專(zhuān)利名稱(chēng)：形狀記憶合金執(zhí)行器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及形狀記憶合金(SMA)執(zhí)行器和采用機(jī)電活性材料的其他執(zhí)行器(在本說(shuō)明書(shū)中統(tǒng)稱(chēng)為形狀記憶合金執(zhí)行器)及其控制方法。特別地，本發(fā)明涉及能夠小型化從而獲得快速(亞秒)響應(yīng)的形狀記憶合金執(zhí)行器；并且涉及一般形狀記憶合金的控制方法，特別是本發(fā)明的小型化形狀記憶合金執(zhí)行器的控制方法，從而獲得低耗能、電阻/障礙物傳感、和位置控制。
與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)在二十世紀(jì)五十年代發(fā)現(xiàn)了一類(lèi)材料，這類(lèi)材料具有形狀記憶效應(yīng)。參看，如K.Otsuka和C.M.Wayman的《形狀記憶材料)》(“ShapeMemory Materials”Cambridge University Press，Cambridge，England，1998，ISNB 0-521-44487X)。這些材料呈現(xiàn)出一種熱彈性馬氏體式變化，即低于一定的轉(zhuǎn)變溫度時(shí)它們是柔性的，因其處于馬氏體相，從而可以容易變形。當(dāng)其溫度上升到轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí)，該材料恢復(fù)到其奧氏體相和以前的形狀，并因而產(chǎn)生較大的力。這種材料的例子有大約50比50原子百分?jǐn)?shù)的鈦-鎳(TiNi)合金，可選擇性包含少量的其他金屬，從而提供增強(qiáng)的穩(wěn)定性或改變馬氏體-奧氏體轉(zhuǎn)變溫度；這些合金經(jīng)配制和處理，呈現(xiàn)出形狀記憶效應(yīng)。其他這類(lèi)合金包括Cu/Al/Ni和Cu/Al/Zn合金，有時(shí)稱(chēng)作β-黃銅。從種屬上分，這類(lèi)合金被稱(chēng)為形狀記憶合金，從可從商業(yè)渠道的若干來(lái)源獲得這類(lèi)合金的線(xiàn)型材料。該線(xiàn)的直徑為小到37微米、大到1毫米或更大。參見(jiàn)，如Dynalloy公司的《Flexinol執(zhí)行器線(xiàn)的技術(shù)特征)》(“Technical Characteristics of Flexinol Actuator Wires”《技術(shù)信息手冊(cè)》，Dynalloy公司，18662 MacArthur Boulevard，Suit 103，IrvineCA 92715，USA)。
SMA線(xiàn)是形狀記憶合金線(xiàn)，它們經(jīng)處理后，在馬氏體相能夠容易地沿其縱軸伸展，從而重新排列其原子晶體結(jié)構(gòu)。一旦伸展它們就保持其伸展?fàn)顟B(tài)，直到它們被加熱到其奧氏體轉(zhuǎn)變溫度以上，在奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，結(jié)晶結(jié)構(gòu)恢復(fù)到其起初的(記憶的)奧氏體結(jié)構(gòu)。這種復(fù)原不僅恢復(fù)線(xiàn)的起始長(zhǎng)度而且產(chǎn)生較大的力，通常是50Kgf/mm2截面積的數(shù)量級(jí)，這與合金及其處理有關(guān)。由于每個(gè)截面積可獲得較大的力，因而形狀記憶合金線(xiàn)通常制成較小的直徑。例如，直徑為100微米的線(xiàn)可以傳遞大約250克的力。為獲得更大的力，則需要較粗或多重線(xiàn)。
雖然自1951年以來(lái)人們已經(jīng)知道形狀記憶合金，但商業(yè)上對(duì)這類(lèi)執(zhí)行器的應(yīng)用很有限，原因是其物理過(guò)程存在一些固有的限制，這些物理過(guò)程產(chǎn)生了這種形狀記憶性能。缺乏商業(yè)上的應(yīng)用歸因于以下因素(1)有限的位移在熱彈性馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中，鈦-鎳形狀記憶合金線(xiàn)最多能收縮其長(zhǎng)度的8％。然而，在這種應(yīng)變水平下，其失效前僅能持續(xù)幾個(gè)循環(huán)。為獲得合理的循環(huán)壽命，最大的應(yīng)變是在3％至5％的范圍內(nèi)。作為一個(gè)例子，對(duì)具有合理循環(huán)壽命的一個(gè)執(zhí)行器來(lái)說(shuō)，它需要25厘米以上的形狀記憶合金線(xiàn)來(lái)產(chǎn)生1厘的移動(dòng)。(2)最小彎曲半徑一種顯而易見(jiàn)的把較長(zhǎng)的形狀記憶合金封裝進(jìn)較小空間的辦法是采用某種類(lèi)型的滑輪系統(tǒng)。不利的方面是，如果圍繞急彎處放線(xiàn)，形狀記憶合金線(xiàn)會(huì)損壞。通常，形狀記憶合金線(xiàn)不應(yīng)沿小于線(xiàn)直徑50倍的半徑彎曲。舉一個(gè)例子，直徑為250微米的線(xiàn)具有1.25厘米的最小彎曲半徑。應(yīng)當(dāng)注意到，這兒使用的“最小彎曲半徑”一詞是指形狀記憶合金線(xiàn)在其內(nèi)能彎曲并且仍然能夠重復(fù)奧氏體-馬氏體循環(huán)而沒(méi)有損傷的最小半徑。加入大量的小滑輪則使系統(tǒng)增加機(jī)械復(fù)雜性，從而降低了首先采用形狀記憶合金的吸引力。對(duì)最小彎曲半徑的要求也給執(zhí)行器的尺寸設(shè)置了下限。(3)周期時(shí)間通常，采用通過(guò)電流的方法來(lái)對(duì)形狀記憶合金線(xiàn)進(jìn)行電阻加熱。然后，該線(xiàn)在能夠伸展回到其起點(diǎn)位置前必須被冷卻到其轉(zhuǎn)變溫度以下。如果用在靜止空氣中對(duì)流的方法進(jìn)行冷卻，那么在再次使用執(zhí)行器以前，需要數(shù)秒的時(shí)間。上述的直徑為250微米的線(xiàn)有一個(gè)最好的周期時(shí)間，約5秒或更長(zhǎng)。因此，作為一個(gè)例子，Stiquito，一種形狀記憶合金提供動(dòng)力的行走昆蟲(chóng)[J.M.Conrad，J.W.Mills，《Stiquito用簡(jiǎn)單和便宜機(jī)器人進(jìn)行的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)》，(StiquitoAdvanced Experiments with a Simple and InexpensiveRobot)，IEEE Computer Society Press，Los Alamitos Ca，USA，ISBN0-8186-7408-3]僅達(dá)到3-10cm/min的行走速度。因?yàn)槔鋮s速率依賴(lài)于線(xiàn)表面積和其體積的比，所以線(xiàn)直徑的變化極大地影響周期時(shí)間。
為克服這些限制，形狀記憶合金執(zhí)行器的設(shè)計(jì)者通常使用長(zhǎng)直線(xiàn)或線(xiàn)圈。參見(jiàn)，如M.Hashimoto，M.Takeda，H.Sagawa，I.Chiba，K.Sato的“形狀記憶合金應(yīng)用于機(jī)器人執(zhí)行器”(Application ofShape Memory Alloy to Robotic Actuators)(J.Robotic Systems，2(1)，3025(1985))；K.Kuribayashi的“一種新的采用鈦-鎳合金線(xiàn)的接頭裝置執(zhí)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/小型形狀記憶合金執(zhí)行器”(Micro/Miniature Shape Memory AlloyActuator)(IEEE Robotics and Automation，3，2151-2161(1990))；和K.Ikuta，M.Tsukamoto，S.Hirose的“具有電阻反饋的形狀記憶合金伺服執(zhí)行器及其在有源內(nèi)窺鏡上的應(yīng)用”(Shape Memory Alloy ServoActuator with Electrical Resistance Feedback)(Proc.IEEE.Conf.onRobotics and Information，427-430(1988))。顯然，在許多應(yīng)用場(chǎng)合，特別是在需要小型化的場(chǎng)合，采用長(zhǎng)直線(xiàn)是不切實(shí)際的。雖然線(xiàn)圈大大地增加了傳遞的行程，但顯著地降低了可獲得的力。為補(bǔ)嘗力的下降，使用了較粗的線(xiàn)，而這降低了所制成執(zhí)行器的響應(yīng)性，進(jìn)而使它不能適用于許多應(yīng)用。
通常用來(lái)機(jī)械性地放大可獲得位移的其他機(jī)制，如在D.GrantV.Hayward的“形狀記憶合金執(zhí)行器的可變控制結(jié)構(gòu)”(VariableControl Structure of Shape Memory Alloy Actuators)(IEEE ControlSystems，17(3)，80-88(1997))一文，和美國(guó)專(zhuān)利第4,806,815號(hào)中所披露的機(jī)制，在可獲得的力上受到同樣的限制，這再次導(dǎo)致需要較粗的線(xiàn)以及與周期時(shí)間伴隨的問(wèn)題。
如上所述，可使用形狀記憶合金材料作為執(zhí)行器的動(dòng)力[參看，如T.Wararm的“利用形狀記憶合金設(shè)計(jì)執(zhí)行器”，1993，ISBN0-9699428-0-X]，通過(guò)監(jiān)測(cè)合金的電阻可以控制執(zhí)行器的位置。參見(jiàn)，如K.Ikuta，M.Tsukamoto，和S.Hirose的“具有電阻反饋的形狀記憶合金伺服執(zhí)行器及其在有源內(nèi)窺鏡上的應(yīng)用”(Shape MemoryAlloy Servo Actuator with Eletrical Resistance Feedback andApplication for Active Endoscope)一文(上文已論述)。
把形狀記憶合金執(zhí)行器加熱到其轉(zhuǎn)變溫度的普通方法是脈沖寬度調(diào)制法(PWM)。在這種方法中，在一定比率的預(yù)定周期施加一個(gè)固定的電壓。當(dāng)在一個(gè)周期(稱(chēng)為負(fù)載周期)中工作時(shí)間與停止時(shí)間的比率變化時(shí)，則可控制傳遞到形狀記憶合金上的動(dòng)力的數(shù)量。這種方法很常用，因?yàn)樵跀?shù)字系統(tǒng)中可以容易地實(shí)施這種方法，在這里所有需要的是一個(gè)晶體管，來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，從而無(wú)需數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換和輔助的放大器。
在一個(gè)簡(jiǎn)單例子中，一個(gè)脈沖寬度調(diào)制發(fā)生器在一個(gè)負(fù)載周期中由一個(gè)數(shù)字控制器所規(guī)定的期間對(duì)形狀記憶合金元件供給脈沖寬度調(diào)制脈沖。在脈沖寬度調(diào)制脈沖斷開(kāi)期間，一個(gè)電阻測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量形狀記憶合金的電阻，進(jìn)行取樣，然后保持在采樣-保持系統(tǒng)中。這種測(cè)量是在斷開(kāi)期間進(jìn)行，因?yàn)槊}沖寬度調(diào)制脈沖可以相當(dāng)短，當(dāng)脈沖存在時(shí)，控制器不可能對(duì)形狀記憶合金進(jìn)行采樣。最后，用模擬-數(shù)字(A-D)轉(zhuǎn)換器把在采樣-保持系統(tǒng)中的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后控制器就能夠識(shí)別來(lái)自轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號(hào)。通過(guò)控制器中的一種算法使用這種數(shù)字信號(hào)的值來(lái)變化脈沖寬度調(diào)制發(fā)生器的負(fù)載周期，從而獲得所要求的形狀記憶合金元件的位置。在具有一個(gè)以上形狀記憶合金元件的系統(tǒng)中，除了控制器以外，對(duì)每個(gè)形狀記憶合金元件，所有系統(tǒng)都需要復(fù)制，這導(dǎo)致大型、復(fù)雜和昂貴的控制系統(tǒng)。
已提出了許多方法來(lái)避免這種復(fù)制。最普遍采用的方法是穿過(guò)若干采樣-保持回路來(lái)多路復(fù)用模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，因而僅需要一個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。另一個(gè)在美國(guó)專(zhuān)利第5,763,979號(hào)中所描述的方法，是以行和列構(gòu)形的方法使用電子開(kāi)關(guān)，來(lái)分離形狀記憶合金元件，并依次對(duì)每個(gè)元件施加脈沖寬度調(diào)制脈沖。這使所有執(zhí)行器可以共享電阻測(cè)量、采樣-保持、和模擬-數(shù)字子系統(tǒng)，并減少了需要用來(lái)把裝置相互連接起來(lái)的導(dǎo)線(xiàn)數(shù)量。不利的方面是，這種方法也加倍了高電流開(kāi)關(guān)裝置的數(shù)量，因?yàn)槊總€(gè)執(zhí)行器需要兩個(gè)這樣的通道，而在傳統(tǒng)方法中僅需一個(gè)。這些開(kāi)關(guān)通常是這類(lèi)控制系統(tǒng)的物理上最大的元件，因?yàn)樗鼈冃枰l(fā)掉大量的熱量，這些熱量源于流過(guò)的高電流。所以，雖然這種方法減少了導(dǎo)線(xiàn)的數(shù)量，但它實(shí)際上增加了控制器子系統(tǒng)的尺寸和復(fù)雜性。
在形狀記憶合金中，從馬氏體(低溫)相到奧氏體(高溫)相的轉(zhuǎn)變并不是在特定溫度瞬時(shí)發(fā)生的，而是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)遞增地進(jìn)行。

圖1表示位移和溫度之間的關(guān)系，圖中顯示了奧氏體開(kāi)始溫度(As)和奧氏體完成溫度(Af)，以及馬氏體開(kāi)始溫度(Ms)和馬氏體完成溫度(Mf)。在由ΔT所表示的溫度范圍內(nèi)，合金由奧氏體和馬氏體的混合物所組成。正如可以看到的，在低于奧氏體開(kāi)始溫度時(shí)，長(zhǎng)度基本上不發(fā)生任何變化，而當(dāng)形狀記憶合金被加熱到奧氏體完成溫度以上時(shí)，長(zhǎng)度基本上不會(huì)發(fā)生任何進(jìn)一步的變化。相似地，在冷卻過(guò)程中，當(dāng)高于馬氏體開(kāi)始溫度時(shí)，長(zhǎng)度基本上不發(fā)生任何變化，而當(dāng)溫度低于馬氏體完成溫度時(shí)，長(zhǎng)度基本上不會(huì)發(fā)生任何進(jìn)一步的變化；然而，在長(zhǎng)度-溫度曲線(xiàn)中，通常存在顯著的滯后現(xiàn)象。正如K.Ikuta，M.Tsukamoto和S.Hirose在“具有電阻反饋的形狀記憶合金伺服執(zhí)行器及其在有源內(nèi)窺鏡上的應(yīng)用”(Shape Memory Alloy Servo Actuator with Electrical ResistanceFeedback)一文中(上面已論述)和美國(guó)專(zhuān)利第4,977,886號(hào)中所論述的，在形狀記憶合金部件的電阻和其溫度之間存在一種關(guān)系，如圖2所示，圖中形狀記憶合金的馬氏體完成溫度高于室溫。正如可以看到的，在最小電阻(Rmin)和最大電阻(Rmax)之間的陰影區(qū)域內(nèi)，電阻可用來(lái)作為形狀記憶合金溫度的模擬量，因此可以完全基于電阻值來(lái)推導(dǎo)在兩相之間轉(zhuǎn)變的比率，而不直接測(cè)量溫度，因?yàn)殡娮?溫度曲線(xiàn)并未顯示出明顯的滯后現(xiàn)象。然而，如圖1所說(shuō)明的，由于存在較大的位置-溫度滯后現(xiàn)象，僅知道溫度不足以推導(dǎo)出位置。
然而，如果兩個(gè)執(zhí)行器以相反的方式進(jìn)行排列，則可以用許多方法來(lái)抵銷(xiāo)這種滯后現(xiàn)象。在Dynalloy公司的《Flexinol執(zhí)行器線(xiàn)的技術(shù)特征》(“Technical Characteristics of Flexinol ActuatorWires”)和美國(guó)專(zhuān)利第4,977,886號(hào)中描述了一種普遍方法，該方法是利用來(lái)自?xún)蓚€(gè)配合使用的執(zhí)行器的歸一化電阻來(lái)抵銷(xiāo)滯后現(xiàn)象。所有這些位置控制方法依賴(lài)于對(duì)最大電阻和最小電阻的先驗(yàn)了解(見(jiàn)圖2)。伴隨合金的老化，再加上環(huán)境因素的影響，這些值會(huì)發(fā)生變化，因而系統(tǒng)在每次使用前必須進(jìn)行重新校準(zhǔn)，以獲得有用的位置控制。校準(zhǔn)是通過(guò)外部傳感器的附屬裝置在已測(cè)得的最小和最大位移處計(jì)算最大電阻和最小電阻的來(lái)完成的。校準(zhǔn)的另一種方法，如在美國(guó)專(zhuān)利第4,977,886號(hào)中所描述的，是施加足夠大的電流并且時(shí)間足夠長(zhǎng)，因而溫度將超過(guò)奧氏體完成溫度，在此過(guò)程中記錄所遇到的最小電阻和峰值電阻。當(dāng)需要連續(xù)、低成本運(yùn)作時(shí)，前一種校準(zhǔn)方法對(duì)許多系統(tǒng)是不切實(shí)際的。后一種方法依賴(lài)于對(duì)形狀記憶合金元件的物理尺寸以其電流環(huán)境和狀態(tài)(例如，奧氏體或馬氏體)的了解，因而可以計(jì)算校準(zhǔn)脈沖的幅度和持續(xù)時(shí)間。
最好是開(kāi)發(fā)這樣的形狀記憶合金執(zhí)行器能夠基本上提供形狀記憶合金線(xiàn)的全力，同時(shí)比單根長(zhǎng)度為執(zhí)行器長(zhǎng)度的形狀記憶合金線(xiàn)達(dá)到更大的行程(收縮)(行程放大而沒(méi)有顯著的力下降)；小型化和快速作用的形狀記憶合金執(zhí)行器；形狀記憶合金執(zhí)行器(包括傳統(tǒng)的形狀記憶合金執(zhí)行器以及根據(jù)本發(fā)明的行程放大形狀記憶合金執(zhí)行器)的經(jīng)濟(jì)和有效的控制和傳感機(jī)制，從而獲得低能耗、電阻/障礙物/載荷傳感和精確的位置控制。
發(fā)明簡(jiǎn)述本發(fā)明提供了行程放大形狀記憶合金執(zhí)行器和采用機(jī)電活性材料的其他執(zhí)行器(在本說(shuō)明書(shū)中統(tǒng)稱(chēng)為形狀記憶合金執(zhí)行器)，內(nèi)容包括行程放大但沒(méi)有顯著的力下降，容易小型化和快速作用及其設(shè)計(jì)和用途；形狀記憶合金執(zhí)行器(包括傳統(tǒng)的形狀記憶合金執(zhí)行器以及根據(jù)本發(fā)明的行程放大形狀記憶合金執(zhí)行器)的經(jīng)濟(jì)和有效的控制和傳感機(jī)制，從而獲得低能耗、電阻/障礙物/載荷傳感和精確的位置控制；包含這些執(zhí)行器以及控制和傳感機(jī)制的裝置。
在第一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種行程放大形狀記憶合金執(zhí)行器。在根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)方面的實(shí)施例中，執(zhí)行器包括多個(gè)剛性構(gòu)件和形狀記憶合金線(xiàn)。
在第二個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種行程放大形狀記憶合金執(zhí)行器，包括一根形狀記憶合金線(xiàn)。
在第三個(gè)方面，本發(fā)明提供了用于形狀記憶合金執(zhí)行器的多路復(fù)用的控制和傳感機(jī)制。
在第四個(gè)方面，本發(fā)明利用電阻反饋提供了形狀記憶合金執(zhí)行器的控制和傳感機(jī)制以及控制方法，其中當(dāng)執(zhí)行器被通電時(shí)，執(zhí)行器的電阻隨時(shí)間的變化被用來(lái)產(chǎn)生用于執(zhí)行器的控制信息。這些控制和傳感機(jī)制以及方法可用來(lái)校準(zhǔn)執(zhí)行器、執(zhí)行位置控制功能、測(cè)量施加于執(zhí)行器的載荷、探測(cè)執(zhí)行器所遇到的碰撞或機(jī)械障礙物和執(zhí)行器中的系統(tǒng)失效。在一個(gè)優(yōu)選的控制機(jī)制中，利用與執(zhí)行器并聯(lián)的電容器的放電時(shí)間的測(cè)量結(jié)果來(lái)測(cè)量該執(zhí)行器的電阻。
圖6是一個(gè)剛性元件，用于根據(jù)本發(fā)明的形狀記憶合金執(zhí)行器的替換的第三實(shí)施例；圖7是形狀記憶合金執(zhí)行器的替換的第三實(shí)施例的透視圖，其中使用了圖6的剛性元件；圖8A是圖7中執(zhí)行器的伸展形態(tài)側(cè)視圖；圖8B是圖8A中執(zhí)行器的收縮形態(tài)圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)方面的形狀記憶合金執(zhí)行器的示意圖，說(shuō)明單根形狀記憶合金線(xiàn)的使用；圖10表示低摩擦力管的使用，用來(lái)引導(dǎo)圖9中執(zhí)行器的形狀記憶合金線(xiàn)；圖11僅表示引導(dǎo)管的使用；圖12表示根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)方面的四執(zhí)行器組合；圖13表示一種傳統(tǒng)類(lèi)型的用于形狀記憶合金執(zhí)行器的脈沖寬度調(diào)制控制器；圖14表示一種多路復(fù)用的脈沖寬度調(diào)制控制器；圖15是在加熱的形狀記憶合金元件中導(dǎo)電性和位置隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)圖；圖16表示一種傳統(tǒng)類(lèi)型的用于形狀記憶合金執(zhí)行器的電阻反饋控制；圖17表示一種用于形狀記憶合金執(zhí)行器電阻反饋控制的電容傳感回路；
圖18表示根據(jù)本發(fā)明的形狀記憶合金執(zhí)行器第四個(gè)實(shí)施例的剛性構(gòu)件和形狀記憶合金線(xiàn)；圖19是裝配好的執(zhí)行器的側(cè)視圖，其中使用了圖1 8中的構(gòu)件/線(xiàn)組合；圖20A表示形狀記憶合金執(zhí)行器在全伸展形態(tài)的限位裝置的使用；圖20B表示圖20A中的形狀記憶合金執(zhí)行器在其全收縮形態(tài)的限位裝置的使用；圖21表示一種行走昆蟲(chóng)模型，包括根據(jù)本發(fā)明的形狀記憶合金執(zhí)行器；圖22是圖21中昆蟲(chóng)模型的一個(gè)腿進(jìn)行工作的側(cè)視和仰視圖；圖23是圖22所示腿進(jìn)行工作的后視圖；以及圖24是圖22所示腿進(jìn)行工作的透視圖。
發(fā)明詳述定義和一般參數(shù)“形狀記憶合金(shape memory alloy)”或“SMA”是一種呈現(xiàn)出熱彈性馬氏體式變化的合金，在馬氏體相可以變形，而當(dāng)合金恢復(fù)到奧氏體相時(shí)，變形會(huì)復(fù)原。根據(jù)本發(fā)明的適合于室溫應(yīng)用的形狀記憶合金是奧氏體-馬氏體轉(zhuǎn)變范圍稍高于預(yù)期環(huán)境溫度的形狀記憶合金，譬如說(shuō)，馬氏體完成溫度為30至50℃，因而在不加熱時(shí)，這種形狀記憶合金將保持在其馬氏體相；并且?jiàn)W氏體完成溫度足夠低因而能與普通工程塑料相容的形狀記憶合金，譬如說(shuō)，奧氏體完成溫度為80至100℃，從而將完成馬氏體到奧氏體的轉(zhuǎn)變所需要的熱量(例如，輸?shù)叫螤钣洃浐辖鹕系碾娔?減至最小值。在商業(yè)上可容易獲得這類(lèi)合金。當(dāng)執(zhí)行器設(shè)計(jì)用于低溫(例如，低于0℃)或高溫(例如，高于100℃)環(huán)境時(shí)，則可以選用具有其他轉(zhuǎn)變溫度范圍的合金?？紤]到現(xiàn)有技術(shù)和本申請(qǐng)書(shū)披露的內(nèi)容，在選擇合適的形狀記憶合金用于所希望的目的時(shí)，本領(lǐng)域技術(shù)人員不會(huì)有任何困難。眾所周知，一個(gè)形狀記憶合金元件，如形狀記憶合金線(xiàn)，在低于其馬氏體完成溫度(Mf)時(shí)，會(huì)在可復(fù)原的應(yīng)變范圍內(nèi)變形，然后當(dāng)加熱到奧氏體完成溫度(Af)以上時(shí)，它將恢復(fù)到其最初的未變形形狀。然而，把該元件重新冷卻到馬氏體完成溫度以下并不會(huì)自發(fā)地引起復(fù)原到變形的形狀形狀記憶效應(yīng)是單向效應(yīng)。因此，當(dāng)形狀記憶合金元件重新冷卻到馬氏體完成溫度以下時(shí)，需要對(duì)其施加應(yīng)力或偏壓，從而使其恢復(fù)到變形的形狀。雖然在下面不會(huì)一般性地相對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的形狀記憶合金執(zhí)行器進(jìn)行論述，但假定當(dāng)執(zhí)行器的形狀記憶合金元件冷卻低于馬氏體完成溫度時(shí)，對(duì)或可以對(duì)執(zhí)行器施加偏壓，從而引起復(fù)原到變形的馬氏體狀態(tài)?？梢杂脧椈蓙?lái)施加這種偏壓(一種恒量偏壓應(yīng)用，在這種情形，當(dāng)執(zhí)行器加熱時(shí)，執(zhí)行器必須克服彈簧的力來(lái)引起執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng))；或者用一個(gè)相反的執(zhí)行器來(lái)施加這種偏壓(在這種場(chǎng)合，通常一個(gè)加熱，另一個(gè)則不加熱，但每一個(gè)可以加熱到不同的程度，從而獲得精確控制)。彈簧偏壓是經(jīng)濟(jì)的，但缺點(diǎn)是彈簧吸收了一部分執(zhí)行器的力，留下較小的可獲得的力供執(zhí)行器施加于外部載荷；相反執(zhí)行器偏壓提供了更大的可獲得力，因?yàn)楫?dāng)不加熱時(shí)相反執(zhí)行器幾乎不需要什么力來(lái)移動(dòng)，并且當(dāng)兩者被不同地通電時(shí)，相反執(zhí)行器偏壓會(huì)提供更大的位置敏感性，但代價(jià)是控制的復(fù)雜性和增加的能耗。此點(diǎn)為本技術(shù)領(lǐng)域所熟知；依據(jù)本發(fā)明的形狀記憶合金執(zhí)行器可用于任何一種方式。
在本說(shuō)明書(shū)中使用的形狀記憶合金“線(xiàn)”(SMA“wire”)一詞，是指細(xì)長(zhǎng)形式的形狀記憶合金材料，能沿長(zhǎng)軸收縮/伸展。因此，術(shù)語(yǔ)“線(xiàn)”并不意味著一個(gè)圓形截面，雖然通常是圓形截面，而應(yīng)當(dāng)包括橢圓形、正方形、長(zhǎng)方形等截面。
形狀記憶合金執(zhí)行器的“行程(stroke)”是在執(zhí)行器的完全伸展長(zhǎng)度和完全收縮長(zhǎng)度之間距離上的變化。如果執(zhí)行器帶有限位裝置來(lái)限制執(zhí)行器的收縮和/或伸展，那么“行程”將是限位裝置之間的距離，它可能會(huì)小于限位裝置不存在時(shí)的“行程”。
一個(gè)“行程放大(stroke multiplying)”形狀記憶合金執(zhí)行器，是指這樣一種形狀記憶合金執(zhí)行器，在其行程伸展或收縮方向大于單個(gè)形狀記憶合金線(xiàn)的伸展或收縮，該單根形狀記憶合金線(xiàn)的長(zhǎng)度是該執(zhí)行器的外部長(zhǎng)度。
在第一個(gè)方面，本發(fā)明提供了行程放大形狀記憶合金執(zhí)行器，即形狀記憶合金執(zhí)行器能夠基本上提供形狀記憶合金線(xiàn)的全力而同時(shí)比與執(zhí)行器長(zhǎng)度相同的單根形狀記憶合金線(xiàn)獲得更大的行程(“長(zhǎng)度”被定義為執(zhí)行器在形狀記憶合金線(xiàn)軸向的長(zhǎng)度)，因此獲得行程放大而沒(méi)有明顯的力下降。
行程放大而沒(méi)有明顯的力下降使得可以使用細(xì)的形狀記憶合金線(xiàn)，這導(dǎo)致響應(yīng)性的顯著增加，原因在于線(xiàn)冷卻速率非線(xiàn)性地依賴(lài)于線(xiàn)直徑。正如在形狀記憶合金執(zhí)行器技術(shù)領(lǐng)域所熟知的，在每單位長(zhǎng)度，要冷卻的線(xiàn)質(zhì)量與線(xiàn)的截面積成正比(線(xiàn)直徑的平方函數(shù))，而冷卻速率與線(xiàn)的表面積成正比(直徑的函數(shù))。事實(shí)上，線(xiàn)本身的熱導(dǎo)率使這種比率進(jìn)一步復(fù)雜化，但是可以看到，形狀記憶合金線(xiàn)從其奧氏體完成溫度到其馬氏體完成溫度的冷卻速率隨線(xiàn)直徑的減小而顯著下降。這減少了形狀記憶合金執(zhí)行器的周期時(shí)間，因?yàn)閺鸟R氏體完成溫度到奧氏體完成溫度的加熱時(shí)間將總是顯著地短于冷卻時(shí)間，只要提供足夠的電力來(lái)達(dá)到迅速的加熱速率。例如，直徑為250微米的線(xiàn)執(zhí)行器的周期時(shí)間是6至7秒或更長(zhǎng)，直徑為50微米的線(xiàn)執(zhí)行器的周期時(shí)間小于1秒，而直徑為37微米的線(xiàn)執(zhí)行器的周期時(shí)間約0.4秒。
行程放大形狀記憶合金執(zhí)行器的基本設(shè)計(jì)，由若干平行的，包括同心排列的、剛性(即非形狀記憶合金)構(gòu)件組成，這些構(gòu)件可以自由相互滑動(dòng)，以一定的方法用形狀記憶合金線(xiàn)把構(gòu)件相互連接起來(lái)，以致執(zhí)行器的行程基本上等于若干單獨(dú)形狀記憶合金線(xiàn)的行程之總和。
如圖3所示，在第一個(gè)實(shí)施例中，執(zhí)行器(通常示于30處)的可滑動(dòng)剛性構(gòu)件301、302、303和形狀記憶合金線(xiàn)311、312、313分別在點(diǎn)321和331、322和332、323和333處相連。當(dāng)形狀記憶合金線(xiàn)311、312和313收縮時(shí)，每根線(xiàn)拉住剛性構(gòu)件的一端，剛性構(gòu)件的另一端則與下一根線(xiàn)相連。以這種方法，一根線(xiàn)的位移依次加到下一根線(xiàn)的位移上。剛性構(gòu)件301的一端341可用任何適當(dāng)?shù)姆绞竭B接于一點(diǎn)，線(xiàn)313的端部333可與另一點(diǎn)相連，這兩點(diǎn)可以都能移動(dòng)，或更通常的情況是，一點(diǎn)可移動(dòng)而另一點(diǎn)則固定，因而當(dāng)線(xiàn)311、312和313收縮時(shí)，所述兩點(diǎn)間的距離會(huì)減小。雙箭頭A表示移動(dòng)的方向，當(dāng)形狀記憶合金線(xiàn)收縮時(shí)，則會(huì)引起點(diǎn)321和點(diǎn)333之間距離的收縮。可以對(duì)任意數(shù)目的線(xiàn)和構(gòu)件進(jìn)行組合，從而達(dá)到任何所希望的位移。
例如，如果構(gòu)件301剛性地固定于一基片而且構(gòu)件302和303相互之間及相對(duì)于構(gòu)件301是可滑動(dòng)的，那么當(dāng)形狀記憶合金線(xiàn)被加熱和收縮時(shí)，每根線(xiàn)收縮約3％，組合件的最大收縮(從連接點(diǎn)341到連接點(diǎn)333)將是約9％。這表明位移放大三倍而沒(méi)有減少所施加的力，除了有一些力損失于執(zhí)行器的內(nèi)部。因而這種設(shè)計(jì)以更緊湊的方式保持了長(zhǎng)直線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，而沒(méi)有降低可獲得的力。此外，所有線(xiàn)是直的這一事實(shí)意味著不存在形狀記憶合金線(xiàn)的最小彎曲半徑的問(wèn)題，這有可能對(duì)組合件進(jìn)行小型化從而達(dá)到幾厘米的尺度，例如降到1厘米或更小，并有潛力降到微觀(guān)尺度。
每個(gè)構(gòu)件需要有足夠的剛度，從而當(dāng)線(xiàn)收縮時(shí)執(zhí)行器不會(huì)屈曲，但由于執(zhí)行器可以封閉在一個(gè)殼體中來(lái)阻止構(gòu)件的屈曲(如果這樣的殼體用適當(dāng)?shù)牡湍Σ辆酆衔锊牧现瞥苫蛲扛玻缇鬯姆蚁?PTFE)或另一種含氟聚合物，它也將為剛性構(gòu)件的滑動(dòng)提供低摩擦環(huán)境)，因而無(wú)需特殊的強(qiáng)度。從圖中可以明顯看到，與其長(zhǎng)度和寬度相比較，這種類(lèi)型的執(zhí)行器(并排排列)可以制成薄層狀，這使它特別適用于限定的平直空間情形。
可以分別對(duì)形狀記憶合金線(xiàn)311、312和313供電，從而便于對(duì)移動(dòng)和峰值功率移動(dòng)影響的范圍進(jìn)行最大程度的控制(如果對(duì)該線(xiàn)依次通電，由于加熱該線(xiàn)到其奧氏體完成溫度所需的電流大于達(dá)到奧氏體完成溫度后保持該線(xiàn)在奧氏體完成溫度以上所需的電流)。在電池供電的裝置中這是一個(gè)需要考慮的重要問(wèn)題，因?yàn)樵谝欢ǔ潭壬?，電池的壽命依?lài)于電耗的速率；但是在需要許多導(dǎo)線(xiàn)和增加的控制能力時(shí)要付出代價(jià)。通常地，在單個(gè)運(yùn)行期，供電也可以是從執(zhí)行器的一端至另一端，因而僅需要兩根引線(xiàn)，控制也簡(jiǎn)化。在這種情況下，需要把構(gòu)件302上的點(diǎn)331和322以及構(gòu)件303上的點(diǎn)332和323用導(dǎo)線(xiàn)連接起來(lái)，因而電流可從點(diǎn)321流到點(diǎn)333，并進(jìn)而當(dāng)對(duì)點(diǎn)321和333施加電壓時(shí)會(huì)引起所有3根線(xiàn)311、312和313同時(shí)收縮。如果剛性構(gòu)件301、302和303不導(dǎo)電，則必須提供合適的電路(跨接線(xiàn))來(lái)提供所需的電連接。如果剛性構(gòu)件自身導(dǎo)電并且形狀記憶合金線(xiàn)可以導(dǎo)電的方式和它們相連，那么剛性構(gòu)件自身則作為跨接線(xiàn)，但是這要求，除了在連接點(diǎn)321、322、323、331和332之外，形狀記憶合金線(xiàn)自身是電絕緣的或與剛性構(gòu)件分隔開(kāi)，從而確保電流完全通過(guò)形狀記憶合金線(xiàn)。
在第二個(gè)實(shí)施例中，為進(jìn)一步減小執(zhí)行器的所需空間，剛性構(gòu)件可以排列成同心管，而形狀記憶合金線(xiàn)則放置在管的外側(cè)，如圖4A和4B所示。在圖4A中，通常示于40處的執(zhí)行器包括兩個(gè)管(或一個(gè)外管和一個(gè)內(nèi)棒)，外管401固定于某個(gè)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)上(未示出)，形狀記憶合金線(xiàn)411的一端412以預(yù)應(yīng)力鋼絲束方式(tendon-like fashion)和所受載荷相連(也未示出)。內(nèi)管/棒402在外管401內(nèi)滑動(dòng)。在內(nèi)管/棒402的一端，線(xiàn)411的另一端連接到連接點(diǎn)413上，而第二根線(xiàn)421在連接點(diǎn)422處連接到內(nèi)管/棒402的另一端并且也與連接點(diǎn)423連接，連接點(diǎn)423與外管401剛性相連。通常內(nèi)管/棒402是導(dǎo)電的，因而用電源線(xiàn)把點(diǎn)412和423連接起來(lái)則形成一個(gè)電路從點(diǎn)412依次通過(guò)兩根形狀記憶合金線(xiàn)到點(diǎn)423。外管可以是不導(dǎo)電的；但如果外管導(dǎo)電，則外管必須絕緣或與內(nèi)管電氣分離。在圖4B中，一般示于43處的執(zhí)行器包括一個(gè)外管431，帶有一對(duì)相對(duì)的內(nèi)管/棒432A和432B，每個(gè)與不同的結(jié)構(gòu)(未示出)相連，從而在它們之間施加力。形狀記憶合金線(xiàn)441A的一端在連接點(diǎn)442A處與外管431相連，另一端在連接點(diǎn)443A處與內(nèi)管/棒432A相反的一端相連。因而線(xiàn)441A的收縮驅(qū)使內(nèi)管/棒432A進(jìn)入外管431。相似地，線(xiàn)441B的收縮驅(qū)使內(nèi)管/棒432B從相反的方向進(jìn)入外管431。這樣產(chǎn)生了一個(gè)相對(duì)的執(zhí)行器，如果內(nèi)端433A和433B通過(guò)外管431的孔洞與一個(gè)待移動(dòng)的結(jié)構(gòu)(未示出)相連，那么通過(guò)對(duì)線(xiàn)441A或441B施加動(dòng)力，這種結(jié)構(gòu)就可以沿外管431的軸在一個(gè)方向或另一個(gè)方向進(jìn)行移動(dòng)?？梢杂脠D4A所示類(lèi)型的執(zhí)行器對(duì)這種構(gòu)形進(jìn)行改進(jìn)，使其成為行程放大形狀記憶合金執(zhí)行器，圖4A顯示了執(zhí)行器43的一半組件。
顯然，這些同心管執(zhí)行器的兩種構(gòu)形都可以擴(kuò)展，即在裝置中加入額外的同心管，從而達(dá)到更大的位移。為增加可獲得的傳遞力，在相同的構(gòu)架中可以使用多重平行的形狀記憶合金線(xiàn)，而不會(huì)對(duì)周期時(shí)間有不利影響。
在適合于制成6腿類(lèi)似于Stiquito的行走機(jī)器人的尺度，制造了一組實(shí)驗(yàn)性的執(zhí)行器。制成的裝置能以大約1厘米/秒的速度行走，這可以順利地與Stiquito的3-10厘米/分的速度相比較。在這個(gè)實(shí)施例中，用于這些執(zhí)行器的同心管由鋁制成的。外管長(zhǎng)為4厘米，外管直徑為2.4毫米，執(zhí)行器產(chǎn)生的行程至少為3.2毫米。用尺寸為00-99的小黃銅螺帽和螺栓把形狀記憶合金線(xiàn)與鋁管固定。所采用的形狀記憶合金是Flexinol鈦-鎳合金(Dyalloy公司)，直徑為50微米，產(chǎn)生的力為35克。形狀記憶合金的加熱是利用1KHz脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)，該信號(hào)在6伏的幅度處傳遞110mA的最大電流。某些執(zhí)行器(那些用于承載機(jī)器人重量的執(zhí)行器)有兩個(gè)平行的形狀記憶合金線(xiàn)連接到管，因而傳遞70克的力。兩種類(lèi)型執(zhí)行器的周期時(shí)間約為0.7秒。
在優(yōu)選的第三個(gè)實(shí)施例中，執(zhí)行器由一組疊置的平行板組成，這些平行板互相電氣絕緣并用形狀記憶合金線(xiàn)相連。這種執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)如圖5至圖8所示。
圖5概念性地顯示這樣一種疊置的平板執(zhí)行器(一般性地示于50處)，包括3個(gè)剛性導(dǎo)電板511至513，它們由兩根形狀記憶合金線(xiàn)521和522連接。線(xiàn)521在連接點(diǎn)521A處與平板511相連并在連接點(diǎn)521B處與平板512相連，而線(xiàn)522在連接點(diǎn)522A處與平板512相連并在接點(diǎn)522B處與平板513相連。平板511至513是分離開(kāi)的并且相互電絕緣，如通過(guò)在它們之間放置低摩擦聚合物薄片(例如，聚四氟乙烯或另一種含氟聚合物、或聚酰胺，如尼龍或聚酰亞胺薄膜)，或?qū)ζ桨逋扛驳湍Σ辆酆衔锊牧希蚨桨逑嗷ブg可以容易滑動(dòng)。平板511在靠近線(xiàn)連接點(diǎn)521A的一端有一個(gè)外部接頭、圖示為孔洞5111，而平板513在靠近線(xiàn)連接點(diǎn)522B的一端有一個(gè)外部接頭、圖示為孔洞5131。當(dāng)在平板511上接點(diǎn)和平板513上接點(diǎn)之間對(duì)執(zhí)行器施加電能時(shí)，形狀記憶合金線(xiàn)521和522被加熱并收縮，由此移動(dòng)外部接頭5111和5131，使它們靠近。執(zhí)行器的行程大約是線(xiàn)521和522收縮的總和，因而大約是每根線(xiàn)獨(dú)自收縮的兩倍，然而施加的力將基本上不小于每根線(xiàn)所施加的力。很顯然，通過(guò)簡(jiǎn)單地增加平板和線(xiàn)的數(shù)目可使執(zhí)行器的行程增加。
對(duì)圖5中執(zhí)行器的改變見(jiàn)圖6、圖7、圖8A和圖8B。
圖6表示用于這種執(zhí)行器的“工字梁”形或“狗骨頭”形平板。該平板通常顯示在60處，有一個(gè)延長(zhǎng)軸61以及端頭62和63。外部連接點(diǎn)62A和63A可以在平板的任一端或兩端。外部連接點(diǎn)62A和63A，例如，可以是孔洞，外部鋼絲束等可以穿過(guò)孔洞進(jìn)行連接。雖然，通常僅上部平板的一端和下部平板的另一端與外部連接來(lái)傳遞執(zhí)行器的力到外部載荷，但可以方便地把所有平板制成相同形式。在端部62和63還有線(xiàn)連接點(diǎn)62B和63B。為方便起見(jiàn)，這些連接點(diǎn)表示在端部的側(cè)面，但它們可以在任何方便的地方。相似的線(xiàn)連接點(diǎn)也可以在端部的另一側(cè)，從而使兩根線(xiàn)在每對(duì)平板之間相連并加倍來(lái)自執(zhí)行器的力。
圖7是執(zhí)行器(一般表示為70)的透視圖，有6個(gè)疊置的平板71至76和5根形狀記憶合金線(xiàn)711至715。在圖中，線(xiàn)是處于松動(dòng)狀態(tài)而執(zhí)行器是處于其伸展的位置。平板71至76是用導(dǎo)電材料，如黃銅，制備而成，這些平板安裝在殼體77中，并用絕緣層(未示出)把平板分離開(kāi)，殼體77限制了平板的平行移動(dòng)。殼體77通常由熱塑性聚合物材料制備而成，如聚碳酸酯、聚苯乙烯等?？梢栽邳c(diǎn)711A(線(xiàn)711在這兒與平板71相連)和點(diǎn)715B(線(xiàn)715在這兒與平板76相連)之間對(duì)執(zhí)行器施加電能；或者，因?yàn)槠桨迨菍?dǎo)電的，可以在平板711和715的任何地方對(duì)執(zhí)行器施加電能，從而通過(guò)所有6個(gè)平板和5根線(xiàn)構(gòu)成一個(gè)回路。
圖8A和圖8B是類(lèi)似執(zhí)行器的側(cè)視圖。圖8A(和圖7一樣)表示執(zhí)行器在其伸展位置，而圖8B表示執(zhí)行器在其收縮位置，其中粗箭頭表示收縮的方向。這里收縮是對(duì)稱(chēng)的，因而平板的端部對(duì)齊，但并不要求如此。這種執(zhí)行器的行程將約是任何單根線(xiàn)獨(dú)自收縮的5倍，而執(zhí)行器可施加的力將不會(huì)明顯地低于任何線(xiàn)所施加的力。
雖然該執(zhí)行器(和根據(jù)本發(fā)明的所有形狀記憶合金執(zhí)行器一樣)的運(yùn)行通過(guò)形狀記憶合金線(xiàn)的收縮(當(dāng)被加熱時(shí))，因而，如圖8B所示，執(zhí)行器的長(zhǎng)度會(huì)減小，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解可以加長(zhǎng)一個(gè)平板，如平板76，加延伸部分761是在平板的與有連接點(diǎn)715B一端相反的一端。比較圖8A和圖8B中連接點(diǎn)711A和延伸部分761的相對(duì)位置，可以看到，當(dāng)執(zhí)行器收縮時(shí)加長(zhǎng)部分761的延長(zhǎng)超過(guò)連接點(diǎn)711A。因此，通過(guò)適當(dāng)延長(zhǎng)一個(gè)最外層平板和固定另一個(gè)最外層平板，基于收縮的執(zhí)行器既可以推也可以拉。
如上所述，在圖6至圖8B中，形狀記憶合金線(xiàn)是僅顯示在一側(cè)，但可以有第二組線(xiàn)在另一側(cè)，從而加倍致動(dòng)力。同樣，如上所述，可以根據(jù)需要增加平板和線(xiàn)的數(shù)目從而增加執(zhí)行器的行程。
當(dāng)平板數(shù)目增加時(shí)，可以用一種方法來(lái)降低驅(qū)動(dòng)多平板執(zhí)行器所需要的總電壓。該方法是使用奇數(shù)的平板(偶數(shù)的形狀記憶合金線(xiàn))，并且不是在最外層平板之間對(duì)執(zhí)行器施加電能(假定平板電阻顯著低于線(xiàn)電阻，此時(shí)的執(zhí)行器電阻將是所有線(xiàn)電阻的總和)而是電連接最外層平板并在這兩個(gè)最外層平板和中間平板之間施加電能(此時(shí)執(zhí)行器的電阻將是所有線(xiàn)電阻總和的一半)。這使我們可以使用較低的電源電壓，雖然電流用量將加倍。
在第二個(gè)方面，本發(fā)明提供了單線(xiàn)行程放大形狀記憶合金執(zhí)行器。這種執(zhí)行器使行程放大但沒(méi)有顯著的力下降并且沒(méi)有靠機(jī)械上復(fù)雜的解決方法，如滑輪或求助于會(huì)減小可獲得力的機(jī)制。
如圖9所示，根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)方面的基本設(shè)計(jì)，包括兩個(gè)平行的空心低摩擦非導(dǎo)電管或棒901和902，形狀記憶合金線(xiàn)910則圍繞它們纏繞，其作用類(lèi)似滑輪。所述管/棒的半徑大于形狀記憶合金線(xiàn)的最小彎曲半徑(如前所述，可重復(fù)進(jìn)行奧氏體-馬氏體轉(zhuǎn)變的最小彎曲半徑約是線(xiàn)直徑的50倍)，它們由低摩擦聚合物材料制備而成或涂覆低摩擦聚合物材料，所用聚合物材料能耐得住加熱時(shí)形狀記憶合金線(xiàn)的溫度。管/棒安裝在一個(gè)構(gòu)架上，在圖中表示為一對(duì)平板921和922。該構(gòu)架是剛性的，因而管/棒保持相隔一定的距離。當(dāng)加熱形狀記憶合金線(xiàn)910時(shí)(例如，電流通過(guò)其中)時(shí)，它會(huì)收縮并在低摩擦管/棒上滑動(dòng)，這引起該線(xiàn)的端部沿箭頭方向移動(dòng)。由于管/棒的低摩擦特性，形狀記憶合金線(xiàn)在其上滑動(dòng)而沒(méi)有明顯的力損失，這使得可以使用更細(xì)的形狀記憶合金線(xiàn)，進(jìn)而導(dǎo)致響應(yīng)性的巨大增加，原因在于冷卻速率非線(xiàn)性依賴(lài)于線(xiàn)直徑。適合于制備該管/棒或?qū)?棒進(jìn)行涂覆的聚合物是聚四氟乙烯和其他的氟化聚合物。它們不僅能耐得住高溫，而且能有效傳熱，因而管/棒也起到形狀記憶合金線(xiàn)散熱片的作用，這進(jìn)一步改善了所制成執(zhí)行器的響應(yīng)性。這樣制成的執(zhí)行器比用傳統(tǒng)方法制成的執(zhí)行器具有更小的體積和更大的敏感性，而且還避免了滑輪的機(jī)械復(fù)雜性。
對(duì)本方面的一個(gè)改變是采用窄口徑管931和932，它們由聚合物制備而成或用聚合物進(jìn)行內(nèi)涂覆，如聚四氟乙烯或其他的含氟聚合物；窄口徑管的內(nèi)徑稍大于形狀記憶合金線(xiàn)的直徑，從而當(dāng)線(xiàn)繞過(guò)管/棒901時(shí)，把線(xiàn)包起來(lái)，如圖10所說(shuō)明(該圖僅顯示執(zhí)行器的一端，另一端相似)，這種結(jié)構(gòu)增加了管的散熱效果并允許使用導(dǎo)電管/棒。對(duì)小直徑的形狀記憶合金線(xiàn)而言，形狀記憶合金線(xiàn)對(duì)管931所施加的力較小，因而可以省去管/棒901，如圖11所示，該圖僅說(shuō)明了在形狀記憶合金線(xiàn)中有單個(gè)彎曲處的情況(很顯然，在形狀記憶合金線(xiàn)中的其他彎曲處可以類(lèi)似地處理)。
在圖12中，概略地說(shuō)明了這種執(zhí)行器如何運(yùn)行的一個(gè)實(shí)施例。在該實(shí)施例中，以相反的構(gòu)形使用了四個(gè)執(zhí)行器來(lái)完成兩個(gè)自由度接頭的任務(wù)，如用于機(jī)器人的臀部關(guān)節(jié)。形狀記憶合金線(xiàn)1201、1202、1203和1204(圖中未示出，由臂1221所遮蔽)分別繞過(guò)低摩擦管/棒1211、1212、1213和1214，這些管/棒是安裝在平板1200上。一個(gè)相似的平板和一組棒形成執(zhí)行器的“背部”(示出但未編號(hào))。僅顯示出越過(guò)管/棒從執(zhí)行器“前部”伸出來(lái)的線(xiàn)的端部，以便降低復(fù)雜性和簡(jiǎn)化對(duì)該圖的理解，雖然每根形狀記憶合金線(xiàn)的構(gòu)造與圖9中更完全示出的構(gòu)造一樣。通過(guò)對(duì)形狀記憶合金線(xiàn)提供動(dòng)力，可以使臂1221的末端1223上下、左右移動(dòng)，如在臂端部的箭頭所說(shuō)明的，其中臂1221通過(guò)一個(gè)接頭1222(如球窩式接頭)與平板1200聯(lián)接。配合地對(duì)形狀記憶合金線(xiàn)提供動(dòng)力則可以產(chǎn)生任何所希望的對(duì)角線(xiàn)或曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)在較小空間需要許多執(zhí)行器時(shí)，構(gòu)架和管則可以由多個(gè)執(zhí)行器共用；例如，一對(duì)相對(duì)的執(zhí)行器在相同的棒上移動(dòng)但形狀記憶合金線(xiàn)導(dǎo)向構(gòu)架相反的側(cè)面。在這種情況下，執(zhí)行器可以是獨(dú)立的線(xiàn)，因而它們被獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)，由此減小了成對(duì)執(zhí)行器系統(tǒng)的尺寸。也可以用下述構(gòu)形把單根線(xiàn)用于一對(duì)執(zhí)行器線(xiàn)被固定在其中心。如果那個(gè)中心是電接點(diǎn)，線(xiàn)每一半則可以獨(dú)立地供電，從而獲得一對(duì)但相互獨(dú)立的二重執(zhí)行器系統(tǒng)(雖然兩個(gè)執(zhí)行器可以同時(shí)驅(qū)動(dòng))。如果那個(gè)中心不是作為電接點(diǎn)，或者如果線(xiàn)的兩個(gè)終端是電相連的，那么在整個(gè)線(xiàn)被提供動(dòng)力的任一情況下，其結(jié)果是單個(gè)執(zhí)行器移動(dòng)并對(duì)兩個(gè)相反的點(diǎn)施加收縮力。對(duì)對(duì)稱(chēng)裝置來(lái)說(shuō)，這種構(gòu)形特別有用；如在多腿行走機(jī)器人中的相反側(cè)的一雙腿，如昆蟲(chóng)、蜘蛛或蜈蚣；并且容易想象，可以對(duì)成對(duì)的執(zhí)行器進(jìn)行一定的安排從而使相反的腿在一個(gè)方向同時(shí)移動(dòng)，例如，兩腿同時(shí)向前，或者在相反的方向同時(shí)移動(dòng)，例如，一腿向前、另一腿向后。在這種特定用途中，通過(guò)使用在此及本說(shuō)明書(shū)中其他處所描述的成對(duì)執(zhí)行器，可以減少執(zhí)行器的數(shù)目和操作回路的復(fù)雜性。
在第三個(gè)方面，本發(fā)明為形狀記憶合金執(zhí)行器的陣列提供了非常緊湊和簡(jiǎn)單的控制機(jī)制，其中形狀記憶合金執(zhí)行器是用脈沖寬度調(diào)制方法進(jìn)行加熱并用電阻作為反饋機(jī)制(本領(lǐng)域熟知的技術(shù)，在圖13中進(jìn)行概要說(shuō)明)。在圖13中，脈沖寬度調(diào)制發(fā)生器1302對(duì)形狀記憶合金元件1303提供脈沖寬度調(diào)制脈沖，負(fù)載周期和時(shí)間由控制器1301所確定。在脈沖寬度調(diào)制脈沖斷開(kāi)期間，電阻測(cè)量系統(tǒng)1306測(cè)量形狀記憶合金元件的電阻，進(jìn)行采樣并保持在采樣-保持系統(tǒng)1305中。斷開(kāi)期間采樣避免了在短暫的接通期間可能發(fā)生的誤采樣。采樣-保持系統(tǒng)中的模擬信號(hào)傳遞到模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器1304并轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，此時(shí)控制器1301可以讀取該信號(hào)。然后控制器利用這種信號(hào)來(lái)改變脈沖寬度調(diào)制發(fā)生器的負(fù)載周期從而使形狀記憶合金元件達(dá)到希望的位置。在具有一個(gè)以上形狀記憶合金元件的系統(tǒng)中，在圖13虛線(xiàn)框內(nèi)的所有系統(tǒng)需就每個(gè)執(zhí)行器進(jìn)行復(fù)制，這顯著地增加了成本和裝置的復(fù)雜性。眾所周知，通過(guò)對(duì)若干采樣-保持系統(tǒng)多路復(fù)用控制器，就可以把所需要的若干模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器減少到一個(gè)。
本發(fā)明避免了高電流開(kāi)關(guān)的重復(fù)，如在美國(guó)專(zhuān)利第5,763,979號(hào)中所披露的方法和在圖13中所說(shuō)明的方法都需要這種重復(fù)，并且本發(fā)明利用定時(shí)控制從而不需要采樣-保持系統(tǒng)。電阻測(cè)量系統(tǒng)在復(fù)雜程度上也大大減小。
如圖14所示，在本發(fā)明的這個(gè)方面，所有形狀記憶合金執(zhí)行器有一個(gè)同步的負(fù)載周期。在從脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動(dòng)器1402到形狀記憶合金元件1403接通電源的每個(gè)循環(huán)之初，在脈沖寬度調(diào)制控制器1401中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，然后該控制器在模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器中開(kāi)始模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換。以這種方式，脈沖寬度調(diào)制脈沖用作兩個(gè)目的加熱和電阻測(cè)量電壓。對(duì)最小負(fù)載周期進(jìn)行了計(jì)算，它比進(jìn)行一個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換加上中斷等待時(shí)間的留量所需要的時(shí)間要長(zhǎng)。
相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的第二個(gè)變化是多路復(fù)用電阻測(cè)量系統(tǒng)的輸入值，從而所有執(zhí)行器共用電阻測(cè)量系統(tǒng)和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。用這種方法，對(duì)每個(gè)形狀記憶合金元件1403僅需要復(fù)制脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動(dòng)器1402(如虛線(xiàn)框所示)。引起一個(gè)新的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換的中斷也依次選擇下一個(gè)執(zhí)行器，并通過(guò)為多路復(fù)用器1407編制程序方法對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行采樣。因而，在每個(gè)脈沖寬度調(diào)制期間只有一個(gè)執(zhí)行器被采樣，并且當(dāng)控制器開(kāi)始轉(zhuǎn)換時(shí)，脈沖寬度調(diào)制信號(hào)一定是處于接通狀態(tài)。此外，因?yàn)殡娮铚y(cè)量系統(tǒng)是在多路復(fù)用器的后面，僅當(dāng)脈沖較高時(shí)多路復(fù)用器才會(huì)接通，因而電阻測(cè)量系統(tǒng)可以非常簡(jiǎn)單。例如，電阻測(cè)量系統(tǒng)可以?xún)H包括一個(gè)電阻器。這點(diǎn)優(yōu)于在K.Ikuta，M.Tsukamoto，S.Hirose的“具有電阻反饋的形狀記憶合金伺服執(zhí)行器以及在有源內(nèi)窺鏡上的應(yīng)用”(Shape Memory AlloyServo Actuator with Electrical Resistance Feedback)一文中所用的復(fù)雜的電源和橋接電路，該復(fù)雜的電源和橋接電路是在脈沖寬度調(diào)制脈沖的斷開(kāi)期間測(cè)量電阻。該系統(tǒng)也比美國(guó)專(zhuān)利第5,763,979號(hào)中所描述的系統(tǒng)要緊湊得多，因?yàn)樵撓到y(tǒng)無(wú)需每個(gè)執(zhí)行器有一個(gè)大電流開(kāi)關(guān)，這顯著節(jié)省了空間和成本，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下這些開(kāi)關(guān)是控制器的最大和最昂貴的部件。
雖然多路復(fù)用器可以用循環(huán)的方式依次選擇執(zhí)行器進(jìn)行采樣，但一種替換的采樣方法把多路復(fù)用器擴(kuò)大到下一個(gè)要采樣的執(zhí)行器，其原理是考慮到系統(tǒng)的電源使用率。例如，可以跳過(guò)負(fù)載周期為0％(即，斷開(kāi)狀態(tài))的執(zhí)行器。在許多應(yīng)用場(chǎng)合，僅有限數(shù)目的可獲得執(zhí)行器在特定時(shí)間被有源加熱，因而這種方法能顯著增加那些被主動(dòng)控制的執(zhí)行器的采樣速率。
脈沖寬度調(diào)制控制特別有吸引力，因?yàn)樵S多商用微型控制器含有產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的內(nèi)置硬件，這減少了對(duì)控制器進(jìn)行計(jì)算輔助操作；此外，脈沖寬度調(diào)制輸出經(jīng)常用于聲頻芯片(soundchips)(如那些用于通話(huà)問(wèn)候卡中的聲頻芯片)作為一種便宜的數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換裝置，使這些低成本電路片適合于作為根據(jù)本發(fā)明的形狀記憶合金執(zhí)行器的控制器。例如，在低成本小型模件中雙通道聲電路片可用來(lái)產(chǎn)生聲音和移動(dòng)。在某些應(yīng)用場(chǎng)合，可能不需要全脈沖寬度調(diào)制控制，一種便宜的定時(shí)電路片可用來(lái)產(chǎn)生所需的數(shù)字信號(hào)。此外，當(dāng)可獲得溫度信號(hào)(事實(shí)上，一種Rsma信號(hào))時(shí)，脈沖寬度調(diào)制控制減少了電流量，因?yàn)闊o(wú)需限流電阻器來(lái)防止形狀記憶合金元件的過(guò)熱。此外，由于形狀記憶合金線(xiàn)中的電流傾向于(和所有固體導(dǎo)體的情況一樣)集中在線(xiàn)的表面，因而存在“熱點(diǎn)”和不均勻熱分布的風(fēng)險(xiǎn)，這減少了線(xiàn)的壽命。脈沖輸送激活電壓(activatingvoltage)有利于形狀記憶合金線(xiàn)中的熱傳導(dǎo)，可以獲得更均勻的熱分布。進(jìn)一步，在傳統(tǒng)的直流電流控制系統(tǒng)中，形狀記憶合金電流是有效恒定和相對(duì)較低的，因其是由限流電阻器所決定的，選擇該電阻器的值，從而當(dāng)形狀記憶合金元件完全收縮時(shí)避免其過(guò)熱。在帶有電阻反饋的脈沖寬度調(diào)制或脈沖方法中，起初用高負(fù)載周期來(lái)加熱形狀記憶合金元件，這導(dǎo)致迅速的起始移動(dòng)。當(dāng)形狀記憶合金元件達(dá)到其希望的位置時(shí)，降低負(fù)載周期，并僅供給足以保持形狀記憶合金元件處于所希望狀態(tài)所需的電能。
進(jìn)一步，本發(fā)明利用低成本預(yù)埋微型控制器的記憶和數(shù)據(jù)處理能力來(lái)分析電阻隨時(shí)間的性能，而不是基于瞬時(shí)或峰值電阻來(lái)確定位置控制和校準(zhǔn)。這種方法導(dǎo)致更好地進(jìn)行校準(zhǔn)和位置控制，并且也可以獲得先前無(wú)法獲得的信息。特別是，該系統(tǒng)能在廣泛的操作范圍內(nèi)自動(dòng)適應(yīng)形狀記憶合金的構(gòu)形，能進(jìn)行連續(xù)的校準(zhǔn)和位置控制，能探測(cè)施加于執(zhí)行器的載荷并且也能探測(cè)在執(zhí)行器和某個(gè)外部物體之間的碰撞的機(jī)械障礙物。自動(dòng)校準(zhǔn)圖15表示在從低于奧氏體開(kāi)始溫度到高于奧氏體完成溫度的加熱過(guò)程中，電導(dǎo)率和執(zhí)行器位置之間的關(guān)系。將位置變化(收縮程度)繪制成一個(gè)正數(shù)-時(shí)間曲線(xiàn)，從施加電壓開(kāi)始，用實(shí)線(xiàn)表示；而將電導(dǎo)率變化繪制成電導(dǎo)率-時(shí)間曲線(xiàn)，用虛線(xiàn)表示。選擇位置和電導(dǎo)率的尺度，以便能非常容易地看到兩條曲線(xiàn)的相似性，從而說(shuō)明可采用電導(dǎo)率來(lái)模擬位置。典型執(zhí)行器的加熱時(shí)間約為0.3秒至1秒。通過(guò)測(cè)量通過(guò)一個(gè)檢測(cè)電阻的電壓降可以測(cè)量電導(dǎo)率(如圖16所示)。對(duì)施加于形狀記憶合金元件的恒定外加電壓(Vsma)來(lái)說(shuō)，通過(guò)檢測(cè)電阻(它有一個(gè)電阻R檢測(cè))的電壓降是與通過(guò)形狀記憶合金元件和檢測(cè)電阻器的電流成正比。所以利用電流以及從模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器1602測(cè)得的電壓可以容易地計(jì)算形狀記憶合金元件的電導(dǎo)率(1/Rsma)。這種數(shù)字電壓信號(hào)特別適用于控制器/脈沖寬度調(diào)制發(fā)生器1601。在加熱初期，電導(dǎo)率(1/電阻)下降，然后過(guò)了一段時(shí)間改變方向并開(kāi)始增加。直到電導(dǎo)率的變化反向才會(huì)發(fā)生移動(dòng)。這點(diǎn)是最小電導(dǎo)率Cmin(也是最大電阻)，并對(duì)應(yīng)于奧氏體開(kāi)始溫度。通常認(rèn)為低于奧氏體開(kāi)始溫度區(qū)域內(nèi)的信息是無(wú)用的并從位置控制方法中排除。然而，分析和實(shí)驗(yàn)表明，這種轉(zhuǎn)向的深度和持續(xù)時(shí)間與執(zhí)行器的外加電荷成正比。因此，通過(guò)用電子儀器，從起始電導(dǎo)率(Cstart，沒(méi)有任何伸展的電導(dǎo)率)“畫(huà)”一條水平線(xiàn)穿過(guò)電阻-位置曲線(xiàn)并計(jì)算電導(dǎo)率/時(shí)間曲線(xiàn)和那根線(xiàn)之間的面積(圖15中的陰影面積)，用適當(dāng)?shù)某叨认禂?shù)(由實(shí)驗(yàn)確定)進(jìn)行放大，從而可以計(jì)算執(zhí)行器正抵抗的外加載荷。對(duì)行程僅幾個(gè)毫米的執(zhí)行器可以進(jìn)行這些測(cè)量，并達(dá)到這樣的精度，即能看到一個(gè)分幣和兩個(gè)分幣作為外加載荷所產(chǎn)生的差異。
其次在圖15中可以看到，隨著電導(dǎo)率變化的另一個(gè)倒轉(zhuǎn)，在位置和電導(dǎo)率之間有一個(gè)相對(duì)線(xiàn)性關(guān)系的區(qū)域。電導(dǎo)率峰值的頂部并不對(duì)應(yīng)于最小電阻，因?yàn)?，正如可以看到的，在該點(diǎn)執(zhí)行器的位置仍在變化，這表明還未達(dá)到奧氏體完成溫度。因而，采用簡(jiǎn)單的峰值探測(cè)器來(lái)確定最小電阻的系統(tǒng)高估了最小電阻。通過(guò)記錄電導(dǎo)率達(dá)到平衡狀態(tài)的值可以獲得更好的性能。在這一點(diǎn)，合金的溫度是在或高于奧氏體完成溫度并已達(dá)到最大位移。
因?yàn)樽钚‰娮韬妥畲箅娮璧奶綔y(cè)完全依賴(lài)于隨時(shí)間變化的電阻而不是其絕對(duì)值，因而該系統(tǒng)能動(dòng)態(tài)適用于不同長(zhǎng)度的形狀記憶合金部件。對(duì)可支撐長(zhǎng)度的限制是(1)用來(lái)加熱形狀記憶合金的電源必須能夠使形狀記憶合金達(dá)到奧氏體完成溫度，(2)形狀記憶合金的電阻必須足夠大，從而使形狀記憶合金不會(huì)以比控制系統(tǒng)反應(yīng)速度更快的速度達(dá)到奧氏體完成溫度和過(guò)分加熱。實(shí)際上，這使得相同的控制系統(tǒng)在廣泛的范圍內(nèi)自動(dòng)地適用于形狀記憶合金執(zhí)行器；這點(diǎn)特別具有吸收力，因?yàn)樵谠S多應(yīng)用場(chǎng)合，控制系統(tǒng)將同時(shí)控制若干不同長(zhǎng)度的執(zhí)行器。電阻反饋控制圖16說(shuō)明第一種電阻測(cè)量(電阻反饋)技術(shù)?？刂破?脈沖寬度調(diào)制發(fā)生器把脈沖寬度調(diào)制邏輯脈沖從脈沖寬度調(diào)制輸出端1601A送到電源開(kāi)關(guān)晶體管1603(如場(chǎng)效應(yīng)晶體管或雙極晶體管)，電源開(kāi)關(guān)晶體管1603使電流通過(guò)形狀記憶合金元件。鑒于在奧氏體相和馬氏體相之間電阻變化較小，通常僅約形狀記憶合金元件電阻的10％，因而需要測(cè)量有一定的敏感度。在圖16中，要選擇電阻盡可能小的傳感電阻，例如，大約1歐姆，因而可獲得最大的電流來(lái)加熱形狀記憶合金元件的電阻(Rsma)。這又意味著通過(guò)傳感電阻的電壓變化較小，因而在傳送到控制器/脈沖寬度調(diào)制發(fā)生器1601的模擬-數(shù)字插頭前必須用放大器1602進(jìn)行放大。對(duì)大多數(shù)外加電壓(Vsma)的實(shí)際值來(lái)說(shuō)，當(dāng)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)較低時(shí)，在模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器插頭處的電壓可能會(huì)超過(guò)最大可接受電壓(通常約5V)，因而在放大器1602的輸出端可以使用箝位二極管。然而，這種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的電路不僅要求控制器1601有模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換能力(或加上一個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器)，而且要求該電路包括一個(gè)傳感電阻器和一個(gè)放大器1602。
如圖17概略所示，一種改進(jìn)的傳感電路消除了傳感電阻器和放大器，而且控制器不需要有模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換能力。當(dāng)在控制器/脈沖寬度調(diào)制發(fā)生器1701的輸出端1701A處的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)是處于邏輯“1”(“接通”)狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)換晶體管1703允許電流通過(guò)形狀記憶合金元件，形狀記憶合金元件用符號(hào)表示為Rsma；在控制器輸入位置1701B處的電壓是形狀記憶合金元件的電壓(Vsma)減去通過(guò)轉(zhuǎn)換晶體管1703時(shí)的電壓降。在電容器C1非接地端具有相同的電壓。因?yàn)檩斎胛恢?701B是一個(gè)輸入插頭因而具有高阻抗，它不會(huì)干擾通過(guò)形狀記憶合金元件的電流。
當(dāng)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)從位置1701A處進(jìn)入邏輯“0”狀態(tài)(在負(fù)載周期的斷開(kāi)期間)時(shí)，轉(zhuǎn)換晶體管1703關(guān)斷通過(guò)形狀記憶合金元件的電流，電容器C1則立即開(kāi)始通過(guò)形狀記憶合金元件放電。最后，在位置1701B處的電壓降到輸入端的轉(zhuǎn)變閾值以下，因而輸入端從邏輯“1”狀態(tài)轉(zhuǎn)換到邏輯“0”狀態(tài)。通過(guò)測(cè)量一旦脈沖寬度調(diào)制信號(hào)進(jìn)入邏輯“0”狀態(tài)電容器C1放電所需要的時(shí)間，則可以確定RC常數(shù)(表示RsmaC1)。因?yàn)镃1是常數(shù)，則可以確定形狀記憶合金元件電阻(Rsma)的值；而且，如前所述，在馬氏體-奧氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中，這個(gè)值將變化。一個(gè)相似的方法包括形狀記憶合金元件和電容器，電容器是并聯(lián)在轉(zhuǎn)換晶體管1703和形狀記憶合金元件(Vsma)之間，而不是并聯(lián)在晶體管1703和地線(xiàn)之間，因而將測(cè)量電容器充電時(shí)間而不是放電時(shí)間，并用來(lái)確定形狀記憶合金元件電阻的值。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，鑒于本申請(qǐng)書(shū)披露的內(nèi)容，其他使用RC時(shí)間常數(shù)測(cè)量的類(lèi)似方法是顯而易見(jiàn)的。位置傳感在開(kāi)始的幾個(gè)加熱和冷卻循環(huán)中，通過(guò)上述方法已經(jīng)確認(rèn)了最小電阻和最大電阻，因而基于一種簡(jiǎn)單的狀態(tài)機(jī)構(gòu)的輸出值，控制系統(tǒng)能準(zhǔn)確地對(duì)位置進(jìn)行報(bào)告，其中簡(jiǎn)單的狀態(tài)機(jī)構(gòu)知道線(xiàn)是在加熱的起始階段、線(xiàn)性部分、或頂部平穩(wěn)狀態(tài)。力探測(cè)在幾個(gè)加熱和冷卻循環(huán)以后，控制系統(tǒng)記住了起始電阻轉(zhuǎn)向的大小和時(shí)間，并假定這是未加載狀態(tài)。在進(jìn)一步的循環(huán)中，該系統(tǒng)可以報(bào)告載荷相當(dāng)于起始載荷的倍數(shù)或分?jǐn)?shù)。碰撞探測(cè)在幾個(gè)加熱和冷卻循環(huán)以后，控制系統(tǒng)形成了一種上部平穩(wěn)狀態(tài)將在何處發(fā)生的“預(yù)期”。如果平穩(wěn)狀態(tài)發(fā)生在比預(yù)期更高的電阻值，那么或者執(zhí)行器受到機(jī)械障礙或者熱環(huán)境條件已經(jīng)改變，以致于電流不再能提供足夠的動(dòng)力來(lái)達(dá)到奧氏體完成溫度(例如，形狀記憶合金線(xiàn)可能與冷物體熱接觸而被冷卻，或者冷卻空氣流可能正在沖擊形狀記憶合金線(xiàn))。在許多應(yīng)用場(chǎng)合，熱環(huán)境條件變化的概率很小，因而系統(tǒng)可以假定是機(jī)械障礙。事實(shí)上，基于平穩(wěn)狀態(tài)發(fā)生于曲線(xiàn)線(xiàn)性部分之處，該系統(tǒng)甚至能夠推導(dǎo)出沿行程多遠(yuǎn)處發(fā)生障礙。系統(tǒng)失效探測(cè)最后，在加熱過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)突然的電壓窄脈沖或沒(méi)有電壓的情況，軟件對(duì)此解釋為斷路或短路條件，因而采取適當(dāng)?shù)牟襟E來(lái)確保系統(tǒng)安全和有序的關(guān)閉。在顯著過(guò)熱時(shí)，精細(xì)的形狀記憶合金線(xiàn)會(huì)燃燒并在易燃環(huán)境中可能是一個(gè)著火源。
雖然一些先前的形狀記憶合金裝置已經(jīng)確定了單個(gè)執(zhí)行器的位置或載荷，但是本發(fā)明的一個(gè)有吸引力的特點(diǎn)是當(dāng)使用相對(duì)置的執(zhí)行器時(shí)(在復(fù)雜的應(yīng)用中通常是這樣)，可僅使用通電的執(zhí)行器來(lái)進(jìn)行測(cè)量。僅對(duì)加熱的收縮形狀記憶合金線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量避免了處理形狀記憶合金轉(zhuǎn)變的內(nèi)在滯后現(xiàn)象，并確保了位置和載荷的準(zhǔn)確測(cè)量以及位置控制，因?yàn)橄喾吹赐妶?zhí)行器的未加熱線(xiàn)僅起低力值恒定彈簧力的作用。
因?yàn)閷?duì)軟件而言，所有這些特點(diǎn)是簡(jiǎn)單的，因而幾乎不需要計(jì)算(除了一些基本的過(guò)濾以外)。這意味著，這種系統(tǒng)可以作為特定用途的集成電路完全在硬件中實(shí)施或完全由在低成本預(yù)埋微型控制器中的軟件來(lái)實(shí)施。微型控制器的特點(diǎn)對(duì)沒(méi)有反饋的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，每個(gè)執(zhí)行器僅需要一個(gè)微型控制器插頭；然而，如果需要同時(shí)驅(qū)動(dòng)若干執(zhí)行器(如，6腿行走玩具的3條腿)，則可以使用單一輸出插頭來(lái)驅(qū)動(dòng)若干轉(zhuǎn)換晶體管，并從而控制若干執(zhí)行器。當(dāng)使用彈簧偏壓時(shí)，執(zhí)行器的數(shù)目會(huì)減少；因而采用彈簧偏壓的6腿行走器僅需要4個(gè)輸出插頭每?jī)蓚€(gè)(“提升”或“前移”)用于兩套腿的每一條腿。對(duì)有反饋的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，每個(gè)執(zhí)行器需要兩個(gè)插頭一個(gè)用于脈沖寬度調(diào)制輸出，另一個(gè)用于位置傳感輸入；如果采用電容傳感方法，對(duì)每個(gè)執(zhí)行器還需要一個(gè)定時(shí)輸入插頭，如果需要的話(huà)，當(dāng)然可以采用多路復(fù)用器來(lái)減少所需輸入插頭的數(shù)目。通過(guò)采用多通道驅(qū)動(dòng)器芯片也可以減少輸出插頭的數(shù)目，如Allegro UDN5832，它包括32個(gè)高電流輸出驅(qū)動(dòng)器和連續(xù)的外圍界面，在其上連續(xù)的二進(jìn)制數(shù)字可送入并鎖定在驅(qū)動(dòng)器中。在具有許多形狀記憶合金執(zhí)行器的系統(tǒng)中，控制執(zhí)行器的計(jì)算輔助操作可能會(huì)變得重要起來(lái)。控制器在計(jì)算上最集中的活動(dòng)是為許多通道產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號(hào)和對(duì)傳感器反饋值提供中斷信號(hào)。如果完全用軟件來(lái)產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號(hào)(在芯片上沒(méi)有任何脈沖寬度調(diào)制硬件)，那么一個(gè)8MHz Motorola HC08微型控制器僅能同時(shí)驅(qū)動(dòng)大約12個(gè)執(zhí)行器。然而，可以容易地在硬件中完成脈沖寬度調(diào)制的產(chǎn)生，因而可以開(kāi)發(fā)一種定制芯片，它包括多路復(fù)用器、脈沖寬度調(diào)制發(fā)生器和傳感插頭，并且利用連續(xù)的外圍界面使之可以與微型控制器進(jìn)行通訊，從而增加了可以控制的執(zhí)行器的數(shù)目。實(shí)施例小型行程放大執(zhí)行器圖18用部件分解圖表示本實(shí)施例的平板和線(xiàn)的組合件，以181表示。這些平板疊置成平行陣列，平板1811是在最下面，接著是平板1812至1815，最上面是平板1816。每個(gè)平板由某種材料制成，這種材料是剛性的但又足夠柔軟，從而允許分別在壓接接頭1821A和1821B至壓接接頭1825A和1825B處把這種材料壓接到形狀記憶合金線(xiàn)1821至1825上，并且不損傷線(xiàn)(形狀記憶合金線(xiàn)的過(guò)度壓縮引起脆性和轉(zhuǎn)變性能的變化)。制備平板的一種合適材料是中硬彈殼黃銅。該線(xiàn)的連接也可以采用其他方法，但壓接是一種有吸引力的方法，因其容易、經(jīng)濟(jì)、并且不增加組合執(zhí)行器的尺寸。最下面平板1811是相對(duì)于最上面平板1816具有最大行程的執(zhí)行器的平板。平板1811有一個(gè)連接點(diǎn)18111用于外部連接于執(zhí)行器要移動(dòng)的物體，并且通常有一個(gè)伸出物18112來(lái)與中止器接合從而在形狀記憶合金線(xiàn)的伸展和收縮過(guò)程中限制其行程。平板1811通常還有一個(gè)或多個(gè)連接點(diǎn)(示為孔洞18113)用于電源線(xiàn)的連接(未示出)。最上面平板1816可以有缺口或孔洞18161用來(lái)相對(duì)于殼體(圖中未示出)進(jìn)行定位，平板1816還有一個(gè)連接點(diǎn)(示為孔洞18162)用于連接另一根電源線(xiàn)(未示出)。
圖19是組合的執(zhí)行器在殼體1830中的側(cè)視圖。雖然圖中顯示平板1811至1816和壓接接頭1821A至1825B，但為清楚起見(jiàn)僅顯示形狀記憶合金線(xiàn)1825。平板由中硬彈殼黃銅(CA260)制成，為0.2毫米粗，從而適當(dāng)無(wú)損傷地壓接形狀記憶合金線(xiàn)，并且平板仍具有足夠的剛度。一種0.08毫米厚Kapton聚酰胺薄膜(類(lèi)型為HN)的絕緣層(未示出)覆蓋于平板的內(nèi)面，或者類(lèi)似材料的薄片放置在平板之間，從而確保平板間的電分離并提供低摩擦滑動(dòng)表面。線(xiàn)是50微米的Dynalloy Flexinol形狀記憶合金線(xiàn)，其轉(zhuǎn)變溫度是90℃，在10克預(yù)加載拉力下對(duì)線(xiàn)進(jìn)行連接從而避免松馳，否則會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行器的無(wú)效運(yùn)動(dòng)。制備殼體的合適材料是工程熱塑性塑料，如聚碳酸酯或類(lèi)似物。制成的執(zhí)行器的高度為4毫米、寬度為3毫米、伸展長(zhǎng)度為30毫米、收縮長(zhǎng)度為26毫米，因而提供4毫米的行程(行程/長(zhǎng)度比為13％)。整個(gè)執(zhí)行器的重量?jī)H為0.7克。該執(zhí)行器的收縮力為35克，復(fù)原力為4克，極限為1公斤，收縮時(shí)間為0.5秒，冷卻時(shí)間為0.7秒。在6.0V時(shí)平均電流是50mA，其峰值電流為110mA。
圖20A和20B簡(jiǎn)要說(shuō)明執(zhí)行器的限位裝置，這里僅在殼體內(nèi)的截面顯示最遠(yuǎn)移動(dòng)的平板。平板2010在殼體2001內(nèi)滑動(dòng)。殼體2001有一個(gè)連接點(diǎn)2002將執(zhí)行器主體與使用環(huán)境相連，并有一個(gè)限位器2003所限定的開(kāi)口。平板2010有一個(gè)與使用環(huán)境相連的連接點(diǎn)2011、內(nèi)部伸出物2012、和外部伸出物2013(術(shù)語(yǔ)“內(nèi)部”和“外部”是相對(duì)于殼體2001而言)。如圖20A所示，當(dāng)執(zhí)行器在其全伸展位置時(shí)，平板2010上的內(nèi)部伸出物2012與中止器2003接合來(lái)阻止執(zhí)行器的進(jìn)一步伸展。如圖20B所示，當(dāng)執(zhí)行器在其全收縮位置時(shí)，外部伸出物2013與中止器2003接合來(lái)限制收縮。以這種方法(1)施加過(guò)度的外部伸展力(比執(zhí)行器可施加的力大得多)既不能使形狀記憶合金元件受力過(guò)大；(2)執(zhí)行器也不能收縮到其能力的極限(因而確保，即使形狀記憶合金元件老化和失去恢復(fù)性—對(duì)形狀記憶合金元件來(lái)說(shuō)這是眾所周知的—執(zhí)行器將仍然在限位裝置之間的整個(gè)范圍內(nèi)移動(dòng))。
圖22是昆蟲(chóng)軀體架的上左視圖，作為代表性的例子，圖示說(shuō)明昆蟲(chóng)的左后腿2112。兩個(gè)執(zhí)行器2102和2122用點(diǎn)劃線(xiàn)2132和2142(在圖23中)所示的旋轉(zhuǎn)軸與一個(gè)兩自由度接頭相連，在此腿2112與架2110接合。當(dāng)兩個(gè)執(zhí)行器都松馳(伸展)時(shí)，彈簧2152驅(qū)使腿2112的端部相對(duì)于架向下，如彈簧2152附近的執(zhí)行器箭頭所示，并支撐昆蟲(chóng)的重量使其能站住而不消耗動(dòng)力。如鄰近執(zhí)行器2102的箭頭所示，當(dāng)安裝在架2110頂部的執(zhí)行器2102收縮時(shí)，它通過(guò)一鋼絲束(未用數(shù)字標(biāo)記)拉操縱桿2162，這引起該腿圍繞水平軸2132旋轉(zhuǎn)并提升該腿。當(dāng)執(zhí)行器2102松馳時(shí)，彈簧2152促使該腿恢復(fù)到其原始位置。通過(guò)控制執(zhí)行器2102收縮的量，則可以使腿2112提升一特定的高度。通過(guò)變化操縱桿2162的長(zhǎng)度和彈簧2152的力，則可以適應(yīng)不同步高和體重。當(dāng)執(zhí)行器2122松馳時(shí)，彈簧2172保持腿2112向前。如鄰近于執(zhí)行器2122的箭頭所示，當(dāng)執(zhí)行器2122收縮時(shí)，它(通過(guò)鋼絲束，未用數(shù)字標(biāo)記)拉腿的L-形伸出部2182，促使其圍繞軸2142旋轉(zhuǎn)，并沿向后的弧形擺動(dòng)腿2112。如鄰近于彈簧2172的箭頭所示，當(dāng)執(zhí)行器2122松馳時(shí)，彈簧2172使腿恢復(fù)到其原始的向前位置。
有兩個(gè)執(zhí)行器與腿相連，通過(guò)控制每個(gè)執(zhí)行器的收縮程度，可以使腿的腳在一個(gè)長(zhǎng)方形內(nèi)進(jìn)行任意的路徑，其中長(zhǎng)方形由執(zhí)行器的移動(dòng)范圍所限定。
圖23表示相同的腿，它是從架后部觀(guān)察的結(jié)果，該圖清楚地說(shuō)明了執(zhí)行器2102及其相對(duì)彈簧2152的作用；而圖24說(shuō)明兩者的自由度。
剩余的5條腿以類(lèi)似的方式連接，兩個(gè)鉗子也一樣(雖然每個(gè)鉗子僅需要一個(gè)執(zhí)行器，如圖21所示，因?yàn)樗鼈兊你q接僅用于水平弧形的移動(dòng))。當(dāng)昆蟲(chóng)行走時(shí)，在任何一個(gè)時(shí)刻，它有3只腳是在地面上，因此必須能夠僅用3條腿來(lái)支撐自身。因而，每個(gè)彈簧必須能夠至少支撐昆蟲(chóng)總重量的三分之一。這又意味著在軀體架頂部用來(lái)提升腿的執(zhí)行器必須是足夠有力來(lái)克服這些彈簧的力。如果選擇操縱桿的長(zhǎng)度等于接頭和腿(當(dāng)腿圍繞水平軸旋轉(zhuǎn)時(shí))所形成的力矩臂，那么當(dāng)執(zhí)行器收縮時(shí)腳將能夠升高相同的距離。因此，一個(gè)產(chǎn)生70克額定力和收縮4毫米的執(zhí)行器將能夠支撐重量約200克的昆蟲(chóng)并把其腳升高離地面4毫米。實(shí)際上，理想的腳升高通常較大，從而適應(yīng)在粗糙地面的行走，因而操縱桿與腳力矩臂的比減小，這導(dǎo)致更高的腳升高和更低的承載能力。
一種便宜的8比特微型控制器，如上述的MotorolaMC68HC08MP16，可用來(lái)產(chǎn)生所需的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)和測(cè)量所用14個(gè)執(zhí)行器的變化的電阻值。軟件可以指揮6條腿中的每一條腿移動(dòng)到特定位置并確定何時(shí)達(dá)到所需位置。用這種方法，可以容易地實(shí)施一種行走算法，如三腳架步法，對(duì)此在文獻(xiàn)中有廣泛的描述[參看，如，C.Ferrell，《3種昆蟲(chóng)啟發(fā)的移動(dòng)控制器的比較》(AComparison of Three Insect Inspired Locomotion Controllers)，Massachusetts Institute of Technology Artificial IntelligenceLaboratory Memorandum，Cambridge MA，USA；和M.Binnard，《小型氣動(dòng)行走機(jī)器人的設(shè)計(jì))》(Design of a Small Pneumatic WalkingRobot)，Massachusetts Institute of Technology，Cambridge MA，MSThesis，1995]；并且可以使螯鉗子打開(kāi)和合攏。
很顯然，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以對(duì)這種機(jī)器人或玩具進(jìn)行許多改變和改進(jìn)，例如，采用單個(gè)執(zhí)行器來(lái)合攏兩個(gè)鉗子、采用一對(duì)相反的執(zhí)行器而不是與彈簧相反放置的執(zhí)行器等等，這依賴(lài)于設(shè)計(jì)水平和所要求的工程復(fù)雜程度。相似的設(shè)計(jì)技術(shù)可用來(lái)完成許多任務(wù)，其中形狀記憶合金執(zhí)行器可能是有用的，本技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)者和制造者應(yīng)能夠設(shè)計(jì)/制造形狀記憶合金執(zhí)行器和包含它們的裝置而無(wú)需進(jìn)行過(guò)多的實(shí)驗(yàn)。也很顯然，根據(jù)本發(fā)明的傳感和控制方面一般可應(yīng)用于所有形狀記憶合金執(zhí)行器和包含它們的裝置，它們的應(yīng)用并不限于根據(jù)本發(fā)明的第一和第二個(gè)方面的行程放大形狀記憶合金執(zhí)行器。因此根據(jù)本發(fā)明的傳感和控制方面也可以用于傳統(tǒng)的直線(xiàn)、螺旋線(xiàn)或其他本領(lǐng)域已知和在本申請(qǐng)書(shū)所引用文獻(xiàn)中作為示范的形狀記憶合金執(zhí)行器。
鑒于可獲得的信息，包括本申請(qǐng)書(shū)引用的文獻(xiàn)和本申請(qǐng)書(shū)所披露的內(nèi)容，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠容易地完成用于根據(jù)本發(fā)明的形狀記憶合金執(zhí)行器所需的軟件，這種軟件實(shí)施各種功能，包括傳感和控制功能。
如在發(fā)明簡(jiǎn)述中所討論的，本發(fā)明還包括采用機(jī)電活性材料的其他執(zhí)行器(機(jī)電活性材料是這樣的材料，它們的膨脹和收縮是通過(guò)在其中通過(guò)電流或?qū)λ鼈兪┘与妱?shì)而獲得，而不是借助于在廣泛的溫度范圍內(nèi)與溫度成線(xiàn)性關(guān)系的熱膨脹和熱收縮過(guò)程來(lái)完成)。這類(lèi)材料包括，例如，壓電材料和某些電活性聚合物。當(dāng)通電時(shí)，這些材料通常僅呈現(xiàn)出非常有限的膨脹或收縮，采用它們作為執(zhí)行器的裝置通常應(yīng)用于行程放大，在本申請(qǐng)書(shū)中針對(duì)包含形狀記憶合金元件的執(zhí)行器已詳細(xì)討論過(guò)這種行程放大。此外，控制和傳感技術(shù)同樣適合于這類(lèi)不同的執(zhí)行器。因此，當(dāng)在本申請(qǐng)書(shū)中使用“形狀記憶合金執(zhí)行器”這一術(shù)語(yǔ)時(shí)，除非上下文明確表示它僅指包含形狀記憶合金元件的執(zhí)行器，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為“形狀記憶合金執(zhí)行器”包括采用機(jī)電活性材料元件，特別是形狀記憶合金元件的執(zhí)行器。
對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以對(duì)本發(fā)明做各種改變和改進(jìn)，而不偏離本發(fā)明的范圍和精神。雖然本發(fā)明已經(jīng)參考其特定的優(yōu)選實(shí)施例而加以描述，但是本發(fā)明不限于這類(lèi)特定的實(shí)施例。實(shí)施本發(fā)明的描述方式的各種改動(dòng)均在本發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種行程放大形狀記憶合金執(zhí)行器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的執(zhí)行器，包括多個(gè)相互之間可滑動(dòng)的平行剛性構(gòu)件，彼此間用多個(gè)形狀記憶合金線(xiàn)以一定方式互相連接，使所述執(zhí)行器的行程基本上等于單個(gè)所述形狀記憶合金線(xiàn)之行程的總和。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的執(zhí)行器，其中所述剛性構(gòu)件是一系列同心管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的執(zhí)行器，其中所述剛性構(gòu)件是成組的平行平板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的執(zhí)行器，其中所述形狀記憶合金線(xiàn)可以單獨(dú)通電從而使所述執(zhí)行器的行程增加。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的執(zhí)行器，其中所述形狀記憶合金線(xiàn)可依次通電從而最大程度地降低峰值功率消耗。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的執(zhí)行器，包括形狀記憶合金線(xiàn)，所述形狀記憶合金線(xiàn)圍繞一對(duì)低摩擦非導(dǎo)電棒或管，所述棒或管的半徑大于所述形狀記憶合金線(xiàn)的最小彎曲半徑，并用剛性結(jié)構(gòu)保持其平行隔開(kāi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的執(zhí)行器，其中所述非導(dǎo)電棒、或管是由氟化聚合物如聚四氟乙烯制成、或涂覆。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的執(zhí)行器，包括形狀記憶合金線(xiàn)，借助于穿過(guò)一對(duì)對(duì)置的非導(dǎo)電管，引導(dǎo)所述形狀記憶合金線(xiàn)繞過(guò)其半徑大于所述形狀記憶合金線(xiàn)最小彎曲半徑的彎道，其中所述非導(dǎo)電管是用剛性結(jié)構(gòu)保持其分開(kāi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的執(zhí)行器，其中所述非導(dǎo)電管用氟化聚合物如聚四氟乙烯制備或涂覆。
11.根據(jù)權(quán)利要求7至10中任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的執(zhí)行器，其中所述構(gòu)架、棒、或管由多個(gè)所述執(zhí)行器共用。
12.一種裝置，包括脈沖寬度調(diào)制電源和多個(gè)形狀記憶合金執(zhí)行器，利用來(lái)自脈沖寬度調(diào)制電源的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)對(duì)所述執(zhí)行器進(jìn)行電阻加熱；以及一個(gè)電阻測(cè)量回路和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，因而每個(gè)所述執(zhí)行器的所述電阻用來(lái)控制每個(gè)所述執(zhí)行器自身，其中用一個(gè)多路復(fù)用器把所述電阻測(cè)量回路和所述模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器與多個(gè)形狀記憶合金執(zhí)行器相連。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述多路復(fù)用器是以循環(huán)方式依次選擇多個(gè)所述形狀記憶合金執(zhí)行器的每一個(gè)進(jìn)行所述電阻測(cè)量和所述模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中多路復(fù)用器不是以循環(huán)方式選擇多個(gè)所述形狀記憶合金執(zhí)行器的每一個(gè)進(jìn)行所述電阻測(cè)量和所述模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換，例如其不選擇未通電的執(zhí)行器。
15.一種控制形狀記憶合金執(zhí)行器的方法，包括在所述執(zhí)行器通電時(shí)測(cè)量所述執(zhí)行器的電阻隨時(shí)間的變化，并依據(jù)所述電阻隨時(shí)間的變化為所述執(zhí)行器提供控制信息。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，包括提供所述控制信息來(lái)校準(zhǔn)所述執(zhí)行器，其中預(yù)先并不知道所述執(zhí)行器的物理參數(shù)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，包括通過(guò)采用電阻作為反饋?zhàn)兞繄?zhí)行一種位置控制函數(shù)從而為所述執(zhí)行器提供控制信息。
18.一種測(cè)量形狀記憶合金執(zhí)行器上外加載荷的方法，包括當(dāng)所述執(zhí)行器通電時(shí)測(cè)量所述執(zhí)行器電阻隨時(shí)間的變化并依據(jù)所述電阻隨時(shí)間的變化確定所述執(zhí)行器上的所述外加載荷。
19.一種探測(cè)形狀記憶合金執(zhí)行器所遇碰撞或機(jī)械障礙物的方法，包括當(dāng)所述執(zhí)行器通電時(shí)測(cè)量所述執(zhí)行器電阻隨時(shí)間的變化并依據(jù)所述電阻隨時(shí)間的變化探測(cè)所述執(zhí)行器所遇到的碰撞或機(jī)械障礙物。
20.一種探測(cè)形狀記憶合金執(zhí)行器中系統(tǒng)失效的方法，包括當(dāng)所述執(zhí)行器通電時(shí)測(cè)量所述執(zhí)行器電阻隨時(shí)間的變化并依據(jù)所述電阻隨時(shí)間的變化探測(cè)所述執(zhí)行器中的所述系統(tǒng)失效。
21.一種用于形狀記憶合金執(zhí)行器的電阻反饋控制系統(tǒng)，包括一個(gè)并聯(lián)于所述形狀記憶合金執(zhí)行器的電容和一個(gè)控制系統(tǒng)內(nèi)的時(shí)間測(cè)量回路，來(lái)測(cè)量電容的充電時(shí)間或放電時(shí)間，并依據(jù)所述電容的充電時(shí)間或放電時(shí)間確定所述執(zhí)行器的電阻。
22.根據(jù)權(quán)利要求1至11任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的執(zhí)行器，進(jìn)一步包括至少一個(gè)限位裝置來(lái)阻止在施加過(guò)度的外力時(shí)所述執(zhí)行器的過(guò)分伸展、限制所述執(zhí)行器的行程使其小于其可獲得的行程，或所述兩種情形。
全文摘要
本發(fā)明提供了行程放大形狀記憶合金執(zhí)行器和采用機(jī)電活性材料的其他執(zhí)行器(在本說(shuō)明書(shū)中統(tǒng)稱(chēng)為形狀記憶合金執(zhí)行器),包括行程放大但沒(méi)有顯著的力下降、容易小型化和快速作用、以及其設(shè)計(jì)和使用;形狀記憶合金執(zhí)行器(包括傳統(tǒng)的形狀記憶合金執(zhí)行器以及根據(jù)本發(fā)明的行程放大形狀記憶合金執(zhí)行器)的經(jīng)濟(jì)和有效的控制和傳感機(jī)制,從而獲得低能耗、電阻/障礙物/載荷傳感和精確的位置控制;以及包含這些執(zhí)行器以及控制和傳感機(jī)制的裝置。
文檔編號(hào)B25J19/00GK1369038SQ00811428
公開(kāi)日2002年9月11日 申請(qǐng)日期2000年8月11日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月12日
發(fā)明者羅德里克·麥格雷戈 申請(qǐng)人:內(nèi)諾馬斯?fàn)柟?br>