Modelling, design and testing of a multi-antagonistic and hysteretic mechanism driven by shape memory alloy wires
Modélisation, conception et expérimentations d’un mécanisme multi-antagoniste et hystérétique actionné par des fils en alliage à mémoire de forme
Résumé
This thesis manuscript describes the modeling, design and experimentation of a plane-parallel prestressed mechanism whose actuators are shape memory alloy (SMA) components working in an antagonistic way. The integration of this type of active materials in robotic systems is becoming more and more important due to their remarkable properties for metals: superelasticity, high damping capacities, as well as different shape memory effects depending on the applied thermomechanical conditions. The so-called "one-way" shape memory effect is particularly interesting from an application point of view for the creation of new generation actuators. Linear and rotary SMA-based actuators are widely developed in the literature. However, several obstacles hinder the development of such systems: difficulty in coupling thermal/electrical insulation and mechanical fixity; complexity in modeling the behavior due to a nonlinear and hysteretic response; strong thermomechanical couplings; need for restoring forces to create a two-way actuation. This last point is even more complex to manage in the presence of several SMA components working in parallel in a mechanism: the multi-antagonistic character of the actuation, coupled with a non-linear hysteretic response of each SMA, is the main focus of this scientific research. In practice, a finite element model of a plane parallel prestressed mechanism with three degrees of freedom and driven by six SMA wires has been developed. These wires are binary actuated independently in the first approach, but they all interact together, making the prediction of the actuation complex. Different cases of study have been treated: discrete workspace, configurations to be avoided, variable stiffness, attraction and hysteresis effects acting on the workspace. A physical demonstrator was also designed and tested. A key point was the thermomechanical "preparation" of the SMA wires before their use, as well as the implementation of a specific procedure for anchoring the wires in the mechanism thanks to a judicious choice of the phase transformation temperatures of the selected nickel-titanium alloy. The experimental results showed the efficiency of the system implementation, and the good qualitative agreement of the measurements with the simulations makes it possible to control the system. The study brings elements of understanding of the complex phenomena involved, which allows to consider the design of innovative actuators with new architectures of arrangement of the SMA components.
Ce manuscrit de thèse décrit la modélisation, conception et expérimentation d’un mécanisme précontraint parallèle plan dont les actionneurs sont des composants en alliage à mémoire de forme (AMF) travaillant de manière antagoniste. L'intégration de ce type de matériaux actifs dans des systèmes robotiques prend de plus en plus d'ampleur du fait de leurs propriétés remarquables pour des métaux : superélasticité, grandes capacités d’amortissement, ainsi que différents effets de mémoire de forme dépendant des conditions thermomécaniques appliquées. L’effet mémoire de forme dit « simple-sens » est particulièrement intéressant d’un point de vue applicatif pour la création d’actionneurs de nouvelle génération. Les actionneurs linéaires et rotatifs à base d’AMF sont largement développés dans la littérature. Plusieurs verrous freinent toutefois le développement de tels systèmes : difficulté à coupler isolation thermique/électrique et fixité mécanique ; complexité à modéliser le comportement du fait d’une réponse non-linéaire et hystérétique ; couplages thermomécaniques forts ; nécessité de forces de rappel pour créer un actionnement à double-sens. Ce dernier point est d’autant plus complexe à gérer en présence de nombreux composants AMF travaillant en parallèle dans un mécanisme : le caractère multi-antagoniste de l’actionnement, couplé à une réponse non-linéaire hystérétique de chaque AMF, est le verrou scientifique sur lequel ce travail de recherche s’est focalisé. En pratique, un modèle par éléments finis a été développé sur un mécanisme précontraint parallèle plan à trois degrés de liberté et piloté par six fils AMF. Ceux-ci sont actionnés indépendamment de manière binaire en première approche, mais interagissent tous ensemble, rendant complexe la prédiction de l’actionnement. Différents cas d’étude ont été traités : espace de travail discret, configurations à éviter, rigidité variable, effet d’attraction et d’hystérésis agissant sur l’espace de travail. Un démonstrateur physique a également été conçu et testé. Un point clé a été la « préparation » thermomécanique des fils AMF avant leur utilisation, ainsi que la mise en place d’une procédure spécifique d’ancrage des fils dans le mécanisme grâce à un choix judicieux des températures de transformation de phase de l’alliage nickel-titane sélectionné. Les résultats expérimentaux ont montré l’efficacité de mise en œuvre du système, et le bon accord qualitatif des mesures par rapport aux simulations rend envisageable une commande du système. L’étude apporte des éléments de compréhension des phénomènes complexes impliqués, ce qui permet d’envisager la conception d’actionneurs innovants avec de nouvelles architectures d’arrangement des composants AMF.
Domaines
Génie mécanique [physics.class-ph]| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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