Тадқиқот як актуатори нарми пневматикии дуҷониба бо номи Bidirectional Origami-Inspired Soft Pneumatic Actuator (Bi-OSPA)-ро таҳия мекунад, ки дар дохили як камераи ҳавоӣ ҳам дарозшавӣ ва ҳам кӯтоҳшавиро иҷро карда метавонад. Дар аксари актуаторҳои нарми дуҷониба ду актуатори антагонистӣ ё якчанд камераи ҳавоӣ лозим аст, аммо дар Bi-OSPA самти ҳаракат танҳо бо аломати фишори татбиқшаванда тағйир меёбад: дар минтақаи кори муқаррарии тарҳ фишори вакуумӣ актуаторро дароз мекунад, дар ҳоле ки фишори мусбат онро кӯтоҳ мекунад. Сохтор аз геометрияи оригамии magic-ball/waterbomb илҳом гирифтааст ва ҳадаф ин аст, ки қисми асосии деформатсия на аз кашиши ҳаҷмии мавод, балки аз ҳаракати гардишӣ дар атрофи хатҳои қатшавӣ ба вуҷуд ояд.

Ин равиши геометрӣ на танҳо барои тавлиди ҳаракат, балки барои пешгӯии аналитикии рафтори актуатор низ истифода шудааст. Муҳаққиқон сатҳҳои ҳамворро тақрибан сахт, қатҳои кӯҳ–водӣ ва ҳамвории миёнаро бошад ҳамчун пружинаҳои хаттии чархишӣ модел карда, модели кинематикиеро таҳия кардаанд, ки шакли деформатсияшударо аз геометрияи ибтидоӣ ва ҷойивазкунии меҳварӣ ҳисоб мекунад. Сипас усули кори виртуалӣ барои ҳисоб кардани қувваҳои чандирӣ ва баромад истифода шуда, энергияи чандирии дар қатҳо захирашуда бо кори фишор ба ҳаҷми камераи ҳавоӣ якҷо карда шудааст.

Актуаторҳо аз эластомери термопластикии Shore 83A бо усули чопи 3D-и FDM ба таври физикӣ сохта шудаанд. Сахтиҳои қатшавӣ аз озмоиши фишурдани квази-статикӣ бе татбиқи фишор муайян карда шудаанд; каҷи аналитикии қувваи чандирии бадастомада бо ҷавоби таҷрибавии қувва–ҷойивазкунӣ муқоиса шудааст. Дар манбаъ RMSE байни модели аналитикӣ ва таҷриба 0,14 N, қувваи максималии чандирӣ дар таҷриба бошад тақрибан 1,6 N гузориш шудааст. Бо вуҷуди ин, азбаски параметрҳои сахтӣ аз каҷи таҷрибавӣ калибр карда шудаанд, ин натиҷа санҷиши кӯри комилан мустақил дар маълумоти ҷудогона нест.

Бо истифода аз ҳафт Bi-OSPA-и гуногун нишебиҳои ибтидоӣ \(\phi_0\), кунҷҳои қулла \(\alpha_0\) ва радиуси дохилӣ \(r_0\) тағйир дода шуда, дар зери вакуум ва фишори мусбат дарозшавӣ, кӯтоҳшавӣ ва қувваи изометрӣ чен карда шудаанд. Натиҷаҳо нишон додаанд, ки геометрия на танҳо миқдори ҳаракат, балки тавлиди қувваро низ ба таври назаррас тағйир медиҳад. Параметри муассиртарин барои қувваи изометрӣ \(\alpha_0\), баъд аз он \(r_0\) ва \(\phi_0\) будааст. Ҳангоми якхела будани қимати мутлақи фишор, қувваи тела додан дар зери вакуум умуман аз қувваи кашиш дар зери фишори мусбат бештар будааст.

Дар озмоиши ибтидоии устуворӣ актуатори нави дорои геометрияи \(\phi_0=55^\circ\), \(\alpha_0=45^\circ\) ва \(r_0=7\) мм дар +60 кПа барои 1000 давр кор карда шудааст. Қувваи миёнаи қуллавӣ дар 50 даври аввал 4,20 ± 0,03 N ва дар 50 даври охир 4,04 ± 0,01 N чен шуда, нигоҳдории қувва %96,3 будааст. Ин натиҷа нишон медиҳад, ки қисми зиёди иҷроиш дар тӯли 1000 давр нигоҳ дошта шудааст, аммо онро набояд ҳамчун умри дарозмуддати актуатор маънидод кард.

Муҳаққиқон инчунин Bi-OSPA-ро бо воҳиди пневматикии бар асоси оригамии Kresling пайдарпай пайваст карда, кӯтоҳшавии сохтори Kresling-ро дар вакуум бо дарозшавии Bi-OSPA ҷуброн намуда, рафтори тақрибан гардиши софро ба вуҷуд овардаанд. Система ба таври физикӣ барои тоб додани сарпӯши шиша истифода шудааст. Дар намоиши дуюм як Bi-OSPA дар ангушти роботии як дараҷаи озодӣ бо фишори мусбат флексия ва бо вакуум экстензияро таъмин кардааст. Ин истифодаҳо намоиши функсияи механикӣ мебошанд; онҳо протези клиникӣ, барқарорсозӣ ё таҷриба бо инсон нестанд.

Арзёбӣ аз нуқтаи назари Туркия: Ин тадқиқот метавонад барои гурӯҳҳои тадқиқотии Туркия, ки дар соҳаҳои роботикаи нарм, гираҳои роботӣ, системаҳои ҳамкории инсон–робот бо сахтии паст, мушакҳои сунъии пневматикӣ ва мехатроникаи чопи 3D фаъолият мекунанд, равиши тарҳрезии мустақиман татбиқшавандаро пешниҳод кунад. Аз ҷумла, имкони пеш аз чоп мутобиқ кардани геометрия ба ҳадафҳои қувва ва ҷойивазкунӣ аз нуқтаи назари истеҳсолот муҳим аст. Аммо натиҷаҳои мавҷуда ба прототипҳои миқёси лабораторӣ тааллуқ доранд; байни чопҳо тағйирёбии назаррас вуҷуд дорад, модели динамикӣ мавҷуд нест ва ҳамгироии сенсорӣ барои идоракунии дақиқи мавқеъ дар ҳалқаи пӯшида ҳанӯз амалӣ нашудааст.

Масъалаи асосие, ки тадқиқот ҳал кардан мехоҳад, чист?

Бартарии асосии актуаторҳои нарми пневматикӣ дар он аст, ки нисбат ба механизмҳои сахти муҳаррики электрикӣ–редуктор ҳамкории механикии мутобиқтар, сабуктар ва бехатартарро таъмин карда метавонанд. Аммо барои як актуатори нарми пневматикӣ тавлиди ҳаракат дар як меҳвар ҳам ба пеш ва ҳам ба ақиб осон нест.

Яке аз роҳҳои маъмул истифодаи ду актуатори алоҳида ба таври антагонистӣ аст: яке дар як самт ҳаракат тавлид мекунад ва дигаре дар самти муқобил. Дар сохторҳои дигар дар як корпус ду ё зиёда камераи ҳавоӣ истифода шуда, самти ҳаракат бо навбат фишорнок кардани камераҳои гуногун тағйир дода мешавад.

Гарчанде ин равишҳо кор мекунанд, онҳо метавонанд мураккабии хати ҳавоӣ, клапан, идоракунӣ ва сохтори механикиро зиёд кунанд. Ҳалли мавриди ҳадафи тадқиқот ин аст, ки дар як камераи ҳавоӣ танҳо бо иваз кардани аломати фишор ҳаракати дуҷониба ба даст оварда шавад ва ҳамзамон ин ҳаракат аз геометрия ба таври аналитикӣ пешгӯӣ гардад.

Геометрияи оригамии Bi-OSPA аз куҷо меояд?

Сохтори Bi-OSPA аз ҳаракати оригамии magic-ball илҳом гирифтааст. Дар асоси сохтори magic-ball нақши қатшавии оригамии waterbomb қарор дорад. Муҳаққиқон воҳиди классикии waterbomb бо шаш хати қатро ба сохтори дорои 16 хати қат васеъ карда, қисми болоии ҳосилшударо нисбат ба ҳамвории асосӣ оина намуда, бо қисми поёнӣ пайваст кардаанд.

Расми 1-и тадқиқот ин табдилотро аз модели коғазии оригами то нақши қатшавӣ, геометрияи CAD ва актуатори ниҳоии пневматикӣ ба таври визуалӣ нишон медиҳад. Панели охири ҳамон расм ҷавоби асосии механизмро ба фишор равшан ҷудо мекунад:

• \(P=0\): геометрияи бетараф,
• \(P<0\): дарозшавӣ дар вакуум,
• \(P>0\): кӯтоҳшавӣ дар фишори мусбат.

Параметрҳои асосии геометрия кадомҳоянд?

Ҳаракати актуатор тавассути се тағйирёбандаи асосии мустақили тарҳ омӯхта мешавад:

• \(\alpha\): кунҷи қуллаи буриши секунҷа,
• \(\phi\): кунҷи геометрии сатҳ/нишебии оригами,
• \(r\): радиуси доираи дохилӣ.

Илова бар ин, \(R\) радиуси берунӣ, \(h\) баландии актуатор, \(b\) дарозии буриши секунҷа, \(L\) ва \(L'\) дарозии қирраҳои пирамида, \(\theta\) бошад кунҷи байни \(L\) ва \(h\)-ро ифода мекунанд. \(\beta\), ки шумораи секунҷаҳоро муайян мекунад, дар ин тарҳ собит аст:

\[ \beta=45^\circ \]

ва бо ҳамин қимат истифода шудааст.

Чаро модел муодилаҳои классикии маводи TPE-ро мустақим истифода намекунад?

Рафтори эластомерҳои нарм одатан аз сабаби деформатсияи калон, вискоэластикӣ ва гиперэластикӣ мураккаб аст. Муҳаққиқон геометрияи Bi-OSPA-ро тавре баррасӣ мекунанд, ки ин мушкилро кам кунад. Фарзи асосӣ механизми rigid-foldable аст, ки дар он сатҳҳо тақрибан сахт мемонанд ва деформатсияи асосӣ дар хатҳои қатшавӣ мутамарказ мешавад.

Аз ин рӯ, дар модели аналитикӣ модули Young, коэффисиенти Пуассон ё коэффисиентҳои гиперэластикии TPE мустақиман истифода нашудаанд. Ба ҷои ин се оилаи гуногуни қатҳо ҳамчун пружинаҳои хаттии чархишӣ муаррифӣ шудаанд:

• қатҳои кӯҳӣ: \(K_m\),
• қатҳои водӣ: \(K_v\),
• қатҳои ҳамвории миёна: \(K_q\).

Энергияи чандирии дар қатҳо захирашуда чӣ гуна модел мешавад?

Дар манбаъ энергияи умумии потенсиалии чандирӣ:

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

ба ин шакл дода шудааст.

\(\gamma_m\), \(\gamma_v\) ва \(\gamma_q\) мутаносибан кунҷҳои қатҳои кӯҳӣ, водӣ ва ҳамвории миёнаро; индекси поёнии 0 кунҷҳои ибтидоиро; \(n_m\), \(n_v\) ва \(n_q\) бошад шумораи хатҳои қатшавии мувофиқро нишон медиҳанд.

Дар таҷрибаи муайянкунии параметрҳо:

\[ n_m=n_v=n_q=16 \]

истифода шудааст.

Вақте актуатор деформатсия мешавад, геометрияи нав чӣ гуна ёфта мешавад?

Муҳаққиқон параметрҳои ибтидоии \((\alpha_0,\phi_0,r_0)\) ва ҷойивазкунии меҳварии \(\Delta h\)-ро ба модел медиҳанд. Мувофиқи фарзияи rigid-foldability, дарозии қирраҳои \(L\) ва \(b\) дар тӯли деформатсия собит қабул мешаванд.

Ин ду маҳдудияти геометрӣ бо муодилаи сеюме, ки аз ҷойивазкунии меҳварӣ меояд, якҷо ҳал карда мешаванд. Се муодилаи ғайрихаттӣ бо ҳалкунандаи маҳдуди ғайрихаттии камтарин квадратҳо lsqnonlin дар MATLAB R2023b ҳал шуда, қиматҳои нави:

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

ҳисоб карда мешаванд. Сипас ин геометрия кунҷҳои қат ва модели қувваро таъмин мекунад.

Муносибати геометрии баландии актуатор

Дар манбаъ баландӣ:

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

бо ин ифода муайян карда мешавад. Ин ифода нишон медиҳад, ки дарозии меҳварии актуатор мустақиман аз геометрияи \(r\), \(\phi\), \(\alpha\) ва \(\beta\)-и собит бармеояд.

Қувваи чандирӣ бо кори виртуалӣ чӣ гуна гирифта мешавад?

Манбаъ қувваи чандирии меҳвариро:

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

муайян мекунад.

Сипас қоидаи занҷир:

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

ба ин шакл дода шудааст. Ин равиши механикӣ нишон медиҳад, ки ҳангоми тағйири кунҷҳои қат энергияи дар пружинаҳои чархишӣ захирашуда чӣ гуна ба қувваи меҳварӣ табдил меёбад.

Гузариш аз фишор ба қувваи баромад чӣ гуна модел мешавад?

Барои камераи ҳавоии актуатор дар манбаъ:

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

муносибати ҳаҷм истифода мешавад.

Кори баромад дар зери фишор дар Муодилаи (5):

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

муайян шудааст. \(P\) фишори манометрӣ, \(V_0\) ҳаҷми ибтидоӣ ва \(V\) ҳаҷми камераи ҳавоии деформатсияшударо ифода мекунанд.

Номувофиқии Муодилаҳои (5)–(7) дар манбаъ

Манбаъ Муодилаи (7)-ро айнан:

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

ба ин шакл медиҳад.

Аммо ҳангоми якҷо баррасӣ кардани таърифҳои қаблӣ, азбаски \(W_{out}=P(V-V_0)-U\) ва \(F_e=\partial U/\partial h\), ифодаи \(\partial W_{out}/\partial h\) аллакай ҳосилаи энергияи чандириро дар бар мегирад. Аз ин рӯ, “\(-F_e\)” иловагӣ дар баробарии аввали Муодилаи (7) ва ифодаи тарафи рост аз ҷиҳати алгебрӣ ҳамзамон мувофиқ ба назар намерасанд. Дар ин маводи Verianla муодилаи манбаъ тағйир дода нашуда, номувофиқӣ ошкоро қайд шудааст.

Кадом таъсирҳо берун аз модели аналитикӣ мондаанд?

Дар модели кори фишор талафоти энергия сарфи назар шудааст. Дар бахши натиҷаҳо низ махсус таъкид мешавад, ки модел квази-статикӣ аст. Аз ин рӯ, модел таъсирҳои зеринро фаро намегирад:

• ҷавоби гузарои вақти актуатор,
• деформатсияи вобаста ба суръат,
• гистерезиси вискоэластикӣ,
• динамикаи ҷараёни пневматикӣ,
• талафоти вобаста ба ихроҷ,
• ҳаракатҳои басомади баланд,
• шиддати маҳаллии сатҳ ва тақсимоти муфассали деформатсияи мавод.

Муҳаққиқон изҳор мекунанд, ки ба ҷои FEM пешгӯии зудтари аналитикиро ҳадаф гирифтаанд.

Bi-OSPA чӣ гуна истеҳсол шуд?

Геометрия дар Autodesk Fusion 360 тарҳрезӣ шуда, ҳамчун STL содир ва бо PrusaSlicer 2.8.1 омода карда шудааст. Актуаторҳои физикӣ дар Prusa MK4S бо усули Fused Deposition Modeling чоп шудаанд.

TPE 83A аз ҷониби муаллифон ҳамчун созиш байни чандирӣ ва имкони боэътимод чоп кардани геометрияи мураккаби оригамии девораш борик интихоб шудааст.

Дастгоҳи таҷрибавӣ чӣ гуна буд?

Дар системаи пневматикӣ насоси LY370DPM35 DC, драйвери мотор, Arduino Uno ва сенсори фишори Panasonic ADP5100 истифода шуданд. Arduino шиддати вуруди мотори насосро танзим карда, аз сенсори фишор ченак гирифтааст.

Расми 3-и тадқиқот насби воқеии лаборатории ин система, дастгоҳи санҷиши қувваи Mecmesin ва нигоҳдорандаи махсусеро нишон медиҳад, ки барои нигоҳ доштани тамоси актуатор бо ҳуҷайраи бор дар вақти кӯтоҳшавӣ зери фишори мусбат таҳия шудааст.

Дарозшавӣ ва кӯтоҳшавӣ чӣ гуна чен карда шуданд?

Актуаторҳо дар сатҳҳои гуногуни фишор ба видео сабт шуда, ҳаракати нуқтаҳои ниҳоӣ бо нармафзори Tracker 6.2.0 пайгирӣ шудааст. Ҳар як ченак се маротиба такрор шуда, миёна ва инҳирофи стандартӣ гузориш шудаанд.

Дар таҷрибаҳои геометрӣ барои дарозшавӣ ва кӯтоҳшавӣ:

• вакуум: аз −60 то −15 kPa,
• фишори мусбат: аз +15 то +60 kPa,
• қадами фишор: 5 kPa

истифода шудааст.

Қувваи изометрӣ чӣ гуна чен карда шуд?

Ҳуҷайраи бори дастгоҳи санҷиши Mecmesin ба нӯги актуатор расонида шуда, бидуни иҷозаи ҷойивазкунии актуатор қувваи ҳосилшуда зери фишори татбиқшуда чен карда шудааст.

Диапазонҳои фишор дар таҷрибаҳои қувва:

• вакуум: аз −60 то −10 kPa,
• фишори мусбат: аз +10 то +60 kPa,
• қадами фишор: 5 kPa

будаанд. Ҳар ченак се маротиба такрор шудааст.

Сахтиҳои қатшавӣ чӣ гуна муайян карда шуданд?

Bi-OSPA бе фишор дар дастгоҳи Mecmesin бо суръати 1 mm/s ба таври квази-статикӣ фишурда шуда, ҷавоби қувва ҳамчун миёнаи ду даври боркунӣ гирифта шудааст.

Аз каҷи таҷрибавӣ се нуқтаи ҷойивазкунӣ–қувва интихоб шуда, геометрияи деформатсияшуда дар ҳар нуқта бо модели кинематикӣ ҳисоб карда шудааст ва барои се сахтии номаълуми қат се муодила ҳал шудаанд. Комбинатсияҳои гуногуни нуқтаҳо санҷида шуда, маҷмӯи параметрҳое интихоб шудаанд, ки бо тамоми каҷи таҷрибавӣ беҳтарин мувофиқатро медиҳанд.

Қиматҳои муайяншуда:

Модели аналитикӣ бо таҷриба то чӣ андоза мувофиқат кард?

Дар Расми 4 қувваи чандирии аналитикӣ бо қувваи таҷрибавии фишурдашавӣ дар минтақаи ҷойивазкунии тақрибан 0–6 мм муқоиса мешавад. Ду каҷ комилан яксон нестанд; махсусан дар ҷойивазкуниҳои хурд ва миёна фарқи назаррас мавҷуд аст, дар ҷойивазкуниҳои калонтар каҷҳо ба ҳам наздик мешаванд.

Манбаъ барои тамоми диапазон:

RMSE = 0,14 N

ва тақрибан:

қувваи максималии таҷрибавӣ ≈ 1,6 N

гузориш мекунад.

Ин муқоиса муҳим аст, зеро ба ченкунии воқеии таҷрибавӣ асос ёфтааст. Аммо азбаски сахтиҳои қат аз ҳамон каҷи таҷрибавӣ муайян ва қиматҳои беҳтарин мувофиқати умумӣ интихоб шудаанд, RMSE дар маълумоти комилан мустақили санҷишӣ ба даст наомадааст.

\(\phi_0\) дарозшавӣ ва кӯтоҳшавиро чӣ гуна тағйир дод?

Актуаторҳои \(\phi_0=35^\circ\), \(45^\circ\) ва \(55^\circ\) муқоиса шуда, \(r_0=7\) mm ва \(\alpha_0=45^\circ\) собит нигоҳ дошта шудаанд.

Модели геометрӣ пешгӯӣ мекунад, ки \(\phi_0\)-и хурдтар дарозшавӣ ва кӯтоҳшавии бештар медиҳад. Ин тамоюл дар намунаҳои 45° ва 55° мушоҳида шудааст, аммо дар намунаи 35° дар тамоми диапазони фишор пайваста идома наёфтааст. Муҳаққиқон инро ба номуназзамии сохтории вобаста ба чоп дар ин намуна нисбат медиҳанд.

\(\alpha_0\) ба ҳаракат чӣ гуна таъсир кард?

Актуаторҳои \(\alpha_0=35^\circ\), \(45^\circ\) ва \(55^\circ\) муқоиса шуда, \(r_0=7\) mm ва \(\phi_0=45^\circ\) собит нигоҳ дошта шудаанд.

Дар зери фишори мусбат, бо кам шудани \(\alpha_0\) кӯтоҳшавии нормализатсияшуда зиёд шудааст. Дар вакуум тарҳҳои 35° ва 45° ба ҳам наздик буда, нисбат ба тарҳи 55° дарозшавии бештар ҳосил кардаанд.

Намунаи \(\alpha_0=55^\circ\) дар −40 kPa ва қиматҳои баландтари вакуум деформатсияи аз ҳад зиёд нишон додааст. Манбаъ “деформатсияи аз ҳад зиёд”-ро ҳамчун ҳолате таъриф мекунад, ки қатҳо ба ҷои гардиш дар атрофи меҳвари пешбинишуда ба таври маҳаллӣ хам мешаванд. Дар ин минтақа фарзияи пружинаи хаттии чархишӣ эътибори худро гум мекунад.

Радиуси дохилӣ \(r_0\) ҳаракатро чӣ гуна тағйир дод?

Намунаҳои \(r_0=5\), 7 ва 9 mm муқоиса шуда, \(\phi_0=\alpha_0=45^\circ\) собит нигоҳ дошта шудаанд.

Тамоюли умумӣ ин аст, ки бо зиёд шудани радиус дарозшавӣ ва кӯтоҳшавии нормализатсияшуда зиёд мешаванд. Аммо дар актуатори \(r_0=9\) mm дар қиматҳои вакуум аз −20 kPa баландтар деформатсияи аз ҳад зиёд ба вуҷуд омадааст.

Аз нуқтаи назари ҳаракат кадом параметрҳои геометрӣ таъсири бештар доранд?

Тибқи тафсири таҷрибавии тадқиқот:

• кӯтоҳшавӣ ба \(\alpha_0\) ва \(r_0\) таъсири қавитар доранд;
• дарозшавӣ ба \(\phi_0\) ва ба дараҷаи камтар \(r_0\) бештар таъсир мерасонанд.

Ин натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки як “геометрияи беҳтарин” вуҷуд надорад; геометрия бояд вобаста ба қувва ва самти ҳаракати ҳадаф якҷоя интихоб карда шавад.

Чаро \(\phi_0=30^\circ\) критикӣ аст?

Дар манбаъ шарти геометрии муайянкунандаи самти ҳаракат ба муносибати байни \(2\phi_0\) ва \(\theta_0\) вобаста карда шудааст.

\[ 2\phi_0>\theta_0 \]

ҳангоми иҷро шудан актуатор дар вакуум дароз мешавад.

\[ 2\phi_0<\theta_0 \]

ҳангоми иҷро шудан бошад, дар вакуум кӯтоҳшавӣ метавонад ба вуҷуд ояд.

Тибқи манбаъ, дар атрофи \(\phi_0=30^\circ\):

\[ 2\phi_0=\theta_0 \]

ҳолати критикӣ ба вуҷуд омада, актуатор дар таҷрибаҳо ба таври пешгӯинашаванда ҳам дарозшавӣ ва ҳам кӯтоҳшавиро нишон додааст. Аз ин рӯ, кори дуҷонибаро барои ҳамаи геометрияҳои имконпазир ҳамчун “вакуум = дарозшавӣ” умумӣ кардан мумкин нест.

Геометрия ба қувваи изометрӣ чӣ гуна таъсир кард?

Дар таҷрибаҳо бо зиёд шудани \(\phi_0\) қувваи изометрӣ ҳам дар вакуум ва ҳам дар фишори мусбат зиёд шудааст.

Бо зиёд шудани \(\alpha_0\) бошад, қувва кам шудааст. Дар манбаъ барои актуатори \(\alpha_0=35^\circ\) дар қиматҳои вакуум аз −50 kPa баландтар аз сабаби деформатсияи аз ҳад зиёд тамоюли муқаррарӣ вайрон мешавад.

Зиёд кардани \(r_0\) аз 5 mm то 7 mm қувваро дар ҳамаи фишорҳо зиёд кардааст. Азбаски намунаи 9 mm дар вакуум ба деформатсияи маҳаллӣ ворид шудааст, афзоиши интизоршаванда дар сатҳҳои баланди вакуум нигоҳ дошта нашудааст; аммо тамоюли афзоиш дар қувваҳои кашиши фишори мусбат идома кардааст.

Кадом тағйирёбандаи тарҳ ба қувва бештар таъсир мекунад?

Тибқи таҳлили параметрии муҳаққиқон, андозаи таъсир ба қувваи изометрӣ ба тартиби:

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

будааст.

Илова бар ин, дар як қимати фишор қувваи тела додан дар вакуум умуман аз қувваи кашиш дар фишори мусбат бештар мушоҳида шудааст.

Озмоиши устувории 1000 давр чӣ нишон дод?

Барои устуворӣ Bi-OSPA-и наве, ки аз намунаҳои таҷрибаҳои асосии параметрҳо фарқ дошт, сохта шудааст:

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

Актуатор 1000 маротиба такроран кор карда шудааст.

Профилҳои қувва–вақти панҷ даври аввал ва охир низ нишон медиҳанд, ки шакли умумӣ асосан нигоҳ дошта шудааст. Бо вуҷуди ин, муаллифон ошкоро мегӯянд, ки ин таҷриба санҷиши умри дарозмуддат нест.

Чаро устуворӣ танҳо дар фишори мусбат санҷида шуд?

Муҳаққиқон режими кори +60 kPa-ро аз ҷиҳати сохторӣ шароити боркунии критикитар арзёбӣ кардаанд. Дар фишори мусбат варам кардани камера метавонад дар актуаторҳои нарм бо хатари ҷудошавӣ ё кафидан алоқаманд бошад, дар ҳоле ки ҳаракати вакуумӣ ба фурӯравии камера асос меёбад.

Ин интихоб маълумоти ибтидоӣ дар бораи устуворӣ дар фишори мусбат медиҳад; он далели мустақими ҳамон умри даврӣ дар вакуум нест.

Се чопи номиналӣ якхела то чӣ андоза монанд буданд?

Барои арзёбии такроршавандагии истеҳсол:

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

се актуатори дорои ҳамин геометрия бо танзимоти якхелаи чоп сохта шуда, дар ±60 kPa ҳар кадом 10 давр санҷида шудаанд.

Ҳангоми якҷо арзёбӣ кардани се намуна, манбаъ:

• кӯтоҳшавии миёна: −2,36 ± 0,63 mm,
• дарозшавии миёна: 2,07 ± 0,29 mm

гузориш кардааст. Ин фарқҳо нишон медиҳанд, ки раванди истеҳсоли FDM ҳанӯз пурра такроршаванда нест. Муаллифон қайд мекунанд, ки параметрҳои чоп ва раванди истеҳсол бояд дар оянда такмил дода шаванд.

Bi-OSPA барои тавлиди гардиши соф чӣ гуна истифода шуд?

Актуаторҳои вакуумии бар асоси оригамии Kresling одатан ҳамзамон бо гардиш кӯтоҳшавии меҳвариро тавлид мекунанд. Ин ҳаракати пайвастшуда барои истифодаҳое, ки танҳо гардиш мехоҳанд, камбудӣ буда метавонад.

Муҳаққиқон воҳиди Kresling-ро дар −40 kPa озмуда, миқдори кӯтоҳшавиро муайян кардаанд ва Bi-OSPA-еро интихоб кардаанд, ки тақрибан ба ҳамон миқдор дароз мешавад. Вақте ду актуатор пайдарпай пайваст шуданд, кӯтоҳшавии меҳварии Kresling бо дарозшавии Bi-OSPA ҷуброн шуда, ҳаракати гардиш нигоҳ дошта шудааст.

Дар намоиши физикӣ ин актуатори муттаҳидшуда сарпӯши шишаро тоб додааст. Ин таҷриба намунаи функсионалии гардиши софро нишон медиҳад, аммо ченкунии иқтидори моменти саноатӣ ё иҷроиши дарозмуддати васл нест.

Намоиши ангушти роботӣ чӣ нишон дод?

Механизми ангушти як дараҷаи озодӣ, ки аз ду пайванди сахт ва як шарнир сохта шудааст, бо пайванди механикӣ ба Bi-OSPA пайваст карда шудааст.

Ҳаракат вобаста ба самти фишор:

• фишори мусбат: флексияи ангушт,
• вакуум: экстензияи ангушт

ба амал омадааст.

Расми 10 мавқеи ибтидоӣ, ду самти ҳаракат ва муносибати кунҷи ангушт–фишорро дар тӯли вақт нишон медиҳад. Ин таҷриба нишон медиҳад, ки як актуатори нарм метавонад функсияи механикии дуҷонибаи монанд ба мушакро таъмин кунад; он далели иҷроиш дар ангушти инсон, протез ё табобати барқарорсозӣ нест.

Чаро идоракунии мавқеи ҳалқаи кушода танҳо бо фишор метавонад кофӣ набошад?

Дар бахши натиҷаҳои тадқиқот гуфта мешавад, ки фарқи байни модели аналитикӣ ва таҷриба нишон медиҳад, ки идоракунии дақиқи мавқеъ бо истифодаи танҳо ченкунии фишор метавонад боэътимод набошад.

Дар системаи воқеӣ омилҳои зерин метавонанд аз модел дуршавӣ ба вуҷуд оранд:

• тағйирёбии истеҳсол,
• гистерезиси мавод,
• ихроҷи ҳаво,
• хамшавии маҳаллӣ,
• таҳаммулҳои геометрӣ,
• хатоҳои моделсозӣ.

Муҳаққиқон пешниҳод мекунанд, ки дар оянда сенсорҳое истифода шаванд, ки мавқеъ ё деформатсияи актуаторро мустақим чен мекунанд, ва алоқаи баръакси ҳалқаи пӯшида татбиқ гардад. Сенсорҳои магнитӣ ҳамчун яке аз усулҳои эҳтимолӣ зикр шудаанд.

Натиҷаҳое, ки тадқиқот дастгирӣ мекунад

• Bi-OSPA-и яккамерагии аз оригами илҳомгирифта дар прототипи физикӣ бо истифодаи фишори мусбат ва манфӣ ҳаракати меҳварии дуҷониба тавлид карда тавонист.
• Дар минтақаи муқаррарии тарҳ вакуум дарозшавӣ ва фишори мусбат кӯтоҳшавӣ тавлид кард.
• Равиши rigid-foldability ва пружинаи хаттии чархишӣ тавонист тамоюли асосии рафтори таҷрибавии қувваи чандириро ифода кунад.
• Модели аналитикии калибршудаи қувваи чандирӣ бо каҷи таҷрибавӣ бо RMSE-и 0,14 N мувофиқат нишон дод.
• Тағйири қиматҳои \(\alpha_0\), \(\phi_0\) ва \(r_0\) дарозшавӣ, кӯтоҳшавӣ ва қувваи изометриро ба таври систематикӣ тағйир дод.
• Таъсири қавитарини геометрӣ ба қувваи изометрӣ аз \(\alpha_0\) ба даст омад.
• Дар як қимати мутлақи фишор қувваи тела додани вакуумӣ умуман аз қувваи кашиши фишори мусбат бештар буд.
• Пас аз 1000 давр дар +60 kPa, %96,3 қувваи қуллавӣ нигоҳ дошта шуд.
• Байни се чопи дорои геометрияи якхела тағйирёбии ченшавандаи истеҳсолӣ ёфт шуд.
• Бо Bi-OSPA ҳаракати меҳварии сохтори Kresling мувозинат шуда, рафтори наздик ба гардиши соф ба вуҷуд оварда шуд.
• Як Bi-OSPA дар ангушти роботии 1-DoF ҳам флексия ва ҳам экстензияро таъмин карда тавонист.

Натиҷаҳое, ки тадқиқот исбот накардааст ё ҳанӯз нишон надодааст

• Умри дарозмуддати саноатии Bi-OSPA муайян нашудааст.
• Натиҷаи 1000 давр маънои устувории миллионҳо даврро надорад.
• Озмоиши баробари 1000 давр дар вакуум анҷом дода нашудааст.
• Модел барои актуатсияи баландсуръат ё динамикӣ тасдиқ нашудааст.
• Талафоти энергия ва гистерезиси вискоэластикӣ ба модели аналитикӣ дохил карда нашудаанд.
• Нишон дода нашудааст, ки сахтиҳои қатро ба ҳамаи геометрияҳои Bi-OSPA интиқол додан мумкин аст.
• Нишон дода нашудааст, ки идоракунии ҳалқаи кушода аз фишор ба мавқеъ дақиқии баланд медиҳад.
• Идоракунии мавқеи ҳалқаи пӯшида дар ин тадқиқот татбиқ нашудааст.
• Такроршавандагии истеҳсол берун аз се намуна бо намунаи васеи истеҳсоли силсилавӣ тасдиқ нашудааст.
• Дар минтақаи деформатсияи аз ҳад зиёд ва buckling-и маҳаллӣ модели rigid-foldable эътибор надорад.
• Намоиши ангушти роботӣ муваффақияти протез ё барқарорсозии клиникӣ дар инсон нест.
• Намоиши гардиши соф тавсифи муфассали момент, самаранокӣ ё иҷроиши дарозмуддат нест.

Усул ва натиҷаҳои тадқиқот

Ҷараёни таҷрибавӣ ва аналитикии тадқиқот

Шароити асосии таҷриба

Таҷрибаҳои параметрҳои геометрӣ

Азбаски конфигуратсияи умумии 45°–45°–7 mm дар се гурӯҳи таҷрибавӣ такрор шудааст, омӯзиши параметрҳо дар маҷмӯъ бо ҳафт геометрияи гуногуни Bi-OSPA гузаронида шудааст.

Сахтиҳои қат, ки барои модели қувваи чандирӣ муайян шудаанд

Ин қиматҳо константаҳои мустақил ва универсалии TPE нестанд; онҳо сахтиҳои самараноки қат барои сохтори санҷидашудаи Bi-OSPA мебошанд.

Натиҷаи ибтидоии устувории 1000 давр

Манбаъ ин тағйиротро ҳамчун %96,3 нигоҳдории қувва ё ба ибораи дигар %3,7 коҳиш гузориш мекунад. Санҷиш танҳо 1000 давр ва як конфигуратсияи фишори мусбатро фаро мегирад.

Такроршавандагии истеҳсол

Гарчанде намунаҳо геометрияи якхелаи CAD ва танзимоти якхелаи чоп доранд, махсусан дар миқдори кӯтоҳшавӣ фарқи назаррас байни намунаҳо мушоҳида шудааст. Ин натиҷа зарурати алоқаи баръакси ҳалқаи пӯшида ва раванди истеҳсоли такроршавандаро дастгирӣ мекунад.

Ҷудокунии сатҳҳои далел

Маҳдудиятҳои асосии методологӣ

• Чаҳорчӯбаи аналитикӣ ба фарзияи квази-статикӣ асос ёфтааст.
• Талафоти энергия дар модели қувва сарфи назар шудааст.
• Гистерезис ва рафтори вобаста ба вақти TPE мустақим модел нашудаанд.
• Сахтиҳои қат калибркунии таҷрибавиро талаб мекунанд ва ҳангоми тағйири геометрия бояд аз нав муайян шаванд.
• Маълумоти таҷрибавие, ки барои мувофиқати қувваи чандирӣ истифода шудааст, ҳамзамон барои интихоби параметрҳои сахтӣ низ истифода шудааст.
• Байни шаклҳои навишташудаи Муодилаҳои (5) ва (7) номувофиқии алгебрӣ вуҷуд дорад.
• Вакууми аз ҳад зиёд ва баъзе геометрияҳо buckling-и маҳаллиро ба вуҷуд оварда, фарзияи rigid-foldability-ро вайрон кардаанд.
• Дар истеҳсоли FDM тағйирёбии ҳаракат байни намунаҳо мушоҳида шудааст.
• Санҷиши 1000 давр санҷиши умри дарозмуддат нест.
• Устувории вакуум бо ҳамон протоколи даврӣ санҷида нашудааст.
• Идоракунии мавқеи ҳалқаи пӯшида татбиқ нашудааст.
• Паҳнои банди динамикӣ, вақти ҷавоб ва иҷроиши басомади баланд муфассал тавсиф нашудаанд.
• Гардиши соф ва ангушти роботӣ дар сатҳи намоиши консепт/функсия мебошанд.

Ёддошти манбаъ ва усул

Номи пурраи аслии кор: Design and Modeling of a Bidirectional Origami-Inspired Soft Pneumatic Actuator

Муаллифон: Alireza Keramati, Alireza Mohammadi, Ying Tan, Peter Choong ва Denny Oetomo.

Муаллифи масъул: Alireza Mohammadi.

Саҳми баробар/ҳаммуаллифи аввал: Дар манбаъ чунин изҳорот вуҷуд надорад.

Муассисаҳо:

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.

Маҷалла: Actuators.

Ношир: MDPI, Basel, Switzerland.

Маълумоти библиографӣ: Actuators 2026, 15(6), 320.

DOI:10.3390/act15060320

Пайванди расмии нашр:MDPI – Actuators 15(6), 320

Санаи нашр: 6 июни 2026. Кор 28 апрели 2026 қабул карда шуда, 2 июни 2026 бознигарӣ ва 4 июни 2026 пазируфта шудааст.

Навъи манбаъ ва ҳолати рецензия: Мақолаи тадқиқотии рецензияшуда, ки дар маҷаллаи Actuators нашр шудааст. Кор омӯзиши моделсозии аналитикӣ мебошад, ки бо истеҳсоли актуаторҳои физикӣ ва таҷрибаҳои лабораторӣ дастгирӣ шудааст.

Иҷозатнома: Creative Commons Attribution (CC BY).

Маблағгузорӣ: Лоиҳа аз ҷониби Valma Angliss Trust ва The University of Melbourne маблағгузорӣ шудааст.

Кумитаи этика: Татбиқ намешавад.

Ризоияти огоҳона: Татбиқ намешавад.

Дастрасии маълумот: Маҷмуаҳои маълумоте, ки дар тадқиқот сохта ва таҳлил шудаанд, дар бахши Supplementary Materials-и мақола пешниҳод шудаанд. Маводи иловагӣ маҷмуаҳои маълумоти таҷрибавӣ/аналитикӣ ва Video S1-ро дар бар мегирад, ки деформатсияи Bi-OSPA, гардиши соф ва намоишҳои ангушти роботиро нишон медиҳад.

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон изҳор кардаанд, ки бархӯрди манфиатҳо вуҷуд надорад ва маблағгузорон дар тарҳи тадқиқот, ҷамъоварӣ, таҳлил, тафсир, навиштан ё қарори нашр нақш надоштаанд.

Саҳми муаллифон: Консептуализатсия — Alireza Keramati, Alireza Mohammadi, Denny Oetomo ва Peter Choong; методология — Alireza Keramati, Alireza Mohammadi ва Denny Oetomo; нармафзор — Alireza Keramati; тасдиқ — Alireza Keramati; таҳлили формалӣ — Alireza Keramati ва Ying Tan; тадқиқот ва идоракунии маълумот — Alireza Keramati; захираҳо — Alireza Mohammadi ва Denny Oetomo; тарҳи аввал — Alireza Keramati; бозбинӣ/таҳрир — Alireza Keramati, Alireza Mohammadi ва Denny Oetomo; роҳбарӣ — Alireza Mohammadi, Denny Oetomo, Ying Tan ва Peter Choong.

Ҳудуди санҷиши модел: Сахтиҳои қат аз маълумоти таҷрибавии қувваи чандирӣ–ҷойивазкунӣ ба таври итеративӣ муайян шуда, маҷмӯи ниҳоии параметрҳо тавре интихоб шудааст, ки бо тамоми каҷ беҳтарин мувофиқатро диҳад. Аз ин рӯ, гарчанде RMSE-и 0,14 N ба муқоисаи воқеии таҷрибавӣ асос ёфтааст, онро набояд ҳамчун санҷиши кӯри маҷмуаи мустақили hold-out арзёбӣ кард.

Ҳудуди умумисозии модел: Дар бахши натиҷаҳои манбаъ ошкоро гуфта мешавад, ки собитҳои сахтии қат универсалӣ нестанд. Ҳангоми тағйири геометрия ё шароити истеҳсол барои Bi-OSPA-и дахлдор калибркунии нави таҷрибавии сахтӣ лозим мешавад.

Ҳудуди модели квази-статикӣ: Модели аналитикӣ таъсирҳои вобаста ба вақт, ҷавоби гузарои актуатсия ва талафоти энергияро дар бар намегирад. Нишон дода нашудааст, ки модели мавҷуда барои рафтори баландсуръат/динамикӣ мустақиман кофӣ аст.

Ёддошти номувофиқии муодила: Дар манбаъ Муодилаи (5) \(W_{out}=P(V-V_0)-U\) аст ва қаблан \(F_e=\partial U/\partial h\) муайян шудааст. Муодилаи (7) бошад, ҳамчун \(F_{out}=\partial W_{out}/\partial h-F_e=P\partial V/\partial h-F_e\) навишта шудааст. Азбаски ҳосилаи мустақими Муодилаи (5) аллакай ҳосилаи энергияи чандириро дар бар мегирад, баробарии аввал ва охири Муодилаи (7) дар доираи ҳамон таърифҳо аз ҷиҳати алгебрӣ мувофиқ ба назар намерасанд. Ифодаи манбаъ тағйир дода нашудааст.

Ҳудуди эътибори геометрӣ: Дар баъзе тарҳҳо, аз ҷумла \(\alpha_0=55^\circ\) ва \(r_0\)-и калон, сатҳҳои баланди вакуум buckling-и маҳаллиро ба вуҷуд оварда, фарзияи пружинаи хаттии чархишӣ/rigid-foldable эътибори худро гум кардааст. Илова бар ин, дар минтақаи критикии геометрии \(\phi_0=30^\circ\) самти ҳаракат дар таҷриба пешгӯинашаванда шудааст.

Ҳудуди устуворӣ: Санҷиши 1000 давр танҳо дар як актуатор зери фишори мусбати +60 kPa гузаронида шудааст. Натиҷа умри дарозмуддат, устувории даврии вакуум ё эътимоднокии истеҳсоли силсилавиро исбот намекунад.

Ҳудуди истеҳсол: Байни се чопи FDM бо геометрияи якхела фарқҳои ченшавандаи дарозшавӣ ва махсусан кӯтоҳшавӣ мушоҳида шудаанд. Муаллифон беҳтар кардани дақиқии истеҳсол, герметикӣ ва такроршавандагии андозаро ҳамчун кори оянда зикр мекунанд.

Ҳудуди идоракунӣ: Муносибати фишор–деформатсия худ аз худ барои идоракунии дақиқи мавқеи ҳалқаи кушода кофӣ ҳисоб намешавад. Муаллифон барои истифодаи воқеӣ сенсори мавқеъ ва идоракунии ҳалқаи пӯшида бо алоқаи баръаксро тавсия медиҳанд; ин идоракунӣ дар тадқиқоти мавҷуда иҷро нашудааст.

Ҳудуди истифода: Озмоишҳои гардиши соф бо Kresling ва ангушти роботии 1-DoF намоишҳои физикии функсия мебошанд. Онҳо самаранокии клиникӣ, бехатарии инсон ё тасдиқи маҳсулоти саноатӣ нестанд.

Усули илмӣ, муодилаҳо, шароити таҷриба, натиҷаҳои ададӣ ва маҳдудиятҳои ин маводи Verianla танҳо ба кори баррасишуда асос ёфтаанд. Манбаи беруна танҳо барои тасдиқи шахсияти расмии нашри мақола истифода шудааст.