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形狀記憶觸覺(jué)信息系統(tǒng)在汽車中的應(yīng)用
形狀記憶合金（SMA）可以作為無(wú)噪音和輕量化的小型驅(qū)動(dòng)器在極小空間中運(yùn)行。盡管尺寸很小，但這些驅(qū)動(dòng)器的功率密度是所有已知驅(qū)動(dòng)器中最高的。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以幫助人們更安全地操作機(jī)器和設(shè)備。將事故風(fēng)險(xiǎn)降至最低。
“有記憶的金屬” 體積小功率密度極高，具有光明的應(yīng)用前景。PMX 放大系統(tǒng)作為中央測(cè)控單元，滿足了 ZAF 試驗(yàn)臺(tái)的各項(xiàng)要求。
通過(guò)使用 PMX，ZAF能夠有效地進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，從而為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)，未來(lái)將被轉(zhuǎn)移到機(jī)械安全、汽車技術(shù)和服裝工業(yè)等工業(yè)部門。
如果形狀記憶元件在馬氏體狀態(tài)下發(fā)生機(jī)械變形，如超過(guò)臨界應(yīng)力，會(huì)以穩(wěn)定的狀態(tài)出現(xiàn)高延伸率（高達(dá)約8%）。如果隨后溫度升高，由馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體狀態(tài)時(shí)，則會(huì)發(fā)生形狀記憶元件的重塑。這個(gè)過(guò)程是遲滯和可逆的 [1]。如圖1所示，通過(guò)電加熱，形狀記憶線可以在狀態(tài)1和2之間來(lái)回切換。在材料轉(zhuǎn)換過(guò)程中，可以檢測(cè)到電阻的顯著變化。
FG線驅(qū)動(dòng)器通常由鎳鈦合金組成，在連續(xù)操作中可產(chǎn)生400兆帕的最大拉應(yīng)力，一次性操作時(shí)可產(chǎn)生800兆帕的最大拉應(yīng)力[2]。例如，一根1g自重的FG電線可以移動(dòng)5000g的負(fù)載。
由于上述特性，通過(guò)形狀記憶效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)非常輕巧和緊湊的觸覺(jué)元件。
圖2 展示了弓形FG驅(qū)動(dòng)器。鉸鏈?zhǔn)?FG 線兩端通過(guò)機(jī)械裝置夾緊，中間部分與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接。這個(gè)執(zhí)行器可以用來(lái)向人類傳遞觸覺(jué)刺激。
力觸覺(jué)功能梯度制動(dòng)器的特點(diǎn)是其定位特性。在這里，準(zhǔn)靜態(tài)刺激可以被傳遞，這可以通過(guò)觸覺(jué)受體進(jìn)行區(qū)分，在強(qiáng)度方面比振動(dòng)執(zhí)行器更好。
圖3 顯示了用于汽車的觸覺(jué)信息反饋系統(tǒng)。車輛通過(guò)傳感器檢測(cè)環(huán)境條件，例如行駛時(shí)與其他車輛的距離、停車時(shí)的障礙物或檢測(cè)附近的危險(xiǎn)等。例如，該信號(hào)可由超聲波傳感器檢測(cè)并轉(zhuǎn)發(fā)給控制單元。
現(xiàn)在，觸覺(jué)刺激信息可通過(guò)各種皮膚受體傳遞給駕駛員。如[4]所示，可通過(guò)方向盤上的模擬觸覺(jué)元件傳輸與前方車輛的距離信息，或在座椅中產(chǎn)生位置相關(guān)的刺激 - 例如在腰部使用相關(guān)執(zhí)行器。
刺激感知的一個(gè)特別有趣的點(diǎn)也是腳部區(qū)域。將執(zhí)行器集成到鞋子中來(lái)實(shí)現(xiàn)。在足弓區(qū)域，可以使用 FG執(zhí)行器可以產(chǎn)生2 mm的最大行程。也就是說(shuō)執(zhí)行器克服了鞋底1.2毫米的元素，并產(chǎn)生了5 N的最大刺激，行程為0.8毫米。然后通過(guò)無(wú)線信息傳輸與控制單元建立連接。
為了評(píng)估這一概念，需要將 FG 執(zhí)行器安裝在鞋內(nèi)后足弓區(qū)域，并且觸覺(jué)銷需穿透鞋底，以確保能到達(dá)鞋內(nèi)足弓區(qū)。
測(cè)試由帶有控制和Codesys編程功能的 PMX 通用測(cè)量放大器進(jìn)行。FG 驅(qū)動(dòng)器行程以及觸覺(jué)信號(hào)的刺激強(qiáng)度由電位傳感器檢測(cè)并發(fā)送到測(cè)量放大器。FG執(zhí)行器的觸發(fā)是事件控制的，根據(jù)伺服電機(jī)對(duì)鞋子的負(fù)載激勵(lì)，可以測(cè)量FG執(zhí)行器的行程。
在周期循環(huán)開(kāi)始時(shí)，控制器發(fā)出關(guān)閉繼電器的信號(hào)，關(guān)閉電源和被測(cè)執(zhí)行器之間的電路，F(xiàn)G導(dǎo)線縮短，原理如圖2所示。實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。
PMX 測(cè)量放大器為測(cè)試臺(tái)提供了一種量身定制的解決方案。其靈活的設(shè)計(jì)允許使用多種傳感器進(jìn)行精確測(cè)量，并可通過(guò)數(shù)字輸入和輸出以及 CODESYS 軟PLC控制整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)。所有測(cè)量值均以20kHz采樣，并可通過(guò)以太網(wǎng)接口在 HBM CATMAN 軟件上進(jìn)行可視化和存儲(chǔ)。
在接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，還模擬了鞋內(nèi)的壓力負(fù)荷，類似于步行時(shí)的壓力負(fù)荷。兩個(gè)伺服電機(jī)被用來(lái)在鞋底產(chǎn)生壓力。圖6顯示了相關(guān)的動(dòng)態(tài)測(cè)量過(guò)程（隨時(shí)間變化）。
制動(dòng)加載，F(xiàn)G 執(zhí)行器上的負(fù)載也會(huì)改變。如果行程達(dá)到零位，則關(guān)閉FG導(dǎo)線的電流并打開(kāi)負(fù)載。如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍處于奧氏體狀態(tài)，它會(huì)被機(jī)械力拉長(zhǎng)，或經(jīng)歷假?gòu)椥詰?yīng)變。關(guān)閉反作用力后，F(xiàn)G執(zhí)行器現(xiàn)在跳回到擴(kuò)展位置，這取決于其轉(zhuǎn)換溫度。用戶可以注意到的，脈沖時(shí)間只有4秒。
“這里列出的基本調(diào)研是‘基于形狀記憶因素的適宜觸覺(jué)反饋元件’項(xiàng)目的一部分（由 BMBF 科學(xué)項(xiàng)目資助）。由于PMX測(cè)量系統(tǒng)精確且易于編程，能夠在短時(shí)間內(nèi)完成測(cè)試。PMX作為測(cè)試的控制系統(tǒng)同時(shí)，并可作為數(shù)據(jù)采集（DAQ）用于以后的測(cè)試評(píng)估。
“機(jī)械設(shè)計(jì)和測(cè)試是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)，在進(jìn)一步的研究過(guò)程中，這些技術(shù)將轉(zhuǎn)移到機(jī)器安全、汽車技術(shù)和服裝工業(yè)。”Alexander Czechowicz 博士在項(xiàng)目介紹會(huì)上如此評(píng)論。
ZAF 是應(yīng)用形狀記憶技術(shù)中心簡(jiǎn)稱，是工具和材料.研究基金會(huì)成員，主要面向工具和刀具行業(yè)、固態(tài)成形、汽車、精密機(jī)械、機(jī)床和閥門技術(shù)等工業(yè)進(jìn)行研究和項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。這是位于伍珀塔爾的伯吉斯大學(xué)的一個(gè)研究所。
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