SMA pohony pre roboty

Jednou zo štúdii, ktorou sa zaoberal Ing. Peter Drahoš, PhD. na KAR STU bol systém pohonov pre roboty pomocou zliatin s tvarovou pamäťou (SMA – shape memory alloys). Tieto materiály sú schopné premeniť tepelnú energiu na mechanickú prácu prostredníctvom „vnútorných molekulárnych síl“ – zmenou vnútornej kryštálovej mriežky. Tieto zliatiny predstavujú tzv. inteligentné materiály, ktoré sú využiteľné v automatickom riadení prevažne vo forme pohonov (aktuátor).

SMA:
Zliatiny s tvarovou pamäťou majú schopnosť „zapamätať“ si určité, aj komplikované tvary a tieto striedavo zaujímať vždy pri ohreve alebo pri ochladení (na základe zmeny teploty) a konať tak pri tom mechanickú prácu, no vždy len v jednom smere. Využíva sa pri tom tzv. jednocestný a dvojcestný pamäťový efekt intermetalických zlúčenín ako sú napr. : NiTi, CuZnAl, CuAlNi a ďalšie. Najznámejšou a do dnes najpoužívanejšou SM zliatinou, ktorá bola vyvinutá v roku 1962 v USA je Nitinol (nikel 55 % a titan 45 %).

Využitie v robotike:
SMA sa využíva v robotických pohonoch, v ktorých je možné určiť polohu riadením teploty. Pohyby je možné riadiť elektrickým ohrevom. Boli vyvinuté mikromanipulátory, pri použití NiTi drôtov o priemeru 0,2 mm a vratnej pružiny. Týmto bolo možné dokázať, že SMA manipulátory sú veľmi účinné pre mikrorobot. Najlepšie využitie SMA nájde v oblasti mikrorobotov, mikromanipulátorov, chápadiel, umelých prstov a iných.


Pohony SMA:
Prevedenie pohonov SMA môže byť veľmi rozmanitá. Medzi základné typy patri: drôt, tyč, pásik, pružina a všeobecný tvar. Použitie SMA drôtu vo funkcii pohonu je znázornená na nasledovnom obrázku.

Prvý zo znázornených pohonov využíva vratnú bias pružinu alebo iný pružný materiál. V druhom prípade sú SMA drôty (wire) zapojené s diferenciálnym silovým (momentovým) účinkom. Konštrukcia z obr. hore (b) je náročnejšia na riadenie, ale lepšie využíva silové a výkonové možnosti SMA drôtu. Z hľadiska návrhu SMA pohonu pre robot sú rozhodujúce vlastnosti ako: veľkosť a opakovateľnosť vratnej deformácie (predĺženie), teplotný rozsah SM javu, veľkosť sily, dovolené zaťaženie, dosiahnuteľný počet pracovných cyklov (nad 10 000), veľkosť časovej odozvy a spôsob chladenia. V oblasti pohonov do 100g majú vynikajúci pomer výkonu ku hmotnosti, čo je rozhodujúce pri konštrukcii robotov.

Pre lepšiu predstavu použitia SMA pohonov v robotike, uvádzam ako príklad plne funkčný model ROBOT HAND (na obrázku), ktorý bol vytvorený na SjF SVŠT.

Zhrnutie:
Vo všeobecnosti možno povedať, že SMA pohony dokážu pôsobiť veľkou silou na relatívne malej dráhe. Tvarová prispôsobivosť umožňuje konštruovať pohony šité na mieru, ktoré bez mechanických prevodov majú výborný pomer výkonu ku hmotnosti. Sú veľmi spoľahlivé a odolné voči náročným prostrediam – NiTi má antikorozívne vlastnosti. Vynikajú v oblasti do 100g a sú konštrukčne jednoduché.