[論文レビュー] Compliant Pressure Actuated Cellular Structures

Markus Pagitz|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2014

Advanced Materials and Mechanics参考文献 14被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、コンプライアント圧力駆動セル構造を任意の行数に拡張し、セルのコーナーに有限の曲げ剛性を組み込むことで、複数の一次元形状関数の間を変形可能なアクチュエータの設計を可能にした。計算フレームワークは、このような構造のシミュレーションと最適化をサポートし、従来のヒンジベースのモデルに比べて設計の柔軟性と現実性が著しく向上する。

ABSTRACT

A novel concept for pressure actuated cellular structures that allows the design of actuators capable of altering their shape between any two given one-dimensional functions was published by Pagitz et al 2012 Bioinspir. Biomim. 7. However, the underlying computational framework is limited to two rows of cells and assumes perfect hinges at cell corners. This article extends the previous work to cellular structures with an arbitrary number of cell rows and thus allows the design of actuators that can change their shape between more than two given functions. Furthermore, a finite bending stiffness of cell sides at cell corners is considered to enable the simulation and optimization of compliant cellular structures. Several examples are presented to demonstrate the performance of the proposed algorithm.

研究の動機と目的

• 従来の研究の制限を克服すること。具体的には、セルが2行に限定されており、セルのコーナーに完全なヒンジを仮定していたこと。
• 2つ以上の指定された一次元形状関数の間を遷移可能なアクチュエータの設計を可能にすること。
• セルのコーナーに有限の曲げ剛性を組み込むことで、シミュレーションの正確性と構造の現実性を向上させること。
• 任意の行数のコンプライアントセル構造のシミュレーションと最適化をサポートする計算フレームワークの開発

提案手法

• 従来の2行モデルを任意の行数のセル構造に一般化する。
• セルのコーナー部のジョイントに有限の曲げ剛性を導入し、理想化された完全なヒンジ仮定を置き換える。
• 内部圧力下での各セルの変形を記述するための運動学的モデルを構築し、曲げ抵抗を考慮する。
• 方程式系を数値的に解き、圧力駆動による形状の変化を予測する。
• 目的の形状変形を実現するための幾何形状および圧力分布を最適化するための最適化アルゴリズムを適用する。
• 複数のシミュレーション例を通じて、フレームワークの妥当性を検証し、複雑な関数間の形状遷移を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 任意の行数のコンプライアントセル構造を、2つ以上のターゲット形状関数の間を変形可能に設計できるか？
• RQ2 セルのコーナーに有限の曲げ剛性を導入すると、形状変形アクチュエータの正確性と性能にどのような影響を与えるか？
• RQ3 計算フレームワークは、2行・完全ヒンジ仮定を越えた複雑なアクチュエータの挙動をシミュレーションおよび最適化できるか？
• RQ4 ジョイントの柔軟性は、圧力駆動セル構造の達成可能な変形量および安定性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 拡張されたフレームワークは、任意の行数を用いて、2つ以上の一次元関数間での形状変形を成功裏に実現した。
• 有限の曲げ剛性を組み込むことで、理想化されたヒンジモデルに比べ、構造のシミュレーションの現実性と正確性が向上した。
• 本手法は、圧力駆動下で複雑な多段階の形状遷移を実現可能なアクチュエータの設計を可能にした。
• シミュレーション結果は、さまざまな構成および圧力入力において、安定的かつ予測可能な変形挙動を示した。
• 最適化機能により、特定の変形タスクに最適化されたアクチュエータ設計が可能となり、機能的多様性が向上した。