Изилдөө бир гана аба камерасынын ичинде узарууну да, кыскарууну да аткара алган Bidirectional Origami-Inspired Soft Pneumatic Actuator (Bi-OSPA) аттуу эки багыттуу жумшак пневматикалык актуаторду иштеп чыгат. Көпчүлүк эки багыттуу жумшак актуаторлордо эки антагонисттик актуатор же бир нече аба камерасы талап кылынса, Bi-OSPAда кыймылдын багыты колдонулган басымдын белгиси менен гана өзгөрөт: конструкциянын кадимки иштөө аймагында вакуумдук басым актуаторду узартат, ал эми оң басым аны кыскартат. Түзүлүш magic-ball/waterbomb оригами геометриясынан шыктандырылган жана деформациянын негизги бөлүгү материалдын көлөмдүк созулушунан эмес, бүктөм сызыктарынын айланасындагы айлануу кыймылынан пайда болушу көздөлгөн.

Бул геометриялык ыкма кыймыл жаратуу үчүн гана эмес, актуатордун жүрүм-турумун аналитикалык түрдө алдын ала айтууга да колдонулган. Изилдөөчүлөр жалпак беттерди болжол менен катуу, тоо–өрөөн жана орто тегиздик бүктөмдөрүн болсо сызыктуу бурама пружиналар катары моделдештиришкен; баштапкы геометрия жана октук жылыштан деформацияланган форманы эсептеген кинематикалык модель иштелип чыккан. Андан кийин виртуалдык иш ыкмасы бүктөмдөрдө топтолгон серпилгич энергия менен басымдын аба камерасынын көлөмүнө жасаган ишин бириктирип, серпилгич жана чыгыш күчтөрүн эсептөө үчүн колдонулган.

Актуаторлор Shore 83A термопластикалык эластомерден FDM 3D басып чыгаруу ыкмасы менен физикалык түрдө жасалган. Бүктөлүү катуулуктары басым берилбестен жүргүзүлгөн квази-статикалык кысуу экспериментинен аныкталган; алынган аналитикалык серпилгич күч ийри сызыгы эксперименттик күч–жылыш жообу менен салыштырылган. Булакта аналитикалык модель менен эксперименттин ортосундагы RMSE 0,14 N, эксперименттеги максималдуу серпилгич күч болсо болжол менен 1,6 N деп билдирилет. Бирок катуулук параметрлери эксперименттик ийри сызыктан калибрленгендиктен, бул натыйжа толугу менен көз карандысыз маалыматта жүргүзүлгөн сокур текшерүү эмес.

Жети башка Bi-OSPA колдонулуп, баштапкы ылдыйлоолор \(\phi_0\), чоку бурчтары \(\alpha_0\) жана ички радиус \(r_0\) өзгөртүлгөн; вакуум жана оң басым астында узаруу, кыскаруу жана изометриялык күч өлчөнгөн. Натыйжалар геометрия кыймылдын көлөмүн гана эмес, күч өндүрүүнү да олуттуу өзгөртөрүн көрсөттү. Изометриялык күчкө эң таасирдүү параметр \(\alpha_0\), андан кийин \(r_0\) жана \(\phi_0\) болгон. Бирдей абсолюттук басым чоңдугунда вакуум астында алынган түртүү күчү, жалпысынан, оң басым астында алынган тартуу күчүнөн жогору болгон.

Чыдамдуулукка арналган алдын ала экспериментте \(\phi_0=55^\circ\), \(\alpha_0=45^\circ\) жана \(r_0=7\) мм геометриялуу жаңы актуатор +60 кПа астында 1000 цикл иштетилген. Алгачкы 50 циклде орточо чоку күчү 4,20 ± 0,03 N болсо, акыркы 50 циклде 4,04 ± 0,01 N өлчөнгөн; күчтү сактоо %96,3 болгон. Бул натыйжа 1000 цикл ичинде иштөө көрсөткүчүнүн чоң бөлүгү сакталып калганын көрсөтөт, бирок узак мөөнөттүү актуатор өмүрү катары чечмеленбеши керек.

Изилдөөчүлөр ошондой эле Bi-OSPAны Kresling оригамисине негизделген пневматикалык бирдик менен тизмектей туташтырып, Kresling түзүлүшүнүн вакуум астындагы кыскаруусун Bi-OSPAнын узаруусу менен компенсациялап, дээрлик таза буралуу жүрүм-турумун жаратышкан. Система физикалык түрдө бөтөлкөнүн капкагын буруу үчүн колдонулган. Экинчи демонстрацияда жалгыз Bi-OSPA бир эркиндик даражадагы робот манжасында оң басым менен флексияны, вакуум менен экстензияны камсыз кылган. Бул колдонмолор механикалык функциянын демонстрациясы болуп саналат; клиникалык протез, реабилитация же адамдагы эксперимент эмес.

Түркия боюнча баалоо: Изилдөө Түркияда жумшак робототехника, робот кармагычтар, төмөн катуулуктагы адам–робот өз ара аракеттенүү системалары, пневматикалык жасалма булчуңдар жана 3D басылган мехатроника боюнча иштеген изилдөө топтору үчүн түздөн-түз колдонууга мүмкүн болгон дизайн ыкмасын сунуштай алат. Өзгөчө геометрияны басып чыгарууга чейин күч жана жылыш максаттарына ылайык жөндөй алуу өндүрүш жагынан баалуу. Бирок учурдагы жыйынтыктар лабораториялык масштабдагы прототиптерге тиешелүү; басмалардын ортосунда олуттуу өзгөрмөлүүлүк бар, динамикалык модель жок жана так позицияны башкаруу үчүн жабык контур сенсор интеграциясы азырынча ишке ашырыла элек.

Изилдөө чечүүгө аракет кылган негизги көйгөй эмне?

Жумшак пневматикалык актуаторлордун негизги артыкчылыгы катуу электр кыймылдаткыч–редуктор механизмдерине салыштырмалуу көбүрөөк шайкеш, жеңил жана коопсуз механикалык өз ара аракеттенүүнү камсыз кыла алышында. Бирок бир гана жумшак пневматикалык актуатордун бир эле ок боюнча алдыга да, артка да кыймыл жаратышы оңой эмес.

Кеңири таралган чечимдердин бири эки өзүнчө актуаторду антагонисттик түрдө колдонуу: бири бир багытта кыймыл жаратса, экинчиси карама-каршы багытта кыймыл жаратат. Башка түзүлүштөрдө бир корпустун ичинде эки же андан көп аба камерасы колдонулат жана кыймылдын багыты ар башка камераларды кезектешип басымдоо аркылуу өзгөртүлөт.

Бул ыкмалар иштесе да, аба линиясынын, клапандын, башкаруунун жана механикалык түзүлүштүн татаалдыгын көбөйтүшү мүмкүн. Изилдөө көздөгөн чечим — бир аба камерасында басымдын белгисин гана өзгөртүү менен эки багыттуу кыймыл алуу жана ошол эле учурда бул кыймылды геометриядан аналитикалык түрдө алдын ала айта билүү.

Bi-OSPAнын оригами геометриясы кайдан алынган?

Bi-OSPAнын түзүлүшү magic-ball оригаминин кыймылынан шыктандырылган. Magic-ball түзүлүшүнүн негизинде waterbomb оригами бүктөө үлгүсү жатат. Изилдөөчүлөр алты бүктөм сызыгы бар классикалык waterbomb бирдигин 16 бүктөм сызыгы бар түзүлүшкө кеңейтип, алынган үстүңкү жарымын негизги тегиздикке карата күзгүлөп, төмөнкү жарымы менен бириктиришкен.

Изилдөөдөгү 1-сүрөт бул өтүүнү кагаз оригами моделинен бүктөө үлгүсүнө, CAD геометриясына жана акыркы пневматикалык актуаторго чейин көрнөк түрдө көрсөтөт. Ошол эле сүрөттүн акыркы панели механизмдин басымга берген негизги жообун так айырмалайт:

• \(P=0\): нейтралдуу геометрия,
• \(P<0\): вакуум астында узаруу,
• \(P>0\): оң басым астында кыскаруу.

Геометриянын негизги параметрлери кайсылар?

Актуатордун кыймылы үч негизги көз карандысыз дизайн өзгөрмөсү аркылуу изилденет:

• \(\alpha\): үч бурчтуу кесимдин чоку бурчу,
• \(\phi\): оригами бетинин/эңишинин геометриялык бурчу,
• \(r\): ички айлананын радиусу.

Мындан тышкары, \(R\) тышкы радиусту, \(h\) актуатордун бийиктигин, \(b\) үч бурчтуу кесимдин узундугун, \(L\) жана \(L'\) пирамиданын кырларынын узундуктарын, \(\theta\) болсо \(L\) менен \(h\) ортосундагы бурчту билдирет. Үч бурчтуктардын санын аныктаган \(\beta\) бул дизайнда туруктуу:

\[ \beta=45^\circ \]

маанисинде колдонулган.

Эмне үчүн модель TPEнин классикалык материал теңдемелерин түздөн-түз колдонбойт?

Жумшак эластомерлердин жүрүм-туруму адатта чоң деформация, вискоэластикалуулук жана гиперэластикалуулук себептүү татаал. Изилдөөчүлөр Bi-OSPAнын геометриясын бул татаалдыкты азайта тургандай карашат. Негизги божомол — беттер болжол менен катуу бойдон калып, негизги деформация бүктөм сызыктарында топтолгон rigid-foldable механизм.

Ошондуктан аналитикалык моделде TPEнин Young модулу, Пуассон катышы же гиперэластикалык коэффициенттери түздөн-түз колдонулган эмес. Анын ордуна үч башка бүктөм үй-бүлөсү сызыктуу бурама пружина катары көрсөтүлгөн:

• тоо бүктөмдөрү: \(K_m\),
• өрөөн бүктөмдөрү: \(K_v\),
• орто тегиздик бүктөмдөрү: \(K_q\).

Бүктөмдөрдө топтолгон серпилгич энергия кантип моделденет?

Булакта жалпы серпилгич потенциалдык энергия:

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

түрүндө берилет.

\(\gamma_m\), \(\gamma_v\) жана \(\gamma_q\) тиешелүүлүгүнө жараша тоо, өрөөн жана орто тегиздик бүктөм бурчтарын; 0 төмөнкү индекси баштапкы бурчтарды; \(n_m\), \(n_v\) жана \(n_q\) болсо тиешелүү бүктөм сызыктарынын санын билдирет.

Параметрди аныктоо экспериментинде:

\[ n_m=n_v=n_q=16 \]

колдонулган.

Актуатор деформацияланганда жаңы геометрия кантип табылат?

Изилдөөчүлөр баштапкы \((\alpha_0,\phi_0,r_0)\) параметрлери менен октук жылыш \(\Delta h\) ни моделге беришет. Rigid-foldability божомолуна ылайык, \(L\) жана \(b\) кыр узундуктары деформация учурунда туруктуу деп кабыл алынат.

Бул эки геометриялык чектөө жана октук жылыштан келип чыккан үчүнчү теңдеме бирге чечилет. Үч сызыктуу эмес теңдеме MATLAB R2023b ичиндеги lsqnonlin чектелген сызыктуу эмес эң кичине квадраттар чечүүчүсү менен чечилип, жаңы:

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

маанилери эсептелет. Бул геометрия андан кийин бүктөм бурчтарына жана күч моделине берилет.

Актуатор бийиктигинин геометриялык байланышы

Булакта бийиктик:

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

менен аныкталат. Бул туюнтма актуатордун октук узундугу түздөн-түз \(r\), \(\phi\), \(\alpha\) жана туруктуу \(\beta\) геометриясынан келип чыгарын көрсөтөт.

Серпилгич күч виртуалдык иш аркылуу кантип алынат?

Булак октук серпилгич күчтү:

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

деп аныктайт.

Андан кийин чынжыр эрежеси:

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

түрүндө берилет. Бул механикалык ыкма бүктөм бурчтары өзгөргөндө бурама пружиналарда топтолгон энергия октук күчкө кантип айланарын көрсөтөт.

Басымдан чыгыш күчүнө өтүү кантип моделденет?

Актуатордун аба камерасы үчүн булакта:

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

көлөм байланышы колдонулат.

Басым астындагы чыгыш иши (5)-теңдемеде:

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

деп аныкталган. \(P\) манометрдик басымды, \(V_0\) баштапкы көлөмдү, \(V\) болсо деформацияланган аба камерасынын көлөмүн билдирет.

Булактагы (5)–(7) теңдемелеринин шайкеш эместиги

Булак (7)-теңдемени так эле:

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

түрүндө берет.

Бирок мурунку аныктамалар чогуу каралганда \(W_{out}=P(V-V_0)-U\) жана \(F_e=\partial U/\partial h\) болгондуктан, \(\partial W_{out}/\partial h\) туюнтмасы серпилгич энергиянын туундусун буга чейин эле камтыйт. Ошондуктан (7)-теңдеменин биринчи теңдигиндеги кошумча “\(-F_e\)” менен оң жактагы туюнтма алгебралык жактан бир учурда шайкеш көрүнбөйт. Бул Verianla мазмунунда булак теңдемеси өзгөртүлгөн жок, шайкеш эместик ачык белгиленди.

Кайсы таасирлер аналитикалык моделден тышкары калтырылган?

Басым ишинин моделинде энергия жоготуулары эске алынган эмес. Натыйжалар бөлүмүндө да моделдин квази-статикалык экени өзгөчө белгиленет. Демек, модель төмөнкү таасирлерди камтыбайт:

• актуатордун өтмө убакыт жообу,
• ылдамдыкка көз каранды деформация,
• вискоэластикалык гистерезис,
• пневматикалык агым динамикасы,
• агып кетүүдөн келип чыккан жоготуулар,
• жогорку жыштыктагы кыймылдар,
• локалдык беттик чыңалуу жана материал деформациясынын деталдуу бөлүштүрүлүшү.

Изилдөөчүлөр FEMдин ордуна тез аналитикалык болжолдоону максат кылышканын билдиришет.

Bi-OSPA кантип өндүрүлгөн?

Геометрия Autodesk Fusion 360та иштелип чыгып, STL катары экспорттолгон жана PrusaSlicer 2.8.1 менен даярдалган. Физикалык актуаторлор Prusa MK4Sте Fused Deposition Modeling ыкмасы менен басылган.

TPE 83A авторлор тарабынан ийкемдүүлүк менен татаал жука дубалдуу оригами геометриясын ишенимдүү басып чыгаруу мүмкүнчүлүгүнүн ортосундагы тең салмак катары тандалган.

Эксперименттик түзүлүш кандай болгон?

Пневматикалык системада LY370DPM35 DC насос, мотор драйвери, Arduino Uno жана Panasonic ADP5100 басым сенсору колдонулган. Arduino насос моторунун кириш чыңалуусун жөнгө салып, басым сенсорунан өлчөө алган.

Изилдөөнүн 3-сүрөтү бул системанын чыныгы лабораториялык түзүлүшүн, Mecmesin күч сыноо аппаратын жана оң басым астында кыскаруу учурунда актуатор менен жүк уячасынын байланышын сактоо үчүн иштелип чыккан атайын кармагычты көрсөтөт.

Узаруу жана кыскаруу кантип өлчөнгөн?

Актуаторлор ар башка басым деңгээлдеринде видеого тартылып, акыркы чекит кыймылдары Tracker 6.2.0 программасы менен көзөмөлдөнгөн. Ар бир өлчөө үч жолу кайталанып, орточо маани жана стандарттык четтөө берилген.

Геометрия эксперименттеринде узаруу жана кыскаруу үчүн:

• вакуум: −60тан −15 kPaга чейин,
• оң басым: +15тен +60 kPaга чейин,
• басым кадамы: 5 kPa

колдонулган.

Изометриялык күч кантип өлчөнгөн?

Mecmesin сыноо машинасындагы жүк уячасы актуатордун учуна тийгизилип, актуатордун жылышына жол берилбестен, колдонулган басым астында пайда кылган күч өлчөнгөн.

Күч эксперименттериндеги басым аралыктары:

• вакуум: −60тан −10 kPaга чейин,
• оң басым: +10дон +60 kPaга чейин,
• басым кадамы: 5 kPa

болгон. Ар бир өлчөө үч жолу кайталанган.

Бүктөлүү катуулуктары кантип аныкталган?

Басым берилбеген Bi-OSPA Mecmesin аппаратында 1 mm/s ылдамдыкта квази-статикалык кысылып, күч жообу эки жүктөө циклинин орточосу катары алынган.

Эксперименттик ийри сызыктан үч жылыш–күч чекити тандалып, ар бир чекиттеги деформацияланган геометрия кинематикалык модель менен эсептелген жана үч белгисиз бүктөм катуулугу үчүн үч теңдеме чечилген. Ар башка чекит комбинациялары текшерилип, бүт эксперименттик ийри сызыкка эң жакшы шайкеш келген параметр топтому тандалган.

Аныкталган маанилер:

Аналитикалык модель экспериментке канчалык шайкеш келди?

4-сүрөттө аналитикалык серпилгич күч менен эксперименттик кысуу күчү болжол менен 0–6 мм жылыш аймагында салыштырылат. Эки ийри сызык толук бирдей эмес; өзгөчө кичине жана орто жылыштарда байкаларлык айырма бар, чоңураак жылыштарда ийри сызыктар бири-бирине жакындайт.

Булак бүт диапазон үчүн:

RMSE = 0,14 N

жана болжол менен:

максималдуу эксперименттик күч ≈ 1,6 N

деп билдирет.

Бул салыштыруу чыныгы эксперименттик өлчөөгө негизделгени үчүн маанилүү. Бирок бүктөм катуулуктары ошол эле эксперименттик ийри сызыктан аныкталып, эң жакшы жалпы шайкештикти берген маанилер тандалгандыктан, RMSE толугу менен көз карандысыз текшерүү маалыматында алынган эмес.

\(\phi_0\) узарууну жана кыскарууну кантип өзгөрттү?

\(\phi_0=35^\circ\), \(45^\circ\) жана \(55^\circ\) актуаторлор салыштырылган; \(r_0=7\) mm жана \(\alpha_0=45^\circ\) туруктуу сакталган.

Геометриялык модель кичирээк \(\phi_0\) көбүрөөк узаруу жана кыскаруу берет деп болжолдойт. Бул тенденция 45° жана 55° үлгүлөрүндө байкалган, бирок 35° үлгүсүндө бүт басым диапазонунда туруктуу уланган эмес. Изилдөөчүлөр муну ошол үлгүдөгү басып чыгаруудан келип чыккан структуралык тартипсиздиктер менен байланыштырышат.

\(\alpha_0\) кыймылга кантип таасир этти?

\(\alpha_0=35^\circ\), \(45^\circ\) жана \(55^\circ\) актуаторлор салыштырылган; \(r_0=7\) mm жана \(\phi_0=45^\circ\) туруктуу сакталган.

Оң басым астында \(\alpha_0\) кичирейген сайын нормалдаштырылган кыскаруу көбөйгөн. Вакуум астында 35° жана 45° дизайндар бири-бирине жакын болуп, 55° дизайнга караганда көбүрөөк узаруу жараткан.

\(\alpha_0=55^\circ\) үлгүсү −40 kPa жана андан чоң вакуум чоңдуктарында ашыкча деформация көрсөткөн. Булак “ашыкча деформацияны” бүктөмдөр долбоорлонгон октун айланасында айлануунун ордуна локалдык түрдө бүгүлүп калган абал катары аныктайт. Бул аймакта сызыктуу бурама пружина божомолу жараксыз болуп калат.

Ички радиус \(r_0\) кыймылды кантип өзгөрттү?

\(r_0=5\), 7 жана 9 mm үлгүлөр салыштырылган; \(\phi_0=\alpha_0=45^\circ\) туруктуу сакталган.

Жалпы тенденция — радиус чоңойгон сайын нормалдаштырылган узаруу жана кыскаруу көбөйөт. Бирок \(r_0=9\) mm актуаторунда −20 kPaдан чоң вакуум чоңдуктарында ашыкча деформация пайда болгон.

Кыймыл жагынан кайсы геометриялык параметрлер көбүрөөк таасир этет?

Изилдөөнүн эксперименттик чечмелөөсүнө ылайык:

• кыскарууга \(\alpha_0\) жана \(r_0\) күчтүүрөөк таасир этет;
• узарууга \(\phi_0\) жана азыраак деңгээлде \(r_0\) көбүрөөк таасир этет.

Бул жыйынтыктар бир гана “эң жакшы геометрия” жок экенин; керектүү күч жана кыймыл багытына жараша геометрия биргелешип тандалышы керек экенин көрсөтөт.

\(\phi_0=30^\circ\) эмне үчүн критикалык?

Булакта кыймылдын багытын аныктаган геометриялык шарт \(2\phi_0\) менен \(\theta_0\) ортосундагы байланышка тиешелүү.

\[ 2\phi_0>\theta_0 \]

болгондо актуатор вакуум астында узарат.

\[ 2\phi_0<\theta_0 \]

болгондо вакуум астында кыскаруу пайда болушу мүмкүн.

Булакка ылайык, \(\phi_0=30^\circ\) чамасында:

\[ 2\phi_0=\theta_0 \]

критикалык абал пайда болуп, актуатор эксперименттерде алдын ала айтууга кыйын түрдө узарууну да, кыскарууну да көрсөткөн. Ошондуктан эки багыттуу иштөө бардык мүмкүн болгон геометрияларга жөн гана “вакуум = узаруу” деп жалпыланбашы керек.

Геометрия изометриялык күчкө кантип таасир этти?

Эксперименттерде \(\phi_0\) чоңойгон сайын вакуум жана оң басым астындагы изометриялык күч өскөн.

\(\alpha_0\) көбөйгөн сайын болсо күч азайган. Булакта \(\alpha_0=35^\circ\) актуаторунда −50 kPaдан чоң вакуум чоңдуктарында ашыкча деформация себептүү кадимки тенденция бузулат.

\(r_0\) 5 mmден 7 mmге чоңойтулганда бардык басымдарда күч көбөйгөн. 9 mm үлгү вакуум астында локалдык деформацияга киргендиктен, жогорку вакуум деңгээлдеринде күтүлгөн өсүш сакталган эмес; оң басымдагы тартуу күчтөрүндө болсо өсүү тенденциясы уланган.

Кайсы дизайн өзгөрмөсү күчкө эң көп таасир этет?

Изилдөөчүлөрдүн параметр анализине ылайык, изометриялык күчкө таасирдин чоңдугу:

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

тартибинде болгон.

Мындан тышкары, бирдей басым чоңдугунда вакуум астында пайда болгон түртүү күчү, жалпысынан, оң басым астында алынган тартуу күчүнөн чоң экени байкалган.

1000 циклдик чыдамдуулук сыноосу эмнени көрсөттү?

Чыдамдуулук үчүн негизги параметр эксперименттеринде колдонулган үлгүлөрдөн айырмаланган жаңы Bi-OSPA жасалган:

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

Актуатор 1000 жолу кайталап иштетилген.

Алгачкы жана акыркы беш циклдин күч–убакыт профилдери да жалпы форманын көпчүлүк бөлүгү сакталып калганын көрсөтөт. Бирок авторлор бул эксперимент узак мөөнөттүү өмүр сыноосу эмес экенин ачык белгилешет.

Эмне үчүн чыдамдуулук оң басымда гана сыналган?

Изилдөөчүлөр +60 kPa иш режимин түзүлүш үчүн кыйла критикалык жүктөө шарты деп баалашкан. Оң басымда камеранын шишиши жумшак актуаторлордо ажыроо же жарылуу сыяктуу механикалык коркунучтарга байланыштуу болушу мүмкүн, ал эми вакуум кыймылы камеранын ичке кулашына негизделет.

Бул тандоо оң басымдагы чыдамдуулук боюнча алдын ала маалымат берет; вакуум астындагы ошол эле цикл өмүрүнүн түз далили эмес.

Номиналдуу түрдө бирдей үч басма канчалык окшош болгон?

Өндүрүштүн кайталануучулугун баалоо үчүн:

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

геометриясына ээ үч актуатор бирдей басып чыгаруу жөндөөлөрү менен жасалып, ±60 kPa астында ар бири 10 циклден сыналган.

Үч үлгү бирге бааланганда булак:

• орточо кыскаруу: −2,36 ± 0,63 mm,
• орточо узаруу: 2,07 ± 0,29 mm

деп билдирет. Бул айырмачылыктар FDM өндүрүш процесси азырынча толугу менен кайталануучу эмес экенин көрсөтөт. Авторлор басып чыгаруу параметрлерин жана өндүрүш процедурасын келечекте жакшыртуу керек экенин белгилешет.

Bi-OSPA таза буралуу жаратуу үчүн кантип колдонулган?

Kresling оригамисине негизделген вакуум актуаторлор адатта буралуу менен бирге октук кыскарууну жаратат. Бул байланышкан кыймыл айлануу гана керек болгон колдонмолордо кемчилик болушу мүмкүн.

Изилдөөчүлөр Kresling бирдигин −40 kPaда сынап, кыскаруу көлөмүн аныкташкан жана болжол менен ошончо узара турган Bi-OSPAны тандашкан. Эки актуатор тизмектей туташтырылганда Kreslingдин октук кыскаруусу Bi-OSPAнын узаруусу менен компенсацияланып, буралуу кыймылы сакталган.

Физикалык демонстрацияда бул бириктирилген актуатор бөтөлкөнүн капкагын бурган. Бул эксперимент таза буралуунун функционалдык мисалын көрсөтөт, бирок өнөр жайлык момент мүмкүнчүлүгүнүн же узак мөөнөттүү жыйынды иштөөнүн өлчөөсү эмес.

Робот манжасынын демонстрациясы эмнени көрсөттү?

Эки катуу байланыштан жана бир шарнирден түзүлгөн бир эркиндик даражадагы манжа механизми механикалык байланыш аркылуу Bi-OSPAга туташтырылган.

Басым багытына жараша кыймыл:

• оң басым: манжа флексиясы,
• вакуум: манжа экстензиясы

түрүндө болгон.

10-сүрөт баштапкы абалды, эки кыймыл багытын жана убакыт боюнча манжа бурчу–басым байланышын көрсөтөт. Бул эксперимент бир жумшак актуатор булчуңга окшош эки багыттуу механикалык функцияны камсыз кыла аларын көрсөтөт; адам манжасындагы, протездеги же реабилитациялык дарылоодогу натыйжалуулуктун далили эмес.

Эмне үчүн басым менен гана ачык контур позициясын башкаруу жетишсиз болушу мүмкүн?

Изилдөөнүн жыйынтыктар бөлүмүндө аналитикалык модель менен эксперименттин айырмасы басымды гана өлчөө аркылуу так позицияны ишенимдүү башкаруу мүмкүн болбой калышы мүмкүн экенин көрсөтөрү айтылат.

Чыныгы системада төмөнкү факторлор моделден четтөөнү жаратышы мүмкүн:

• өндүрүш өзгөрмөлүүлүгү,
• материал гистерезиси,
• аба агып кетүүсү,
• локалдык бүгүлүү,
• геометриялык толеранттуулуктар,
• моделдөө каталары.

Изилдөөчүлөр келечекте актуатордун позициясын же деформациясын түз өлчөгөн сенсорлорду жана жабык контур кайтарым байланышты колдонууну сунушташат. Магниттик сенсорлор мүмкүн болгон ыкмалардын бири катары көрсөтүлөт.

Изилдөө колдогон жыйынтыктар

• Бир аба камералуу, оригамиден шыктанган Bi-OSPA физикалык прототипте оң жана терс басымды колдонуу менен эки багыттуу октук кыймыл жарата алган.
• Кадимки дизайн аймагында вакуум узарууну, оң басым кыскарууну жараткан.
• Rigid-foldability жана сызыктуу бурама пружина ыкмасы эксперименттик серпилгич күч жүрүм-турумунун негизги тенденциясын бере алган.
• Калибрленген аналитикалык серпилгич күч модели эксперименттик ийри сызыкка 0,14 N RMSE менен шайкеш келген.
• \(\alpha_0\), \(\phi_0\) жана \(r_0\) маанилерин өзгөртүү узарууну, кыскарууну жана изометриялык күчтү системалуу өзгөрткөн.
• Изометриялык күчкө эң күчтүү геометриялык таасир \(\alpha_0\) дан келген.
• Бирдей абсолюттук басым чоңдугунда вакуум жараткан түртүү күчү, жалпысынан, оң басымдагы тартуу күчүнөн жогору болгон.
• +60 kPa астында 1000 циклден кийин чоку күчтүн %96,3 бөлүгү сакталган.
• Бирдей геометриядагы үч басма үлгүнүн ортосунда өлчөнүүчү өндүрүш өзгөрмөлүүлүгү табылган.
• Bi-OSPA менен Kresling түзүлүшүнүн октук кыймылы тең салмакталат да, таза буралууга жакын жүрүм-турум түзүлгөн.
• Бир Bi-OSPA 1-DoF робот манжасында флексияны да, экстензияны да камсыз кыла алган.

Изилдөө далилдебеген же азырынча көрсөтпөгөн жыйынтыктар

• Bi-OSPAнын узак мөөнөттүү өнөр жайлык кызмат мөөнөтү аныкталган эмес.
• 1000 циклдин натыйжасы миллиондогон цикл чыдамдуулугун билдирбейт.
• Вакуум астында эквиваленттүү 1000 циклдик чыдамдуулук сыноосу жүргүзүлгөн эмес.
• Модель жогорку ылдамдыктагы же динамикалык актуация үчүн тастыкталган эмес.
• Энергия жоготуулары жана вискоэластикалык гистерезис аналитикалык моделге киргизилген эмес.
• Бүктөм катуулуктары бардык Bi-OSPA геометрияларына өткөрүлө алары көрсөтүлгөн эмес.
• Басымдан позицияга ачык контур башкаруу жогорку тактык бере алары көрсөтүлгөн эмес.
• Жабык контур позициясын башкаруу бул изилдөөдө ишке ашырылган эмес.
• Өндүрүш кайталануучулугу үч үлгүдөн тышкары кеңири сериялык өндүрүш үлгүсү менен тастыкталган эмес.
• Ашыкча деформация жана локалдык buckling аймагында rigid-foldable модель жараксыз.
• Робот манжасынын демонстрациясы адамдагы протез же клиникалык реабилитация ийгилиги эмес.
• Таза буралуу демонстрациясы деталдуу момент, натыйжалуулук же узак мөөнөттүү иштөө мүнөздөмөсү эмес.

Изилдөөнүн ыкмасы жана жыйынтыктары

Изилдөөнүн эксперименттик жана аналитикалык агымы

Негизги эксперименттик шарттар

Геометриялык параметр эксперименттери

Жалпы 45°–45°–7 mm конфигурациясы үч эксперименттик топто кайталангандыктан, параметр изилдөөсү жалпысынан жети башка Bi-OSPA геометриясы менен жүргүзүлгөн.

Серпилгич күч модели үчүн аныкталган бүктөм катуулуктары

Бул маанилер көз карандысыз, универсалдуу TPE туруктуулары эмес; сыналган Bi-OSPA түзүлүшүнүн эффективдүү бүктөм катуулуктары.

1000 циклдик алдын ала чыдамдуулук жыйынтыгы

Булак бул өзгөрүүнү %96,3 күч сакталуу же башкача айтканда %3,7 азайуу деп билдирет. Сыноо болгону 1000 цикл жана бир оң-басым конфигурациясына тиешелүү.

Өндүрүш кайталануучулугу

Үлгүлөр бирдей CAD геометриясына жана бирдей басып чыгаруу жөндөөлөрүнө ээ болгонуна карабастан, айрыкча кыскаруу көлөмүндө үлгүлөр аралык олуттуу айырма байкалган. Бул жыйынтык жабык контур кайтарым байланыш жана көбүрөөк кайталануучу өндүрүш процедурасы эмне үчүн маанилүү экенин колдойт.

Далил деңгээлдерин ажыратуу

Негизги методологиялык чектөөлөр

• Аналитикалык алкак квази-статикалык божомолго негизделет.
• Энергия жоготуулары күч моделинде эске алынган эмес.
• Гистерезис жана убакытка көз каранды TPE жүрүм-туруму түз моделденген эмес.
• Бүктөм катуулуктары эксперименттик калибрлөөнү талап кылат жана геометрия өзгөргөндө кайра аныкталышы керек.
• Серпилгич күч шайкештигинде колдонулган эксперименттик маалымат ошол эле учурда катуулук параметрин тандоодо да колдонулган.
• (5)-теңдеме менен (7)-теңдеменин жазылган түрлөрүнүн ортосунда алгебралык шайкеш эместик бар.
• Ашыкча вакуум жана айрым геометриялар локалдык buckling жаратып, rigid-foldability божомолун бузган.
• FDM өндүрүшүндө үлгүлөр аралык кыймыл өзгөрмөлүүлүгү байкалган.
• 1000 циклдик сыноо узак мөөнөттүү өмүр сыноосу эмес.
• Вакуум чыдамдуулугу ошол эле цикл протоколу менен сыналган эмес.
• Жабык контур позициясын башкаруу колдонулган эмес.
• Динамикалык тилке кеңдиги, жооп берүү убактысы жана жогорку жыштыктагы иштөө деталдуу мүнөздөлгөн эмес.
• Таза буралуу жана робот манжасы колдонмолору концепт/функция демонстрациясы деңгээлинде.

Булак жана ыкма жөнүндө эскертүү

Иштин толук түпнуска аталышы: Design and Modeling of a Bidirectional Origami-Inspired Soft Pneumatic Actuator

Авторлор: Alireza Keramati, Alireza Mohammadi, Ying Tan, Peter Choong жана Denny Oetomo.

Жооптуу автор: Alireza Mohammadi.

Тең салым/тең биринчи авторлук: Булакта мындай билдирүү жок.

Мекемелер:

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.

Журнал: Actuators.

Басмакана: MDPI, Basel, Switzerland.

Библиографиялык маалымат: Actuators 2026, 15(6), 320.

DOI:10.3390/act15060320

Расмий жарыя шилтемеси:MDPI – Actuators 15(6), 320

Жарыяланган күнү: 6-июнь 2026. Иш 28-апрель 2026да кабыл алууга берилген, 2-июнь 2026да кайра каралып, 4-июнь 2026да кабыл алынган.

Булак түрү жана рецензия абалы: Actuators журналында жарыяланган рецензияланган изилдөө макаласы. Изилдөө физикалык актуатор өндүрүшү жана лабораториялык эксперименттер менен колдоого алынган аналитикалык моделдөө иши.

Лицензия: Creative Commons Attribution (CC BY).

Каржылоо: Долбоор Valma Angliss Trust жана The University of Melbourne тарабынан каржыланган.

Этика комитети: Колдонулбайт.

Маалыматтуу макулдук: Колдонулбайт.

Маалыматтын жеткиликтүүлүгү: Изилдөөдө түзүлгөн жана талданган маалымат топтомдору макаланын Supplementary Materials бөлүмүндө берилген. Кошумча материалдардын ичинде эксперименттик/аналитикалык маалымат топтомдору жана Bi-OSPA деформациясын, таза буралууну жана робот манжасынын демонстрацияларын көрсөткөн Video S1 бар.

Кызыкчылыктардын кагылышы: Авторлор кызыкчылыктардын кагылышы жок экенин билдирип, каржылоочулар изилдөө дизайнына, маалымат чогултууга, талдоого, чечмелөөгө, жазууга же жарыялоо чечимине катышпаганын белгилешкен.

Авторлордун салымы: Концептуалдаштыруу — Alireza Keramati, Alireza Mohammadi, Denny Oetomo жана Peter Choong; методология — Alireza Keramati, Alireza Mohammadi жана Denny Oetomo; программалык камсыздоо — Alireza Keramati; текшерүү — Alireza Keramati; формалдык талдоо — Alireza Keramati жана Ying Tan; изилдөө жана маалыматтарды уюштуруу — Alireza Keramati; ресурстар — Alireza Mohammadi жана Denny Oetomo; биринчи долбоор — Alireza Keramati; карап чыгуу/редакциялоо — Alireza Keramati, Alireza Mohammadi жана Denny Oetomo; көзөмөл — Alireza Mohammadi, Denny Oetomo, Ying Tan жана Peter Choong тарабынан аткарылган.

Моделди текшерүү чеги: Бүктөм катуулуктары эксперименттик серпилгич күч–жылыш маалыматтарынан итеративдүү түрдө аныкталып, акыркы параметр топтому бүт ийри сызыкка эң жакшы шайкештик бере тургандай тандалган. Ошондуктан 0,14 N RMSE реалдуу эксперименттик салыштырууга негизделгени менен, көз карандысыз hold-out маалымат топтомундагы сокур текшерүү катары бааланбашы керек.

Моделдин жалпылануу чеги: Булактын жыйынтыктар бөлүмүндө бүктөм катуулугу константалары универсалдуу эмес экени ачык көрсөтүлгөн. Геометрия же өндүрүш шарты өзгөрсө, тиешелүү Bi-OSPA үчүн жаңы эксперименттик катуулук калибрлөөсү керек болот.

Квази-статикалык моделдин чеги: Аналитикалык модель убакытка көз каранды таасирлерди, өтмө актуация жообун жана энергия жоготууларын камтыбайт. Жогорку ылдамдыктагы/динамикалык жүрүм-турум үчүн учурдагы модель түздөн-түз жетиштүү экени көрсөтүлгөн эмес.

Теңдеме шайкеш эместиги жөнүндө эскертүү: Булакта (5)-теңдеме \(W_{out}=P(V-V_0)-U\) түрүндө жана буга чейин \(F_e=\partial U/\partial h\) деп аныкталган. (7)-теңдеме болсо \(F_{out}=\partial W_{out}/\partial h-F_e=P\partial V/\partial h-F_e\) түрүндө жазылган. (5)-теңдеменин түз туундусу серпилгич энергиянын туундусун буга чейин эле камтыгандыктан, (7)-теңдеменин биринчи жана акыркы теңдиктери бир эле аныктамалардын алдында алгебралык жактан шайкеш көрүнбөйт. Булактагы туюнтма өзгөртүлгөн эмес.

Геометриялык жарактуулук чеги: \(\alpha_0=55^\circ\) жана чоң \(r_0\) сыяктуу айрым дизайндарда жогорку вакуум деңгээлдери локалдык buckling жаратып, сызыктуу бурама пружина/rigid-foldable божомолу жараксыз болуп калган. Ошондой эле \(\phi_0=30^\circ\) критикалык геометриялык аймакта кыймыл багыты экспериментте алдын ала айтууга кыйын болуп калган.

Чыдамдуулук чеги: 1000 циклдик сыноо бир гана актуатордо +60 kPa оң басым астында жүргүзүлгөн. Натыйжа узак мөөнөттүү колдонуу өмүрүн, вакуум цикл чыдамдуулугун же сериялык өндүрүш ишенимдүүлүгүн далилдебейт.

Өндүрүш чеги: Бирдей геометриядагы үч FDM басмасынын ортосунда өлчөнүүчү узаруу жана өзгөчө кыскаруу айырмачылыктары байкалган. Авторлор өндүрүш тактыгын, герметикалуулукту жана өлчөм кайталануучулугун жакшыртууну келечектеги иш катары белгилешет.

Башкаруу чеги: Басым–деформация байланышы өзү эле так ачык контур позициясын башкаруу үчүн жетиштүү деп эсептелбейт. Авторлор чыныгы колдонмо үчүн позиция сенсорун жана кайтарым байланыштуу жабык контур башкарууну сунушташат; бул башкаруу учурдагы изилдөөдө аткарылган эмес.

Колдонмо чеги: Kresling менен таза буралуу жана 1-DoF робот манжасы эксперименттери физикалык функция демонстрациялары. Алар клиникалык натыйжалуулук, адам коопсуздугу же өнөр жай продукциясын текшерүү эмес.

Бул Verianla мазмунундагы илимий ыкма, теңдемелер, эксперименттик шарттар, сандык жыйынтыктар жана чектөөлөр тек гана каралган изилдөөгө негизделет. Тышкы булак макаланын расмий жарыя идентификациясын текшерүү максатында гана колдонулган.