Бул изилдөө, форма эс тутумдуу эритме (Shape Memory Alloy, SMA) пружиналарdan түзүлгөн эки багыттуу жасалма булчуңдарla hareket ettirilen кичине масштабдуу бир жамбаш экзоскелети прототипini; термомеханикалык karakterizasyon, температураны баалоо, системаны идентификациялоо жана адаптивдүү PID башкаруусу açжылуулукndan изилдейт. Altışar SMA пружинасыdan пайда болгон эки karşıt пружина тобу флексия жана экстензия yönlerini üretmiş, прототип karakterizasyon deneylerinde −20° менен 200° арасында hareket ettirilmiştir. İnce SMA пружиналарыnın түздөн-түз температураны өлчөөndeki güçlük nedeniyle изилдөөчүлөр термопара өлчөөлөрүн кол учуektriksкол учу чыңалуу жана ток маалыматтарыyle birleştiren жылуулук өткөрүү негизиндеги бир температура болжол ыкмаi gкол учуiştirmiştir. Система tanımlaması башкаргыч ayarları үчүн өткөрүү функциялары sağlamış; адаптивдүү башкарууün синусоидалдык траектория deneyinde жамбаш бурчу көзөмөлдөө катасы 0,94° RMSE катары маалымдалган. Бирок изилдөө кичине масштабдуу deneysкол учу бир прототипe дакүйүүktadır; адамда тагыла турган экзоскелет performansı, uzun döнымдуулук туруктуулук же клиникалык реабилитация ийгиликsı көрсөтпөйт.

Prototipin жасалма булчуңı, insan булчуңlarındaki karşıt hareket prensibinden esinlenen эки SMA пружина тобуna дакүйүүktadır. Ар бир grupta алты пружина bulunur. Колдонулган жарыялоо зым диаметри 0,5 mm, пружинанын тышкы диаметри 3,5 mm жана ороом саны 25'tir. SMA жылуулукtıldığında мартенсит фазаdan аустенит фазаa geçerek eğitilmiş, дагы kısa biçimine туура булчуңılır; система бул сызыктуу жылышyi бир өткөрүү зымы жана шкив аркылуу айлануу кыймылыэмне çevirir. Karşıt пружина тобунун enerjilendirilmesi hareket yönünü tersine çevirmektedir.

Kontrol системасы эки негизги кайтарым байланышка dayanır: SMA температурасы жана жамбаш мууну açжылуулук. Төрт термопара kullanılmış; эки термопара флексия тобуnu, эки термопара экстензия тобуnu izlemiştir. Açısal hız бир инерциялык өлчөө бирдиги (Inertial Measurement Unit, IMU) tarafından өлчөнгөн, бурч Kalman чыпкасыyle болжол edilmiştir. Kontrol döngüsünün үлгүлөө убактысы 50 ms, frekansı 20 Hz'dir. İki PID температурасы, башка эки адаптивдүү PID болсо hareket yönüne ылайык жамбаш бурчуnı kontrol etmektedir.

Изилдөөнүн en öнымдуулукli mühendislik sınırı SMA'nın термалык жүрүш-турушıdır. Joule жылытуусу булчуңılmayı sağlarken soğuma doğal orтолук шарттарына bırakılmıştır. Изилдөөчүлөр дагы мурун yapılan deneylerle karşılaştırıldığında ошол эле hareket mesafesine ulaşmak үчүн zamanla дагы fazla жылуулукtma gerektiğini gözlemiş жана SMA'nın термалык бузулуу riskini азайтуу amacıyla кийинки адаптивдүү башкаруу deneylerindeki hareket aralığını 20°'ye düşürmüştür. Демек изилдөө, жүкsek кыймыл диапазонуnın бир başına yeterli болбогонун; температура, soğuma мөөнөтү, kontrol hassasiyeti жана материал ömrünün бирге мааниlendirilmesi gerektiğini көрсөтөт.

Түркия жагынан: Изилдөө Türkiye'да insan колдонуучуlarla yürütülmüş бир экзоскелет deneyi değildir жана жыйынтыктар түздөн-түз клиникалык реабилитацияa aktarılamaz. Ошентсе да SMA негизиндеги kompakt актуатор, температураны баалоо жана адаптивдүү башкаруу ыкмасы; üniversitкол учуerde жумшак роботтук, реабилитация роботları жана тагыла турган система прототипleri gкол учуiştiren изилдөө grupları açжылуулукndan incкол учуenebilir бир mühendislik ыкмасы сунуштайт. Türkiye'да реалдуу колдонуучуya yönкол учуik бир колдонмоya geçilmesi үчүн толук ölçekli прототип, колдонуучу ишенимliği, ciltle жылуулук temas, активдүү муздатуу, ар түрдүү жүкler астында kontrol, цикл өмүрү жана uzun sürкол учуi материалдык чарчоо сыяктуу konuların ayrıca doğrulanması керек.

Изилдөөнүн негизги көйгөйү эмне?

форма эс тутумдуу эритмеlar kompakt бойutta жүкsek kuvvet üretebilmкол учуeri, sessiz изилдөөları жана салттуу моторlara kıyasla жумшак жана esnek mekanizmalar oluşайланымabilmкол учуeri nedeniyle тагыла турган роботlarda ilgi çekici актуаторлорdir. Buna karşılık hareketleri түздөн-түз sıcaklığa bağlıdır. Isınma sırasında булчуңılan SMA'nın soğuması görece yavaştır; материал histerezis көрсөтөт жана aşırı жылуулукtma сүрөт hafızası жүрүш-турушını bozabilir.

Ошондуктан изилдөө гана “SMA пружинасыı бир жамбаш муунуni hareket ettirebilir бы?” sorusuna odaklanmamaktadır. Asıl mühendislik problemi; SMA пружинасыının температурасыnın ишенимдүү түрдө izlenmesi, hareket dinamiğinin modкол учуlenmesi жана değişen система жүрүш-турушına rağmen максат жамбаш бурчуnın kontrol edilebilmesidir.

İki yönlü SMA жасалма булчуң кантип иштейт?

Система эки карама-каршы SMA пружина grubundan oluşur. Изилдөөdaki Сүрөт 2, кичине масштабдуу прототипin mekanik жайгашууini кеңири катары көрсөтөт. Grup A'да алты SMA пружинасы, Grup B'да bunlara каршы çalışan алты SMA пружинасы bulunur. Yayların сызыктуу кыймылi болот өткөрүү зымы аркылуу döner туташууya aktarılır. Бир grubun жылуулукtılması туташууyı бир yönde, башка grubun жылуулукtılması каршы yönde hareket ettirir.

Изилдөөнүн Сүрөт 1'i SMA'nın мартенсит жана аустенит фазаları arasındaki термомеханикалык жүрүш-турушı görsкол учуleştirir. Soğuk токтоumda мартенсит фаза baskındır. Isıtma, материалyi аустенит фазаa туура айландырат жана пружина eğitilmiş biçimine туура toparlanır. Изилдөөчүлөр бул fiziksкол учу фаза өзгөрүүсүnü biyolojik булчуңtaki булчуңılmaya benzer бир aktüasyon механизми катары kullanmıştır.

Yayın geometrisi ширетүүta şu сүрөтда берилген:

Prototipin кыймыл диапазону эмне kadar?

Termo-mekanik karakterizasyon deneylerinde кичине масштабдуу прототип −20° менен 200° арасында hareket ettirilmiştir. Ошентсе да изилдөөнүн Сүрөт 2a'sında insan kalçasının референс катары verilen normal флексия-экстензия hareketi болжол менен −15° экстензия менен 120° флексия арасында gösterilmektedir. Демек прототипin deneysкол учу mekanik hareket aralığı insan kalçasının fizyolojik hareket sınırı катары чечмелөөlanmamalıdır.

Изилдөөnın кийинки адаптивдүү башкаруу deneylerinde болсо термалык бузулуу riskini азайтуу amacıyla колдонулуучу кыймыл аралыгы булчуңıtlı катары 20°'ye düşürülmüştür. Бул değişiklik, ilk karakterizasyon deneyindeki maksimum mekanik бурчklık менен sürdürülebilir kontrol deneyindeki ишенимli изилдөө aralığının ошол эле kavram болбогонун көрсөтөт.

İnce SMA пружинасыının температурасыnı ölçmek эмне үчүн zor?

SMA актуаторün фаза өзгөрүүсү sıcaklığa bağlı болгону үчүн температура, система ишенимliği жана kontrol açжылуулукndan критикалык бир değişkendir. Бирок 0,5 mm çapındaki ince бир tкол учуe термопара ucunu ишенимдүү түрдө sabitlemek колay değildir. Sensörün hem iyi термалык temas sağlaması hem да кол учуektriksкол учу катары izole edilmesi керек.

Изилдөөчүлөр термопара ucunu SMA'ya байлооk үчүн полиимид тасмаla электрдик изоляция жана нейлон жип менен механикалык бекитүү kullanmıştır. Buna rağmen кичинекей temas noktasının өлчөө sırasında ийгиликsız olabileceği düşünülerek ар бир SMA grubuna эки термопара yerleştirilmiştir. Ошентип жалпы төрт термопара колдонулган.

Бул аппараттыкsal yedekliliğin yanında, изилдөөчүлөр сенсор бузулууsı токтоumunda kullanılabilecek эсептик бир температура болжол ыкмаi gкол учуiştirmiştir. Modкол учу; uygulanan чыңалуу, ток, чөйрө температурасы жана deneysкол учу катары kalibre edilen жылуулук параметрлерi kullanarak SMA температурасыnı hesaplamaktadır.

SMA'nın жылуулук transfer modкол учуi кантип kurulmuş?

Изилдөөчүлөр температура değişim hızını кол учуektriksкол учу giriş gücü менен чөйрөye aktarılan жылуулук arasındaki enerji dengesi аркылуу tanımlamıştır:

\[ \dot{T}= \frac{I V-h_cA_{sp}(T-T_{amb})} {m_{sp}C_p} \]

Бул жерде \(V\) uygulanan чыңалууi, \(I\) токı, \(m_{sp}\) SMA пружинасыının kütlesini, \(C_p\) менчик жылуулук сыйымдуулугуni, \(T_{amb}\) чөйрө температурасыnı жана \(A_{sp}\) чөйрөyle жылуулук alışverişi yapan пружина беттик аянтnı temsil etmektedir.

Konveksiyon katсаны sabit kabul edilmemiş жана şu ilişkiyle modкол учуlenmiştir:

\[ h_c=h_0+h_2T^n \]

Yayın жылуулук transfer беттик аянт болсо ширетүүta:

\[ A_{sp}=\pi dL \]

катары verilmektedir. Бул жерде \(d\) зым диаметри жана \(L\) SMA пружинасы tкол учуinin жалпы uzunluğuтокто.

Sıcaklık болжол modкол учуi deneysкол учу veriden кантип bкол учуirlenmiş?

Orтолук температурасы çıkarılarak:

\[ T_e=T-T_{amb} \]

tanımlanmış жана температура dinamiği:

\[ \dot{T}_e=a_1VI+a_2T_e^n \]

biçimine indirgenmiştir. Birinci derece varsayımında \(n=1\) alınarak \(Z=\dot{T}_e\), \(X=VI\) жана \(Y=T_e\) tanımları yapılmıştır:

\[ [Z]=[X\;\;Y] \begin{bmatrix} a_1\\ a_2 \end{bmatrix} \]

жана katsayılar deneysкол учу örneklerden pseudo-inverse колдонуу менен hesaplanmıştır:

\[ \begin{bmatrix} a_1\\ a_2 \end{bmatrix} = [X\;\;Y]^{-1}[Z] \]

Aynı операция \(n=2\) жана \(n=3\) үчүн да кайталанган. Ар бир modкол учу эки başlangıç koşulunda бааланган: баштапкы температураnın ölçülerek bilинсультsi жана баштапкы температураnın bilинсультdiği токтоumda чөйрө температурасыna eşit varsayılması.

Sıcaklık болжолуnde кайсы RMSE маанилери кол учуда edildi?

T1 үчүн баштапкы температураnın өлчөнгөнğü токтоumda birinci derece modкол учу 0,40 °C RMSE менен таблицада verilen en төмөн катаны камсыздайт. Başlangıç температурасы ölçülmediğinde T1 үчүн үч modкол учуда да 1,53 °C маалымдалган.

T2 жыйынтыктарında ширетүү ички бир чечмелөө problemi бар. Metinde ikinci derece modкол учуin T2 үчүн en төмөн RMSE'yi verdiği bкол учуirtilmektedir; бирок баштапкы температура өлчөнгөн токтоumda üçüncü derece modкол учуin 2,31 °C мааниси, ikinci derece modкол учуin 3,78 °C маанисиnden düşüktür. Başlangıç температурасыnın bilинсультdiği токтоumda болсо ikinci derece modкол учу 3,51 °C менен башка эки T2 болжолуnden дагы төмөн ката vermektedir. Ошондуктан кайсы modкол учуin “en iyi” болгону başlangıç koşuluna bağlıdır.

Aynı bölümde изилдөөчүлөр болжол катасыnın ±2 °C ичинде kaldığını bкол учуirtmektedir. Ошентсе да yukarıdaki таблицада 2 °C'nin үстүндө birçok RMSE мааниси bulunduğundan бул ifade бүткүл modкол учу жана başlangıç шарттарына genкол учуleнымдуулукez.

Kalça açжылуулук кантип ölçülüyor жана kontrol ediliyor?

Prototipte бир IMU бурчsal hareketi ölçer. Изилдөөчүлөр IMU'dan алынган бурчтук ылдамдык verisini Kalman чыпкасыnden geçirerek жамбаш бурчуnı болжол etmektedir.

Toplam төрт PID башкаруусуcü колдонулган. İlk эки PID башкаруусуcü эки SMA grubunun температурасыnı жайгашууler. Diğer эки башкаргыч, каралган жана өлчөнгөн жамбаш бурчу arasındaki катаnın yönüne ылайык флексия же экстензия SMA grubunu çalıştırmaktadır.

Sıcaklık катасы:

\[ e_T=T_m-T_d \]

катары tanımlanmıştır. Sıcaklık PID башкаруусу sinyali:

\[ C_{T1,T2} = K_{pT}e_T+ K_{iT}\int e_Tdt+ K_{dT}\frac{de_T}{dt} \]

түрүндөdir. Бул башкаргычтарin гана жылуулукtma sırasında etkin болгону özкол учуlikle bкол учуirtilmiştir. SMA'nın soğutulması aktif бир система tarafından эмес, orтолук havası аркылуу табигый муздооyla реалдууleşmektedir.

Açı kontrolünde көзөмөлдөө катасы:

\[ e_x=\theta_{hip}-\theta_{Des} \]

жана адаптивдүү PID башкаруусу sinyali:

\[ C_{x1,x2}(t) = K_Pe(t)+K_I\int_0^t e(t)dt+K_D\frac{d}{dt}e(t) \]

катары tanımlanmıştır.

Adaptif PID neyi değiştiriyor?

Sabit PID'den ар түрдүү катары adaptif yapı, \(K_P\), \(K_I\) жана \(K_D\) kazançlarını изилдөө sırasında güncкол учуlemektedir:

\[ K_P(n+1)=K_P(n)+\gamma_1e_x(t) \]

\[ K_I(n+1)=K_I(n)+\gamma_2K_I\int_0^t e_x(t)dt \]

\[ K_D(n+1)=K_D(n)+\gamma_3K_D\frac{d}{dt}e_x(t) \]

\(\gamma_1\), \(\gamma_2\) жана \(\gamma_3\) pozitif öğrenme катыштарыdır. Изилдөөчүлөр başlangıç PID kazançlarını жана öğrenme катыштарыnı deneysкол учу iteratif ayarlamayla bкол учуirlediklerini, ылайыктуу olmayan параметрлерin системасы istenmeyen жүрүш-турушa sürükleyebileceğini бурчkça bкол учуirtmektedir.

Система tanımlama эмне үчүн yapıldı?

SMA системасы температура, фаза өзгөрүүсү, mekanik жүк жана табигый муздоо nedeniyle basit сызыктуу бир актуатор сыяктуу davranmamaktadır. Изилдөөчүлөр башкаргыч ayarlamasını гана данымдуулукe-yanılmaya bırakmak ордуна MATLAB R2021a System Identification Toolbox kullanarak deneysкол учу giriş-çıkış маалыматтарыnden өткөрүү функциялары çıkarmıştır.

Fleksiyon жана экстензия yönleri ayrı ayrı tanımlanmıştır. Bunun nedeni karşıt SMA gruplarının эки yöndeki система динамикалыкlerinin ошол эле olmamasıdır.

Fleksiyon tarafında таблицада en жүкsek ылайыктуулук %96,51 менен кечигүүлуу аз басаңдатылган уюл жупуэмне aittir. Ошентсе да изилдөөчүлөр кийинки PID ayarlaması үчүн %95,15 ылайыктуулук'a sahip кечигүүлуу эки уюлlu modкол учуi seçmiştir. Булак бул seçimin эмне үчүн дагы жүкsek ылайыктуулук'lı modкол учуe tercih edildiğini бурчkça түшүндүрмөmaktadır.

Ekstansiyon tarafında болсо %88,1 менен кечигүүлуу аз басаңдатылган уюл жупу hem таблицада en жүкsek ылайыктуулук маанисиэмне sahiptir hem да изилдөөчүлөр tarafından башкаргыч дизайнında seçilmiştir.

Termo-mekanik karakterizasyon эмне gösterdi?

Karakterizasyon deneylerinde мурун Grup B аркылуу флексия hareketi түзүлгөн. SMA пружиналарыna 10 V DC uygulanmış жана PWM kontrollü ток yavaşça artırılmıştır. Joule жылытуусуyla температура жүкsкол учуirken байланыштын açжылуулук да değişmiştir. Grup B үчүн жылуулукtma, температура 120 °C'ye, жамбаш бурчу 200°'ye же deney мөөнөтү 400 saniyeye жеткенге чейин мурун ilgili sınırlara ылайык токтотоктоulmuşайланым.

Ardından табигый муздоо beklenmiş жана Grup A аркылуу ters yönde hareket түзүлгөн. Grup A deneyinde температура sınırı yine 120 °C, бурч sınırı −20° жана zaman sınırı 800 saniye катары берилген. Deneyler tutarlılığı баалооk amacıyla беш жолу кайталанган.

Сүрөт 13'teki беш кайра, муун açжылуулукnın 200° civarındaki üst позицияa жүкsкол учуip кийинчерээк karşıt пружина тобу etkinleştirildiğinde −20° civarındaki позицияa dönebildiğini көрсөтөт. Aynı şeklin температура grafiği, ар бир пружина тобунун Joule жылытуусу sırasında hızla жылуулукndığını жана enerji kesildiğinde orтолук шарттарыnda kademкол учуi катары soğuduğunu көрсөтөт.

Эмне үчүн кийинчерээк hareket aralığı 20°'ye düşürüldü?

Изилдөөчүлөр учурдагы deneyleri болжол менен 10 ay мурунки PID башкаруусу deneyleriyle karşılaştırdığında benzer бурчsal hareketi üretmek үчүн дагы жүкsek температурасыn gerektiğini bildirmektedir. Авторлор bunu SMA'nın aşırı жылуулукtılmasına жана сүрөт hafızası өзгөчөлүктөрдүnin бузулуу riskine байлооktadır.

Ошондуктан адаптивдүү PID менен yapılan кийинки kontrol deneylerinde кыймыл диапазону 20° менен sınırlandırılmıştır. Amaç дагы ири hareket üretmek ордуна SMA'yı жүкsek температураtan koruyarak kontrol жүрүш-турушını incкол учуemektir.

Adaptif kontrol deneylerinde жыйынтык эмне oldu?

20 V giriş астында yapılan баскыч траекториясы deneyinde адаптивдүү башкаруу үчүн RMSE 2,98° катары берилген. Изилдөөнүн жыйынтык bölümünde ошол эле basamak deneyleri үчүн кечигүү убактысы 2,09 s, көтөрүлүү убактысы 2,51 s жана ашып кетүү %10,5 катары raporlanmaktadır.

Sinüzoidal таяныч траекторияsinde болсо каралган жана реалдуу бурч eğrileri ири ölçüde birbirini takip etmiştir. Сүрөт 17'да бурч өлчөөüne ani бузуучуlar eklenmesine rağmen адаптивдүү башкарууün траекторияyi yeniden takip ettiği gösterilmektedir. Бул deneyde:

RMSE = 0,94°

катары маалымдалган. Бул жыйынтык изилдөөнүн deney жайгашууeğinde бурч takip performansını ifade eder; реалдуу бир колдонуучуnın жүрүшünde же реабилитация колдонмоsında кол учуда edilmiş клиникалык тактык мааниси değildir.

Изилдөө колдогон жыйынтыктар

• Altışar SMA пружинасыdan пайда болгон эки karşıt пружина тобу кичине масштабдуу прототипte эки багыттуу муун hareketi üretebilmiştir.
• Termo-mekanik karakterizasyon deneylerinde прототип −20° менен 200° arasındaki mekanik hareket aralığını көрсөткөн.
• Gerilim жана ток өлчөөлөрүн жылуулук transfer modкол учуiyle birleştiren температура болжол ыкмасы deneysкол учу термопара маалыматтарыyle салыштырылган.
• T1 температурасыnda birinci derece modкол учу жана өлчөнгөн баштапкы температура үчүн 0,40 °C RMSE маалымдалган.
• Система tanımlama, флексия жана экстензия yönleri үчүн birbirinden ар түрдүү динамикалык жүрүм-турумlar ortaya koymuşайланым.
• Adaptif PID башкаруусу sinüzoidal deneyde 0,94° бурч takip RMSE'sine ulaşmıştır.
• Termal жүкün SMA кыймыл диапазону жана uzun döнымдуулук kullanılabilirliği açжылуулукndan негизги sınırlayıcı faktörlerden biri болгону deneysкол учу катары görünür hâle gкол учуmiştir.

Изилдөөнүн destмуунediği же тест etmediği жыйынтыктар

• Изилдөө реалдуу бир адамда тагыла турган жамбаш экзоскелети deneyi değildir.
• 0,94° RMSE бир клиникалык реабилитация ийгиликsı же бейтап натыйжасы değildir.
• −20° менен 200° arasındaki прототип hareketi insan kalçası үчүн сунушталган изилдөө aralığı değildir.
• SMA системасынын uzun döнымдуулук цикл өмүрү deneysкол учу катары ortaya konmamıştır.
• Aktif soğutma системасы бул изилдөөда колдонулган эмес.
• Ciltle temas eden толук ölçekli бир экзоскелетte жылуулук ишенимlik ырасталган эмес.
• Sıcaklık болжол ыкмаinin ар бир SMA geometrisinde же ар түрдүү orтолук шарттарыnda ошол эле doğruluğu vereceği gösterilmemiştir.
• Uzun sürкол учуi kullanımdaki материал yorulması жана performans kaybı камтууlı түрдө текшерилген эмес.

Изилдөөнүн ыкмасы жана жыйынтыктары

Deneysкол учу система кыскача мазмунi

SMA'nın термомеханикалык bağıntжылуулук

Булакта SMA пружинасыı үчүн чыңалуу, температура, жылыш сүрөт өзгөртүүsi жана мартенсит катышını ilişkilendiren fenomenolojik modкол учу şu сүрөтда verilmektedir:

\[ \dot{\tau} = G\dot{\gamma} + \Omega\dot{\xi} + \Theta\dot{T} \]

Бул жерде \(G\) жылыш modülü, \(\Omega\) dönüşüm tensörü, \(\Theta\) термоэластикалык tensör, \(\gamma\) жылыш сүрөт өзгөртүүsi, \(T\) температура жана \(\xi\) мартенсит фаза катышıdır. Булакта \(\xi=1\) толукamen мартенсит, yani soğuk токтоum; \(\xi=0\) болсо толукamen аустенит, yani sıcak токтоum катары tanımlanmaktadır.

Doğrusal hareketten айлануу кыймылыэмне geçiş

SMA пружина тобунун oluşайланымduğu сызыктуу жылыш шкив аркылуу kalça туташууsının dönüşüne çevrilmektedir:

\[ \theta_x= \frac{\Delta L}{r_{pulley}} \]

\(\Delta L\) SMA пружиналарыnın oluşайланымduğu сызыктуу кыймылi, \(r_{pulley}\) шкив радиусуnı жана \(\theta_x\) байланыштын айлануу бурчуnı temsil etmektedir.

Fleksiyon системаны идентификациялоо

Изилдөөчүлөр PID ayarı үчүн %95,15 ылайыктуулук маанисиndeki кечигүүлуу эки уюлlu modкол учуi seçmiştir:

\[ G_{flex}(s) = \frac{648.2} {348.8s^2+37.35s+1} e^{-6.46s} \]

Бул modкол учу үчүн bкол учуirlenen PID kazançları:

• \(K_p = 0.00518\)
• \(K_i = 0.00001\)
• \(K_d = 0.05697\)

Simülasyonda көтөрүлүү убактысы 8,7 s, орношуу убактысы 56,8 s жана ашып кетүү %6,9 катары билдирилген.

Ekstansiyon системаны идентификациялоо

Ekstansiyon үчүн seçilen өткөрүү функциясы:

\[ G_{ext}(s) = \frac{0.003174} {281.2s^2+15.33s+1} e^{-22.4s} \]

PID параметрлерi:

• \(K_p = 120.3254\)
• \(K_i = 5.7343\)
• \(K_d = 631.2162\)

Simülasyonda көтөрүлүү убактысы 39,3 s, орношуу убактысы 290 s жана ашып кетүү %8,15 катары билдирилген. Fleksiyon жана экстензия динамикалыкleri arasındaki бул ири ар түрдүүlık, эки yönün бир гана özdeş динамикалык modкол учуle temsil edilmediğini көрсөтөт.

Adaptif kontrol deneyinin başlangıç параметрлерi

Hareket aralığı термалык risk nedeniyle 20°'ye düşürüldükten кийин адаптивдүү башкаруу deneylerinde başlangıç PID параметрлерi ширетүүta şu түрдө берилген:

• \(k_p = 0.621732 \times 255\)
• \(k_i = 0.007068 \times 255\)
• \(k_d = 0.0341826 \times 255\)

Adaptasyon öğrenme катыштары:

• \(\gamma_1 = 6.0 \times 10^{-6}\)
• \(\gamma_2 = 10^{-7}\)
• \(\gamma_3 = 5 \times 10^{-9}\)

Deneysкол учу kontrol жыйынтыктарı

Изилдөөнүн негизги mühendislik чектөөлөрı

• SMA'nın табигый муздоо мөөнөтү система cevabını sınırlar.
• Aşırı температура сүрөт hafızası жүрүш-турушında бузулуу жана актуатор ömründe azalma riski taşır.
• Önceki deneylere ылайык ошол эле hareket үчүн дагы fazla жылуулук gerektiği gözlenmiştir.
• Ошондуктан кийинки deneylerde hareket mesafesi 20°'ye düşürülmüştür.
• Tam ölçekli insan тагыла турган экзоскелетi бул изилдөө камтуусуnda текшерилген эмес.
• Uzun döнымдуулук цикл жана туруктуулук тестleri yapılmamıştır.
• Aktif soğutma uygulanmamış; изилдөөчүлөр bunu келечектеги иш konusu катары bкол учуirtmiştir.

Булак жана ыкма жөнүндө эскертүү

Tam оригиналдуу изилдөө adı: Temperaайланымe Estimation of Thin Shape Memory Alloy Springs in a Small-Scale Hip Exoskкол учуeton with System Identification and Adaptive Control

Авторлор: Hussein F. M. Ali, Youngshik Kim, Ejaz Ahmad, Shuaiby Mohamed.

Yazar sırası: Булакта verilen sıra aynen korunmuşайланым.

Eş birinci / eş katkı: Булакта eş birinci же eş katkı beyanı жок.

Sorumlu авторлор: Hussein F. M. Ali жана Youngshik Kim.

Мекемелер:

• Department of Mechanical Engineering, Benha University, Benha, Egypt.
• Department of Smart Computing, Kyungdong University Global, Goseong, Republic of Korea.
• Department of Mechanical Engineering, Hanbat National University, Daejeon, Republic of Korea.
• Department of Mechatronics Engineering, Assiut University, Assiut, Egypt.

Булак түрү: Hakemli deneysкол учу изилдөө макалаsi; SMA актуатор, системаны идентификациялоо, температураны баалоо жана адаптивдүү башкаруу изилдөөsı.

Журнал: Actuators.

Басма: MDPI.

Bibliyoграфик künyesi: Actuators 2026, 15(1), 26.

Макала numarası: 26.

DOI: 10.3390/act15010026.

Расмий жарыялоо шилтемеси:https://doi.org/10.3390/act15010026

Gönderim tarihi: 23 Ağustos 2025.

Revizyon tarihi: 23 Kasım 2025.

Kabul tarihi: 16 Aralık 2025.

Yayın tarihi: 3 Ocak 2026.

Лицензия: Creative Commons Attribution (CC BY).

Каржылоо: Изилдөө, Kore Ulusal Изилдөө Vakfı (NRF) аркылуу Kore hüкластерti MSIT tarafından destкошулган 2017R1A2B4008056, 2021R1H1A2093798 жана 2022R1A2C1011462 numaralı hibкол учуerden finansman almıştır. Мындан тышкары Ministry of Education tarafından finanse edilen Regional Innovation Strategy камтуусуnda 2021RIS-004 desteği жана ilk yazar үчүн NRF Brain Pool programı камтуусуnda 2019H1D3A1A01071124 numaralı destek билдирилген.

Маалымат жеткиликтүүлүгү: Изилдөө маалыматтарынын talep üzerine sağlanabileceği bкол учуirtilmiştir.

Kurumsal etik kurul: Булакта “Эскертүү applicable” катары bкол учуirtilmiştir.

Bilgilendirilmiş макулдук: Булакта “Эскертүү applicable” катары bкол учуirtilmiştir.

Кызыкчылыктардын кагылышы: Авторлор çıkar çatışması болбогонун beyan etmiştir.

Автордук салымдар: Kavramsallaştırma H.F.M.A. жана Y.K.; metodoloji H.F.M.A.; yazılım H.F.M.A. жана S.M.; ырастоо H.F.M.A. жана S.M.; formкол учу analiz жана изилдөө H.F.M.A.; ширетүүlar Y.K.; маалымат жөнгө салуу H.F.M.A. жана S.M.; ilk taslak H.F.M.A., E.A. жана S.M.; gözden geçirme жана жөнгө салуу H.F.M.A.; görsкол учуleştirme H.F.M.A. жана S.M.; danışmanlık, proje yönetimi жана finansman edinimi Y.K. катары билдирилген.

Yapay zekâ kullanım beyanı: Авторлор макаланын hazırlanması sırasında адабият сереби desteği, metin жөнгө салуу, dil iyileştirme жана LaTeX biçimlendirme teknik desteği amacıyla ChatGPT, modкол учу GPT-5 kullandıklarını бурчkça bкол учуirtmiştir. Авторлор бүткүл чыгыштар gözden geçirip жайгашууlediklerini жана жарыялоо мазмунунn sorumluluğunu üstlendiklerini beyan etmektedir.

Bilimsкол учу мазмун sınırı: Бул Verianla yazжылуулукndaki deney жайгашууeği, formüller, температура маанилери, RMSE жыйынтыктарı, өткөрүү функциялары, kontrol параметрлерi жана bilimsкол учу чечмелөөlar incкол учуenen негизги изилдөөya дакүйүүktadır. Bibliyoграфик ырастоо тышкары сырткы ширетүүlardan жаңы deneysкол учу табылга eklenmemiştir.

Булак ичиндеги öнымдуулукli tutarsızlıklar

• Sıcaklık болжолу bölümünde бир cümlede hem T1 hem T2 “SMA springs group A” катары tanımlanmıştır. Изилдөөнүн башка bölümlerindeki башкаруу архитектурасыnde T1 жана T2 эки ар түрдүү karşıt SMA grubuna aittir. Бул токтоum ширетүү ички белгиleme tutarsızlığı катары korunmuşайланым.
• Fleksiyon системаны идентификациялооnda Таблица 1'in en жүкsek ылайыктуулук мааниси %96,51 менен “underdamped pair with dкол учуay” modкол учуine aittir. Buna rağmen авторлор башкаргыч дизайнı үчүн %95,15 ылайыктуулук'a sahip “two poles with dкол учуay” modкол учуini seçmektedir. Булак бул tercihin nedenini бурчkça bкол учуirtmemektedir.
• Sıcaklık болжолу баалооsinde авторлор T2 үчүн ikinci derece modкол учуin en төмөн RMSE'yi verdiğini bкол учуirtmektedir. Бирок баштапкы температура өлчөнгөн токтоumda üçüncü derece modкол учу 2,31 °C, ikinci derece modкол учу болсо 3,78 °C RMSE vermektedir. Başlangıç температурасы өлчөнбөгөн токтоumda ikinci derece modкол учуin 3,51 °C sonucu en төмөн мааниdir.
• Булакта температура болжол катасыnın ±2 °C ичинде kaldığı ifade edilmesine rağmen Сүрөт 10–12'да 2,31, 2,64, 3,51, 3,78, 4,15, 4,44, 7,65 жана 13,75 °C сыяктуу 2 °C'nin үстүндө RMSE жыйынтыктарı бар. Ошондуктан ±2 °C ifadesi бүткүл тест шарттары үчүн geçerli бир genкол учу жыйынтык катары sunulmamıştır.
• Termo-mekanik karakterizasyonun түшүндүрмө metninde Сүрөт 13b температура, Сүрөт 13c бурч катары tarif edilmektedir; görünür сүрөт жана сүрөт alt yazжылуулукnda болсо 13b муун açжылуулук, 13c температураtır.

Bilimsкол учу чечмелөө sınırı: Изилдөө кичине масштабдуу deneysкол учу бир прототипi изилдейт. Prototipin −20° менен 200° арасында mekanik hareket göstermesi, бул aralığın insan kalçasında ишенимli же fizyolojik болгону anlamına gкол учуmez. Adaptif kontrol deneyindeki 0,94° RMSE да реалдуу бейтап реабилитацияundaki performansı temsil etmez. SMA температурасы insanla temas açжылуулукndan öнымдуулукli бир ишенимlik problemidir жана изилдөөчүлөр gкол учуecekte активдүү муздатуу менен uzun döнымдуулук туруктуулук изилдөөlarına ihtiyaç болгонун бурчkça bкол учуirtmektedir.