Tadqiqot bitta havo kamerasi ichida ham uzayish, ham qisqarishni amalga oshira oladigan Bidirectional Origami-Inspired Soft Pneumatic Actuator (Bi-OSPA) nomli ikki yo‘nalishli yumshoq pnevmatik aktuatorni ishlab chiqadi. Ko‘pchilik ikki yo‘nalishli yumshoq aktuatorlarda ikkita antagonistik aktuator yoki bir nechta havo kamerasi kerak bo‘lsa, Bi-OSPA’da harakat yo‘nalishi faqat qo‘llanadigan bosim ishorasi bilan o‘zgaradi: dizaynning normal ish sohasida vakuum bosimi aktuatorni uzaytiradi, musbat bosim esa uni qisqartiradi. Tuzilma magic-ball/waterbomb origami geometriyasidan ilhomlangan bo‘lib, deformatsiyaning katta qismi materialning hajmiy cho‘zilishidan ko‘ra buklama chiziqlari atrofidagi aylanish harakati orqali yuz berishi ko‘zda tutilgan.

Ushbu geometrik yondashuv faqat harakat hosil qilish uchun emas, balki aktuator xatti-harakatini analitik tarzda bashorat qilish uchun ham qo‘llangan. Tadqiqotchilar tekis yuzalarni taxminan qattiq, tog‘–vodiy va o‘rta tekislik buklamalarini esa chiziqli burama prujinalar sifatida modellashtirgan; boshlang‘ich geometriya va o‘q bo‘ylab siljishdan deformatsiyalangan shaklni hisoblaydigan kinematik model ishlab chiqilgan. Keyin virtual ish yondashuvi buklamalarda to‘plangan elastik energiya bilan bosimning havo kamerasi hajmiga bajargan ishini birlashtirib, elastik va chiqish kuchlarini hisoblash uchun ishlatilgan.

Aktuatorlar Shore 83A termoplastik elastomerdan FDM 3D bosib chiqarish usuli bilan jismonan ishlab chiqarilgan. Bukilish qattiqliklari bosim berilmasdan o‘tkazilgan kvazi-statik siqish tajribasidan aniqlangan; olingan analitik elastik kuch egri chizig‘i tajribaviy kuch–siljish javobi bilan taqqoslangan. Manbada analitik model bilan tajriba orasidagi RMSE 0,14 N, tajribadagi maksimal elastik kuch esa taxminan 1,6 N deb qayd etilgan. Biroq qattiqlik parametrlari tajribaviy egri chiziqdan kalibrlangani sababli bu natija butunlay mustaqil ma’lumotlarda o‘tkazilgan ko‘r tekshiruv emas.

Yetti xil Bi-OSPA yordamida boshlang‘ich qiyaliklar \(\phi_0\), cho‘qqi burchaklari \(\alpha_0\) va ichki radius \(r_0\) o‘zgartirilgan; vakuum va musbat bosim ostida uzayish, qisqarish va izometrik kuch o‘lchangan. Natijalar geometriya faqat harakat miqdorini emas, balki kuch hosil qilishni ham sezilarli darajada o‘zgartirishini ko‘rsatgan. Izometrik kuchga eng katta ta’sir ko‘rsatgan parametr \(\alpha_0\), undan keyin \(r_0\) va \(\phi_0\) bo‘lgan. Bir xil mutlaq bosim kattaligida vakuum ostida hosil bo‘lgan itarish kuchi, odatda, musbat bosim ostida hosil bo‘lgan tortish kuchidan yuqori bo‘lgan.

Chidamlilik bo‘yicha dastlabki tajribada \(\phi_0=55^\circ\), \(\alpha_0=45^\circ\) va \(r_0=7\) mm geometriyali yangi aktuator +60 kPa ostida 1000 sikl ishlatilgan. Dastlabki 50 siklda o‘rtacha cho‘qqi kuch 4,20 ± 0,03 N bo‘lgan bo‘lsa, oxirgi 50 siklda 4,04 ± 0,01 N o‘lchangan; kuchning saqlanishi %96,3 ni tashkil qilgan. Bu natija 1000 sikl davomida ishlash samaradorligining katta qismi saqlanganini ko‘rsatadi, biroq uzoq muddatli aktuator umri sifatida talqin qilinmasligi kerak.

Tadqiqotchilar, shuningdek, Bi-OSPA’ni Kresling origamiga asoslangan pnevmatik birlik bilan ketma-ket ulab, Kresling tuzilmasining vakuum ostidagi qisqarishini Bi-OSPA’ning uzayishi bilan kompensatsiya qilgan va deyarli sof burilish xatti-harakatini hosil qilgan. Tizim amalda shisha qopqog‘ini burash uchun ishlatilgan. Ikkinchi namoyishda bitta Bi-OSPA bir erkinlik darajali robot barmog‘ida musbat bosim bilan fleksiyani, vakuum bilan esa ekstensiyani ta’minlagan. Bu qo‘llanmalar mexanik funksiyani namoyish etadi; ular klinik protez, reabilitatsiya yoki inson tajribasi emas.

Turkiya nuqtayi nazaridan baholash: Tadqiqot Turkiyada yumshoq robototexnika, robot ushlagichlar, past qattiqlikdagi inson–robot o‘zaro ta’sir tizimlari, pnevmatik sun’iy mushaklar va 3D bosilgan mexatronika ustida ishlaydigan tadqiqot guruhlari uchun to‘g‘ridan-to‘g‘ri qo‘llanishi mumkin bo‘lgan dizayn yondashuvini taklif qilishi mumkin. Ayniqsa, geometriyani bosib chiqarishdan oldin kuch va siljish maqsadlariga mos ravishda sozlash imkoniyati ishlab chiqarish nuqtayi nazaridan qimmatlidir. Biroq mavjud natijalar laboratoriya miqyosidagi prototiplarga tegishli; bosma namunalar orasida sezilarli o‘zgaruvchanlik mavjud, dinamik model yo‘q va aniq pozitsiyani boshqarish uchun yopiq konturli sensor integratsiyasi hali amalga oshirilmagan.

Tadqiqot hal qilishga urinayotgan asosiy muammo nima?

Yumshoq pnevmatik aktuatorlarning asosiy afzalligi qattiq elektr dvigatel–reduktor mexanizmlariga nisbatan moslashuvchanroq, yengilroq va xavfsizroq mexanik o‘zaro ta’sirni ta’minlay olishidir. Biroq bitta yumshoq pnevmatik aktuatorning bir xil o‘q bo‘ylab ham oldinga, ham orqaga harakat hosil qilishi oson emas.

Keng tarqalgan yechimlardan biri ikkita alohida aktuatorni antagonistik tarzda ishlatishdir: biri bir yo‘nalishda harakat hosil qilsa, ikkinchisi qarama-qarshi yo‘nalishda harakat qiladi. Boshqa tuzilmalarda bir xil korpus ichida ikki yoki undan ortiq havo kamerasi ishlatiladi va harakat yo‘nalishi turli kameralarni navbat bilan bosim ostiga qo‘yish orqali o‘zgartiriladi.

Bu yondashuvlar ishlasa-da, havo liniyasi, klapan, boshqaruv va mexanik tuzilma murakkabligini oshirishi mumkin. Tadqiqot ko‘zlagan yechim bitta havo kamerasida faqat bosim ishorasini o‘zgartirib ikki yo‘nalishli harakat hosil qilish va ayni paytda bu harakatni geometriyadan analitik tarzda bashorat qila olishdir.

Bi-OSPA’ning origami geometriyasi qayerdan keladi?

Bi-OSPA tuzilmasi magic-ball origamining harakatidan ilhomlangan. Magic-ball tuzilmasining asosida waterbomb origami buklash naqshi yotadi. Tadqiqotchilar oltita buklama chizig‘iga ega klassik waterbomb birligini 16 buklama chizig‘ili tuzilmagacha kengaytirgan va hosil bo‘lgan yuqori yarmini asos tekisligiga nisbatan akslantirib, pastki yarmi bilan birlashtirgan.

Tadqiqotdagi 1-rasm bu o‘zgarishni qog‘oz origami modelidan buklash naqshiga, CAD geometriyasiga va yakuniy pnevmatik aktuatorga qadar vizual tarzda ko‘rsatadi. Shu rasmning oxirgi paneli mexanizmning bosimga asosiy javobini aniq ajratadi:

• \(P=0\): neytral geometriya,
• \(P<0\): vakuum ostida uzayish,
• \(P>0\): musbat bosim ostida qisqarish.

Geometriyaning asosiy parametrlari nimalar?

Aktuator harakati uchta asosiy mustaqil dizayn o‘zgaruvchisi orqali o‘rganilgan:

• \(\alpha\): uchburchak kesimning cho‘qqi burchagi,
• \(\phi\): origami yuzasi/qiyaligining geometrik burchagi,
• \(r\): ichki aylana radiusi.

Qo‘shimcha ravishda \(R\) tashqi radiusni, \(h\) aktuator balandligini, \(b\) uchburchak kesim uzunligini, \(L\) va \(L'\) piramida qirralari uzunligini, \(\theta\) esa \(L\) bilan \(h\) orasidagi burchakni ifodalaydi. Uchburchaklar sonini belgilovchi \(\beta\) ushbu dizaynda o‘zgarmas:

\[ \beta=45^\circ \]

qiymatda ishlatilgan.

Nega model TPEning klassik material tenglamalarini to‘g‘ridan-to‘g‘ri ishlatmaydi?

Yumshoq elastomerlarning xatti-harakati odatda katta deformatsiya, viskoelastiklik va giperelastiklik sababli murakkab. Tadqiqotchilar Bi-OSPA geometriyasini ushbu murakkablikni kamaytiradigan tarzda ko‘rib chiqishgan. Asosiy faraz yuzalar deyarli qattiq qolishi va asosiy deformatsiya buklama chiziqlarida jamlanadigan rigid-foldable mexanizm mavjudligidir.

Shu sababli analitik modelda TPEning Young moduli, Puasson koeffitsiyenti yoki giperelastik koeffitsiyentlari to‘g‘ridan-to‘g‘ri ishlatilmagan. Buning o‘rniga uch xil buklama oilasi chiziqli burama prujina sifatida ifodalangan:

• tog‘ buklamalari: \(K_m\),
• vodiy buklamalari: \(K_v\),
• o‘rta tekislik buklamalari: \(K_q\).

Buklamalarda saqlanadigan elastik energiya qanday modellashtiriladi?

Manbada umumiy elastik potensial energiya:

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

ko‘rinishida berilgan.

\(\gamma_m\), \(\gamma_v\) va \(\gamma_q\) mos ravishda tog‘, vodiy va o‘rta tekislik buklama burchaklarini; 0 pastki indeksi boshlang‘ich burchaklarni; \(n_m\), \(n_v\) va \(n_q\) esa tegishli buklama chiziqlari sonini ifodalaydi.

Parametrlarni aniqlash tajribasida:

\[ n_m=n_v=n_q=16 \]

ishlatilgan.

Aktuator deformatsiyalanganda yangi geometriya qanday topiladi?

Tadqiqotchilar boshlang‘ich \((\alpha_0,\phi_0,r_0)\) parametrlari bilan o‘q bo‘ylab siljish \(\Delta h\) ni modelga kiritadi. Rigid-foldability faraziga ko‘ra, \(L\) va \(b\) qirra uzunliklari deformatsiya davomida o‘zgarmas deb olinadi.

Ushbu ikki geometrik cheklov va o‘q bo‘ylab siljishdan keladigan uchinchi tenglama birgalikda yechiladi. Uchta nochiziqli tenglama MATLAB R2023b dagi lsqnonlin chegaralangan nochiziqli eng kichik kvadratlar yechuvchisi bilan yechilib, yangi:

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

qiymatlari hisoblanadi. So‘ng bu geometriya buklama burchaklari va kuch modeliga uzatiladi.

Aktuator balandligining geometrik bog‘lanishi

Manbada balandlik:

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

bilan aniqlanadi. Ushbu ifoda aktuatorning o‘q bo‘ylab uzunligi bevosita \(r\), \(\phi\), \(\alpha\) va o‘zgarmas \(\beta\) geometriyasidan kelib chiqishini ko‘rsatadi.

Elastik kuch virtual ish orqali qanday olinadi?

Manba o‘q bo‘ylab elastik kuchni:

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

deb belgilaydi.

Keyin zanjir qoidasi:

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

ko‘rinishida berilgan. Bu mexanik yondashuv buklama burchaklari o‘zgarganida burama prujinalarda saqlangan energiya o‘q bo‘ylab kuchga qanday aylanishini ifodalaydi.

Bosimdan chiqish kuchiga o‘tish qanday modellashtiriladi?

Aktuator havo kamerasi uchun manbada:

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

hajm munosabati qo‘llanadi.

Bosim ostidagi chiqish ishi (5)-tenglamada:

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

deb ta’riflanadi. \(P\) manometrik bosimni, \(V_0\) boshlang‘ich hajmni, \(V\) esa deformatsiyalangan havo kamerasi hajmini bildiradi.

Manbadagi (5)–(7)-tenglamalar nomuvofiqligi

Manba (7)-tenglamani aynan:

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

ko‘rinishida beradi.

Biroq oldingi ta’riflar birgalikda hisobga olinsa, \(W_{out}=P(V-V_0)-U\) va \(F_e=\partial U/\partial h\) bo‘lgani uchun \(\partial W_{out}/\partial h\) ifodasi elastik energiya hosilasini allaqachon o‘z ichiga oladi. Shu sababli (7)-tenglamaning birinchi tengligidagi qo‘shimcha “\(-F_e\)” bilan o‘ng tomondagi ifoda algebraik jihatdan bir vaqtning o‘zida mos kelmaydigandek ko‘rinadi. Ushbu Verianla mazmunida manba tenglamasi o‘zgartirilmagan, nomuvofiqlik ochiq ko‘rsatilgan.

Qaysi ta’sirlar analitik modeldan tashqarida qoldirilgan?

Bosim ishi modelida energiya yo‘qotishlari e’tibordan chetda qoldirilgan. Natijalar bo‘limida modelning kvazi-statik ekani alohida ta’kidlangan. Shu sababli model quyidagi ta’sirlarni qamrab olmaydi:

• aktuatorning o‘tkinchi vaqt javobi,
• tezlikka bog‘liq deformatsiya,
• viskoelastik gisterezis,
• pnevmatik oqim dinamikasi,
• sizib chiqishdan keladigan yo‘qotishlar,
• yuqori chastotali harakatlar,
• mahalliy sirt kuchlanishi va material deformatsiyasining batafsil taqsimoti.

Tadqiqotchilar FEM o‘rniga tezkor analitik bashoratni maqsad qilganini bildirgan.

Bi-OSPA qanday ishlab chiqarildi?

Geometriya Autodesk Fusion 360 da loyihalangan, STL shaklida eksport qilingan va PrusaSlicer 2.8.1 bilan tayyorlangan. Jismoniy aktuatorlar Prusa MK4S da Fused Deposition Modeling usuli bilan bosilgan.

TPE 83A mualliflar tomonidan egiluvchanlik bilan murakkab yupqa devorli origami geometriyasini ishonchli bosib chiqarish imkoniyati o‘rtasidagi muvozanat sifatida tanlangan.

Tajriba qurilmasi qanday edi?

Pnevmatik tizimda LY370DPM35 DC nasos, motor drayveri, Arduino Uno va Panasonic ADP5100 bosim sensori ishlatilgan. Arduino nasos motorining kirish kuchlanishini boshqargan va bosim sensoridan o‘lchov olgan.

Tadqiqotning 3-rasmi ushbu tizimning haqiqiy laboratoriya qurilmasini, Mecmesin kuch sinov uskunasini va musbat bosim ostida qisqarish paytida aktuator bilan yuk yacheykasi orasidagi aloqani saqlash uchun ishlab chiqilgan maxsus tutqichni ko‘rsatadi.

Uzayish va qisqarish qanday o‘lchandi?

Aktuatorlar turli bosim darajalarida videoga olingan va uch nuqtalar harakati Tracker 6.2.0 dasturi bilan kuzatilgan. Har bir o‘lchov uch marta takrorlanib, o‘rtacha qiymat va standart og‘ish berilgan.

Geometriya tajribalarida uzayish va qisqarish uchun:

• vakuum: −60 dan −15 kPa gacha,
• musbat bosim: +15 dan +60 kPa gacha,
• bosim qadami: 5 kPa

ishlatilgan.

Izometrik kuch qanday o‘lchandi?

Mecmesin sinov mashinasidagi yuk yacheykasi aktuator uchiga tegizilgan va aktuator siljishiga yo‘l qo‘ymasdan, qo‘llangan bosim ostida hosil qilgan kuch o‘lchangan.

Kuch tajribalaridagi bosim diapazonlari:

• vakuum: −60 dan −10 kPa gacha,
• musbat bosim: +10 dan +60 kPa gacha,
• bosim qadami: 5 kPa

bo‘lgan. Har bir o‘lchov uch marta takrorlangan.

Bukilish qattiqliklari qanday aniqlangan?

Bosim qo‘llanmagan Bi-OSPA Mecmesin qurilmasida 1 mm/s tezlikda kvazi-statik siqilgan va kuch javobi ikki yuklash siklining o‘rtachasi sifatida olingan.

Tajribaviy egri chiziqdan uchta siljish–kuch nuqtasi tanlangan, har bir nuqtadagi deformatsiyalangan geometriya kinematik model bilan hisoblangan va uchta noma’lum buklama qattiqligi uchun uchta tenglama yechilgan. Turli nuqta kombinatsiyalari sinab ko‘rilgan va butun tajribaviy egri chiziq bilan eng yaxshi moslikni beradigan parametrlar to‘plami tanlangan.

Aniqlangan qiymatlar:

Analitik model tajriba bilan qanchalik mos keldi?

4-rasmda analitik elastik kuch bilan tajribaviy siqish kuchi taxminan 0–6 mm siljish oralig‘ida taqqoslangan. Ikki egri chiziq to‘liq bir xil emas; ayniqsa kichik va o‘rta siljishlarda sezilarli farq bor, kattaroq siljishlarda egri chiziqlar bir-biriga yaqinlashadi.

Manba butun diapazon uchun:

RMSE = 0,14 N

va taxminan:

maksimal tajribaviy kuch ≈ 1,6 N

deb xabar beradi.

Bu taqqoslash haqiqiy tajriba o‘lchoviga asoslangani uchun muhim. Biroq buklama qattiqliklari aynan shu tajribaviy egri chiziqdan aniqlanib, eng yaxshi umumiy moslik beradigan qiymatlar tanlangani sababli RMSE butunlay mustaqil tekshiruv ma’lumotlarida olingan emas.

\(\phi_0\) uzayish va qisqarishni qanday o‘zgartirdi?

\(\phi_0=35^\circ\), \(45^\circ\) va \(55^\circ\) aktuatorlar taqqoslangan; \(r_0=7\) mm va \(\alpha_0=45^\circ\) o‘zgarmas saqlangan.

Geometrik model kichikroq \(\phi_0\) ko‘proq uzayish va qisqarish berishini bashorat qiladi. Bu tendensiya 45° va 55° namunalarida kuzatilgan, biroq 35° namunada butun bosim diapazonida muntazam davom etmagan. Tadqiqotchilar buni ushbu namunadagi bosib chiqarishdan kelib chiqqan strukturaviy notekisliklar bilan bog‘laydi.

\(\alpha_0\) harakatga qanday ta’sir ko‘rsatdi?

\(\alpha_0=35^\circ\), \(45^\circ\) va \(55^\circ\) aktuatorlar taqqoslangan; \(r_0=7\) mm va \(\phi_0=45^\circ\) o‘zgarmas saqlangan.

Musbat bosim ostida \(\alpha_0\) kichraygan sari normallashtirilgan qisqarish oshgan. Vakuum ostida 35° va 45° dizaynlar bir-biriga yaqin bo‘lib, 55° dizayndan ko‘proq uzayish hosil qilgan.

\(\alpha_0=55^\circ\) namunasi −40 kPa va undan katta vakuum kattaliklarida ortiqcha deformatsiya ko‘rsatgan. Manbada “ortiqcha deformatsiya” buklamalar mo‘ljallangan o‘q atrofida aylanish o‘rniga mahalliy tarzda bukilib qoladigan holat sifatida ta’riflanadi. Bu sohada chiziqli burama prujina farazi o‘z kuchini yo‘qotadi.

Ichki radius \(r_0\) harakatni qanday o‘zgartirdi?

\(r_0=5\), 7 va 9 mm namunalar taqqoslangan; \(\phi_0=\alpha_0=45^\circ\) o‘zgarmas saqlangan.

Umumiy tendensiya radius kattalashgan sari normallashtirilgan uzayish va qisqarishning oshishidir. Biroq \(r_0=9\) mm aktuatorida −20 kPa dan katta vakuum kattaliklarida ortiqcha deformatsiya yuzaga kelgan.

Harakat nuqtayi nazaridan qaysi geometrik parametrlar kuchliroq ta’sir ko‘rsatadi?

Tadqiqotning tajribaviy talqiniga ko‘ra:

• qisqarish ga \(\alpha_0\) va \(r_0\) kuchliroq ta’sir ko‘rsatadi;
• uzayish ga \(\phi_0\) va kamroq darajada \(r_0\) ustunroq ta’sir ko‘rsatadi.

Bu natijalar yagona “eng yaxshi geometriya” yo‘qligini; kerakli kuch va harakat yo‘nalishiga qarab geometriya birgalikda tanlanishi kerakligini ko‘rsatadi.

\(\phi_0=30^\circ\) nega kritik?

Manbada harakat yo‘nalishini belgilovchi geometrik shart \(2\phi_0\) bilan \(\theta_0\) orasidagi munosabatga bog‘langan.

\[ 2\phi_0>\theta_0 \]

bo‘lganda aktuator vakuum ostida uzayadi.

\[ 2\phi_0<\theta_0 \]

bo‘lganda esa vakuum ostida qisqarish yuz berishi mumkin.

Manbaga ko‘ra, \(\phi_0=30^\circ\) atrofida:

\[ 2\phi_0=\theta_0 \]

kritik holat hosil bo‘lgan va aktuator tajribalarda oldindan aytib bo‘lmaydigan tarzda ham uzayish, ham qisqarish xatti-harakatini ko‘rsatgan. Shu sababli ikki yo‘nalishli ish barcha mumkin bo‘lgan geometriyalarga shunchaki “vakuum = uzayish” tarzida umumlashtirilmasligi kerak.

Geometriya izometrik kuchga qanday ta’sir ko‘rsatdi?

Tajribalarda \(\phi_0\) kattalashgan sari vakuum va musbat bosim ostidagi izometrik kuch oshgan.

\(\alpha_0\) oshgan sari esa kuch kamaygan. Manbada \(\alpha_0=35^\circ\) aktuatorida −50 kPa dan yuqori vakuum kattaliklarida ortiqcha deformatsiya sababli normal tendensiya buziladi.

\(r_0\) ni 5 mm dan 7 mm gacha oshirish barcha bosimlarda kuchni ko‘paytirgan. 9 mm namuna vakuum ostida mahalliy deformatsiyaga kirgani uchun yuqori vakuum darajalarida kutilgan ortish saqlanmagan; musbat bosimdagi tortish kuchlarida esa o‘sish tendensiyasi davom etgan.

Qaysi dizayn o‘zgaruvchisi kuchga eng ko‘p ta’sir qiladi?

Tadqiqotchilarning parametr tahliliga ko‘ra izometrik kuchga ta’sir kattaligi:

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

tartibida bo‘lgan.

Bundan tashqari, bir xil bosim kattaligida vakuum ostida hosil qilingan itarish kuchi, odatda, musbat bosim ostida hosil qilingan tortish kuchidan katta ekanligi kuzatilgan.

1000 sikllik chidamlilik sinovi nimani ko‘rsatdi?

Chidamlilik uchun asosiy parametr tajribalarida ishlatilgan namunalardan farqli yangi Bi-OSPA ishlab chiqarilgan:

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

Aktuator 1000 marta takroriy ishlatilgan.

Dastlabki va oxirgi besh siklning kuch–vaqt profillari ham umumiy shakl katta darajada saqlanganini ko‘rsatadi. Biroq mualliflar bu tajriba uzoq muddatli xizmat muddati sinovi emasligini aniq ta’kidlaydi.

Nega chidamlilik faqat musbat bosimda sinovdan o‘tkazildi?

Tadqiqotchilar +60 kPa ish rejimini tuzilma uchun og‘irroq yuklanish sharoiti deb baholagan. Musbat bosimda kameraning shishishi yumshoq aktuatorlarda ajralish yoki yorilish kabi mexanik xavflar bilan bog‘liq bo‘lishi mumkin, vakuum harakati esa kameraning ichkariga qulashiga asoslanadi.

Bu tanlov musbat bosimdagi chidamlilik bo‘yicha dastlabki ma’lumot beradi; vakuum ostida xuddi shunday sikl umrining to‘g‘ridan-to‘g‘ri isboti emas.

Nominal ravishda bir xil uchta bosma namuna qanchalik o‘xshash edi?

Ishlab chiqarish takrorlanuvchanligini baholash uchun:

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

geometriyasiga ega uch aktuator bir xil bosib chiqarish sozlamalari bilan tayyorlangan va ±60 kPa ostida har biri 10 sikldan sinovdan o‘tkazilgan.

Uch namuna birgalikda baholanganda manba:

• o‘rtacha qisqarish: −2,36 ± 0,63 mm,
• o‘rtacha uzayish: 2,07 ± 0,29 mm

deb xabar bergan. Bu farqlar FDM ishlab chiqarish jarayoni hali to‘liq takrorlanuvchan emasligini ko‘rsatadi. Mualliflar bosib chiqarish parametrlari va ishlab chiqarish protsedurasini kelajakda yaxshilash zarurligini bildiradi.

Bi-OSPA sof burilish hosil qilish uchun qanday ishlatildi?

Kresling origamiga asoslangan vakuum aktuatorlari odatda burilish bilan birga o‘q bo‘ylab qisqarish hosil qiladi. Bu bog‘langan harakat faqat aylanish kerak bo‘lgan qo‘llanmalarda kamchilik tug‘dirishi mumkin.

Tadqiqotchilar Kresling birligini −40 kPa da sinab, qisqarish miqdorini aniqlagan va taxminan shuncha uzayadigan Bi-OSPA ni tanlagan. Ikki aktuator ketma-ket ulanganda Kreslingning o‘q bo‘ylab qisqarishi Bi-OSPA ning uzayishi bilan kompensatsiya qilingan, burilish harakati saqlangan.

Jismoniy namoyishda bu birlashtirilgan aktuator shisha qopqog‘ini buragan. Bu tajriba sof burilishning funksional namunasini ko‘rsatadi, biroq sanoat moment sig‘imi yoki uzoq muddatli yig‘ma ishlashini o‘lchash emas.

Robot barmog‘i namoyishi nimani ko‘rsatdi?

Ikki qattiq bo‘g‘in va bitta sharnir orqali yaratilgan bir erkinlik darajali barmoq mexanizmi mexanik bog‘lama bilan Bi-OSPA ga ulangan.

Bosim yo‘nalishiga bog‘liq harakat:

• musbat bosim: barmoq fleksiyasi,
• vakuum: barmoq ekstensiyasi

tarzida amalga oshgan.

10-rasm boshlang‘ich holatni, ikki harakat yo‘nalishini va vaqt bo‘yicha barmoq burchagi–bosim munosabatini ko‘rsatadi. Bu tajriba bitta yumshoq aktuator mushakka o‘xshash ikki yo‘nalishli mexanik funksiyani ta’minlay olishini ko‘rsatadi; u inson barmog‘i, protez yoki reabilitatsiya davolashidagi samaradorlik isboti emas.

Nega faqat bosim bilan ochiq kontur pozitsiyani boshqarish yetarli bo‘lmasligi mumkin?

Tadqiqot natijalari bo‘limida analitik model bilan tajriba orasidagi farq faqat bosim o‘lchovidan foydalanib aniq pozitsiyani boshqarish ishonchli bo‘lmasligi mumkinligini ko‘rsatishi aytilgan.

Real tizimda quyidagi omillar modeldan og‘ish hosil qilishi mumkin:

• ishlab chiqarish o‘zgaruvchanligi,
• material gisterezisi,
• havo sizishi,
• mahalliy bukilish,
• geometrik tolerantliklar,
• modellashtirish xatolari.

Tadqiqotchilar kelajakda aktuator pozitsiyasini yoki deformatsiyasini bevosita o‘lchaydigan sensorlar va yopiq konturli qayta aloqa qo‘llanishini tavsiya qiladi. Magnit sensorlar mumkin bo‘lgan usullardan biri sifatida tilga olingan.

Tadqiqot qo‘llab-quvvatlaydigan xulosalar

• Bitta havo kamerali, origamidan ilhomlangan Bi-OSPA jismoniy prototipda musbat va manfiy bosim yordamida ikki yo‘nalishli o‘q bo‘ylab harakat hosil qila olgan.
• Normal dizayn sohasida vakuum uzayish, musbat bosim esa qisqarish hosil qilgan.
• Rigid-foldability va chiziqli burama prujina yondashuvi tajribaviy elastik kuch xatti-harakatining asosiy tendensiyasini ifodalay olgan.
• Kalibrlangan analitik elastik kuch modeli tajribaviy egri chiziqqa 0,14 N RMSE bilan mos kelgan.
• \(\alpha_0\), \(\phi_0\) va \(r_0\) qiymatlarini o‘zgartirish uzayish, qisqarish va izometrik kuchni tizimli tarzda o‘zgartirgan.
• Izometrik kuchga eng kuchli geometrik ta’sir \(\alpha_0\) dan kelgan.
• Bir xil mutlaq bosim kattaligida vakuum hosil qilgan itarish kuchi, odatda, musbat bosimdagi tortish kuchidan yuqori bo‘lgan.
• +60 kPa ostida 1000 sikldan keyin cho‘qqi kuchning %96,3 qismi saqlangan.
• Bir xil geometriyali uchta bosma namuna orasida o‘lchanadigan ishlab chiqarish o‘zgaruvchanligi topilgan.
• Bi-OSPA bilan Kresling tuzilmasining o‘q bo‘ylab harakati muvozanatlashtirilib, sof burilishga yaqin xatti-harakat hosil qilingan.
• Bitta Bi-OSPA 1-DoF robot barmog‘ida ham fleksiyani, ham ekstensiyani ta’minlay olgan.

Tadqiqot isbotlamagan yoki hali ko‘rsatmagan xulosalar

• Bi-OSPA ning uzoq muddatli sanoat xizmat muddati aniqlanmagan.
• 1000 sikl natijasi millionlab sikl chidamliligini anglatmaydi.
• Vakuum ostida ekvivalent 1000 sikllik chidamlilik sinovi o‘tkazilmagan.
• Model yuqori tezlikli yoki dinamik aktuatsiya uchun tasdiqlanmagan.
• Energiya yo‘qotishlari va viskoelastik gisterezis analitik modelga kiritilmagan.
• Buklama qattiqliklarini barcha Bi-OSPA geometriyalariga ko‘chirish mumkinligi ko‘rsatilmagan.
• Bosimdan pozitsiyaga ochiq kontur boshqaruvi yuqori aniqlik berishi ko‘rsatilmagan.
• Yopiq kontur pozitsiyani boshqarish ushbu tadqiqotda amalga oshirilmagan.
• Ishlab chiqarish takrorlanuvchanligi uch namunadan tashqari kengroq seriyali ishlab chiqarish namunasi bilan tasdiqlanmagan.
• Ortiqcha deformatsiya va mahalliy buckling sohasida rigid-foldable model amal qilmaydi.
• Robot barmog‘i namoyishi insondagi protez yoki klinik reabilitatsiya muvaffaqiyati emas.
• Sof burilish namoyishi batafsil moment, samaradorlik yoki uzoq muddatli ishlash xarakteristikasi emas.

Tadqiqotning usuli va natijalari

Tadqiqotning tajribaviy va analitik jarayoni

Asosiy tajriba sharoitlari

Geometrik parametr tajribalari

Umumiy 45°–45°–7 mm konfiguratsiya uch tajriba guruhida takrorlanganligi sababli parametr tadqiqoti jami yetti xil Bi-OSPA geometriyasi bilan olib borilgan.

Elastik kuch modeli uchun aniqlangan buklama qattiqliklari

Bu qiymatlar mustaqil, universal TPE konstantalari emas; sinovdan o‘tkazilgan Bi-OSPA tuzilmasining samarali buklama qattiqliklaridir.

1000 sikllik dastlabki chidamlilik natijasi

Manba bu o‘zgarishni %96,3 kuch saqlanishi yoki boshqacha aytganda %3,7 kamayish deb xabar qiladi. Sinov faqat 1000 sikl va bitta musbat-bosim konfiguratsiyasiga tegishli.

Ishlab chiqarish takrorlanuvchanligi

Namunalar bir xil CAD geometriyasiga va bir xil bosib chiqarish sozlamalariga ega bo‘lsa-da, ayniqsa qisqarish miqdorida namuna orasida sezilarli farq kuzatilgan. Bu natija yopiq konturli qayta aloqa va takrorlanuvchanroq ishlab chiqarish protsedurasining nega muhimligini qo‘llab-quvvatlaydi.

Dalil darajalarini ajratish

Asosiy uslubiy cheklovlar

• Analitik doira kvazi-statik farazga asoslanadi.
• Energiya yo‘qotishlari kuch modelida e’tibordan chetda qoldirilgan.
• Gisterezis va vaqtga bog‘liq TPE xatti-harakati bevosita modellashtirilmagan.
• Buklama qattiqliklari tajribaviy kalibratsiyani talab qiladi va geometriya o‘zgarganda qayta aniqlanishi kerak.
• Elastik kuch moslashida ishlatilgan tajriba ma’lumotlari ayni paytda qattiqlik parametrlarini tanlashda ham qo‘llangan.
• (5)-tenglama bilan (7)-tenglamaning yozilgan shakllari orasida algebraik nomuvofiqlik mavjud.
• Haddan tashqari vakuum va ayrim geometriyalar mahalliy buckling hosil qilib, rigid-foldability farazini buzgan.
• FDM ishlab chiqarishda namuna orasidagi harakat o‘zgaruvchanligi kuzatilgan.
• 1000 sikllik sinov uzoq muddatli xizmat muddati sinovi emas.
• Vakuum chidamliligi xuddi shu sikl protokoli bilan sinovdan o‘tkazilmagan.
• Yopiq kontur pozitsiyani boshqarish qo‘llanmagan.
• Dinamik tarmoqli kenglik, javob vaqti va yuqori chastotali ishlash batafsil tavsiflanmagan.
• Sof burilish va robot barmog‘i qo‘llanmalari konsept/funksiya namoyishi darajasidadir.

Manba va usul izohi

Asarning to‘liq asl nomi: Design and Modeling of a Bidirectional Origami-Inspired Soft Pneumatic Actuator

Mualliflar: Alireza Keramati, Alireza Mohammadi, Ying Tan, Peter Choong va Denny Oetomo.

Mas’ul muallif: Alireza Mohammadi.

Teng hissa/tengdosh birinchi mualliflik: Manbada bunday bayonot yo‘q.

Muassasalar:

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

Jurnal: Actuators.

Nashriyot: MDPI, Basel, Switzerland.

Bibliografik ma’lumot: Actuators 2026, 15(6), 320.

DOI:10.3390/act15060320

Rasmiy nashr havolasi:MDPI – Actuators 15(6), 320

Nashr sanasi: 6-iyun 2026. Ish 28-aprel 2026 da qabul uchun yuborilgan, 2-iyun 2026 da qayta ko‘rib chiqilgan va 4-iyun 2026 da qabul qilingan.

Manba turi va taqriz holati: Actuators jurnalida chop etilgan taqrizdan o‘tgan ilmiy maqola. Tadqiqot jismoniy aktuator ishlab chiqarish va laboratoriya tajribalari bilan qo‘llab-quvvatlangan analitik modellashtirish ishidir.

Litsenziya: Creative Commons Attribution (CC BY).

Moliyalashtirish: Loyiha Valma Angliss Trust va The University of Melbourne tomonidan moliyalashtirilgan.

Etika qo‘mitasi: Tatbiq etilmaydi.

Ongli rozilik: Tatbiq etilmaydi.

Ma’lumotlardan foydalanish: Tadqiqotda yaratilgan va tahlil qilingan ma’lumot to‘plamlari maqolaning Supplementary Materials bo‘limida taqdim etilgan. Qo‘shimcha materiallarda tajribaviy/analitik ma’lumot to‘plamlari hamda Bi-OSPA deformatsiyasi, sof burilish va robot barmog‘i namoyishlarini ko‘rsatuvchi Video S1 mavjud.

Manfaatlar to‘qnashuvi: Mualliflar manfaatlar to‘qnashuvi yo‘qligini bildirgan va moliyalashtiruvchilar tadqiqot dizayni, ma’lumot yig‘ish, tahlil, talqin, yozish yoki nashr qarorida rol o‘ynamaganini ma’lum qilgan.

Muallif hissalari: Konseptualizatsiya Alireza Keramati, Alireza Mohammadi, Denny Oetomo va Peter Choong; metodologiya Alireza Keramati, Alireza Mohammadi va Denny Oetomo; dasturiy ta’minot Alireza Keramati; tasdiqlash Alireza Keramati; formal tahlil Alireza Keramati va Ying Tan; tadqiqot va ma’lumotlarni tartiblash Alireza Keramati; resurslar Alireza Mohammadi va Denny Oetomo; dastlabki matn Alireza Keramati; ko‘rib chiqish/tahrir Alireza Keramati, Alireza Mohammadi va Denny Oetomo; nazorat Alireza Mohammadi, Denny Oetomo, Ying Tan va Peter Choong tomonidan bajarilgan.

Modelni tekshirish chegarasi: Buklama qattiqliklari tajribaviy elastik kuch–siljish ma’lumotlaridan iterativ tarzda aniqlangan va yakuniy parametrlar to‘plami butun egri chiziq bilan eng yaxshi moslikni beradigan qilib tanlangan. Shu sababli 0,14 N RMSE haqiqiy tajribaviy taqqoslashga asoslangan bo‘lsa-da, mustaqil hold-out ma’lumotlar to‘plamidagi ko‘r tekshiruv sifatida baholanmasligi kerak.

Model umumlashtiriluvchanligi chegarasi: Manbaning natijalar bo‘limida buklama qattiqligi konstantalari universal emasligi aniq aytilgan. Geometriya yoki ishlab chiqarish sharoiti o‘zgarganda tegishli Bi-OSPA uchun yangi tajribaviy qattiqlik kalibratsiyasi talab qilinadi.

Kvazi-statik model chegarasi: Analitik model vaqtga bog‘liq ta’sirlar, o‘tkinchi aktuatsiya javobi va energiya yo‘qotishlarini qamrab olmaydi. Yuqori tezlikli/dinamik xatti-harakat uchun mavjud model bevosita yetarli ekanligi ko‘rsatilmagan.

Tenglama nomuvofiqligi izohi: Manbada (5)-tenglama \(W_{out}=P(V-V_0)-U\) ko‘rinishida va undan oldin \(F_e=\partial U/\partial h\) ta’riflangan. (7)-tenglama esa \(F_{out}=\partial W_{out}/\partial h-F_e=P\partial V/\partial h-F_e\) shaklida yozilgan. (5)-tenglamaning bevosita hosilasi elastik energiya hosilasini allaqachon o‘z ichiga olgani sababli, (7)-tenglamaning birinchi va oxirgi tengliklari bir xil ta’riflar ostida algebraik jihatdan mos ko‘rinmaydi. Manba ifodasi o‘zgartirilmagan.

Geometrik amal qilish chegarasi: \(\alpha_0=55^\circ\) va katta \(r_0\) kabi ayrim dizaynlarda yuqori vakuum darajalari mahalliy buckling hosil qilgan va chiziqli burama prujina/rigid-foldable farazi o‘z kuchini yo‘qotgan. Shuningdek, \(\phi_0=30^\circ\) kritik geometrik sohada harakat yo‘nalishi tajribada oldindan aytib bo‘lmaydigan holga kelgan.

Chidamlilik chegarasi: 1000 sikllik sinov faqat bitta aktuatorga +60 kPa musbat bosim ostida qo‘llangan. Natija uzoq muddatli foydalanish umrini, vakuum sikli chidamliligini yoki seriyali ishlab chiqarish ishonchliligini isbotlamaydi.

Ishlab chiqarish chegarasi: Bir xil geometriyali uchta FDM bosma namuna orasida o‘lchanadigan uzayish va ayniqsa qisqarish farqlari kuzatilgan. Mualliflar ishlab chiqarish aniqligi, germetiklik va o‘lcham takrorlanuvchanligini yaxshilashni kelajakdagi ish sifatida ko‘rsatadi.

Boshqaruv chegarasi: Bosim–deformatsiya munosabati o‘zi aniq ochiq kontur pozitsiya boshqaruvi uchun yetarli deb hisoblanmaydi. Mualliflar real qo‘llanma uchun pozitsiya sensori va qayta aloqali yopiq kontur boshqaruvini tavsiya qiladi; bunday boshqaruv hozirgi tadqiqotda amalga oshirilmagan.

Qo‘llanma chegarasi: Kresling bilan sof burilish va 1-DoF robot barmog‘i tajribalari jismoniy funksiya namoyishlaridir. Ular klinik samaradorlik, inson xavfsizligi yoki sanoat mahsuloti tasdig‘i emas.

Ushbu Verianla mazmunidagi ilmiy usul, tenglamalar, tajriba sharoitlari, raqamli natijalar va cheklovlar faqat ko‘rib chiqilgan tadqiqotga asoslanadi. Tashqi manba faqat maqolaning rasmiy nashr identifikatsiyasini tasdiqlash uchun ishlatilgan.