7
Actuator Classification and SelectionÐThe Development of a Database** By Marc Zupan,* Mike F. Ashby , and Norman A. Fleck Actuators are controllable work-producing devices. They come in many shapes and forms. A strategy for selecting actuators to meet specified design requirements is described here. A number of considerations enter: the type and charac- teristics of the actuator, the nature of the power-source (the ªfuelº) that is required to drive it, and the possible need of an interface between the two to convert the energy into a form that the actuator can accept. The strategy is demonstrated by software that includes a database for some 220 actuators drawn from 18 families, and an advanced selection engine. Case studies are used to illustrate its use. Actuators are controllable work-producing devices. Here, we limit the discussion to those that produce linear or rotary motion, with position control. There are many types, drawing their energy from chemical, electrical and mechanical sources, or solar radiation. They differ enormously in their performance characteristics. Some are capable of large dis- placements and forces; others: only very small. Some can be cycled millions of times, others only once. And even if the maximum displacement of an actuator is small, it can pro- duce large power output if it can cycle at high frequency. Clearly, if actuators are to be compared and classified, we must start by identifying their performance attributes. Actuators form the active part of a system. By ªsystemº we mean not only the actuator itself, but the power source, and, if necessary, the device that converts the source of power into a form that the actuator can accept. For electrically driv- en, land-based actuators these last two are (usually) irrele- vantÐpower is simply drawn from the national electricity grid. But for a hydraulic actuator for use in space, the picture is different: minimizing the weight of such a system involves not only the weight of the actuator, but also that of the pump providing the hydraulic power and the energy source re- quired to drive it. Thus, beyond the performance of the actua- tor itself, we must also consider the system performance, and above all, its weight and cost. It is helpful to record actuator attributes in two comple- mentary ways. First there are the straightforward perfor- mance characteristics: physical dimensions, stroke, output force, operating frequency, weight and costÐthe attributes to be found in a record for commercially available actuators. The characteristics are unique to an individual product; two actuators of the same class can have very different values of stroke, force, frequency and cost. It is useful also to define a second set of ªnormalizedº attributes, that are, at least ap- proximately, characteristic of an entire class of actuators. The maximum stroke divided by the actuator length parallel to this stroke can be thought of as the actuator strain, and the maximum force it can generate divided by its cross section perpendicular to the stroke as the actuator stress. Actuators re- COMMUNICATIONS ADVANCED ENGINEERING MATERIALS 2002, 4, No. 12 933 ± [*] Dr. M. Zupan, Dr. M. F. Ashby, Dr. N. A. Fleck Cambridge Centre for Micromechanics Cambridge University Engineering Department Cambridge CB2 1PZ (UK) [**] The authors would like to thank Prof A. G. Evans for helpful discussions. Financial support from DARPA and the ONR is gratefully acknowledged. Ó 2002 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 1438-1656/02/1212-0933 $ 17.50+.50/0 Bicron Solenoid STP 1717-014 Description Bicron push-pull solenoids offer high forces in a limited space. Can be can be easily modified to include special features or value added assemblies for non-standard applications. Characteristics Nominal length 0.013 - 0.0135 m Radius 6.84e-003 - 7.12e-003 m Maximum stroke 2.98e-003 - 3.1e-003 m Weight 7.29e-003 - 9.52e-003 kg Type of power Electrical Voltage required 3 V Current consumed 0.206 A Resistance 5.88 - 6.12 Ohms Performance Motion Linear Max linear velocity 0.0149 - 0.248 m/s Max frequency *5 - 80 Hz Max force, compression 13.6 - 14.2 N Max force, tension 13.6 - 14.2 N Max power generated *1.98e-005 - 8.92e-005 kW Stroke work coefficient *0.5 - 1 Cyclic power coefficient *0.25 - 0.5 Life 1e+005 - 1e+007 cycles Derived Properties Actuator density *3800 - 4400 kg/m 3 Actuator modulus 3.314e+004 - 3.59e+004 Pa Actuator strain 0.22 - 0.24 Resolution (strain min) *1e-004 - 0.01 Actuator stress, compr. 8.54e+004 - 9.63e+004 Pa Actuator stress, tension 8.54e+004 - 9.63e+004 Pa Max power density *1e+004 - 4e+004 W/m 3 Actuator efficiency *0.5 - 0.8 Manufacturer Bicron Electronics Co. 50 Barlow Street, Canaan, CT 06018. Phone Fax 1-860-824-1137 Web Site http://www.bcrn.com/index.htm E-mail [email protected] 1-860-824-5125 Fig. 1. Typical data sheet for an electromagnetic solenoid actuator presenting basic characteristics specific to the individual actuator and derived properties representative of the family of actuators.

Zupan Actuators

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Zupan Actuators

�������� ���������� � �������� ������������ ��� � ���������

������ ��������� � ������ ��������� � ����

��������� �� ���������� ������������ ������ ������ � ��� ����� �� ������ � ������� ��� ��������������� �� �� ������� ���� �������� �� ���������� � ���� �� ����������� ��� �� ��� �� ��������������� �� �� ��������� �� ���� �� �� �� ������� ������� ! ���� �� ������ �� ���� ��� �� �� ������� � �� ������� �� �� � � �� ����� �� ��� ��� � �������� �� �������� �� ������ �� ������� �� ��������� ������ �� ���� ������ � ������� ��� ��� ""# ������������ ���� $% �������� �� � ������ ������ ���&�� ������ �� ��� �� ��������� ��� ���

��������� �� ���������� ������������ ������ '�� ����� �� ��������� �� ���� ���� ������ ���� �� ������������ ��� ������� ������� ��� �� ��� ����� ��� ������ ��� ���� �������� �������� �� ��������������� �� ����� ��������� ��� ����� �������� � ������������ ��������������� (�� �� ������ �� ���� ����������� �� �����) ������ ��� ��� ������ (�� �� ������ ������� �� ����� ����� ��� ��� �� � �� ����*���� ��������� �� � �������� �� ������ �� �� ������� ���� �� � ������ �� �� �� ���� �� ���� �������&������ �� ��������� �� �� � ������� �� ���������� ���� ����� �� �������� ���� ���������� ���� ���

��������� ���� �� ����� ���� �� � ������ +� ������ �� �� ��� �� �������� ������ ��� �� �� � ��������� �� ������� �� ���� ���� ������ �� ����� �� �� ���� � ���� ���� �� �������� �� ������ ,�� ���������� ������ �������� ��������� ��� ���� � � �� ��������! ��������-�� � �� ������ ��� ���� �� ������ �������������� +�� ��� � ��������� �������� ��� �� � ����� �� �������� ������� �����.�� �� ���� �� ���� � ����� �������� ��� �� ���� �� �� ��������� ��� ���� ���� �� �� ������������ �� ��������� �� � �� �� ��� ����� ������� �� ���� ��� ����� ���� �� �������� �� �� ��������� ������ ���� ���� ������ �� ����� ��������� ������ ���� ��� ���� �� �����

/� �� ������ �� ����� �������� ��������� � � � ����������� ���� ,���� ��� �� �� ����������� ��� ��������� ��������������� �������� �������� ������ ����������� ������� ������� ���� �� ����-�� ��������� ��� ���� � � ����� ��� ����������� �������� ������������ �������������� �� ���� �� � ��������� �������) � ���������� �� �� ��� ����� �� ��� ��� ������ ����� �������� ����� ������ �� ����� /� �� ����� ���� �� ��� ����� �� �� �������.� ���������� ���� ��� �� ���� ������*������� ������������� �� � ��� ����� �� ���������� ����*���� ����� ������ �� �� �������� ���� ������� ������ ����� �� � ������� �� �� �� � ��� ������ �� ����*���� ���� �� �� ���� ������ �� ��� ����� ��������������� �� �� ����� �� �� � ��� ������ ��������� ��

���

�����

����

���� ���� ���� ��� ����� ����� �� ��� �� ���

�012 ��� �� � ���� ��� �� �� ������ ��� �� �� ����

��������� ����� ��� �������������������� ��������� ���������� ����������������� �!" #$� %�&'

0112 (�� � ���� )� �� ���� � ���� $��� �� *� ���� ��� ����� ���� ������� �������� � ���� ���� ��+$� ��� �� ,�+ ������� ��� ����)�������

� ���� ��� ���� � !�" �#$� % ��� &���� ��'�(�'# ��)*��+,+-��-������.)) / �0�,�1�,�-�

BicronSolenoidSTP 1717-014

DescriptionBicron push-pull solenoids offer high forces in a limited space. Can becan be easily modified to include special features or value addedassemblies for non-standard applications.

CharacteristicsNominal length 0.013 - 0.0135 mRadius 6.84e-003 - 7.12e-003 mMaximum stroke 2.98e-003 - 3.1e-003 mWeight 7.29e-003 - 9.52e-003 kgType of power ElectricalVoltage required 3 VCurrent consumed 0.206 AResistance 5.88 - 6.12 Ohms

PerformanceMotion LinearMax linear velocity 0.0149 - 0.248 m/sMax frequency *5 - 80 HzMax force, compression 13.6 - 14.2 NMax force, tension 13.6 - 14.2 NMax power generated *1.98e-005 - 8.92e-005 kWStroke work coefficient *0.5 - 1Cyclic power coefficient *0.25 - 0.5Life 1e+005 - 1e+007 cycles

Derived PropertiesActuator density *3800 - 4400 kg/m3

Actuator modulus 3.314e+004 - 3.59e+004 PaActuator strain 0.22 - 0.24Resolution (strain min) *1e-004 - 0.01Actuator stress, compr. 8.54e+004 - 9.63e+004 PaActuator stress, tension 8.54e+004 - 9.63e+004 PaMax power density *1e+004 - 4e+004 W/m3

Actuator efficiency *0.5 - 0.8

ManufacturerBicron Electronics Co.50 Barlow Street, Canaan, CT 06018.Phone Fax 1-860-824-1137Web Site http://www.bcrn.com/index.htmE-mail [email protected]

1-860-824-5125

���� #� (����� ��� ���� ��� �� ����������� �������� � ��� ��������� �������������� ������ � �� ������� �� � ��� ��� ������� ��������� �������������� �� ������ �� � �����

Page 2: Zupan Actuators

���� � �� ��� ������� ������� ��� ������� ����� ����� �� ���� ������.� ��������� ����� � ���� $� ,����� $ ����� �� ������ �� � �������� ��� � ������������ �� ���� �� ���� �� �� ������.� ���������� 3�������.� �������� ���� ��� � ��� ���� ��������� ���������� ����� ����� ������� �� �������� ��� ������������� ��� ��� � ����������� �� �� ������� � ������� ������ ���� �� ������� �� �� *����� ���� ����� ��� ��� �

4��������� ��� ��� ����� ���� ����� ����������������� ���� ����� �� ������ ����� ��� �� � ������� ��� �������� �������� �� �������� ��������� ���� �� ���������� ������� ��� ��������� ��������� ������ ����� "!� ���� ���������� ���� �� � ������ � � �������� �� ����� �������������� ��� ��.� ����� ����� ���� �� � ������� ��� �����! �� �� ������.��������� ���� �� ��� ����� �� � �� ��� ���� ��!��� ����� ������ ���� ��� �� ,���� " ��� � ���������*����� � ���� ����� ������������� �� �� ������.�

234�� �5 �!�-�653�5� �!�77'8'6�5'�� ��� ��!�65'��9�(� �:�!�4#��5

���

�����

�����

��� ���� ���� ���� ��� ����� ����� �� ��� ��

(���� #� �������-�� � ��� ���� ���

�������� ������� ��� ����

�������� (���� �� ������ ���� �� ��� ������������� ����� � ��������� �(�� ��.�� � ��� �!�

�������� (���� �� ����� ����� ������� �� � ��������)� �������� �� ������ ������ 5 *��� �� � ��������� �� �$ 6 �! ���.�� � ��� �!�

�������� 7������ �� ����� �� � ����� ����� � � �� ������������ ����� ����� � � � �������� ����� �� � �������� �� ��� ������� �/���� ���� ������ ���� �� ������ �������� ���� ���� ��� �� ������ ������!

�������� 8���� �� ����� �� ���� �� ������ ����� �� � ����������9 ���� �� ���������� �� ���� ���� �� ��������� *���� ��*���� �� �������� ������,�� *����� � �� ���� �� � ��������� ������� ����� �� ����� ����� �� �� ���������� ���� �� ���������� ���������� ����������� �� ������ ��*�����!

:������� �� ����� �� �������� ��� ������ �� ������� ����� � ������ ���� � ������ ��������

(���� ;������� �� ������� ��� �����

<�������� =� � �� �������� �� � ������ �� ��� ����������� � ��������� ������ ��������

(���� 9��� &�������� �� ��*���� �������� ����� ����*!� ����*���� �������� ������ ���*� �� ������������������� �� � ��������� ,�� � ��� ��.�� �������� ��� ����� �� ���� �� ��������������������� ��� �� ���� ����� ��� �������� ����� �� ����������� �� ��. ������ �� � ������� �������� ��� � ���������� ����� ����� ����� ��>�! ������������� �� ��������� �� �� � ���� ����) �� �� � �������� ������ ���� ��� � �� ������ ������� �� *���� ����������

&����� =� � &������� �� ��*���� ��� ������ �� ����� ����������� ��� ���� ���� .�� �� ������ �� � ����� �� �� ���� �� �� �>� ����� ������ ��������

(���� "� ���� �� �� ������ �� ����

� ��� ����� � ��� � ���� ��������

������� ?������ @��;���� ,��

"#�###A#�###

���������� ��� ��� &���������7����� ����������� �������5������� �������

B C## �$##!B "A# �$##!B $### �D##!B $## �E#!

���� ���� ,�� ���=����� �����(�����

B CA# �"##!B CA# �$##!B A �"!

������ ������ 4������ =������� B%�#$#

������ ����� '������ 8������ BC�#$$

� � !�"� �� (� B"D# �$F#!

#���� �� (� BE �A!

Banner

Lead Acid battery

Characteristics

Length 0.096 - 0.097 m

Width 0.024 - 0.025 m

Height 0.054 - 0.054 m

Volume 1.32e-4 m3

Weight 0.30 - 0.31 kg

Discharge temperature 253 - 323 K

Operating temperature 273 - 275 K

Cost 9.9 - 9.95 US $

Performance

Average voltage 5.99 - 6.01 V

Max continuous current 3.5 - 3.7 A

Capacity 1.1 - 1.3 Ah

Shelf life 2 yrs

Derived Properties

Energy/cost 2.57 - 2.71 kJ/US $

Power/cost 2.09e-3 - 2.24e-3 kW/US $

Energy density (mass) 82.8 - 97.2 kJ/Kg

Energy density (volume) 1.94e+5 - 1.98e+5 kJ/m3

Power density (mass) 0.06 - 0.07 kW/kg

Power density (volume) 158 - 169 kW/m3

Manufacturer

Banner Batteries

Units 7&8 403 Canal View Business Park

Wheelhouse Rd

Rugeley, Staffordshire WS15 1UZ

Phone 01889 57 11 00

Fax 01889 57 73 42

E-mail [email protected]

Website www.bannerbatterien.com

���� "� ��� ���� ��� � ���� ��� ������ ���)��� ������������ ���� ��� ���������������� ������� �� �� ������� ��� ��)�� �� ����

Page 3: Zupan Actuators

��������� �� ����� ������� ��������� ����� � ����� �������� ��� �����) �� ���� ��� ����! ������� �����*������� �� ��������� �� � ����� �� �������

(�� ��������� �� ��� ������ �� ��������� ������ ����� ������ �� � �� � ����������� �������� � (������� ��.������� �� ���� ������������� ���������� �� � ���� ������� �� � ������) �� ��� �� ����� �� � ���� �� ���������� ���� � ������� � � ������ �� � ��� ��� �� ����� ��������� �� ������ �������� �� ������� :��� ����� � ��� ������ �� ������� ������� ��� ������� ���������� ��� ���� �� ������� ����� ����� �� ��� ��� ���������� (���� ��������� � � ��� ����� ��� � ���� �� ����������� � ��������� ����� ��� �� ����� �� �� � ���� ���� �� � �������� ���� ���������� ���� C ���� *����� �� ������� ������ �� ������ �� ���� ������ �� �� ���������� ��� �� ��� ������ �� ���������� ��� �������� ��� ��������� ���� �� *������� � � ����� ���� �� ��������.� ��������� � ,���� C ��� � ������� ��� ������� ���� ���� �� ������.� ��������� ���������.� �� �����*���� �� � ����� �� ������� ����

234�� �5 �!�-�653�5� �!�77'8'6�5'�� ��� ��!�65'��9�(� �:�!�4#��5

���

�����

����

���� ���� ���� ��� ����� ����� �� ��� �� ���

(���� /� ���� �� �� ��������� �������

�� $��� �� $����

/& ��� �� ������ &������ �7�������

,�� ���� &������ � :��������

?������ 7������� � :��������

:�������� ����� :���������7�������

=���� 7������� � =������

;������ ����� :��������� ������

(���� ���� ;������� � :��������

3����� ������ 3����� � ������ � :��������

9�� ����� G���� � :��������

9��� ����� =������� :��������

�������� �������������� ������� 6 ��������!

:�������� �7�������

Solar panel: Description

Silicon Solar LLC is a

manufacturer of the newest form

of solar panels. New SolarPal

solar panels are thin, lightweight,

and affordable solar panels. Each

solar panel is laminated between

two layers of polymer film

providing weather resistance and

durability. Constructed with the

highest quality mono-crystalline

solar cells available. SolarPals

include two 30 gauge wire leads

that can be used to interconnect

solar panels together to obtain a

higher voltage or current.

Characteristics

Length 0.058 - 0.061 m

Width 0.056 - 0.059 m

Height 5e-003 - 0.01 m

Volume 1.67e-5 - 3.62e-5 m3

Weight 4.41e-3 - 4.59e-3 kg

Cost 8.82 - 9.18 US $

Performance

Average voltage 2.20 - 2.2 V

Max continuous current 0.16 - 0.17 A

Power generated 3.6e-4 - 3.98e-4 kW

Derived Properties

Power density (mass) 0.08 - 0.09 kW/kg

Power density (volume) 10.1 - 23.8 kW/m3

Manufacturer

Silicon Solar LLC

PO Box 436

16 Winkler Rd.

Sidney, NY 13838, USA

Phone (607) 369-5363

Fax 563-9553

E-mail

Website www.siliconsolar.com

(607)

[email protected]

���� /� (����� ��� ���� ��� ����� ��� �������� ����� �������� � ����� ������� ���-�� �� ������� ������ �� � �����

References &

Definitions

Links

Actuators

and

Attributes

Applications

Suppliers and Contacts

Tutorials

Power

Sources

Data Tables

References &

Definitions

Links

Actuators

and

Attributes

Applications

Suppliers and Contacts

Tutorials

Power

Sources

Data Tables

���� 0� *������� ������������ �� �� ������� �� �� ���������� �� ��)��� ������� ��)��� ��� �� �� ��� ������ (�� ����� ����) � ����� �� �� � ������ � ������ ������ � ��� ��������

(���� 0� � ��� �����

����� �� �������� �%��&�

:����������� (������ 7������������

:������������� 5��� 8���� 7:7( &��� 8����

,������ '���������� =�������

=�.������� &������ =�����

(���� �������� (��� 7���� ������ +��������

'����� =�.������� �� :�������������

3������ '��� �����

Page 4: Zupan Actuators

�� �������� ��� � ,���� D ��� � �������� ���������/� ������� �� ��* ���� ���� ������ �� ����� ���� ���������� ��� ��� ""# ��������� ��� ���� $% ������ �������� ����� �������� ��� ���������.� �� � ����� ��� ������� � ,���� $� �� ��������� �� ���� �� ������ �������� ����� � ���� D� :��� �������� ����� �� ���� �� ������� � �� ���� ��� ���� ������ �������� �� ��������������� �� �� ��� ����� ������ �� ���� ��� ������� ������������� ����� ��� �� ����� �� �� ����� ������� ��������� � ���� �������� *������ �� �������� �������) � ������� �� ���� ������ �� ������ � �� ����� ���� �� ���� ������0$�"$2 �� � �� ������ ���� ����� ���� � ������� ����� ��� ��� ����� ����� ������� �� ��� ��������� �������

'��� � ���0""2 ������ � �����.� ��������� �� �� ������ �� ��������� �� ������� � ������� ����� �� ������� �� ���������� ������� ���� � ���� ����� �� ��������� / ���� ����� ����������� ���� �� ���

,���� A ��� � �� ��*���� ���� ����������� �������������� �� �� ���������� �� ������� ��� ���� �� ���� � ����� ���� ���� �� ���������� �� �� ���������� ������ �� � ���������!� &����� � ����������� ������� � ������� ����� �� ������������ �� �� � � ���� ��������� �� � �� �� �� ������ �� ��������� ��� �������������� ���� *�� �� ������������� ���� �� ������� ��� , H A����� � H "� �� �� �� �� ��� �� ��������� ��� ��* �� �� ��� ����� �� ,���� A� �� ��

����� �� ������� ��� �� ������ ������� �������� ������ ���������

(�� ������ �� �������� �������� ����I������ �� ���� ����� ����� ��� �������� �� � ������ �� �� *�� �� ���������� �� � ��� ��� �� �������� �������� �� �� ���� ���� �� ��������������� �� �� *�� �� ���� �� �� �� �������� �� �� ������ �� ���� ���� �� ������������ ��� ����� ������� /� ��� ��������� �� ���� �� �� �������� ��� � ������������ ����� ��� #�#$ 3� �� ������ ����������� ����� �� ��������� ������ ���� ������� �� ���� ���� ������ ������� �� �������� � ,���� A� ��������� ������� � ��� ��� ��� �� � ������ ����� �� ���������� 5���� ���� ����� �������� ���� ������ *�� ����� �� ���������� �� � ��� �������� ����

(����� � ���� ���� �� �� � ������.�� ����� �� ��������� ����������� �� �������� � �� ����� �� �������� ����� ������ �� ���� ���� �� �� ������

������������ �� ��� �� ������� ����� ,���� E ������������ ���� �� ���������� /� �� � ���� �� ��� ��������� ��� �������������� ����) �� ����.���� �� �� �� ��� ��J #�#$ 3������� ��� ��������� ��� ������� ��� ��������� �� ������ �������� ��� �� ������� ���� �� ���� ���� ����� �� �� *��� ���� ��������� ������� ���������� �������� ���������� �������� �� ����� �� � ������ �������. ������ �� �� �� ��������� � ��� ��������

=���� �� ������.� ��������� ��� �� ���� ���� ������� ��� ��� ������ �� �������� ������� ��

234�� �5 �!�-�653�5� �!�77'8'6�5'�� ��� ��!�65'��9�(� �:�!�4#��5

���

�����

�����

��� ���� ���� ���� ��� ����� ����� �� ��� ��

Maximum stroke (m)1e-005 1e-004 1e-003 0.01 0.1

Ma

xim

um o

utp

ut fo

rce

- co

mp

ress

ion

(N)

1e -005

1e-004

1e-003

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

100000

1e+006

MagnetostrictivePiezoelectric

Piezoelectric

Electrostatic

MEMS-Comb-DriveMEMS-Comb-Drive

Muscle

Electric cylinder

Hydraulic

Magnetostrictive

Bimetallic stripMoving coil

Electroactive polymerPiezoelectric

Moving coil

Pneumatic

Shape memorySolenoid

Electrostatic Electroactive polymer

Maximum Stroke (m)

1e-5

1

1e-3

1000

1e+6

1e-3

0.1

Max

imu

m O

utp

ut

Fo

rce-

Co

mpre

ssio

n (

N)

Maximum stroke (m)1e-005 1e-004 1e-003 0.01 0.1

Ma

xim

um o

utp

ut fo

rce

- co

mp

ress

ion

(N)

1e -005

1e-004

1e-003

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

100000

1e+006

MagnetostrictivePiezoelectric

Piezoelectric

Electrostatic

MEMS-Comb-DriveMEMS-Comb-Drive

Muscle

Electric cylinder

Hydraulic

Magnetostrictive

Bimetallic stripMoving coil

Electroactive polymerPiezoelectric

Moving coil

Pneumatic

Shape memorySolenoid

Electrostatic Electroactive polymer

Maximum Stroke (m)

1e-5

1

1e-3

1000

1e+6

1e-3

0.1

Max

imu

m O

utp

ut

Fo

rce-

Co

mpre

ssio

n (

N)

���� 1� � ��� �� ��.�� � � ��� � � ���� ���� � ��.�� � ����� ��� ��� �� �� � ���� �� �� ���2����� (�� �������� ���� �������� � �� )��� ����� �� 3�3# ���

Weight (kg)1e-009 1e-008 1e-007 1e-006 1e-005 1e-004 1e-003 0.01 0.1 1 10 100 1000

Unt

itle

d

1e-009

1e-008

1e-007

1e-006

1e-005

1e-004

1e-003

0.01

0.1

1

10

100

1000

MEMS-Comb-Drive

Electroactive polymerMEMS-Comb-Drive

Electroactive polymer-Acrylic

Electroactive polymer

Electric cylinder

Pneumatic

Moving coil

Magnetostrictive

Hydraulic

Pneumatic

Electrostatic

Shape memory

Piezoelectric

Solenoid

Piezoelectric

1

1000

1e-3

1e-6

Wo

rk C

apac

ity (

Nm

)

1 10001e-31e-61e-9

Weight (kg)

Weight (kg)1e-009 1e-008 1e-007 1e-006 1e-005 1e-004 1e-003 0.01 0.1 1 10 100 1000

Unt

itle

d

1e-009

1e-008

1e-007

1e-006

1e-005

1e-004

1e-003

0.01

0.1

1

10

100

1000

MEMS-Comb-Drive

Electroactive polymerMEMS-Comb-Drive

Electroactive polymer-Acrylic

Electroactive polymer

Electric cylinder

Pneumatic

Moving coil

Magnetostrictive

Hydraulic

Pneumatic

Electrostatic

Shape memory

Piezoelectric

Solenoid

Piezoelectric

1

1000

1e-3

1e-6

Wo

rk C

apac

ity (

Nm

)

1 10001e-31e-61e-9

Weight (kg)

���� 4� � ��� �� � ��� )��� ������ ��� ���� � �����

Page 5: Zupan Actuators

�������� �������� ,���� F �� � ���� *����� 7�*������ � ������ �� ������ ������ �������� ������� ��� ����K�� � �!� 7���� �� �� � ������ ������ �� ����������� ��� �� ������� �� ���� �������� +��������� ������������ ��������� �� ����������� ������� ��� ����� ��� � ����� �� ������� � ������ ���� ������������������ �� ���������� =�.� �� ������������� ���������� �� ����� ���� �� � ������� � ������ �� ����������� �� ���� ��� �� ������ �� ��� ������ �� � ������ ���� �� � ������� ����� ��� �� � ����� ����� ���� �������� =���� ��� ,���� F ���� ��� �� �������� �������� �� ��� �������� �������

�� ��������� ��� ��� �������� � ,���� %� �� �*���� �� ������� ���� ���������� ����� &������� ���� ����� ��� �������� ����� ������� ��� ������������������ ������ �� �������� ��� �������� �������� ������ ���������� �� ��������� �� ����������������� �������� �� � ���������� ,�� ��� ������������� �� ������ ���� �� �������� �� ��� �� � ����� � �������� �� �� ����� ���� '�� �� ������� �� ��� � �������� ����� ���������� ������� �� ��� ��� �� �� �����

&����� ����� �� ����� �� � �������� ���� 8��� ������������ ��� �� ����� �� ,���� %� ������� �� ������������� � ���� A� �� ����� ���� �� �� ������ ������� �� ��� �� ����� ����� *����� ������ ������ � ��������� ���� ������� � �������� ��� �� ���� �� ������������� �� �� ��������� �� ������ ������ ��� �� ��������,���� A� ��������� �� ���� �� ����� �� �� ���� ����������� �� ����� ������ �� ����� ����� '��� ��������������� ����������� �� ����� ����� ��� ���� �� ������������� ����� ��.������� �� ������������� ���������� ������ �� ������ �������� ���� ��� ���� �� ��������� ������ �� ������ ����������

,���� L ��� � �� ���� ���� �� �� ������� �������� ����� �� �� � �� �� �� ������ ��* �� �� �� ������� ������ �A# '.!� �� ������� �������� �� �������� �� ��� �� ��������� �� �� ������� �� �� ���� ����������� ����� ���� �� ��������� ��������� ����� ������ ����� �� ���� ����� �� ��������� ��������� ������ �� ���� �� ������� ����� �� �������� �� ��� � ������ ����� ������ � � ����� �� A ��������� ���� ��������� �������� �� ""#� ����� ��� �

� ���� �������� ����� � �� �������� �� ���� �� ������� � ������ ���� ���� �� ����� ��� ��� �������� ������� ���� ���������� ��� ��� ���������� ������� ���� ��� �� ��� $### ������ �������� ���� 9 �� ��� ������ � � �������� ���� �� ��� �� ��������� �� �������� ��� �� ������ � ������� ������� �� � �������� ������ ���������

234�� �5 �!�-�653�5� �!�77'8'6�5'�� ��� ��!�65'��9�(� �:�!�4#��5

���

�����

����

���� ���� ���� ��� ����� ����� �� ��� �� ���

10 mm

(a)

(c)

(b)

10 mm10 mm

(a)

(c)

(b)

���� 5� �' $�������� �� � � �� �� ��� (�� ��� �� �������� ��������� �� �' ����� ��� ��� ' �������� � ��� ������� � ���� �� ������� ������ !�� � �2��� ������� ������ ��� ���� � �� ������ ��6 ��������

Actuator efficiency-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1

Unt

itle

d

1e -004

1e-003

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

100000

1e+006

Shape memory

Electroactive polymer

Pneumatic and Air muscles

Bimetallic strip

Piezoelectric

HydraulicMagnetostrictive

Electrostatic

Hybrid

MEMS-Comb-Drive Electric cylinder

Moving coil

Electroactive polymer

1

1000

1e+6

1e-3

Pow

er to

Wei

ght R

atio

(kW

/kg)

0

Actuator Efficiency

0.4 0.8 10.60.2 Actuator efficiency-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1

Unt

itle

d

1e -004

1e-003

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

100000

1e+006

Shape memory

Electroactive polymer

Pneumatic and Air muscles

Bimetallic strip

Piezoelectric

HydraulicMagnetostrictive

Electrostatic

Hybrid

MEMS-Comb-Drive Electric cylinder

Moving coil

Electroactive polymer

1

1000

1e+6

1e-3

Pow

er to

Wei

ght R

atio

(kW

/kg)

0

Actuator Efficiency

0.4 0.8 10.60.2���� 7� �������-�� � ��� ���� ��8 ��)�� � )���� �������� � �������� �� � �����

Page 6: Zupan Actuators

,����� %� �� %� ��� � �� �������� �� �� � � ���������� ��� �� ����� ���� (����� ���� ����� � �������� ����� �������� ��� ���� ��������� �� � �� ���� ����� ������� �� ����� ��*���� ���������

&����� � � ������ �����.�� ���� �����.� ������ �� � ����� ��������� ������ �� ������ ������ ������� ����� ����� �� ��� ��� ������������ �� ���� �� ���������� ������ !� ���� �� �� ��� ����� �M,��N! �� ���� �������� ������ �M&����N! �� ��� ����� ����������� �� ������� �� ����� ���� �� �� � ���� ������� �

�$!

9�� $1 �� �� �� � ������ �� �� ������ �� ����� ��������� �� ���� �� �� �������� �� �� ������ ��������� �� ������ �� �� $1� �� �� �� � �������=� �K��!����� �� �� ��������� �� ���� ��� �� �� ������ �� ������ �� �� �� � ����� �� �� ����������� ������� �� �� ��������� ����� J �� � ������K�� � ������ ������ �� ���� �� � ������ �� �� �������� ��

������ �� ����� �� � ��� �� ����� �����) ����������� �� �� �� � ����� �� �� ������� �=� �K��!&��������� �� ���� �� �� ������� ������� �� ���� ��� �� ������ �� �� �� � �� �����) ��� �&��� � �� �� ������� ���� ��� ������� �=� �K��!,��� �� �� �� � ����� ���� ��� ��� �� �� �� ������ ���� ;������� �� ���������� ������ �

η η +

η +=

mFuel

.Act

.Convt.Act

.Convt

.Act

.Act.Act*

t)kg/Power(

)kg/Power(1

)kg/Power(

)kg/Power(11

)kg/Power(

1

P

m

�"!

'�� �� ��� � ����� �� ���������) �� �� �� ������ �� ���� �� �������� ���� ���� � ��������� �� �� �� ��������� �����

234�� �5 �!�-�653�5� �!�77'8'6�5'�� ��� ��!�65'��9�(� �:�!�4#��5

���

�����

�����

�� ���� ���� ���� ��� ����� ����� �� ��� ��

Weight (kg)1e-009 1e-008 1e-007 1e-006 1e-005 1e-004 1e-003 0.01 0.1 1 10 100

Ma

x fr

eq

uenc

y (H

z)

1e -003

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

100000

1e+006

1e+007

1e+008

Electroactive polymer

MagnetostrictiveElectrostatic

Piezoelectric

Moving coil

MEMS-Comb-Drive

Shape memory

Electroactive polymer

Hydraulic

Pneumatic

Bimetallic strip

Electric cylinder

Solenoid

Electromagnetic

Piezoelectric

1

1000

1e+6

Max

imu

m F

req

uen

cy (

Hz)

Weight (kg)

1e-4 0.01 11e-3

1e-61e-8 100Weight (kg)1e-009 1e-008 1e-007 1e-006 1e-005 1e-004 1e-003 0.01 0.1 1 10 100

Ma

x fr

eq

uenc

y (H

z)

1e -003

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

100000

1e+006

1e+007

1e+008

Electroactive polymer

MagnetostrictiveElectrostatic

Piezoelectric

Moving coil

MEMS-Comb-Drive

Shape memory

Electroactive polymer

Hydraulic

Pneumatic

Bimetallic strip

Electric cylinder

Solenoid

Electromagnetic

Piezoelectric

1

1000

1e+6

Max

imu

m F

req

uen

cy (

Hz)

Weight (kg)

1e-4 0.01 11e-3

1e-61e-8 100

���� 9� ��.�� � ���6 ��� ���� � ����� (�� ������� �����2���� � ���� �� �� ��� � 13 :- �� ������ ��� ���������) ����� (�� ��������� �� ��� ������� ��� �� �� ��� �� 1%�� � �� ��6 ������ �� ���� ����' ��������� � ���� ��� ��� �� �� ���

(���� 1� +�6 ������� ��� �� � ����

,��� A 3

(���� " ��

,����� A# '.

5�� �� ���� $#% �����

7��� �� ����� �� �������

0.1

10

1000

1 100 104

106

Mass

m/P

ow

er

P*

(k

g/k

W)

Mission time (s)

Solenoid

Pneumatics

Shape Memory Alloy

Air Muscle

Electroactive

Polymer

���� #3� $�� �� ����;��)�� ���� � ������� ��� �� ������� � ���� ��� �� ����2���� ����� ��������� �� ��� �� 5� ��� ���� �������� �� ������� ��� � ��� �������� ������� �� ��� ����� <�� �������� ������� ����� � �� ��6 ���� � ��)���� ����� ���� ���� �������� �� ����� �����

Page 7: Zupan Actuators

�� ������ ��� � ������� ��� � ���� �� �������� ��������������� ���� ����� � ��� ��� �� ����� ����4��� ����� ���� �� ������� ��� ��������� �������������� ��������! �� ���� ���� ����� " �� C � ������.����� �� �� ����� ����� ���� �� �� �� � �������� ,��������� ��������� ��� ��� ���� � �� ������ ���� ��������� ��� � ���� �������� �������� ��� �� ������� �� ������� �� �������� ����� �� ������ ������� �������� �� � �������� ������� �� � ������������� ���� �� � �������

,���� $# ��� � � ���� �� �� ����K�� � �� �������������� ������ ��� �� ���� ����� ��������� ���� �,���� % �� � ������ �� ������ ���� 7������� ���� ����� ����� ����� �� ������� �������� ������ � �� �������� �� ������ ���� ��� ���� ���� �������� ������ �� ������� �� ��� ��� ������� �� �� ���������� ������ ���� �� ���� ����� ��� ����� �� �� ��� ���� ����� �� ����� ����� ������� ������� ����� � �� �������� ���� �� ������ ��� � �� �������� ,�� ����� ������� �� ������ �� �������� �������� ������) ��� ������ ��� �� ���� �� �� ��� ������� �� �� � �� ����� ��� ������� �������� �������� �� �������� ����� ��������� ���� �� �� ����� ������� ��� ������ ���� ���� ��� ���� ���� �� �������� ������ ����� (���� �� �� ���� �� � � ��� ������� ���� ������� � ������������ ��� � ��� ������� ����� ���� �� �� ��� ����� �� ����� �� ������ ����

�� �������� �������������� �� ��������� ��� � ����� ���� ������� � ���� ����� ���������� �������� �� � �� ������� �� ��� ����� �� ��������@�����.� ������ ������ ���� �������� �������������� ������� �� �� �� �� �� ���� ��� ��� �� ��� �� ����7����� ��� ������� ���� �� ������� �� �� ���������� � � �������� ���� �� ������ �� ��������� ��������� �� �������� ��������� ����� � ,����� A� E� F� �� L������ � ����������� ������� ��������� �� ���������� &�������� �������� ��� ������� � ������ ������ �� ������� ������.� ��������� :*����� ���� � �������� ������������� �� ����� ����� ���� ������� �� �������� ��������� �� ������ ��� � �������� �������

+������8 = �� 30� "33"

�0$2 O� +�� ���� >� �������� ��� :�������� :�������� +�����

�����'���� 5��� '())�0"2 �� +����� $�� ��� :�������� %�� ��� :����� (����

3 P���� @*���� '((*�0C2 �� /���� � ��������� �� $��-��������� @*���� 4����

���� =���� @*���� '((+�0D2 5� 7������ (����������� ������ '(('� #"� "L�C"�0A2 �� 9� 8����� ���������� ����� �� ?���� ������ ��2

����� +���� �����'���� 5��� '((+�0E2 '� 7��'� (�� ?��� ����� ?� � '((,� /� DCL�0F2 9� +����� $�� ��� ��� :���� �� ?������ +�����

�����'���� @*���� '((*�0%2 8� &� ?� ���� ��� �� �� ������������ �������

7�?�� �'���� 3 P��� '(-.�0L2 O� 9� '���� $��� (������� ��� ,��� *��)� ���������

4 � '���� 5��� '((+�0$#2 (� �� 3����� /� +����� >����� ����� ���� ��������

9���� 3 P��� '(*-�0$$2 ;� �� 7�&����� ����������� ��������8 ?� �� ���

$��������� �������� 5��� '((,�0$"2 �� O� 7������ O� 7� '����� ����������8 ���������

$��������� ����������� &����� �� '���� 5���'((+�

0$C2 (� �� 3����� /� +����� >����� ����� ���� ��������9���� 3 P��� '(*-�

0$D2 =�.� (������ /��� $��� ������ �� $%E 7������������ ���� &�������� 7� #"$CL� 4(��

0$A2 =� (����� (�� ���� ����8 ������� ��� ����� � !���2��� � �� $����� +���� ��� @*���� '((/�

0$E2 &� O� (�������� ?������� ����� +������� !���� F�� ���+���� �����'���� 5��� '((/�

0$F2 �� �� 9��� O� 7� '����� �� 7� ?����� (�� ������������ ���������� $�������� +������ '()*�

0$%2 7� + 9������ ������� $��� $���������� =����� 5���� '(),�

0$L2 :� =� 9��������� ����������� ��������8 � :������� ���� $�������� �� ���������� ,������ ? ������� 3�����'������ @*���� '()+�

0"#2 ;� &� 9����� ������ ����� �� � ��� ����������������� 5��� '().�

0"$2 P� Q�� ���������� �������� ��� (���� ����������� 3����'������ �������� '(('

0""2 O� :� '���� 3� �� ,���� 7� ,� ������ $��� +� ?�� >����� '((*� 01/� "$%A>""#A�

234�� �5 �!�-�653�5� �!�77'8'6�5'�� ��� ��!�65'��9�(� �:�!�4#��5

���

�����

����

���� ���� ���� ��� ����� ����� �� ��� �� ���

����������������������