Bistable structures have two stable states separated by a high-energy unstable state. They have the ability to withstand perturbations less than their critical trigger load and require no external energy to maintain their stable states. This gives them an advantage over many linear actuators that are required to produce an on-off or up-down movement. However, they require an actuation mechanism to move from one state to another. In this research, a compact actuation mechanism with less power consumption, simple and low cost is proposed and developed to actuate a buckled bistable beam. The proposed mechanism consists of two DC motors, a pair of parallel strings and a pin, serving as a moment arm. This twisted string actuation concept and the bistable structure constitute the millimeter-scale actuator for on-off driving of control fins.
A post-buckling beam behavior is modelled by extending the modified two-strip model to a clamp-clamp free-free plate. The center strip behavior is assumed to be the same as that of the entire plate and modelled using the Euler beam theory. This modeling is validated by using ABAQUS. A parametric study is conducted by introducing three different geometric imperfections, measured as a percentage of the beam’s thickness. The analytical and numerical results show good agreement for imperfections less than twice the beam’s thickness.
A snap-through behavior of a buckled beam is analytically formulated using the Euler-Bernoulli beam theory and virtual beam function. A simple solution algorithm is proposed to determine the displacement, trigger force and moment of the bistable buckled beam. The algorithm solves for the snapping sequence of the beam when moving from one state to another in the spatial form. A vision-based experiment is conducted to validate the snapping sequence. The analytical snapping sequence results are in good agreement with the experiment results for the off-axis actuation of the beam.
The newly proposed actuation mechanism in this research consists of twisted string actuator concept. Twisted string mechanism produces a pulling force to the moment arm, which in turn induce bending moment on the bistable beam. An experiment is conducted to validate the analytical formulation and evaluate the performance of the integrated system using sine and square input voltage. The proposed compact bi-stable actuator can operate at 8 mm stroke and 5 Hz bandwidth. Furthermore, two configurations of this actuation concept are presented.
쌍안정 구조물은 높은 에너지의 불안정 상태에 의해 분리 된 두 개의 안정 상태를 가진다. 쌍안정 구조물은 임계 하중보다 작은 외란을 견딜 수 있으며 별도의 외부 에너지가 가해지지 않아도 안정된 상태를 유지할 수 있다. 이러한 특성으로 인해 쌍안정 구조물은 온-오프 또는 업-다운 운동을 생성하는 다양한 선형 구동기에 비해 이점을 가진다. 그러나, 쌍안정 구조물을 현재의 안정 상태에서 다음 안정 상태로 움직이기 위해서는 별도의 구동 메커니즘을 필요로 한다. 본 연구에서는 적은 전력 소모량, 저렴한 비용으로 좌굴된 쌍안정 보를 구동시킬 수 있는 간단한 소형 구동 메커니즘을 제안 및 개발하였다. 제안된 메커니즘은 두 개의 DC 모터, 한 쌍의 평행한 줄과 모멘트의 팔로써 작용하는 핀으로 구성되어 있다. 이 줄 꼬임(twisted string) 구동 개념과 쌍안정 구조는 제어 핀(control pin)의 온-오프 구동을 위한 밀리미터 규모(millimeter-scale)의 구동기를 구성한다.
후좌굴 보 거동은 수정된 두 개의 스트립 모델(modified two-strip model)을 기반으로 양단 고정지지 평판으로 확장하여 모델링 하였다. 중심 스트립 거동은 전체 플레이트의 거동과 동일하다고 가정하고 오일러 보 이론을 이용하였으며 ABAQUS를 사용하여 모델을 검증하였다. 또한 구조물에 두께의 백분율로 측정된 세 가지 기하학적 결함에 대한 변수 연구(parametric study)를 수행하였다. 분석 결과, 본 연구에서 수립한 수학적 모델이 보의 두께의 두 배보다 작은 결함에 대해 이론적인 해와 잘 일치하는 결과를 보임을 확인하였다.
나아가 본 연구에서는 좌굴된 보의 스냅-스루(snap-through) 거동을 오일러-베르누이 보 이론과, virtual beam function 을 사용하여 수식화 하였으며 좌굴된 쌍안정 보의 변위, 트리거 힘 및 모멘트를 결정하기 위한 간단한 해석 알고리즘을 제안하였다. 이 해석 알고리즘은 보가 초기 안정상태에서 다음 안정 상태로 이동하는 스냅-스루 거동을 시퀀스 별로 해석 할 수 있으며, 이 알고리즘을 검증하기 위하여 비전 기반 실험을 수행하였다. 해석을 통해 구한 스냅-스루 거동 결과는 보의 오프 축(off-axis) 작동에 대한 실험 결과와 잘 일치함을 확인하였다.
본 연구에서 제안하는 새로운 구동 방식은 꼬인 줄을 사용하는 구동기로 구성되어 있다. 이 줄 꼬임 메커니즘은 모멘트 팔에 힘을 가해 쌍 안정 보에 굽힘 모멘트를 제공한다. 본 연구에서 제안한 수식과 모델링을 검증하고 통합 시스템의 성능을 평가하기 위해 정현파 및 사각파 형태의 입력 전압에 대한 실험을 수행하였다. 실험 결과, 제안된 소형 쌍안정 구동기는 8mm의 스트로크(Stroke)와 5Hz의 대역폭에서 작동 할 수 있음을 확인하였다. 또한 이 구동 개념에 대한 두 가지 배치 형태를 확인하였다.
