形状记忆合金执行器及其控制方法技术

本发明专利技术提供了行程放大形状记忆合金执行器和采用机电活性材料的其他执行器（在本说明书中统称为形状记忆合金执行器），包括行程放大但没有显著的力下降、容易小型化和快速作用、以及其设计和使用；形状记忆合金执行器（包括传统的形状记忆合金执行器以及根据本发明专利技术的行程放大形状记忆合金执行器）的经济和有效的控制和传感机制，从而获得低能耗、电阻／障碍物／载荷传感和精确的位置控制；以及包含这些执行器以及控制和传感机制的装置。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及形状记忆合金(SMA)执行器和采用机电活性材料的其他执行器(在本说明书中统称为形状记忆合金执行器)及其控制方法。特别地，本专利技术涉及能够小型化从而获得快速(亚秒)响应的形状记忆合金执行器；并且涉及一般形状记忆合金的控制方法，特别是本专利技术的小型化形状记忆合金执行器的控制方法，从而获得低耗能、电阻/障碍物传感、和位置控制。与本专利技术相关的
技术介绍
在二十世纪五十年代发现了一类材料，这类材料具有形状记忆效应。参看，如K.Otsuka和C.M.Wayman的《形状记忆材料)》(“ShapeMemory Materials”Cambridge University Press，Cambridge，England，1998，ISNB 0-521-44487X)。这些材料呈现出一种热弹性马氏体式变化，即低于一定的转变温度时它们是柔性的，因其处于马氏体相，从而可以容易变形。当其温度上升到转变温度以上时，该材料恢复到其奥氏体相和以前的形状，并因而产生较大的力。这种材料的例子有大约50比50原子百分数的钛-镍(TiNi)合金，可选择性包含少量的其他金属，从而提供增强的稳定性或改变马氏体-奥氏体转变温度；这些合金经配制和处理，呈现出形状记忆效应。其他这类合金包括Cu/Al/Ni和Cu/Al/Zn合金，有时称作β-黄铜。从种属上分，这类合金被称为形状记忆合金，从可从商业渠道的若干来源获得这类合金的线型材料。该线的直径为小到37微米、大到1毫米或更大。参见，如Dynalloy公司的《Flexinol执行器线的技术特征)》(“Technical Characteristics of Flexinol Actuator Wires”《技术信息手册》，Dynalloy公司，18662 MacArthur Boulevard，Suit 103，IrvineCA 92715，USA)。SMA线是形状记忆合金线，它们经处理后，在马氏体相能够容易地沿其纵轴伸展，从而重新排列其原子晶体结构。一旦伸展它们就保持其伸展状态，直到它们被加热到其奥氏体转变温度以上，在奥氏体转变温度，结晶结构恢复到其起初的(记忆的)奥氏体结构。这种复原不仅恢复线的起始长度而且产生较大的力，通常是50Kgf/mm2截面积的数量级，这与合金及其处理有关。由于每个截面积可获得较大的力，因而形状记忆合金线通常制成较小的直径。例如，直径为100微米的线可以传递大约250克的力。为获得更大的力，则需要较粗或多重线。虽然自1951年以来人们已经知道形状记忆合金，但商业上对这类执行器的应用很有限，原因是其物理过程存在一些固有的限制，这些物理过程产生了这种形状记忆性能。缺乏商业上的应用归因于以下因素(1)有限的位移在热弹性马氏体向奥氏体转变过程中，钛-镍形状记忆合金线最多能收缩其长度的8％。然而，在这种应变水平下，其失效前仅能持续几个循环。为获得合理的循环寿命，最大的应变是在3％至5％的范围内。作为一个例子，对具有合理循环寿命的一个执行器来说，它需要25厘米以上的形状记忆合金线来产生1厘的移动。(2)最小弯曲半径一种显而易见的把较长的形状记忆合金封装进较小空间的办法是采用某种类型的滑轮系统。不利的方面是，如果围绕急弯处放线，形状记忆合金线会损坏。通常，形状记忆合金线不应沿小于线直径50倍的半径弯曲。举一个例子，直径为250微米的线具有1.25厘米的最小弯曲半径。应当注意到，这儿使用的“最小弯曲半径”一词是指形状记忆合金线在其内能弯曲并且仍然能够重复奥氏体-马氏体循环而没有损伤的最小半径。加入大量的小滑轮则使系统增加机械复杂性，从而降低了首先采用形状记忆合金的吸引力。对最小弯曲半径的要求也给执行器的尺寸设置了下限。(3)周期时间通常，采用通过电流的方法来对形状记忆合金线进行电阻加热。然后，该线在能够伸展回到其起点位置前必须被冷却到其转变温度以下。如果用在静止空气中对流的方法进行冷却，那么在再次使用执行器以前，需要数秒的时间。上述的直径为250微米的线有一个最好的周期时间，约5秒或更长。因此，作为一个例子，Stiquito，一种形状记忆合金提供动力的行走昆虫仅达到3-10cm/min的行走速度。因为冷却速率依赖于线表面积和其体积的比，所以线直径的变化极大地影响周期时间。为克服这些限制，形状记忆合金执行器的设计者通常使用长直线或线圈。参见，如M.Hashimoto，M.Takeda，H.Sagawa，I.Chiba，K.Sato的“形状记忆合金应用于机器人执行器”(Application ofShape Memory Alloy to Robotic Actuators)(J.Robotic Systems，2(1)，3025(1985))；K.Kuribayashi的“一种新的采用钛-镍合金线的接头装置执行器”(A New Actuator of a Joint Mechanism using TiNi AlloyWire)(Int.J.Robotics，4(4)，47-58(1986))；K.Ikuta的“微型/小型形状记忆合金执行器”(Micro/Miniature Shape Memory AlloyActuator)(IEEE Robotics and Automation，3，2151-2161(1990))；和K.Ikuta，M.Tsukamoto，S.Hirose的“具有电阻反馈的形状记忆合金伺服执行器及其在有源内窥镜上的应用”(Shape Memory Alloy ServoActuator with Electrical Resistance Feedback)(Proc.IEEE.Conf.onRobotics and Information，427-430(1988))。显然，在许多应用场合，特别是在需要小型化的场合，采用长直线是不切实际的。虽然线圈大大地增加了传递的行程，但显著地降低了可获得的力。为补尝力的下降，使用了较粗的线，而这降低了所制成执行器的响应性，进而使它不能适用于许多应用。通常用来机械性地放大可获得位移的其他机制，如在D.GrantV.Hayward的“形状记忆合金执行器的可变控制结构”(VariableControl Structure of Shape Memory Alloy Actuators)(IEEE ControlSystems，17(3)，80-88(1997))一文，和美国专利第4,806,815号中所披露的机制，在可获得的力上受到同样的限制，这再次导致需要较粗的线以及与周期时间伴随的问题。如上所述，可使用形状记忆合金材料作为执行器的动力，通过监测合金的电阻可以控制执行器的位置。参见，如K.Ikuta，M.Tsukamoto，和S.Hirose的“具有电阻反馈的形状记忆合金伺服执行器及其在有源内窥镜上的应用”(Shape MemoryAlloy Servo Actuator with Eletrical Resistance Feedback andApplication for Active Endoscope)一文(上文已论述)。把形状记忆合金执行器加热到其转变温度的普通方法是脉冲宽度调制法(PWM)。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种行程放大形状记忆合金执行器。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗德里克麦格雷戈，
申请(专利权)人：内诺马斯尔公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]