Estimating displacement and force of SMA Coil Spring by measuring inductance and resistance

Abstract

SMA coil spring has been frequently used as an actuator in micro/miniature mechanisms taking advantage of high force/weight ratio and mechanical simplicity. However, SMA coil spring has been used as on/off control device in many applications. This lowers performance of mechanism using SMA coil spring. Although many researchers have been developed SMA controller for twenty years, many of them are large and complex to implement in micro/miniature mechanisms. To reduce size and complexity of SMA controller, we proposed a new method estimating displacement and force - most important output in actuator - without sensor. Experimental results show that displacement and force are estimated with reasonable accuracy. These results are accomplished by adding two small (less than 3mm) electric components to controller. With proposed method, one can build displacement and force controller of SMA coil spring without sensor.

형상기억합금(SMA) 코일 스프링은 큰 힘/무게 비를 가지고 있고 간단하게 사용할 수 있다는 장점 때문에 많은 중소형 기계 장치에서 액추에이터로 쓰이고 있다. 하지만 대부분의 응용에서 SMA 코일 스프링을 on/off 제어로만 사용을 하고 있기 때문에 SMA 코일 스프링을 사용한 기계 장치의 성능이 떨어지는 문제가 발생하고 있다. 비록 많은 연구자들이 지난 20~30년간 SMA에 대한 제어기를 개발했지만 대부분의 경우 SMA보다 더 크고 무거운 센서를 필요로 하기 때문에 중소형 기계장치에서 간단하게 사용할 수 있다는 SMA의 장점을 상쇄시켜버리는 문제가 있다. 이 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 SMA 코일 스프링의 변위와 힘을 추정하는 새로운 방법을 제안했다. 코일 스프링의 인덕턴스가 기하학적인 모양에만 관계가 있다는 점을 이용해서 변위를 추정하고 저항이 코일스프링의 강성과 관계가 있다는 점을 이용해서 힘을 추정 한 것이다. 실험을 해본 결과 SMA 코일 스프링의 변위와 힘을 좋은 정확도로 추정할 수 있었다. SMA 제어기에 3mm도 안 되는 작은 소자를 추가 함으로써 결과를 쉽게 얻어냈다. 이 결과를 이용하면 SMA 코일 스프링 액추에이터 제어기를 센서 없이 간단하게 개발 할 수 있을 것이다