CN101362339A - 形状记忆合金弹簧驱动的伸展/折叠臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种形状记忆合金弹簧驱动的伸展/折叠臂。它包括以下部分：导轨底座、伸展臂、可伸缩导轨、导轨前束和形状记忆合金(SMA)弹簧，伸展臂由剪铰单元连接组成，由剪铰单元构成的伸展臂的前端铰接点与导轨前束固定并具有绕固定点旋转的自由度，伸展臂的后端铰接点与导轨底座固定，并具有绕固定点旋转的自由度，形状记忆合金弹簧分别作为展开驱动器和折叠驱动器设置在伸展臂上。本发明可以实现双向的可控变形、能够实现较大规模的伸展/折叠，具有结构合理、体积小、重量轻等优点。

Description

形状记忆合金弹簧驱动的伸展/折叠臂

(一)技术领域

本发明涉及驱动展开/折叠技术，具体涉及的是一种由形状记忆合金弹簧驱动的轻质折叠/展开结构。

(二)背景技术

目前，一些展开/折叠结构往往使用电动马达、液压驱动等实现结构展开或折叠，使用这些驱动器时往往都要配套复杂的传动机构及控制系统使结构变得复杂沉重。形状记忆合金作为驱动器使用时具有能量密度高、体积小、重量轻、易于与结构相结合等特点。形状记忆合金弹簧作为驱动器使用具有驱动行程大的优势，但使用的过程中如果要实现双向驱动，往往需要配置偏置弹簧等结构使结构可以恢复到变形前的形状或位置。这样，当驱动形状记忆合金弹簧使结构变形时，为了维持变形需要不断向驱动器输入能量以维持变形。如果使用形状记忆合金弹簧作为偏置弹簧就可以克服这种缺点，并且可以实现双向的可控变形。配合剪铰单元等结构对位移的放大作用，可以实现较大规模的伸展/折叠结构。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种可以实现双向的可控变形、能够实现较大规模的伸展/折叠、结构合理、体积小、重量轻的形状记忆合金弹簧驱动的伸展/折叠臂。

本发明的目的是这样实现的：它包括以下部分：导轨底座、伸展臂、可伸缩导轨、导轨前束和形状记忆合金(SMA)弹簧，伸展臂由剪铰单元连接组成，由剪铰单元构成的伸展臂的前端铰接点与导轨前束固定并具有绕固定点旋转的自由度，伸展臂的后端铰接点与导轨底座固定，并具有绕固定点旋转的自由度，形状记忆合金弹簧分别作为展开驱动器和折叠驱动器设置在伸展臂上。

本发明还有这样一些技术特征：

1、所述的剪铰单元由等臂长的玻璃纤维板通过铜质空心铆钉铆接而成，在铆接点处剪铰单元具有绕铆钉中心旋转的自由度；

2、所述的可伸缩导轨由多节带有锥度的碳纤维薄壁管构成，呈空心管状结构通过湿法缠绕而成每节的锥度为1：250，可伸缩导轨采用双配置，可伸缩导轨根部与导轨底座通过胶结固定，前部与导轨前束通过胶结固定；

3、所述的作为展开驱动器的形状记忆合金弹簧设置在伸展臂后端端部，作为折叠驱动器的形状记忆合金弹簧设置在伸展臂两侧；

4、所述的导轨底座为由轻质金属材料加工而成能够安装其他零件的带有一定长度平面扁状零件，轻质金属包括铝合金材料。

本发明伸展臂通过与导轨底座、可伸缩导轨、导轨前束等零件的装配可以构成稳定的沿伸缩导轨轴线方向运动的伸展、折叠结构。跟据伸展/折叠的要求，通过对剪铰单元的单元臂长度、剪铰单元个数、形状记忆合金弹簧的丝径、中径、圈数等参数的设计及形状记忆合金弹簧的配置可以实现一种轻质、小型、低功耗的伸展/折叠机构。

本发明的特点有：

1.导轨底座采用由轻质金属如铝合金等材料加工而成能够稳固安装其他零件带有一定长度平面的扁状零件。

2.由剪铰单元连接成的伸展臂结构，剪铰单元由等臂长的玻璃纤维板通过铜质空心铆钉铆接而成，在铆接点处，剪铰单元具有绕铆钉中心旋转的自由度。伸展臂由这样若干个剪铰单元连接而成，剪铰单元的个数依据伸展/折叠臂结构的伸展/折叠能力来通过实际需要设计确定。

3.可伸缩导轨由多节带有锥度的碳纤维薄壁管构成，薄壁管单节的长度、节数以及锥度等参数由伸展/折叠臂的伸展/折叠能力来通过设计手段确定。

4.导轨前束是将伸展臂与导轨固定的重要零件，其重要特征是可以防止伸展/折叠臂结构在伸展或折叠的过程中发生方向失稳，并可以保证伸展/折叠臂前端的运动与伸缩导轨前端运动具有同步性。

5.形状记忆合金弹簧主要使用TiNi形状记忆合金弹簧，其相变温度根据伸展/折叠结构的使用环境来确定，弹簧的丝径、中径、圈数等参数根据伸展臂结构的设计要求进行协调设计。

(四)附图说明

图1为展开结构的设计参数示意图；

图2为SMA弹簧互锁结构驱动下的伸展臂结构示意图；

图3为伸展臂结构的受力状态示意图；

图4为具体实施方式的装配结构示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明：

结合图4，本实施例在构成上主要由剪铰单元构成的伸展臂2、碳纤维可伸缩导轨3、导轨底座1、导轨前束4和SMA弹簧，形状记忆合金弹簧分别作为展开驱动器5和折叠驱动器6设置在伸展臂上。在装配上，伸展臂的前端铰接点与导轨前束固定并具有绕固定点旋转的自由度，伸展臂的后端铰接点与导轨底座固定，并具有绕固定点旋转的自由度。碳纤维可伸缩导轨为空心管状结构通过湿法缠绕而成每节的锥度都为1：250，可伸缩导轨采用双配置以增加刚度，导轨的节数依据设计长度而定，导轨根部与导轨底座通过胶结固定，导轨前部与导轨前束通过胶结固定。

折叠机构的主要特点就是可以在一端施加横向载荷，可以在另一端产生纵向的位移。一般可以通过柔性索等对折叠结构进行展开控制，因为通过采用控制其柔性索的长度的办法很容易实现间接掌控剪铰单元的转角，进而控制结构的展开。结合图1，其展开具有如下的特征和参数：

展开结构的伸出或缩入依靠SMA弹簧驱动下每个剪铰单元较小的变形被整个结构放大后来实现。这种变形通过剪铰单元的杆长L，驱动折叠机构变形的主动索安装方向与折叠机构的运动方向垂直，如果剪铰单元的初始角度为α，其可回复量为：

2ΔM＝L(sinα-sinβ)                                  (1)

如果剪铰单元的个数为n，折叠机构的折叠状态的初始长度∑L为：

∑L＝nLcosα                                        (2)

展开状态的目标长度为：

∑L′＝nLcosβ                                      (3)

于是展开结构的展开量为Δ＝∑L′-∑L＝nL(cosβ-cosα)  (4)

依据式(1)和式(4)就可以对折叠结构的进行设计。

伸展结构使用SMA弹簧的互锁结构对伸展臂的展开和折叠进行控制。当展开驱动器受到激励产生回复力时，折叠驱动器处于马氏体状态被动受拉，这时展开驱动器输出的驱动力较大，除了可以驱动结构进行展开运动外，另一方面将折叠驱动器扩展，为折叠运动蓄积变形能量；当折叠驱动器受到激励产生回复力时，展开驱动器处于马氏体状态被动受拉，如图2中所示。SMA弹簧的互锁结构通过SMA弹簧设计进行平衡。

记忆合金弹簧的设计也可以利用普通弹簧设计公式，只是其剪切弹性模量不是恒定值。对于Ti-Ni合金，其弹性模量在从母相变为马氏体时变化程度达到300％以上。在普通弹簧设计时，只需要知道载荷与位移之间的关系，而对记忆合金弹簧设计时必须知道位移与温度之间的函数关系，其各个特征参数有如下的关系：

$\mathrm{\δ}=\frac{8P{D}^{3}n}{{\mathrm{Gd}}^4}---\left(5\right)$

$\mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{\δd}}{\mathrm{\πn}{D}^2}---\left(6\right)$

$\mathrm{\τ}=\frac{8\mathrm{pD\κ}}{\mathrm{\π}{d}^3}---\left(7\right)$

$\mathrm{\κ}=\frac{4C-1}{4C-4}+\frac{0.615}{C}---\left(8\right)$

$G=\frac{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\γ}}---\left(9\right)$

$C=\frac{D}{d}---\left(10\right)$

其中：

D—弹簧的平均直径；    d—丝径；

n—线圈的有效匝数；    C—弹簧指数；

P—弹簧所承受的载荷；  δ—位移；

τ—剪切应力；          γ—剪切应变；

G—剪切模量；          K—应力修正因子；

对于记忆合金弹簧设计而言，弹簧的几何尺寸取决于输出力、输出位移和可用空间三个因素。弹簧的几何尺寸是指线圈直径D、丝径d和有效线圈匝数n。输出力受线圈直径D和丝径d的影响，而输出位移受有效线圈匝数n的影响。

为了设计记忆合金弹簧，需要知道材料的三个特征参数：最大剪切应力τ_max，母相的剪切模量G_H和马氏体的剪切模量G_L。Ti-Ni合金这三个特征参数的数值分别为：τ_max＝120MPa，G_H＝23000MPa，G_L＝8000MPa。此外，弹簧指数C是个自由变量，根据弹簧缠绕的容易程度通常将其设定为经验值6。

根据对剪铰单元展开情况的几何设计可知，在一个剪铰单元上，在展开方向上SMA弹簧的变形量为L(sinα-sinβ)，折叠方向的SMA弹簧变形量为L(cosβ-cosα)。剪铰单元的变形使展开方向与折叠方向的位移具有在变化前后角度变化的约束关系。

对于受激励SMA弹簧 ${\mathrm{\δ}}_1=\frac{8P{D}^{3}n}{G_H{d}^4};$

对于处于马氏体状态下受拉SMA弹簧 ${\mathrm{\δ}}_2=\frac{8P{D}^{3}n}{G_L{d}^4}.$

伸展臂结构的受力情况如图3中所示，对于伸展臂的运动状况当满足F₁cosθ>2F₂cosρ时，伸展臂将进行展开运动，当F₁cosθ＝2F₂cosρ时，展开终止，这时F₁为展开驱动器受激励产生的回复力，F₂为折叠驱动器在马氏体状态下对伸展臂展开的阻力；当2F₂cosρ>F₁cosθ时，伸展臂将进行折叠运动，当2F₂cosρ＝F₁cosθ时，折叠终止，这时F₂为折叠驱动器受激励产生的回复力，F₁为展开驱动器在马氏体状态下对伸展臂折叠的阻力。并且θ＝α时为折叠过程结束位置，θ＝β时为展开位置结束位置。

Claims (9)

1.一种形状记忆合金弹簧驱动的伸展/折叠臂，其特征在于它包括以下部分：导轨底座、伸展臂、可伸缩导轨、导轨前束和形状记忆合金(SMA)弹簧，伸展臂由剪铰单元连接组成，由剪铰单元构成的伸展臂的前端铰接点与导轨前束固定并具有绕固定点旋转的自由度，伸展臂的后端铰接点与导轨底座固定，并具有绕固定点旋转的自由度，形状记忆合金弹簧分别作为展开驱动器和折叠驱动器设置在伸展臂上。

2.根据权利要求1所述的形状记忆合金弹簧驱动的伸展/折叠臂，其特征在于所述的剪铰单元由等臂长的玻璃纤维板通过铜质空心铆钉铆接而成，在铆接点处剪铰单元具有绕铆钉中心旋转的自由度。

3.根据权利要求1或2所述的形状记忆合金弹簧驱动的伸展/折叠臂，其特征在于所述的可伸缩导轨由多节带有锥度的碳纤维薄壁管构成，呈空心管状结构通过湿法缠绕而成每节的锥度为1：250，可伸缩导轨采用双配置，可伸缩导轨根部与导轨底座通过胶结固定，前部与导轨前束通过胶结固定。

4.根据权利要求1或2所述的形状记忆合金弹簧驱动的伸展/折叠臂，其特征在于所述的作为展开驱动器的形状记忆合金弹簧设置在伸展臂后端端部，作为折叠驱动器的形状记忆合金弹簧设置在伸展臂两侧。

5.根据权利要求3所述的形状记忆合金弹簧驱动的伸展/折叠臂，其特征在于所述的作为展开驱动器的形状记忆合金弹簧设置在伸展臂后端端部，作为折叠驱动器的形状记忆合金弹簧设置在伸展臂两侧。

6.根据权利要求1或2所述的形状记忆合金弹簧驱动的伸展/折叠臂，其特征在于所述的导轨底座为由轻质金属材料加工而成能够安装其他零件的带有一定长度平面扁状零件，轻质金属包括铝合金材料。

7.根据权利要求3所述的形状记忆合金弹簧驱动的伸展/折叠臂，其特征在于所述的导轨底座为由轻质金属材料加工而成能够安装其他零件的带有一定长度平面扁状零件，轻质金属包括铝合金材料。

8.根据权利要求4所述的形状记忆合金弹簧驱动的伸展/折叠臂，其特征在于所述的导轨底座为由轻质金属材料加工而成能够安装其他零件的带有一定长度平面扁状零件，轻质金属包括铝合金材料。

9.根据权利要求5所述的形状记忆合金弹簧驱动的伸展/折叠臂，其特征在于所述的导轨底座为由轻质金属材料加工而成能够安装其他零件的带有一定长度平面扁状零件，轻质金属包括铝合金材料。

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