In this paper, a hybrid model for single-crystal Shape Memory Alloy (SMA) wire actuators is presented. The result is based on a mathematical reformulation of the M\"uller-Achenbach-Seelecke (MAS) model, which provides an accurate and interconnection-oriented description of the SMA hysteretic response. The strong nonlinearity and high numerical stiffness of the MAS model, however, hinder its practical use for simulation and control of complex SMA-driven systems. The main idea behind the hybrid reformulation is based on dividing the mechanical hysteresis of the SMA into five operating modes, each one representing a different physical state of the material. By properly deriving the switching conditions among those modes in a physically-consistent way, the MAS model is effectively reformulated within a hybrid dynamical setting. The main advantage of the hybrid reformulation is the possibility of describing the material dynamics with a simplified set of state equations while maintaining all benefits of the physics-based description offered by the MAS model After describing the novel approach, simulation studies are conducted on a flexible robotic module actuated by protagonist-antagonist SMA wires. Through comparative numerical analysis, it is shown how the hybrid model provides the same accuracy as the MAS model while saving up to 80% of the simulation time. Moreover, the new modeling framework opens up the possibility of addressing SMA control from a hybrid systems perspective.


翻译:本文介绍了单一晶晶形形状内存合体(SMA)导电器的混合模型,其结果基于M\"uller-Achenbach-Selecke(MAS)模型的数学重新配制,该模型提供了对SMA静态反应的准确和互连性描述。但是,MAS模型的强固非线性和高数字僵硬性阻碍了其用于模拟和控制复杂的SMA驱动系统的实际应用。混合重整的主要理念是基于将SMA机械歇歇斯底里分解为5种操作模式,每个模式代表材料的不同物理状态。通过以物理一致的方式正确推导出这些模式之间的转换条件,MAS模型在混合动态环境下有效地重新组合。混合重整的主要优点是有可能用简化的一套州方程式描述物质动态,同时保持MAS模型所提供的物理描述的所有好处。在描述新办法之后,对一个灵活的机器人混合型模型模块进行了模拟研究,每个模型代表材料的不同物理状态状态状态状态。通过对40个模型的模拟模型进行模拟研究,而SMAMA的模拟模型又提供了80个数字级的精确性分析。

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