一種基于微管道冷卻的形狀記憶合金驅(qū)動器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及自動化及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體為形狀記憶合金驅(qū)動器及仿生機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于微管道冷卻的形狀記憶合金驅(qū)動器。
【背景技術(shù)】
[0002]柔性機(jī)器人結(jié)構(gòu)的柔韌性、輕巧性、靈活性和自身可實現(xiàn)較大范圍的彎曲、扭轉(zhuǎn)等特性，使得柔性機(jī)器人可在復(fù)雜的環(huán)境中完成剛性機(jī)器人不能完成的任務(wù)，如水下收集數(shù)據(jù)，自然災(zāi)害地區(qū)救援等。柔性機(jī)器人的驅(qū)動器的性能，則對柔性機(jī)器人的運(yùn)動精確度、承載力和可控性有著重要的影響。
[0003]目前形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動器是柔性機(jī)器人常用的驅(qū)動的方式之一。SMA具有記憶效應(yīng)和超彈性，且易與其他材料復(fù)合，使得SMA這種智能材料在柔性驅(qū)動器領(lǐng)域得到廣泛的運(yùn)用。但是目前以SMA為柔性機(jī)器人驅(qū)動器的主要瓶頸在于SMA加熱后冷卻速度慢，導(dǎo)致柔性機(jī)器人的動作頻率較低，嚴(yán)重限制了 SMA在柔性機(jī)器人中的應(yīng)用發(fā)展。目前針對SMA的冷卻方式，主要是采用空冷和水冷。而在空氣中冷卻速度慢，需控制室內(nèi)溫度，并且冷卻效率低；在水中冷卻則需要考慮密封裝置，目前僅見一些直接將SMA驅(qū)動器置于水環(huán)境中冷卻的報道。
[0004]本發(fā)明則提供一種基于微管道冷卻的SMA驅(qū)動器，可有效的將驅(qū)動裝置和散熱裝置結(jié)合為一體。加熱SMA絲，驅(qū)動器發(fā)生彎曲變形輸出；停止加熱后，驅(qū)動器在彈性板的變形力作用下逐漸恢復(fù)到原來狀態(tài)。SMA驅(qū)動器在加熱過程中產(chǎn)生的熱量，大部分由微管道中循環(huán)流動的冷卻液帶走，可縮短SMA絲的冷卻時間，從而提高SMA驅(qū)動器的動作頻率。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，對環(huán)境無污染。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明給出了一種基于微管道冷卻的形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動器裝置。內(nèi)置的微管道用于加速SMA絲的冷卻過程，從而顯著提高SMA驅(qū)動器的往復(fù)動作頻率。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]一種基于微管道冷卻的形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動器，所述SMA驅(qū)動器包括:柔性包裹材料、微管道、彈性板、SMA絲及其定位板；所述的微管道、彈性板以及SMA絲均完全嵌入在柔性包裹材料內(nèi)；所述微管道是柔性材料內(nèi)部的空腔管道，寬度和高度可在10 μπι和5_之間，冷卻液在微管道內(nèi)快速循環(huán)流動過程中，實現(xiàn)驅(qū)動器的冷熱交換，達(dá)到散熱目的；所述的彈性板是一種可變形的高分子化合物，所述的定位板上有若干孔，用于定位SMA絲。
[0008]本發(fā)明通過SMA絲和多種材料的復(fù)合，在微管道中冷卻液的加速冷卻作用下，實現(xiàn)了一種高頻、運(yùn)動范圍大的SMA柔性驅(qū)動器。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果為:
[0010](I)、本發(fā)明所述柔性包裹材料具有絕緣、防水、耐熱、柔軟等特性，確保了本發(fā)明的驅(qū)動器具有良好的安全性、柔韌性和靈活性，并且避免了微管道中的冷卻液和SMA絲的直接接觸。
[0011](2)、本發(fā)明所述驅(qū)動器通過SMA絲和多種材料的復(fù)合，在微管道中冷卻液的加速冷卻作用下，實現(xiàn)了一種高頻、運(yùn)動范圍大的SMA柔性驅(qū)動器。
[0012](3)、本發(fā)明所述驅(qū)動器集SMA絲和散熱結(jié)構(gòu)于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)快速散熱。同時也避免了 SMA絲的“熱死寂”，增加了 SMA絲的工作壽命。
[0013](4)、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單制作、成本低，對環(huán)境無污染，操作簡單。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的SMA驅(qū)動器透視圖(如圖1 (a)所示)和橫截面剖視圖(如圖1 (b)所示)示意圖；
[0015]圖2-1為圖1示意圖中的微管道俯視圖和側(cè)視圖，圖2-2為微管道的其他形狀的示意圖；
[0016]圖3-1為圖1示意圖中SMA絲與定位板的平行排列的連接方式，圖3_2為SMA絲與定位板的不規(guī)則排列的連接方式；
[0017]圖4為本發(fā)明的SMA驅(qū)動器的熱傳遞示意圖；
[0018]圖5為SMA絲加熱相變時，驅(qū)動器的側(cè)面的剖視圖；
[0019]其中I為彈性板，2為柔性包裹材料，3為SMA絲，4為定位板，5為微管道。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0021]圖1所示為SMA驅(qū)動器的透視圖(如圖1 (a)所示)和橫截面剖視圖(如圖1 (b)所示)示意圖。柔性包裹材料2內(nèi)部有微管道5、SMA絲3、以及彈性板I。定位板4用于定位SMA絲3。驅(qū)動器橫截面的剖視圖給出了微管道5、SMA絲3和定位板4在柔性包裹材料2的放置的順序，柔性包裹材料2避免微管道5中的冷卻液和SM絲3的直接接觸。
[0022]圖2-1為微管道5的俯視圖和側(cè)視圖，側(cè)視圖可以看出微管道5的深度和長度。圖2-2給出了微管道5的另一種微管道的排布方式。本驅(qū)動器中的微管道5的形狀可以多樣化，可以根據(jù)需要設(shè)置。冷卻液從微管道5的入口進(jìn)入，出口流出，在微管道5內(nèi)循環(huán)流動過程中，實現(xiàn)冷熱交換，從而帶走大部分熱量。
[0023]圖3-1給出了 SMA絲3與定位板4的平行連接方式，其連接方式可根據(jù)應(yīng)用場景不同做出多種排列形式設(shè)計，如圖3-2所示為SMA絲不規(guī)則排列的連接方式。預(yù)先經(jīng)過訓(xùn)練的SMA絲3先與定位板4連接，再嵌入到柔性包裹材料2中。
[0024]圖4為本發(fā)明SMA驅(qū)動器的熱傳遞示意圖，示意圖中以水為冷卻液，SMA絲3通電后產(chǎn)生的熱量為熱源，將熱傳遞到柔性包裹材料2中，再由空氣對流傳熱、水對流傳熱和熱輻射方式散熱。
[0025]圖5為SMA絲3加熱相變后致使整個驅(qū)動器發(fā)生彎曲變形的某一時刻的狀態(tài)。SMA絲3相變時，彈性板I隨著彎曲，當(dāng)SM絲3斷電后，彈性板I提供了 SM絲3的恢復(fù)力。
[0026]優(yōu)選地，柔性包裹材料可以是有機(jī)硅，如PDMS、Ecoflex和RTV-2等。
[0027]優(yōu)選地，所述驅(qū)動器的微管道，SMA絲和彈性板的排放順序如示意圖1所示，也可改變?nèi)叩呐欧彭樞颉?br>[0028]優(yōu)選地，示意圖中微管道的深度為1mm，寬為1mm，寬度和深度均可以10 μπι到5mm之間。
[0029]優(yōu)選地，微管道的形狀可以是示意圖2-1中所示的形狀，也可以蛇形、回形針式、平行式等。
[0030]優(yōu)選地，微管道的橫截面積可以是矩形，圓形或者多邊形等。
[0031]優(yōu)選地，絲與彈性板的豎直距離為1.5mm，絲與彈性板的豎直距離也隨著驅(qū)動器整體尺寸而改變。
[0032]優(yōu)選地，定位板可以是是PCB板、亞克力板、ABS板。定位板上的孔的排列方式可以有多種。
[0033]優(yōu)選地，彈性薄板是易彎曲和恢復(fù)的彈性薄板，如PVC板、ABS板、合金薄板及高分子材料板。
[0034]基于微管道冷卻的SMA驅(qū)動器采用模型嵌入式分層澆注和鍵合工藝成型。首先微管道是由帶凹槽的柔性材料2與表面平整的柔性材料2鍵合而成。其次，將微管道5放在模具中，在管道的四周上澆注柔性材料2，并將與定位板4連接好的SMA絲3嵌入柔性材料2里，待固化完成后，再放置彈性板I。最后澆注第二層柔性材料2，待完全固化后，即可成型所述SMA驅(qū)動器。
【主權(quán)項】
1.一種基于微管道冷卻的形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動器，其特征在于:所述SMA驅(qū)動器包括:柔性包裹材料、微管道、彈性板、SMA絲及其定位板；所述的微管道、彈性板以及SMA絲均完全嵌入在柔性包裹材料內(nèi)；所述微管道是柔性材料內(nèi)部的空腔管道，寬度和高度可在10 μ m和5mm之間，冷卻液在微管道內(nèi)快速循環(huán)流動過程中，實現(xiàn)驅(qū)動器的冷熱交換，達(dá)到散熱目的；所述的彈性板是一種可變形的高分子化合物，所述的定位板上有若干孔，用于定位SMA絲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微管道冷卻的形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動器，其特征在于:通過SMA絲和多種材料的復(fù)合，在微管道中冷卻液的加速冷卻作用下，實現(xiàn)了一種高頻、運(yùn)動范圍大的SMA柔性驅(qū)動器。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于微管道冷卻的形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動器，所述SMA驅(qū)動器包括：柔性包裹材料、微管道、彈性板、SMA絲及其定位板。所述的微管道、彈性板以及SMA絲均完全嵌入在柔性包裹材料內(nèi)。所述微管道是柔性材料內(nèi)部的空腔管道，寬度和高度可在10μm和5mm之間，冷卻液在微管道內(nèi)快速循環(huán)流動過程中，實現(xiàn)驅(qū)動器的冷熱交換，達(dá)到散熱目的。所述的彈性板是一種可變形的高分子化合物，所述的定位板上有若干孔，用于定位SMA絲。本發(fā)明通過SMA絲和多種材料的復(fù)合，在微管道中冷卻液的加速冷卻作用下，實現(xiàn)了一種高頻、運(yùn)動范圍大的SMA柔性驅(qū)動器。
【IPC分類】F03G7-06
【公開號】CN104847611
【申請?zhí)枴緾N201510250636
【發(fā)明人】董二寶, 蘇夏, 金虎, 許旻, 楊杰
【申請人】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年5月15日