nın origami həndəsəsi haradan gəlir?

Bi-OSPA-nın quruluşu magic-ball origamisinin hərəkətindən ilhamlanır. Magic-ball quruluşunun əsasında waterbomb origami qatlama nümunəsi dayanır. Tədqiqatçılar altı qat xəttli klassik waterbomb vahidini 16 qat xəttli quruluşa genişləndirib və əldə olunan üst yarını baza müstəvisinə görə güzgü əksi kimi yaradaraq alt yarı ilə birləşdiriblər.

Tədqiqatdakı Şəkil 1 bu çevrilməni kağız origami modelindən qatlama nümunəsinə, CAD həndəsəsinə və son pnevmatik aktuatora qədər vizual şəkildə göstərir. Eyni şəklin son paneli mexanizmin təzyiqə verdiyi əsas cavabı aydın şəkildə ayırır:

• \(P=0\): neytral həndəsə,
• \(P<0\): vakuum altında uzanma,
• \(P>0\): müsbət təzyiq altında qısalma.

Həndəsənin əsas parametrləri hansılardır?

Aktuatorun hərəkəti üç əsas müstəqil dizayn dəyişəni əsasında araşdırılır:

• \(\alpha\): üçbucaqlı kəsiyin təpə bucağı,
• \(\phi\): origami səthinin/meylinin həndəsi bucağı,
• \(r\): daxili dairənin radiusu.

Əlavə olaraq \(R\) xarici radiusu, \(h\) aktuatorun hündürlüyünü, \(b\) üçbucaqlı kəsiyin uzunluğunu, \(L\) və \(L'\) piramida qabırğalarının uzunluqlarını, \(\theta\) isə \(L\) ilə \(h\) arasındakı bucağı ifadə edir. Üçbucaqların sayını müəyyən edən \(\beta\) bu dizaynda sabit:

\[ \beta=45^\circ \]

olaraq istifadə edilib.

Model niyə TPE-nin klassik material tənliklərindən birbaşa istifadə etmir?

Yumşaq elastomerlərin davranışı adətən böyük deformasiya, viskoelastiklik və hiperelastiklik səbəbindən mürəkkəbdir. Tədqiqatçılar Bi-OSPA-nın həndəsəsini bu çətinliyi azaltmağa imkan verən şəkildə qiymətləndirirlər. Əsas fərziyyə səthlərin təxminən sərt qaldığı və əsas deformasiyanın qat xətlərində cəmləndiyi rigid-foldable mexanizmdir.

Buna görə analitik modeldə TPE-nin Young modulu, Poisson nisbəti və ya hiperelastik əmsalları birbaşa istifadə edilməyib. Bunun əvəzinə üç fərqli qat ailəsi xətti burulma yayı kimi təmsil edilib:

• dağ qatları: \(K_m\),
• dərə qatları: \(K_v\),
• orta müstəvi qatları: \(K_q\).

Qatlarda saxlanılan elastik enerji necə modelləşdirilir?

Mənbədə ümumi elastik potensial enerji:

\[ U= \frac{1}{2} \left[ n_mK_m(\gamma_m-\gamma_{m0})^2+ n_vK_v(\gamma_v-\gamma_{v0})^2+ n_qK_q(\gamma_q-\gamma_{q0})^2 \right] \]

şəklində verilir.

\(\gamma_m\), \(\gamma_v\) və \(\gamma_q\) müvafiq olaraq dağ, dərə və orta müstəvi qat bucaqlarını; 0 alt indeksi başlanğıc bucaqları; \(n_m\), \(n_v\) və \(n_q\) isə müvafiq qat xətlərinin sayını ifadə edir.

Parametrlərin təyin edilməsi təcrübəsində:

\[ n_m=n_v=n_q=16 \]

istifadə olunub.

Aktuator deformasiya olduqda yeni həndəsə necə tapılır?

Tədqiqatçılar başlanğıcdakı \((\alpha_0,\phi_0,r_0)\) parametrləri ilə oxboyu yerdəyişmə \(\Delta h\)-ni modelə daxil edirlər. Rigid-foldability fərziyyəsinə görə \(L\) və \(b\) qabırğa uzunluqları deformasiya boyunca sabit qəbul edilir.

Bu iki həndəsi məhdudiyyətlə oxboyu yerdəyişmədən gələn üçüncü tənlik birlikdə həll olunur. Üç qeyri-xətti tənlik MATLAB R2023b daxilindəki lsqnonlin məhdud qeyri-xətti ən kiçik kvadratlar həlledicisi ilə həll edilərək yeni:

\[ (\alpha,\phi,r) \]

qiymətləri hesablanır. Bu həndəsə daha sonra qat bucaqlarını və qüvvə modelini qidalandırır.

Aktuator hündürlüyünün həndəsi əlaqəsi

Mənbədə hündürlük:

\[ h= 2r\tan(\phi) \sin\left(\frac{\beta}{2}\right) \left[ \cot\left(\frac{\beta}{2}\right) + \cot\left(\frac{\alpha}{2}\right) \right] \]

ilə təyin olunur. Bu ifadə aktuatorun oxboyu uzunluğunun birbaşa \(r\), \(\phi\), \(\alpha\) və sabit \(\beta\) həndəsəsindən törədiyini göstərir.

Elastik qüvvə virtual işlə necə əldə edilir?

Mənbə oxboyu elastik qüvvəni:

\[ F_e= \frac{\partial U}{\partial h} \]

kimi təyin edir.

Davamında zəncir qaydası:

\[ F_e= \frac{\partial U}{\partial\alpha} \frac{\partial\alpha}{\partial h} + \frac{\partial U}{\partial\phi} \frac{\partial\phi}{\partial h} \]

şəklində verilib. Bu mexaniki yanaşma qat bucaqları dəyişdikcə burulma yaylarında saxlanılan enerjinin oxboyu qüvvəyə necə çevrildiyini ifadə edir.

Təzyiqdən çıxış qüvvəsinə keçid necə modelləşdirilir?

Aktuatorun hava kamerası üçün mənbədə:

\[ V= \frac{4\pi}{3\beta} r^3 \sin^3\left(\frac{\beta}{2}\right) \tan(\phi) \left[ \cot\left(\frac{\beta}{2}\right) + \cot\left(\frac{\alpha}{2}\right) \right]^2 \]

həcm əlaqəsi istifadə olunur.

Təzyiq altında çıxış işi Tənlik (5)-də:

\[ W_{out}=P(V-V_0)-U \]

kimi təyin edilib. \(P\) manometrik təzyiqi, \(V_0\) başlanğıc həcmi, \(V\) isə deformasiya olunmuş hava kamerasının həcmini ifadə edir.

Mənbədəki Tənlik (5)–(7) uyğunsuzluğu

Mənbə Tənlik (7)-ni olduğu kimi:

\[ F_{out} = \frac{\partial W_{out}}{\partial h} - F_e = P\frac{\partial V}{\partial h} - F_e \]

şəklində verir.

Lakin əvvəlki təriflər birlikdə nəzərə alındıqda \(W_{out}=P(V-V_0)-U\) və \(F_e=\partial U/\partial h\) olduğuna görə \(\partial W_{out}/\partial h\) ifadəsi artıq elastik enerji törəməsini özündə ehtiva edir. Buna görə Tənlik (7)-nin ilk bərabərliyində əlavə “\(-F_e\)” ilə sağ tərəfdəki ifadə cəbr baxımından eyni anda uyğun görünmür. Bu Verianla məzmununda mənbə tənliyi dəyişdirilməyib, uyğunsuzluq açıq şəkildə qeyd olunub.

Analitik modeldən hansı təsirlər kənarda saxlanılıb?

Təzyiq işi modelində enerji itkiləri nəzərə alınmayıb. Nəticələr bölməsində modelin kvazi-statik olduğu da xüsusi qeyd edilir. Buna görə model aşağıdakı təsirləri əhatə etmir:

• aktuatorun keçici zaman cavabı,
• sürətdən asılı deformasiya,
• viskoelastik histerezis,
• pnevmatik axın dinamikası,
• sızmadan qaynaqlanan itkilər,
• yüksək tezlikli hərəkətlər,
• lokal səth gərginliyi və detallı material deformasiya paylanması.

Tədqiqatçılar FEM əvəzinə sürətli analitik proqnozlaşdırmanı hədəflədiklərini bildirirlər.

Bi-OSPA necə istehsal edildi?

Həndəsə Autodesk Fusion 360-da dizayn edilib, STL kimi ixrac olunub və PrusaSlicer 2.8.1 ilə hazırlanıb. Fiziki aktuatorlar Prusa MK4S-də Fused Deposition Modeling üsulu ilə çap olunub.

TPE 83A müəlliflər tərəfindən elastikliklə mürəkkəb nazik divarlı origami həndəsəsini etibarlı çap edə bilmə arasında kompromis kimi seçilib.

Təcrübə qurğusu necə idi?

Pnevmatik sistemdə LY370DPM35 DC nasos, mühərrik sürücüsü, Arduino Uno və Panasonic ADP5100 təzyiq sensoru istifadə olunub. Arduino nasos mühərrikinin giriş gərginliyini tənzimləyib və təzyiq sensorundan ölçmə alıb.

Tədqiqatın Şəkil 3-ü bu sistemin real laboratoriya qurğusunu, Mecmesin qüvvə sınaq cihazını və müsbət təzyiq altında qısalma zamanı aktuatorla yük hüceyrəsi arasındakı təması qorumaq üçün hazırlanmış xüsusi tutucunu göstərir.

Uzanma və qısalma necə ölçüldü?

Aktuatorlar müxtəlif təzyiq səviyyələrində videoya çəkilib və son nöqtə hərəkətləri Tracker 6.2.0 proqramı ilə izlənib. Hər ölçmə üç dəfə təkrarlanıb, orta qiymət və standart sapma bildirilib.

Həndəsə təcrübələrində uzanma və qısalma üçün:

• vakuum: −60 ilə −15 kPa,
• müsbət təzyiq: +15 ilə +60 kPa,
• təzyiq addımı: 5 kPa

istifadə olunub.

İzometrik qüvvə necə ölçüldü?

Mecmesin sınaq maşınındakı yük hüceyrəsi aktuatorun ucuna toxundurulub və aktuatorun yerdəyişməsinə icazə verilmədən tətbiq olunan təzyiq altında yaratdığı qüvvə ölçülüb.

Qüvvə təcrübələrindəki təzyiq aralıqları:

• vakuum: −60 ilə −10 kPa,
• müsbət təzyiq: +10 ilə +60 kPa,
• təzyiq addımı: 5 kPa

olub. Hər ölçmə üç dəfə təkrarlanıb.

Qatlanma sərtlikləri necə müəyyən edildi?

Təzyiq tətbiq olunmayan Bi-OSPA Mecmesin cihazında 1 mm/s sürətlə kvazi-statik sıxılıb və qüvvə cavabı iki yükləmə dövrünün ortalaması kimi götürülüb.

Eksperimental əyridən üç yerdəyişmə–qüvvə nöqtəsi seçilib, hər nöqtədə deformasiya olunmuş həndəsə kinematik modellə hesablanıb və üç naməlum qat sərtliyi üçün üç tənlik həll edilib. Müxtəlif nöqtə kombinasiyaları sınaqdan keçirilib və bütün eksperimental əyri ilə ən yaxşı uyğunluğu verən parametr dəsti seçilib.

Müəyyən edilən qiymətlər:

Analitik model təcrübə ilə nə qədər uyğun gəldi?

Şəkil 4-də analitik elastik qüvvə ilə eksperimental sıxılma qüvvəsi təxminən 0–6 mm yerdəyişmə sahəsində müqayisə olunur. İki əyri tam eyni deyil; xüsusilə kiçik və orta yerdəyişmələrdə nəzərəçarpacaq fərq var, daha böyük yerdəyişmələrdə əyrilər bir-birinə yaxınlaşır.

Mənbə bütün diapazon üçün:

RMSE = 0,14 N

və təxminən:

maksimum eksperimental qüvvə ≈ 1,6 N

bildirir.

Bu müqayisə real eksperimental ölçməyə əsaslandığı üçün əhəmiyyətlidir. Lakin qat sərtlikləri eyni eksperimental əyridən müəyyənləşdirilib və ən yaxşı ümumi uyğunluğu verən qiymətlər seçildiyinə görə RMSE tamamilə müstəqil yoxlama məlumatı üzərində əldə edilməyib.

\(\phi_0\) uzanma və qısalmanı necə dəyişdirdi?

\(\phi_0=35^\circ\), \(45^\circ\) və \(55^\circ\) aktuatorları müqayisə edilib; \(r_0=7\) mm və \(\alpha_0=45^\circ\) sabit saxlanıb.

Həndəsi model daha kiçik \(\phi_0\)-ın daha çox uzanma və qısalma verəcəyini proqnozlaşdırır. Bu tendensiya 45° və 55° nümunələrində müşahidə olunub, lakin 35° nümunəsində bütün təzyiq diapazonunda ardıcıl şəkildə davam etməyib. Tədqiqatçılar bunu həmin nümunədə çapdan qaynaqlanan struktur nizamsızlıqlarla əlaqələndirirlər.

\(\alpha_0\) hərəkətə necə təsir etdi?

\(\alpha_0=35^\circ\), \(45^\circ\) və \(55^\circ\) aktuatorları müqayisə edilib; \(r_0=7\) mm və \(\phi_0=45^\circ\) sabit saxlanıb.

Müsbət təzyiq altında \(\alpha_0\) azaldıqca normallaşdırılmış qısalma artıb. Vakuum altında 35° və 45° dizaynları bir-birinə yaxın və 55° dizaynından daha yüksək uzanma yaradıb.

\(\alpha_0=55^\circ\) nümunəsi −40 kPa və daha böyük vakuum böyüklüklərində həddindən artıq deformasiya göstərib. Mənbə “həddindən artıq deformasiya”nı qatların nəzərdə tutulan ox ətrafında fırlanması əvəzinə lokal olaraq bükülməsi kimi təyin edir. Bu sahədə xətti burulma yayı fərziyyəsi etibarlılığını itirir.

Daxili radius \(r_0\) hərəkəti necə dəyişdirdi?

\(r_0=5\), 7 və 9 mm nümunələri müqayisə edilib; \(\phi_0=\alpha_0=45^\circ\) sabit saxlanıb.

Ümumi tendensiya radius böyüdükcə normallaşdırılmış uzanma və qısalmanın artmasıdır. Lakin \(r_0=9\) mm aktuatorunda −20 kPa-dan daha böyük vakuum böyüklüklərində həddindən artıq deformasiya yaranıb.

Hərəkət baxımından hansı həndəsi parametrlər daha təsirlidir?

Tədqiqatın eksperimental şərhinə görə:

• qısalma üzərində \(\alpha_0\) və \(r_0\) daha güclü təsirə malikdir;
• uzanma üzərində \(\phi_0\) və daha az dərəcədə \(r_0\) daha üstün təsir göstərir.

Bu nəticələr vahid “ən yaxşı həndəsə” olmadığını; hədəflənən qüvvə və hərəkət istiqamətinə görə həndəsənin birgə seçilməli olduğunu göstərir.

\(\phi_0=30^\circ\) niyə kritikdir?

Mənbədə hərəkət istiqamətini müəyyən edən həndəsi şərt \(2\phi_0\) ilə \(\theta_0\) arasındakı əlaqəyə bağlanır.

\[ 2\phi_0>\theta_0 \]

olduqda aktuator vakuum altında uzanır.

\[ 2\phi_0<\theta_0 \]

olduqda isə vakuum altında qısalma yarana bilər.

Mənbəyə görə \(\phi_0=30^\circ\) ətrafında:

\[ 2\phi_0=\theta_0 \]

kritik vəziyyəti yaranıb və aktuator təcrübələrdə proqnozlaşdırılması çətin şəkildə həm uzanma, həm də qısalma davranışı göstərib. Buna görə iki istiqamətli iş rejimi bütün mümkün həndəsələrə sadəcə “vakuum = uzanma” kimi ümumiləşdirilməməlidir.

Həndəsə izometrik qüvvəyə necə təsir etdi?

Təcrübələrdə \(\phi_0\) böyüdükcə həm vakuum, həm də müsbət təzyiq altındakı izometrik qüvvə artıb.

\(\alpha_0\) artdıqca isə qüvvə azalıb. Mənbədə \(\alpha_0=35^\circ\) aktuatorunda −50 kPa-dan daha böyük vakuum böyüklüklərində həddindən artıq deformasiya səbəbindən normal tendensiya pozulur.

\(r_0\)-ın 5 mm-dən 7 mm-ə artırılması bütün təzyiqlərdə qüvvəni artırıb. 9 mm nümunəsi vakuum altında lokal deformasiyaya girdiyinə görə yüksək vakuum səviyyələrində gözlənilən artım qorunmayıb; müsbət təzyiqdəki dartma qüvvələrində isə artım tendensiyası davam edib.

Hansı dizayn dəyişəni qüvvəyə ən çox təsir edir?

Tədqiqatçıların parametr analizi nəticəsində izometrik qüvvəyə təsirin böyüklüyü:

1. \(\alpha_0\),
2. \(r_0\),
3. \(\phi_0\)

ardıcıllığında olub.

Bundan əlavə, eyni təzyiq böyüklüyündə vakuum altında yaradılan itələmə qüvvəsinin müsbət təzyiq altında əldə edilən dartma qüvvəsindən ümumilikdə daha böyük olduğu müşahidə olunub.

1000 dövrlük davamlılıq sınağı nə göstərdi?

Davamlılıq üçün əsas parametr təcrübələrində istifadə olunan nümunələrdən fərqli yeni Bi-OSPA hazırlanıb:

• \(\phi_0=55^\circ\),
• \(\alpha_0=45^\circ\),
• \(r_0=7\) mm,
• təzyiq = +60 kPa.

Aktuator 1000 dəfə təkrarlı şəkildə işlədilib.

İlk və son beş dövrün qüvvə–zaman profilləri də ümumi formanın böyük ölçüdə qorunduğunu göstərir. Bununla belə, müəlliflər bu təcrübənin uzunmüddətli ömür sınağı olmadığını açıq şəkildə bildirirlər.

Niyə davamlılıq yalnız müsbət təzyiq altında sınaqdan keçirildi?

Tədqiqatçılar +60 kPa iş rejimini struktur baxımından daha kritik yükləmə şəraiti kimi qiymətləndiriblər. Müsbət təzyiqdə kameranın şişməsi yumşaq aktuatorlarda ayrılma və ya partlama kimi mexaniki risklərlə əlaqələndirilə bildiyi halda, vakuum hərəkəti kameranın çökməsinə əsaslanır.

Bu seçim müsbət təzyiq davamlılığı haqqında ilkin məlumat verir; vakuum altında eyni dövr ömrünün birbaşa sübutu deyil.

Nominal olaraq eyni üç çap nə qədər oxşar idi?

İstehsal təkrarlana bilməsini qiymətləndirmək üçün:

\[ \phi_0=45^\circ,\qquad \alpha_0=45^\circ,\qquad r_0=7\text{ mm} \]

həndəsəsinə malik üç aktuator eyni çap parametrləri ilə hazırlanıb və ±60 kPa altında hər biri 10 dövr sınaqdan keçirilib.

Üç nümunə birlikdə qiymətləndirildikdə mənbə:

• orta qısalma: −2,36 ± 0,63 mm,
• orta uzanma: 2,07 ± 0,29 mm

bildirib. Bu fərqlər FDM istehsal prosesinin hələ tam təkrarlana bilən olmadığını göstərir. Müəlliflər çap parametrləri və istehsal prosedurunun gələcəkdə təkmilləşdirilməli olduğunu bildirirlər.

Bi-OSPA saf burulma yaratmaq üçün necə istifadə edildi?

Kresling origami əsaslı vakuum aktuatorları adətən burulma ilə birlikdə oxboyu qısalma yaradır. Bu əlaqəli hərəkət yalnız fırlanma tələb olunan tətbiqlərdə mənfi cəhət yarada bilər.

Tədqiqatçılar Kresling vahidini −40 kPa-da sınaqdan keçirərək qısalma miqdarını müəyyənləşdirib və təxminən eyni qədər uzanan Bi-OSPA seçiblər. İki aktuator ardıcıl birləşdirildikdə Kresling-in oxboyu qısalması Bi-OSPA-nın uzanması ilə kompensasiya edilib, burulma hərəkəti saxlanılıb.

Fiziki nümayişdə bu birləşmiş aktuator şüşə qapağını çevirib. Bu təcrübə saf burulmanın funksional nümunəsini göstərir, lakin sənaye fırlanma momenti tutumu və ya uzunmüddətli montaj performansının ölçümü deyil.

Robot barmaq nümayişi nə göstərdi?

İki sərt əlaqə və bir menteşədən yaradılan bir sərbəstlik dərəcəli barmaq mexanizmi mexaniki əlaqə ilə Bi-OSPA-ya qoşulub.

Təzyiq istiqamətindən asılı hərəkət:

• müsbət təzyiq: barmaq fleksiyası,
• vakuum: barmaq ekstensiyası

kimi həyata keçib.

Şəkil 10 başlanğıc mövqeyini, iki hərəkət istiqamətini və zaman üzrə barmaq bucağı–təzyiq əlaqəsini göstərir. Bu təcrübə tək yumşaq aktuatorun əzələ bənzəri iki istiqamətli mexaniki funksiya təmin edə bildiyini göstərir; insan barmağı, protez və ya reabilitasiya müalicəsi üzrə performans sübutu deyil.

Niyə yalnız təzyiqlə açıq dövr mövqe idarəetməsi kifayət etməyə bilər?

Tədqiqatın nəticələr bölməsində analitik model ilə təcrübə arasındakı fərqin yalnız təzyiq ölçməsindən istifadə etməklə dəqiq mövqe idarəetməsinin etibarlı olmaya biləcəyini göstərdiyi qeyd olunur.

Real sistemdə aşağıdakı amillər modeldən sapma yarada bilər:

• istehsal dəyişkənliyi,
• material histerezisi,
• hava sızması,
• lokal bükülmə,
• həndəsi tolerantlıqlar,
• modelləşdirmə xətaları.

Tədqiqatçılar gələcəkdə aktuatorun mövqeyini və ya deformasiyasını birbaşa ölçən sensorların və qapalı dövr geri əlaqənin istifadə olunmasını təklif edirlər. Maqnit sensorları mümkün üsullardan biri kimi göstərilir.

Tədqiqatın dəstəklədiyi nəticələr

• Tək hava kameralı origami-ilhamlı Bi-OSPA fiziki prototipdə müsbət və mənfi təzyiqdən istifadə etməklə iki istiqamətli oxboyu hərəkət yarada bilib.
• Normal dizayn sahəsində vakuum uzanma, müsbət təzyiq isə qısalma yaradıb.
• Rigid-foldability və xətti burulma yayı yanaşması eksperimental elastik qüvvə davranışının əsas tendensiyasını ifadə edə bilib.
• Kalibrə olunmuş analitik elastik qüvvə modeli eksperimental əyri ilə 0,14 N RMSE uyğunluğu göstərib.
• \(\alpha_0\), \(\phi_0\) və \(r_0\) qiymətlərinin dəyişdirilməsi uzanma, qısalma və izometrik qüvvəni sistematik şəkildə dəyişdirib.
• İzometrik qüvvəyə ən güclü həndəsi təsir \(\alpha_0\)-dan gəlib.
• Eyni mütləq təzyiq böyüklüyündə vakuum mənşəli itələmə qüvvəsi ümumilikdə müsbət təzyiq dartma qüvvəsindən daha yüksək olub.
• +60 kPa altında 1000 dövrdən sonra pik qüvvənin %96,3-ü qorunub.
• Eyni həndəsəyə malik üç çap arasında ölçülə bilən istehsal dəyişkənliyi aşkar edilib.
• Bi-OSPA ilə Kresling quruluşunun oxboyu hərəkəti tarazlanaraq saf burulmaya yaxın davranış yaradılıb.
• Tək Bi-OSPA 1-DoF robot barmağında həm fleksiya, həm də ekstensiya təmin edə bilib.

Tədqiqatın sübut etmədiyi və ya hələ göstərmədiyi nəticələr

• Bi-OSPA-nın uzunmüddətli sənaye xidmət ömrü müəyyən edilməyib.
• 1000 dövr nəticəsi milyonlarla dövr davamlılığı demək deyil.
• Vakuum altında 1000 dövrlük ekvivalent davamlılıq sınağı aparılmayıb.
• Model yüksək sürətli və ya dinamik aktuasiya üçün doğrulanmayıb.
• Enerji itkiləri və viskoelastik histerezis analitik modelə daxil edilməyib.
• Qat sərtliklərinin bütün Bi-OSPA həndəsələrinə köçürülə biləcəyi göstərilməyib.
• Təzyiqdən mövqeyə açıq dövr idarəetməsinin yüksək dəqiqlik verəcəyi göstərilməyib.
• Qapalı dövr mövqe idarəetməsi bu tədqiqatda həyata keçirilməyib.
• İstehsal təkrarlana bilməsi üç nümunədən daha geniş seriyalı istehsal seçimi ilə doğrulanmayıb.
• Həddindən artıq deformasiya və lokal buckling sahəsində rigid-foldable model etibarlı deyil.
• Robot barmaq nümayişi insan üzərində protez və ya klinik reabilitasiya uğuru deyil.
• Saf burulma nümayişi detallı fırlanma momenti, səmərəlilik və ya uzunmüddətli performans xarakteristikası deyil.

Tədqiqatın Metodu və Nəticələri

Tədqiqatın eksperimental və analitik axını

Əsas təcrübə şərtləri

Həndəsi parametr təcrübələri

Ortaq 45°–45°–7 mm konfiqurasiyası üç təcrübə qrupunda təkrarlandığı üçün parametr tədqiqatı ümumilikdə yeddi fərqli Bi-OSPA həndəsəsi ilə aparılıb.

Elastik qüvvə modeli üçün müəyyən edilmiş qat sərtlikləri

Bu qiymətlər müstəqil, universal TPE sabitləri deyil; sınaqdan keçirilən Bi-OSPA quruluşunun effektiv qat sərtlikləridir.

1000 dövrlük ilkin davamlılıq nəticəsi

Mənbə bu dəyişikliyi %96,3 qüvvə saxlanması və ya başqa ifadə ilə %3,7 azalma kimi bildirir. Sınaq yalnız 1000 dövr və tək müsbət təzyiq konfiqurasiyasıdır.

İstehsal təkrarlana bilməsi

Nümunələr eyni CAD həndəsəsinə və eyni çap parametrlərinə malik olsa da, xüsusən qısalma miqdarında nəzərəçarpacaq nümunələrarası fərq müşahidə olunur. Bu nəticə qapalı dövr geri əlaqənin və daha təkrarlana bilən istehsal prosedurunun niyə vacib olduğunu dəstəkləyir.

Sübut səviyyələrinin ayrılması

Əsas metodoloji məhdudiyyətlər

• Analitik çərçivə kvazi-statik fərziyyəyə əsaslanır.
• Enerji itkiləri qüvvə modelində nəzərə alınmayıb.
• Histerezis və zamandan asılı TPE davranışı birbaşa modelləşdirilməyib.
• Qat sərtlikləri eksperimental kalibrasiya tələb edir və həndəsə dəyişdikdə yenidən müəyyən edilməlidir.
• Elastik qüvvə uyğunluğunda istifadə olunan təcrübə məlumatı eyni zamanda sərtlik parametri seçimində istifadə edilib.
• Tənlik (5) ilə Tənlik (7)-nin yazılmış formaları arasında cəbri uyğunsuzluq var.
• Həddindən artıq vakuum və müəyyən həndəsələr lokal buckling yaradaraq rigid-foldability fərziyyəsini pozub.
• FDM istehsalında nümunələrarası hərəkət dəyişkənliyi müşahidə olunub.
• 1000 dövrlük sınaq uzunmüddətli ömür sınağı deyil.
• Vakuum davamlılığı eyni dövr protokolu ilə sınaqdan keçirilməyib.
• Qapalı dövr mövqe idarəetməsi tətbiq olunmayıb.
• Dinamik zolaq genişliyi, cavab müddəti və yüksək tezlik performansı ətraflı xarakterizə edilməyib.
• Saf burulma və robot barmağı tətbiqləri konsept/funksiya nümayişi səviyyəsindədir.

Mənbə və Metod Qeydi

Orijinal işin tam adı: Design and Modeling of a Bidirectional Origami-Inspired Soft Pneumatic Actuator

Müəlliflər: Alireza Keramati, Alireza Mohammadi, Ying Tan, Peter Choong və Denny Oetomo.

Məsul müəllif: Alireza Mohammadi.

Bərabər töhfə/birgə birinci müəlliflik: Mənbədə belə bir bəyanat yoxdur.

Qurumlar:

1. Department of Mechanical Engineering, The University of Melbourne, Parkville, Victoria, Australia.
2. Department of Surgery, St. Vincent’s Hospital Melbourne, The University of Melbourne, Fitzroy, Victoria, Australia.

Jurnal: Actuators.

Nəşriyyat: MDPI, Basel, Switzerland.

Biblioqrafik məlumat: Actuators 2026, 15(6), 320.

DOI:10.3390/act15060320

Rəsmi nəşr bağlantısı:MDPI – Actuators 15(6), 320

Nəşr tarixi: 6 iyun 2026. İş 28 aprel 2026-da qəbul üçün daxil olub, 2 iyun 2026-da yenidən işlənib və 4 iyun 2026-da qəbul edilib.

Mənbə növü və resenziya vəziyyəti: Actuators jurnalında dərc olunmuş resenziyalı tədqiqat məqaləsidir. İş fiziki aktuator istehsalı və laboratoriya təcrübələri ilə dəstəklənən analitik modelləşdirmə tədqiqatıdır.

Lisenziya: Creative Commons Attribution (CC BY).

Maliyyələşmə: Layihə Valma Angliss Trust və The University of Melbourne tərəfindən maliyyələşdirilib.

Etika komitəsi: Tətbiq edilmir.

Məlumatlandırılmış razılıq: Tətbiq edilmir.

Məlumatların əlçatanlığı: Tədqiqatda yaradılan və təhlil edilən məlumat dəstləri məqalənin Supplementary Materials bölməsində təqdim olunub. Əlavə materiallar arasında eksperimental/analitik məlumat dəstləri ilə Bi-OSPA deformasiyasını, saf burulmanı və robot barmağı nümayişlərini göstərən Video S1 var.

Maraqların toqquşması: Müəlliflər maraqların toqquşmasının olmadığını bəyan edib və maliyyələşdirənlərin tədqiqat dizaynı, məlumat toplama, analiz, şərh, yazı və ya nəşr qərarında rolu olmadığını bildiriblər.

Müəllif töhfələri: Konseptuallaşdırma Alireza Keramati, Alireza Mohammadi, Denny Oetomo və Peter Choong; metodologiya Alireza Keramati, Alireza Mohammadi və Denny Oetomo; proqram təminatı Alireza Keramati; doğrulama Alireza Keramati; formal analiz Alireza Keramati və Ying Tan; tədqiqat və məlumatların təşkili Alireza Keramati; resurslar Alireza Mohammadi və Denny Oetomo; ilkin layihə Alireza Keramati; nəzərdən keçirmə/redaktə Alireza Keramati, Alireza Mohammadi və Denny Oetomo; nəzarət Alireza Mohammadi, Denny Oetomo, Ying Tan və Peter Choong tərəfindən həyata keçirilib.

Model doğrulamasının sərhədi: Qat sərtlikləri eksperimental elastik qüvvə–yerdəyişmə məlumatından iterativ şəkildə müəyyənləşdirilib və yekun parametr dəsti bütün əyri ilə ən yaxşı uyğunluğu verəcək şəkildə seçilib. Buna görə 0,14 N RMSE real eksperimental müqayisəyə əsaslansa da, müstəqil hold-out məlumat dəstində kor doğrulama kimi qiymətləndirilməməlidir.

Modelin ümumiləşdirilə bilmə sərhədi: Mənbənin nəticələr bölməsində qat sərtliyi sabitlərinin universal olmadığı açıq şəkildə göstərilir. Həndəsə və ya istehsal şəraiti dəyişdikdə müvafiq Bi-OSPA üçün yeni eksperimental sərtlik kalibrasiyası tələb olunur.

Kvazi-statik modelin sərhədi: Analitik model zamandan asılı təsirləri, keçici aktuasiya cavabını və enerji itkilərini əhatə etmir. Yüksək sürətli/dinamik davranış üçün mövcud modelin birbaşa kifayət etdiyi göstərilməyib.

Tənlik uyğunsuzluğu qeydi: Mənbədə Tənlik (5) \(W_{out}=P(V-V_0)-U\) şəklindədir və daha əvvəl \(F_e=\partial U/\partial h\) təyin olunub. Tənlik (7) isə \(F_{out}=\partial W_{out}/\partial h-F_e=P\partial V/\partial h-F_e\) kimi yazılıb. Tənlik (5)-in birbaşa törəməsi artıq elastik enerji törəməsini ehtiva etdiyinə görə Tənlik (7)-nin ilk bərabərliyi ilə son bərabərliyi eyni təriflər altında cəbri baxımdan uyğun görünmür. Mənbə ifadəsi dəyişdirilməyib.

Həndəsi etibarlılıq sərhədi: \(\alpha_0=55^\circ\) və böyük \(r_0\) kimi bəzi dizaynlarda yüksək vakuum səviyyələri lokal buckling yaradıb və xətti burulma yayı/rigid-foldable fərziyyəsi etibarlılığını itirib. Bundan əlavə, \(\phi_0=30^\circ\) kritik həndəsi sahədə hərəkət istiqaməti eksperimental olaraq proqnozlaşdırılması çətin hala gəlib.

Davamlılıq sərhədi: 1000 dövrlük sınaq yalnız bir aktuator üzərində +60 kPa müsbət təzyiq altında aparılıb. Nəticə uzunmüddətli istifadə ömrünü, vakuum dövr davamlılığını və ya seriyalı istehsal etibarlılığını sübut etmir.

İstehsal sərhədi: Eyni həndəsəli üç FDM çapı arasında ölçülə bilən uzanma və xüsusən qısalma fərqləri müşahidə olunub. Müəlliflər istehsal dəqiqliyi, sızdırmazlıq və ölçü təkrarlana bilməsinin yaxşılaşdırılmasını gələcək iş kimi göstərirlər.

İdarəetmə sərhədi: Təzyiq–deformasiya əlaqəsi təkbaşına dəqiq açıq dövr mövqe idarəetməsi üçün kifayət hesab edilmir. Müəlliflər real tətbiq üçün mövqe sensoru və geri əlaqəli qapalı dövr idarəetməni tövsiyə edirlər; bu idarəetmə mövcud tədqiqatda həyata keçirilməyib.

Tətbiq sərhədi: Kresling ilə saf burulma və 1-DoF robot barmağı təcrübələri fiziki funksiya nümayişləridir. Klinik effektivlik, insan təhlükəsizliyi və ya sənaye məhsul doğrulaması deyil.

Bu Verianla məzmunundakı elmi metod, tənliklər, təcrübə şərtləri, ədədi nəticələr və məhdudiyyətlər yalnız araşdırılan işə əsaslanır. Xarici mənbədən yalnız məqalənin rəsmi nəşr kimliyini doğrulamaq məqsədi ilə istifadə olunub.