Ин таҳқиқот прототипи хурдҳаҷми экзоскелети буғуми косу ронро, ки бо мушакҳои сунъии дуҷониба аз пружинаҳои хӯлаи хотираи шакл (Shape Memory Alloy, SMA) ҳаракат мекунад, аз ҷиҳати тавсифи термо-механикӣ, баҳодиҳии ҳарорат, идентификатсияи система ва идоракунии мутобиқшавандаи PID меомӯзад. Ду гурӯҳи муқобили пружинаҳо, ки ҳар кадом аз шаш пружинаи SMA иборатанд, самтҳои флексия ва экстензияро ба вуҷуд овардаанд ва прототип дар таҷрибаҳои тавсифӣ байни −20° ва 200° ҳаракат дода шудааст. Аз сабаби душвории ченкунии мустақими ҳарорати пружинаҳои борики SMA муҳаққиқон усули баҳодиҳии ҳароратро дар асоси интиқоли гармӣ таҳия карданд, ки ченкуниҳои термопараро бо маълумоти шиддат ва ҷараёни барқӣ муттаҳид мекунад. Идентификатсияи система барои танзими контроллер функсияҳои интиқолиро фароҳам овард; дар таҷрибаи траекторияи синусоидалии идоракунии мутобиқшаванда хатои пайгирии кунҷи буғуми косу рон 0,94° RMSE гузориш шуд. Аммо кор ба прототипи хурдҳаҷми таҷрибавӣ асос ёфтааст; иҷрои экзоскелети пӯшиданӣ дар инсон, устувории дарозмуддат ё муваффақияти реабилитатсияи клиникиро нишон намедиҳад.

Мушаки сунъии прототип ба ду гурӯҳи пружинаҳои SMA асос ёфтааст, ки аз принсипи ҳаракати муқобили мушакҳои инсон илҳом гирифта шудаанд. Дар ҳар гурӯҳ шаш пружина мавҷуд аст. Диаметри сими пружина 0,5 mm, диаметри берунии пружина 3,5 mm ва шумораи печҳо 25 мебошад. Вақте SMA гарм мешавад, аз фазаи мартенсит ба фазаи аустенит мегузарад ва ба шакли омӯзонидашудаи кӯтоҳтари худ фишурда мешавад; система ин ҷойивазкунии хаттиро тавассути сими интиқол ва шкив ба ҳаракати гардишӣ табдил медиҳад. Энергия додан ба гурӯҳи муқобили пружинаҳо самти ҳаракатро баръакс мекунад.

Системаи идоракунӣ ба ду бозхурди асосӣ такя мекунад: ҳарорати SMA ва кунҷи буғуми косу рон. Чор термопара истифода шудааст; ду термопара гурӯҳи флексия ва ду термопара гурӯҳи экстензияро назорат кардаанд. Суръати кунҷӣ бо воҳиди ченкунии инерсиалӣ (Inertial Measurement Unit, IMU) чен шуда, кунҷ бо филтри Kalman арзёбӣ шудааст. Вақти намунагирии ҳалқаи идоракунӣ 50 ms ва басомад 20 Hz мебошад. Ду PID ҳароратро ва ду PID-и мутобиқшавандаи дигар кунҷи буғуми косу ронро вобаста ба самти ҳаракат идора мекунанд.

Муҳимтарин маҳдудияти муҳандисии таҳқиқот рафтори гармии SMA мебошад. Гармкунии Joule кашишро таъмин мекунад, дар ҳоле ки хунукшавӣ ба шароити табиии муҳит гузошта шудааст. Муҳаққиқон мушоҳида карданд, ки нисбат ба таҷрибаҳои қаблӣ барои расидан ба ҳамон масофаи ҳаракат бо мурури вақт гармкунии бештар лозим шудааст ва барои кам кардани хавфи деградатсияи гармии SMA дар таҷрибаҳои минбаъдаи идоракунии мутобиқшаванда диапазони ҳаракатро то 20° кам карданд. Аз ин рӯ, таҳқиқот нишон медиҳад, ки доираи калони ҳаракат худ аз худ кофӣ нест; ҳарорат, вақти хунукшавӣ, дақиқии идоракунӣ ва мӯҳлати мавод бояд якҷо арзёбӣ шаванд.

Аз нуқтаи назари Туркия: Таҳқиқот таҷрибаи экзоскелет бо корбарони инсонӣ дар Туркия нест ва натиҷаҳоро мустақим ба реабилитатсияи клиникӣ интиқол додан мумкин нест. Бо вуҷуди ин, актуатори паймонаи SMA, баҳодиҳии ҳарорат ва равиши идоракунии мутобиқшаванда барои гурӯҳҳои тадқиқотӣ дар донишгоҳҳо, ки роботикаи нарм, роботҳои реабилитатсионӣ ва прототипҳои системаҳои пӯшиданиро таҳия мекунанд, як равиши муҳандисии қобили омӯзиш пешниҳод мекунад. Барои гузариш ба истифодаи воқеӣ дар Туркия прототипи пурраҳаҷм, бехатарии корбар, тамоси гармӣ бо пӯст, хунуккунии фаъол, идоракунӣ зери борҳои гуногун, мӯҳлати даврӣ ва хастагии дарозмуддати мавод бояд алоҳида тасдиқ шаванд.

Мушкилоти асосии таҳқиқот чист?

Хӯлаҳои хотираи шакл аз сабаби қобилияти тавлиди қувваи баланд дар андозаи паймон, кори хомӯш ва имкони сохтани механизмҳои нарм ва чандир нисбат ба муҳаррикҳои анъанавӣ ҳамчун актуаторҳо барои роботҳои пӯшиданӣ ҷолибанд. Аммо ҳаракати онҳо мустақиман ба ҳарорат вобаста аст. SMA ҳангоми гармшавӣ фишурда мешавад, вале хунукшавӣ нисбатан суст аст; мавод гистерезис нишон медиҳад ва аз ҳад зиёд гарм кардан метавонад рафтори хотираи шаклро вайрон кунад.

Аз ин рӯ, таҳқиқот танҳо ба саволи «оё пружинаи SMA метавонад буғуми косу ронро ҳаракат диҳад?» тамаркуз намекунад. Мушкилоти асосии муҳандисӣ ин аст, ки ҳарорати пружинаи SMA боэътимод назорат шавад, динамикаи ҳаракат моделсозӣ гардад ва сарфи назар аз тағйир ёфтани рафтори система кунҷи ҳадафии буғуми косу рон идора карда шавад.

Мушаки сунъии дуҷонибаи SMA чӣ гуна кор мекунад?

Система аз ду гурӯҳи муқобили пружинаҳои SMA иборат аст. Расми 2-и таҳқиқот сохтори механикии прототипи хурдҳаҷмро муфассал нишон медиҳад. Дар гурӯҳи A шаш пружинаи SMA ва дар гурӯҳи B шаш пружинаи SMA мавҷуданд, ки ба муқобили онҳо кор мекунанд. Ҳаракати хаттии пружинаҳо тавассути сими пӯлодии интиқол ба пайвасти гардишӣ дода мешавад. Гарм кардани як гурӯҳ пайвастиро ба як самт ва гарм кардани гурӯҳи дигар ба самти муқобил ҳаракат медиҳад.

Расми 1-и таҳқиқот рафтори термо-механикии SMA-ро байни фазаҳои мартенсит ва аустенит нишон медиҳад. Дар ҳолати хунук фазаи мартенсит бартарӣ дорад. Гармкунӣ маводро ба фазаи аустенит мегузаронад ва пружина ба шакли омӯзонидашудаи худ бармегардад. Муҳаққиқон ин гузариши физикии фазавиро ҳамчун механизми актуатсияе, ки ба кашиши мушаки биологӣ монанд аст, истифода кардаанд.

Геометрияи пружина дар манбаъ чунин дода шудааст:

Доираи ҳаракати прототип чӣ қадар аст?

Дар таҷрибаҳои тавсифи термо-механикӣ прототипи хурдҳаҷм байни −20° ва 200° ҳаракат дода шудааст. Бо вуҷуди ин, дар Расми 2a-и таҳқиқот ҳаракати муқаррарии флексия-экстензияи буғуми косу рони инсон ҳамчун истинод тақрибан байни −15° экстензия ва 120° флексия нишон дода шудааст. Аз ин рӯ, диапазони таҷрибавии механикии прототип набояд ҳамчун ҳадди физиологии ҳаракати буғуми косу рони инсон тафсир шавад.

Дар таҷрибаҳои минбаъдаи идоракунии мутобиқшаванда бошад, барои кам кардани хавфи деградатсияи гармӣ масофаи истифодашавандаи ҳаракат қасдан то 20° кам карда шуд. Ин тағйир нишон медиҳад, ки максимуми механикии таҷрибаи тавсифӣ ва диапазони бехатари кори таҷрибаи идоракунии устувор як мафҳум нестанд.

Чаро чен кардани ҳарорати пружинаи борики SMA мушкил аст?

Азбаски гузариши фазавии актуатори SMA ба ҳарорат вобаста аст, ҳарорат барои бехатарӣ ва идоракунии система тағйирёбандаи калидӣ мебошад. Аммо боэътимод маҳкам кардани нӯги термопара ба сими борики диаметраш 0,5 mm осон нест. Сенсор бояд ҳам тамоси хуби гармӣ дошта бошад ва ҳам аз ҷиҳати барқӣ изолятсия шавад.

Муҳаққиқон барои пайваст кардани нӯги термопара ба SMA изолятсияи барқии лентаи полиимидӣ ва маҳкамкунии механикӣ бо риштаи нейлониро истифода карданд. Бо вуҷуди ин, азбаски нуқтаи хурди тамос метавонад ҳангоми ченкунӣ аз кор барояд, ба ҳар гурӯҳи SMA ду термопара гузошта шуд. Ҳамин тавр, дар маҷмӯъ чор термопара истифода гардид.

Илова ба ин зиёдатии сахтафзор, муҳаққиқон усули ҳисоббарории баҳодиҳии ҳароратро таҳия карданд, ки дар ҳолати носозии сенсор истифода шавад. Модел ҳарорати SMA-ро бо истифода аз шиддати додашуда, ҷараён, ҳарорати муҳит ва параметрҳои гармии таҷрибавӣ калибршуда ҳисоб мекунад.

Модели интиқоли гармии SMA чӣ гуна сохта шудааст?

Муҳаққиқон суръати тағйирёбии ҳароратро тавассути тавозуни энергия байни қувваи барқии воридшаванда ва гармии ба муҳит интиқолёбанда муайян карданд:

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

Дар ин ҷо \(V\) шиддати додашуда, \(I\) ҷараён, \(m_{sp}\) массаи пружинаи SMA, \(C_p\) иқтидори хоси гармӣ, \(T_{amb}\) ҳарорати муҳит ва \(A_{sp}\) майдони сатҳи пружина барои мубодилаи гармӣ бо муҳитро ифода мекунад.

Коэффисиенти конвексия доимӣ қабул нашуда, бо муносибати зерин моделсозӣ шудааст:

\[ h_c=h_0+h_2T^n \]

Майдони сатҳи интиқоли гармии пружина дар манбаъ:

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

дода шудааст. Дар ин ҷо \(d\) диаметри сим ва \(L\) дарозии умумии сими пружинаи SMA мебошад.

Модели баҳодиҳии ҳарорат аз маълумоти таҷрибавӣ чӣ гуна муайян шуд?

Бо тарҳ кардани ҳарорати муҳит:

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

таъриф шуда, динамикаи ҳарорат ба шакли:

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

оварда шудааст. Дар фарзияи дараҷаи якум \(n=1\) гирифта шуда, \(Z=\dot{T}_e\), \(X=VI\) ва \(Y=T_e\) муайян шудаанд:

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

ва коэффисиентҳо аз намунаҳои таҷрибавӣ бо pseudo-inverse ҳисоб шудаанд:

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

Ҳамин раванд барои \(n=2\) ва \(n=3\) низ такрор шудааст. Ҳар модел дар ду шароити ибтидоӣ арзёбӣ шуд: вақте ҳарорати ибтидоӣ чен шуда маълум аст ва вақте ҳарорати ибтидоӣ номаълум буда, ба ҳарорати муҳит баробар қабул мешавад.

Дар баҳодиҳии ҳарорат кадом қиматҳои RMSE гирифта шуданд?

Барои T1 дар ҳолате, ки ҳарорати ибтидоӣ чен шудааст, модели дараҷаи якум бо 0,40 °C RMSE пасттарин хаторо дар ҷадвал медиҳад. Вақте ҳарорати ибтидоӣ чен нашудааст, барои T1 дар ҳамаи се модел 1,53 °C гузориш шудааст.

Дар натиҷаҳои T2 мушкили тафсири дохили манбаъ мавҷуд аст. Дар матн гуфта мешавад, ки модели дараҷаи дуюм барои T2 пасттарин RMSE-ро медиҳад; аммо дар ҳолати ҳарорати ибтидоии ченшуда қимати 2,31 °C-и модели дараҷаи сеюм аз қимати 3,78 °C-и модели дараҷаи дуюм пасттар аст. Дар ҳолате, ки ҳарорати ибтидоӣ номаълум аст, модели дараҷаи дуюм бо 3,51 °C нисбат ба ду баҳодиҳии дигари T2 хатои камтар медиҳад. Аз ин рӯ, кадом модел “беҳтарин” аст, ба шароити ибтидоӣ вобаста мебошад.

Дар ҳамон бахш муҳаққиқон мегӯянд, ки хатои баҳодиҳӣ дар ҳудуди ±2 °C боқӣ мондааст. Аммо азбаски дар ҷадвали боло чандин RMSE аз 2 °C зиёд аст, ин изҳоротро ба ҳамаи моделҳо ва шароити ибтидоӣ умумӣ кардан мумкин нест.

Кунҷи буғуми косу рон чӣ гуна чен ва идора мешавад?

Дар прототип як IMU ҳаракати кунҷиро чен мекунад. Муҳаққиқон маълумоти суръати кунҷии IMU-ро аз филтри Kalman гузаронида, кунҷи буғуми косу ронро баҳогузорӣ мекунанд.

Дар маҷмӯъ чор контроллери PID истифода шудааст. Ду PID-и аввал ҳарорати ду гурӯҳи SMA-ро танзим мекунанд. Ду контроллери дигар мувофиқи самти хатои байни кунҷи дилхоҳ ва ченшудаи буғуми косу рон гурӯҳи SMA-и флексия ё экстензияро фаъол мекунанд.

Хатои ҳарорат:

\[ e_T=T_m-T_d \]

таъриф шудааст. Сигнали идоракунии PID-и ҳарорат:

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

мебошад. Махсус қайд шудааст, ки ин контроллерҳо танҳо ҳангоми гармкунӣ фаъоланд. Хунуккунии SMA тавассути системаи фаъол не, балки бо хунукшавии табиӣ дар ҳавои муҳит сурат мегирад.

Дар идоракунии кунҷ хатои пайгирӣ:

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

ва сигнали идоракунии мутобиқшавандаи PID:

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

таъриф шудааст.

PID-и мутобиқшаванда чиро тағйир медиҳад?

Бар хилофи PID-и собит, сохтори мутобиқшаванда коэффисиентҳои \(K_P\), \(K_I\) ва \(K_D\)-ро ҳангоми кор нав мекунад:

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

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

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

\(\gamma_1\), \(\gamma_2\) ва \(\gamma_3\) суръатҳои мусбати омӯзиш мебошанд. Муҳаққиқон ошкоро мегӯянд, ки коэффисиентҳои ибтидоии PID ва суръатҳои омӯзишро бо танзими таҷрибавии итеративӣ муайян кардаанд ва параметрҳои номуносиб метавонанд системаро ба рафтори номатлуб баранд.

Чаро идентификатсияи система анҷом дода шуд?

Системаи SMA бо сабаби ҳарорат, гузариши фаза, бори механикӣ ва хунукшавии табиӣ мисли актуатори оддии хаттӣ рафтор намекунад. Ба ҷои он ки танзими контроллер танҳо ба озмоишу хато гузошта шавад, муҳаққиқон бо MATLAB R2021a System Identification Toolbox аз маълумоти таҷрибавии вуруд-баромад функсияҳои интиқолиро ҳосил карданд.

Самтҳои флексия ва экстензия алоҳида идентификатсия шуданд. Сабаб ин аст, ки динамикаи системаи ду гурӯҳи муқобили SMA дар ду самт яксон нест.

Дар тарафи флексия баландтарин fitness дар ҷадвал %96,51 буда, ба ҷуфти қутбҳои камхомӯшшаванда бо таъхир тааллуқ дорад. Бо вуҷуди ин, муҳаққиқон барои танзими минбаъдаи PID модели дуқутбаи бо таъхирро бо fitness-и %95,15 интихоб карданд. Манбаъ ошкоро шарҳ намедиҳад, ки чаро ин модел ба модели дорои fitness-и баландтар бартарӣ дода шудааст.

Дар тарафи экстензия бошад, ҷуфти қутбҳои камхомӯшшаванда бо таъхир бо %88,1 ҳам баландтарин fitness дар ҷадвал дорад ва ҳам аз ҷониби муҳаққиқон барои тарҳи контроллер интихоб шудааст.

Тавсифи термо-механикӣ чиро нишон дод?

Дар таҷрибаҳои тавсифӣ аввал тавассути гурӯҳи B ҳаракати флексия ба вуҷуд оварда шуд. Ба пружинаҳои SMA 10 V DC дода шуда, ҷараёни бо PWM идорашаванда тадриҷан зиёд карда шуд. Бо баланд шудани ҳарорат аз гармкунии Joule кунҷи пайваст низ тағйир ёфт. Барои гурӯҳи B гармкунӣ мувофиқи ҳудудҳои дахлдор пеш аз он ки ҳарорат ба 120 °C, кунҷи буғуми косу рон ба 200° ё вақти таҷриба ба 400 сония расад, қатъ карда шуд.

Сипас хунукшавии табиӣ интизор шуда, тавассути гурӯҳи A ҳаракат ба самти баръакс ба вуҷуд оварда шуд. Дар таҷрибаи гурӯҳи A ҳадди ҳарорат боз 120 °C, ҳадди кунҷ −20° ва ҳадди вақт 800 сония дода шудааст. Барои арзёбии мутобиқат таҷрибаҳо панҷ маротиба такрор шуданд.

Панҷ такрори Расми 13 нишон медиҳанд, ки кунҷи буғум метавонад ба мавқеи болоии тақрибан 200° расида, баъд бо фаъол шудани гурӯҳи муқобили пружинаҳо ба мавқеи тақрибан −20° баргардад. Графики ҳарорати ҳамон расм нишон медиҳад, ки ҳар гурӯҳи пружина ҳангоми гармкунии Joule зуд гарм мешавад ва баъди қатъи энергия дар шароити муҳит тадриҷан хунук мешавад.

Чаро баъдтар диапазони ҳаракат то 20° кам карда шуд?

Муҳаққиқон ҳангоми муқоисаи таҷрибаҳои ҷорӣ бо таҷрибаҳои PID-и тақрибан 10 моҳ пеш гузориш медиҳанд, ки барои тавлиди ҳаракати кунҷии монанд ҳарорати баландтар лозим шудааст. Муаллифон инро бо аз ҳад зиёд гарм шудани SMA ва хавфи деградатсияи хусусиятҳои хотираи шакл вобаста мекунанд.

Аз ин рӯ, дар таҷрибаҳои минбаъдаи идоракунӣ бо PID-и мутобиқшаванда диапазони ҳаракат то 20° маҳдуд карда шуд. Ҳадаф тавлиди ҳаракати калонтар не, балки ҳифзи SMA аз ҳарорати баланд ва омӯзиши рафтори идоракунӣ буд.

Натиҷаи таҷрибаҳои идоракунии мутобиқшаванда чӣ шуд?

Дар таҷрибаи траекторияи қадамӣ зери вуруди 20 V, RMSE барои идоракунии мутобиқшаванда 2,98° дода шудааст. Дар бахши натиҷаҳои таҳқиқот барои ҳамин таҷрибаҳои қадамӣ вақти таъхир 2,09 s, вақти болоравӣ 2,51 s ва зиёдаравӣ %10,5 гузориш шудааст.

Дар траекторияи истинодии синусоидалӣ каҷҳои кунҷи дилхоҳ ва воқеӣ асосан якдигарро пайгирӣ кардаанд. Расми 17 нишон медиҳад, ки ҳатто баъд аз илова шудани халалҳои ногаҳонӣ ба ченкунии кунҷ идоракунии мутобиқшаванда траекторияро дубора пайгирӣ кардааст. Дар ин таҷриба:

RMSE = 0,94°

гузориш шудааст. Ин натиҷа иҷрои пайгирии кунҷро дар таҷҳизоти таҷрибавии таҳқиқот ифода мекунад; он арзиши дақиқии клиникӣ дар роҳгардии корбари воқеӣ ё барномаи реабилитатсионӣ нест.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

• Ду гурӯҳи муқобили пружинаҳо, ки ҳар кадом аз шаш пружинаи SMA иборатанд, тавонистанд дар прототипи хурдҳаҷм ҳаракати дуҷонибаи буғумро ба вуҷуд оранд.
• Дар таҷрибаҳои тавсифи термо-механикӣ прототип диапазони механикии ҳаракатро байни −20° ва 200° нишон дод.
• Равиши баҳодиҳии ҳарорат, ки ченкуниҳои шиддат ва ҷараёнро бо модели интиқоли гармӣ муттаҳид мекунад, бо маълумоти таҷрибавии термопара муқоиса шудааст.
• Барои ҳарорати T1, модели дараҷаи якум ва ҳарорати ибтидоии ченшуда 0,40 °C RMSE гузориш шудааст.
• Идентификатсияи система барои самтҳои флексия ва экстензия рафторҳои динамикии аз ҳам фарқкунанда нишон дод.
• Идоракунии мутобиқшавандаи PID дар таҷрибаи синусоидалӣ ба RMSE-и пайгирии кунҷи 0,94° расид.
• Ба таври таҷрибавӣ намоён шуд, ки бори гармӣ яке аз омилҳои асосии маҳдудкунандаи доираи ҳаракати SMA ва истифодаи дарозмуддат мебошад.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ намекунад ё насанҷидааст

• Таҳқиқот таҷрибаи экзоскелети пӯшидани буғуми косу рон дар инсони воқеӣ нест.
• 0,94° RMSE муваффақияти реабилитатсияи клиникӣ ё натиҷаи бемор нест.
• Ҳаракати прототип байни −20° ва 200° диапазони тавсияшудаи кори буғуми косу рони инсон нест.
• Мӯҳлати даврии дарозмуддати системаи SMA таҷрибавӣ нишон дода нашудааст.
• Дар ин таҳқиқот системаи хунуккунии фаъол татбиқ нашудааст.
• Бехатарии гармӣ дар экзоскелети пурраҳаҷме, ки бо пӯст тамос дорад, тасдиқ нашудааст.
• Нишон дода нашудааст, ки усули баҳодиҳии ҳарорат дар ҳар геометрияи SMA ё шароити гуногуни муҳит ҳамон дақиқиро медиҳад.
• Хастагии мавод ва талафи иҷро дар истифодаи дарозмуддат ба таври фарогир санҷида нашудаанд.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Хулосаи системаи таҷрибавӣ

Муносибати термо-механикии SMA

Дар манбаъ модели феноменологӣ барои пружинаи SMA, ки таниш, ҳарорат, деформатсияи буриш ва ҳиссаи мартенситро мепайвандад, чунин дода шудааст:

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

Дар ин ҷо \(G\) модули буриш, \(\Omega\) тензори табдил, \(\Theta\) тензори термоэластикӣ, \(\gamma\) деформатсияи буриш, \(T\) ҳарорат ва \(\xi\) ҳиссаи фазаи мартенсит мебошанд. Дар манбаъ \(\xi=1\) ҳамчун пурра мартенсит, яъне ҳолати хунук; ва \(\xi=0\) ҳамчун пурра аустенит, яъне ҳолати гарм муайян шудааст.

Гузариш аз ҳаракати хаттӣ ба ҳаракати гардишӣ

Ҷойивазкунии хаттие, ки гурӯҳи пружинаҳои SMA ба вуҷуд меорад, тавассути шкив ба гардиши пайвасти буғуми косу рон табдил меёбад:

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

\(\Delta L\) ҳаракати хаттии тавлидшудаи пружинаҳои SMA, \(r_{pulley}\) радиуси шкив ва \(\theta_x\) кунҷи гардиши пайвастро ифода мекунад.

Идентификатсияи системаи флексия

Муҳаққиқон барои танзими PID модели дуқутбаи бо таъхирро бо fitness-и %95,15 интихоб карданд:

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

Коэффисиентҳои PID барои ин модел:

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

Дар симулятсия вақти болоравӣ 8,7 s, вақти ҷойгиршавӣ 56,8 s ва зиёдаравӣ %6,9 гузориш шудааст.

Идентификатсияи системаи экстензия

Функсияи интиқолии интихобшуда барои экстензия:

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

Параметрҳои PID:

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

Дар симулятсия вақти болоравӣ 39,3 s, вақти ҷойгиршавӣ 290 s ва зиёдаравӣ %8,15 гузориш шудааст. Ин фарқи бузург байни динамикаи флексия ва экстензия нишон медиҳад, ки ду самт бо як модели динамикии яксон ифода нашудаанд.

Параметрҳои ибтидоии таҷрибаи идоракунии мутобиқшаванда

Пас аз он ки диапазони ҳаракат бо сабаби хавфи гармӣ то 20° кам карда шуд, параметрҳои ибтидоии PID дар таҷрибаҳои идоракунии мутобиқшаванда дар манбаъ чунин дода шудаанд:

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

Суръатҳои омӯзиши мутобиқшавӣ:

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

Натиҷаҳои таҷрибавии идоракунӣ

Маҳдудиятҳои асосии муҳандисии таҳқиқот

• Вақти хунукшавии табиии SMA ҷавоби системаро маҳдуд мекунад.
• Ҳарорати аз ҳад зиёд хавфи деградатсияи рафтори хотираи шакл ва камшавии мӯҳлати актуаторро дорад.
• Нисбат ба таҷрибаҳои қаблӣ мушоҳида шудааст, ки барои ҳамон ҳаракат гармии бештар лозим мешавад.
• Аз ин сабаб дар таҷрибаҳои минбаъда масофаи ҳаракат то 20° кам карда шуд.
• Экзоскелети пурраҳаҷми пӯшидани инсон дар доираи ин таҳқиқот санҷида нашудааст.
• Озмоишҳои даврӣ ва устувории дарозмуддат анҷом дода нашудаанд.
• Хунуккунии фаъол татбиқ нашудааст; муҳаққиқон онро мавзӯи кори оянда номидаанд.

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

Номи пурраи аслии таҳқиқот: Temperature Estimation of Thin Shape Memory Alloy Springs in a Small-Scale Hip Exoskeleton with System Identification and Adaptive Control

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

Тартиби муаллифон: Тартиби дар манбаъ додашуда айнан нигоҳ дошта шудааст.

Ҳаммуаллифи аввал / саҳми баробар: Дар манбаъ изҳороти ҳаммуаллифи аввал ё саҳми баробар мавҷуд нест.

Муаллифони масъул: Hussein F. M. Ali ва Youngshik Kim.

Муассисаҳо:

• 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.

Навъи манбаъ: Мақолаи таҷрибавии рецензияшуда; таҳқиқоти актуатори SMA, идентификатсияи система, баҳодиҳии ҳарорат ва идоракунии мутобиқшаванда.

Маҷалла: Actuators.

Ношир: MDPI.

Маълумоти библиографӣ: Actuators 2026, 15(1), 26.

Рақами мақола: 26.

DOI: 10.3390/act15010026.

Пайванди расмии нашр:https://doi.org/10.3390/act15010026

Санаи ирсол: 23 August 2025.

Санаи бозбинӣ: 23 November 2025.

Санаи қабул: 16 December 2025.

Санаи нашр: 3 January 2026.

Иҷозатнома: Creative Commons Attribution (CC BY).

Маблағгузорӣ: Таҳқиқот аз грантҳои 2017R1A2B4008056, 2021R1H1A2093798 ва 2022R1A2C1011462, ки аз ҷониби ҳукумати Корея MSIT тавассути National Research Foundation of Korea (NRF) дастгирӣ шудаанд, маблағ гирифтааст. Илова бар ин, дастгирии 2021RIS-004 дар доираи Regional Innovation Strategy, ки аз ҷониби Ministry of Education маблағгузорӣ мешавад, ва дастгирии 2019H1D3A1A01071124 дар доираи барномаи NRF Brain Pool барои муаллифи аввал гузориш шудааст.

Дастрасии додаҳо: Гуфта шудааст, ки маълумоти таҳқиқот бо дархост дастрас карда мешавад.

Кумитаи ахлоқи институтсионалӣ: Дар манбаъ “Not applicable” нишон дода шудааст.

Розигии огоҳона: Дар манбаъ “Not applicable” нишон дода шудааст.

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон изҳор кардаанд, ки бархӯрди манфиатҳо вуҷуд надорад.

Саҳми муаллифон: Консептуализатсия H.F.M.A. ва Y.K.; методология H.F.M.A.; нармафзор H.F.M.A. ва S.M.; тасдиқ H.F.M.A. ва S.M.; таҳлили формалӣ ва таҳқиқот H.F.M.A.; захираҳо Y.K.; коркарди додаҳо H.F.M.A. ва S.M.; лоиҳаи аввал H.F.M.A., E.A. ва S.M.; бозбинӣ ва таҳрир H.F.M.A.; визуализатсия H.F.M.A. ва S.M.; роҳбарӣ, идоракунии лоиҳа ва дарёфти маблағгузорӣ Y.K. гузориш шудааст.

Изҳороти истифодаи зеҳни сунъӣ: Муаллифон ошкоро изҳор кардаанд, ки ҳангоми омода кардани мақола барои дастгирии ҷустуҷӯи адабиёт, таҳрири матн, беҳтар кардани забон ва кӯмаки техникии форматкунии LaTeX аз ChatGPT, модели GPT-5 истифода кардаанд. Муаллифон изҳор мекунанд, ки ҳамаи натиҷаҳоро бозбинӣ ва таҳрир намуда, масъулияти мазмуни нашрро ба уҳда гирифтаанд.

Ҳадди мазмуни илмӣ: Тартиби таҷриба, формулаҳо, қиматҳои ҳарорат, натиҷаҳои RMSE, функсияҳои интиқолӣ, параметрҳои идоракунӣ ва тафсирҳои илмӣ дар ин мақолаи Verianla ба таҳқиқоти асосии баррасишуда такя мекунанд. Ба ҷуз тасдиқи библиографӣ, аз манбаъҳои беруна бозёфти нави таҷрибавӣ илова нашудааст.

Номувофиқиҳои муҳими дохили манбаъ

• Дар як ҷумлаи бахши баҳодиҳии ҳарорат ҳам T1 ва ҳам T2 ҳамчун “SMA springs group A” муайян шудаанд. Дар меъмории идоракунӣ дар бахшҳои дигари таҳқиқот T1 ва T2 ба ду гурӯҳи гуногуни муқобили SMA тааллуқ доранд. Ин ҳамчун номувофиқии тамғагузории дохили манбаъ нигоҳ дошта шудааст.
• Дар идентификатсияи системаи флексия баландтарин fitness-и Ҷадвали 1 %96,51 буда, ба модели “underdamped pair with delay” тааллуқ дорад. Бо вуҷуди ин, муаллифон барои тарҳи контроллер модели “two poles with delay”-ро бо fitness-и %95,15 интихоб мекунанд. Манбаъ сабаби ин интихобро ошкоро намегӯяд.
• Дар арзёбии ҳарорат муаллифон мегӯянд, ки модели дараҷаи дуюм барои T2 пасттарин RMSE-ро додааст. Аммо дар ҳолати чен шудани ҳарорати ибтидоӣ модели дараҷаи сеюм 2,31 °C ва модели дараҷаи дуюм 3,78 °C RMSE медиҳад. Дар ҳолате, ки ҳарорати ибтидоӣ чен нашудааст, натиҷаи 3,51 °C-и модели дараҷаи дуюм пасттарин қимат аст.
• Гарчанде дар манбаъ гуфта мешавад, ки хатои баҳодиҳии ҳарорат дар ҳудуди ±2 °C боқӣ мондааст, дар Расмҳои 10–12 натиҷаҳои RMSE аз 2 °C баландтар, аз ҷумла 2,31, 2,64, 3,51, 3,78, 4,15, 4,44, 7,65 ва 13,75 °C мавҷуданд. Аз ин рӯ, изҳороти ±2 °C ҳамчун натиҷаи умумӣ барои ҳамаи шароити санҷиш пешниҳод нашудааст.
• Дар матни шарҳи тавсифи термо-механикӣ Расми 13b ҳамчун ҳарорат ва Расми 13c ҳамчун кунҷ муайян шудааст; аммо дар расми намоён ва зернависи он 13b кунҷи буғум ва 13c ҳарорат мебошанд.

Ҳадди тафсири илмӣ: Таҳқиқот прототипи хурдҳаҷми таҷрибавиро меомӯзад. Он ки прототип байни −20° ва 200° ҳаракати механикӣ нишон медиҳад, маънои онро надорад, ки ин диапазон барои буғуми косу рони инсон бехатар ё физиологӣ аст. RMSE-и 0,94° дар таҷрибаи идоракунии мутобиқшаванда ҳам иҷрои реабилитатсияи бемори воқеиро ифода намекунад. Ҳарорати SMA аз нуқтаи назари тамос бо инсон мушкили муҳими бехатарӣ аст ва муҳаққиқон ошкоро мегӯянд, ки дар оянда хунуккунии фаъол ва таҳқиқоти устувории дарозмуддат лозиманд.