低弹簧指数镍钛卷板执行器用于可驱动的压缩服装外文翻译资料

英语原文共 14 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

低弹簧指数镍钛卷板执行器用于可驱动的压缩服装

摘要：本文介绍了用于可穿戴压缩服装的低弹性指数镍钛（NiTi）线圈致动器的建模，开发和测试，并介绍了使用这些致动器的原型止血带系统。 NiTi线圈致动器产生非常适合压缩服装设计的大力（gt; 1N）和大的可恢复位移（gt; 100％长度）。提出了描述作为非条件化线圈几何形状，拉伸应变和施加电压的函数的温度和力的热机械线圈模型。这些模型表明低弹簧指数线圈最大化激活力，并提出一个分析模型来预测基于执行器架构的服装反压力。制造，退火和测试几个低弹簧指数（C = 3.08）线圈以评估它们的纺丝和活化特性。结果表明退火和应用压力影响活动阈值。致动器力随着拉伸应力和施加的电压增加到7.24N。使用具有施加压力的直接电压控制的集成致动器的第一代压迫止血带系统，表明在致动期间施加的压力增加gt; 70％。这种方法使得新的，动态的服装具有可控的活动和低努力穿戴和落纱，从医疗解决方案到先进的太空服设计的应用。

关键词： 活性材料，可控压缩花纹设计，镍钛（NiTi）螺旋弹簧，形状记忆合金（SMA）致动器，智能纺织品。

I.引言

OMPRESSION服装在我们的日常生活中提供许多功能。 定期使用压力袜来帮助患有静脉功能不全或淋巴水肿的患者^[1]，[2]; 运动员专门设计压缩短裤，以提高运动性能和增加舒适度的锻炼^[3]; 压力服装治疗已被用于支持烧伤受害者恢复超过50年^[4]; 和化妆品成型压缩服装最近在那些寻求更流畅的身材的人中广受欢迎。 压缩服装也可以在极端环境下使用。 美国军队使用压缩服装作为紧急战场医疗^[5]; NASA及其合作伙伴大学几十年来一直在研究压缩技术，以此作为对策航天器后空间飞行立体不容忍^[6]，并用于轻型，全身，高机动性压缩套装，称为机械反压力（MCP）套装，用于未来的行星探测^{[7] - [11]}。

压缩服装通常采用紧密配合的弹性材料的形式（在^{[1] - [4]，[7] - [11]}的情况下）或作为可充气囊系统^[2]。这两种设计都有独特的优点和缺点。充气系统是可调节的（即，可以通过调节充气特性来控制反压力的大小和位置），但是它们需要庞大的管道，易于泄漏，成本非常高，并且需要接近高压气体源功能^[2]，[6]。弹性系统是形状配合，轻质和流线型的，但在设计上通常是静态的（即，在给定物体上产生的压力量是不变的，并且是材料性质和衣服相对的形状/尺寸的直接函数对穿着者），不提供可控制性，并且可能难以下 ^{[7] - [11]}。在用于空间探索的MCP套装的特定情况下，两种设计都不能满足，因为充气衣服的蓬松性和移动性限制是禁止的，并且弹性衣服的静态性质与提供足够的生命支持所需的高材料张力结合使得穿戴^{[7] - [10]}。

在本文中，我们调查活性材料在压缩服装设计中的使用，以改善日常使用和极端环境情况的功能。活性材料是对所施加的刺激反应的一类材料，导致产生可控制的力和位移的尺寸变化^[12]。这些材料中的许多通常被称为人造肌肉用于机器人致动系统中，因为它们的行为被设计为模仿人类肌肉^[12]。通过将这种形状变化材料结合到可穿戴服装中，我们寻求开发能够根据命令改变形状的服装，提供可充气压缩服装的可控性和易于穿戴/脱下，具有被动弹性服装的轻质 。

存在许多不同类型的活性材料，包括（但不限于）形状记忆合金（SMA），形状记忆聚合物（SMP），介电弹性体致动器（DEA），压电体，离子聚合物金属复合材料（IPMC）并且甚至扩大到包括用于钓鱼线和缝纫线的那些廉价的聚合物纤维^{[12] - [14]}。每种材料表现出不同的特性，形状因子和刺激机制（热，电，磁等）。用于集成到可穿戴压缩服装中的理想活性材料候选物将满足以下标准：

1）可以可重复地产生大的力，并且当受到刺激时具有产生大位移的能力;

2）可以容易地包装或整合到纺织结构中，并且不会显着增加体积或质量;

3）可以以可行和安全的方式刺激穿戴者。

鉴于这些要求，许多可用的活性材料候选物目前不适合于该任务（例如，碳纳米管表现出lt;1％的活性应变，用于产生压缩的不切实际的小活化冲程，以及铁电聚合物需要大体积的磁铁）。 DEA，SMP和SMA在理论上都满足最小主动应力要求，以实现MCP设计规范（29.6 kPa），至少具有单位数有效应变和形状因子适用于可穿戴系统^{[9]，[10]，[12 ]，[15]，[16]}。对这些材料的初步研究表明，在其目前的技术状态下，DEA和SMP受到显着的性能限制：DEA显示出具有非常有限的耐久性，同时需要高的（即gt; 1kV）激活电压^{[17] 18]}; SMPs显示是不足的，因为他们体验显着的粘弹性和不可恢复的应变效应[19]。因此，在本文中，我们调查SMA作为可控压缩服装架构中执行器的首选。我们描述了SMA镍钛（NiTi）执行器的建模，开发，测试和原型集成，特别针对压缩服装应用定制。所描述的致动器被设计成具有基于现代SMA线圈设计标准的特定线圈几何形状，并且被定制成满足高强度，大行程压缩服装的规格，例如MCP航天服的规格。我们证明这些致动器被集成到提供与被动弹性材料组合的可控压缩的架构中的能力。

这项研究工作的贡献包括：

1）一种新颖的SMA线圈致动器设计，包括力和热建模方法，用于设计用于可穿戴服装的高力，大位移线性致动器以及先进的航天服设计;

2）用于基于致动器参数和架构预测反压力的无量纲化模型，以及使用这些线圈致动器的线性致动系统的可控性和可扩展性的评估;

3）一个集成的，可控的主动止血带压缩原型的演示，讨论了扩展的设计选项，用于各种可控制的压力服装架构。

本文分为以下几个部分：在第二部分中，我们描述了NiTi线圈致动器的力的状态和热模型，给出了一个无量纲化的分析模型，用于预测各种设计参数下的服装反压力，并讨论这些模型通知适合于压缩纺织品的致动器的设计;在第三部分中，我们详细描述了用于生产低弹簧指数线圈致动器试样的制造和退火技术;在第四部分中，我们描述了NiTi致动器的实验表征与模型预测的比较;在第五节中，我们提出了一个集成的，可控的设计主动止血带系统利用我们的嵌入式执行器技术，并描述其性能;并且第六部分基于这项研究工作的结果，讨论了主动压缩服装设计。

II. NiTi线圈致动器的理论与建模

SMA表现出由于固态无扩散相变的热诱导形状恢复能力^[12]，[20]。随着SMA被加热，它们从低温，面心 - 中心的四方晶格马氏体相转变为高温，体心立方晶格奥氏体相。在没有外部应力的情况下，该相变形驱动可重复的宏观形状变化，并且记忆形状和激活温度阈值可以针对定制应用定制（通过在固定为期望形状的同时退火合金，或通过修改合金混合物）^[20]。

几种合金表现出这种类型的记忆特性，尽管NiTi是研究最广泛的，并且在商业上用于各种应用^[12]，[20]。 NiTi存储元件已经用于（其他）：支架^[21];导管^[22];机器人和仿生系统的执行器^{[23] - [27]};变形飞机结构^[20];骨科植入物^[20];结构健康监测系统^[28];机器人泵^[29];甚至作为服装中的集成元素^[30]。 SMA提供高阻塞应力（200MPa），高比功率（gt; 100kW / kg），并且可以通过施加的电流使用焦耳加热来致动^[12]。 NiTi和其他SMA执行器的缺点包括低效率，慢响应时间（因为它们依赖于用于致动和冷却的热传递），在热动态环境中的精确控制的困难，以及中等程度的小（即，通常1-8 ％）活性菌株^[12]。

为了解决由SMA显示的小的有源应变的问题，设计者经常训练NiTi线作为线圈致动器，使得激活导致线圈结构的膨胀或收缩^{[31] - [36]}。典型的SMA线圈致动循环的描述包括在图1中。首先，将原始NiTi线卷绕成线圈构造，并在高温下退火以设定奥氏体存储状态。一旦线圈冷却（通过水淬或自由对流冷却），它就转变成孪晶马氏体状态。这表示可重复的三步激活周期的开始状态。首先，外力使线圈变形和延伸，导致晶体结构的逐渐变细。接下来，将线圈加热到高于奥氏体开始和停止温度，导致当奥氏体相变发生时收缩。最后，线圈冷却，重新进入孪晶马氏体相，允许循环重复。这可以使用图6在应力，应变和温度方面理解在图2中。

NiTi线圈可以实现比典型的轴向对准的SMA线的位移大约数量级（gt; 100％）的位移^[25]，[35]。高力量，大位移，简单的激活机制，低质量，紧凑形状因子和纤维状纵横比的组合使得NiTi SMA线圈结构非常适合包括在主动压缩织物中。

图1 SMA线圈致动器形状设置步骤和激活周期。 一旦线圈被卷绕和退火，其遵循三步激活循环：形状设定孪生马氏体致动器受到外力，引起马氏体转变; 致动器被加热，并且发生奥氏体相变，导致活化; 随后的冷却引起马氏体相变，结束于原始的孪晶状态。

A. NiTi线圈的几何形状和力建模

NiTi压缩线圈由几个几何参数定义，如图1所示。

NiTi线直径d;弹簧直径D，由内外径之间的中点测量;有效线圈数n;实心弹簧长度Ls，定义为完全包装的弹簧的长度;自由弹簧长度L0，定义为弹簧的零载荷长度（对于我们的目的，SMA致动器在无负载下完全致动时的长度）;弹簧间距p，定义为距离相邻线圈之间;弹簧俯仰角alpha;，定义为给定线圈​​和局部水平线之间的角;初始和

最终延伸弹簧长度L 1和Lf，在这种情况下定义为

在激活之前和之后的总延长弹簧长度（下无负载，Lf L0）;初始和最终线性位移delta;idelta;f，定义为初始和最终延伸之间的差弹簧长度和自由弹簧长度;和弹簧指数C作为弹簧直径与线直径的比率。

由具有给定组的NiTi线圈产生的力F.

几何参数和已知的剪切模量G.

胡克定律，可以简化形式表示如下^{[25]，[31]，[32]}：

将（2）代入（1），

应用弹簧的定义指数C，激活力关系变为

最近的研究提出了对（3）至更多的修改准确捕获线圈几何体的变化随着位移增加。科学家提出了一种双态NiTi线圈模型修改从常规力位移模型，其中GM和GA（马氏体和奥氏体剪切模用于描述纯粹的系统响应马氏体或奥氏体相，需要额外考虑）

图 2

为了在大位移期间减小弹簧直径，以及对于弯矩和弯矩效应^[31]。Seok等人的增强模型解释了自由长度的变化弹簧由于相变^[25]。

图（3）中描述的基本模型足以分析线圈参数和致动器性能之间的关系。我们寻求在设计线圈时最大化每个致动器的力用于压缩服装系统中，

产生的活动压力的大小（其为环向应力产生），同时最小化活动的数量元素，图（3）提供了对最佳致动器的几个设计。首先，因为n，L0和delta;是物理连接的，

我们可以通过定义两个无量纲化来修改（3）参数：填充密度eta;和致动器拉伸应变。我们定义填充密度eta;为数的比率，有效线圈n包含在自由弹簧长度L0中物理限制。这也可以定义为的比率实心弹簧长度与自由弹簧长度（或实心弹簧节距（简单地为d）与自由弹簧节距的比率）

图3

第二，我们定义致动器拉伸应变作为弹簧位移delta;与自由弹簧长度L0的比率（注意，在本文中，延伸应变捕获总致动器的线性距离的变化，而不是组成NiTi的轴向变形 金属本身，这是术语应变的典型用法）

如图3所示，当L0 = Ls（因此p = d）时，对于给定的L0，eta;le;1，eta;= 1。 重要的是要注意，当致动器在无负载下完全致动时，先前定义为致动器的长度的量L0在致动器的寿命期间随着设置的疲劳效应而改变（即，循环将导致致动长度蠕变 当与退火时的自由长度相比时）; 因为eta;和依赖于L 0，这些值也随时间蠕变，并且必须注意在执行特定计算之前确保电流L 0是已知的。 通过将（4）和（5）代入（3），我们可以定义给定致动器的力线输出，根据线圈密度和拉伸应变（都是无因次项），而不是delta; 和n。 这对于设计目的是有用的，并且导致了一下的一些结果。

方程式（6）纯粹是根据线圈包装密度，拉伸应变，弹簧指数和线径，而不是由有效线圈和位移的具体值来定义的。我们看到，对于给定的拉伸应变，当eta;最小化时，每个致动器的力被最大化，并且该力增加。这些关系提出了在执行之前使用短致动器延伸到其拉伸应变极限（即，在图2中至少到达点2）的设计。根据（6），这样的设计将对于期望的初始拉伸应变产生每个致动器的最大力

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[137283]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word