CN101813075B - 基于活性材料的柔顺机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于活性材料的柔顺机构。柔顺机构包括配置成响应于机械输入而产生机构输出的本体。本体具有由活性材料形成的至少一个区域。柔顺机构也包括至少一个激活装置，所述激活装置配置成选择性地施加激活信号给该至少一个区域。活性材料配置成响应于激活信号而经历模量上变化，使得输出在激活装置施加激活信号时以第一幅度或方向为特征、且在激活装置未施加激活信号时以第二幅度或方向为特征。

Description

基于活性材料的柔顺机构
技术领域
本发明涉及柔顺机构，由于可逆地操作制成这些机构的活性材料的属性的能力，因而该柔顺机构展示更好的耐用性和/或制造后顺应性。该能力被用来可逆地修改机构的几何形状、布局和/或刚性和阻尼分布，和因此在机构被制造后可逆地修改其性能。
背景技术
常规的或刚性本体机构包括由动态接合件(例如铰链、滑动接合件和齿轮等)连接的刚性连接件，以传递运动和力。不同于刚性本体机构，柔顺机构从机构柔性部段的变形获取其至少部分的运动。完全柔顺机构典型地为单件弹性本体，其完全从机构本体的变形获得运动。许多完全柔顺机构包括实质铰链，即，用作铰链的弹性本体且因而经历比周围区域更大的应变的区域。现有技术中实质铰链通过在这些区域中具有比周围区域相对较小的截面面积来实现更大的应变。实质铰链存储在机构的变形期间的应变能量，且是最常见的材料失效部位，从而限制机构的使用寿命。本申请的构想也适用于局部柔顺机构的完全柔顺部分。因此在本申请的其余部分中，将不使用限定词：局部或完全。
在本文中使用的“性能”是指机构的力和/或运动传输属性，例如准静态力偏转性能、其变形的性质、机构上由点跟踪的路径、其动态响应等。一旦制造出具有给定设计的柔顺机构，那么响应于给定负载组的机构性就被固定。因此，柔顺机构通常必须对其每个应用进行定制。
发明内容
柔顺机构包括柔顺机构本体，柔顺机构本体配置成响应于机械输入而产生机构输出。柔顺机构本体具有由活性材料制成的至少一个区域。活性材料配置成响应于激活信号而经历至少一种材料属性变化。示例性材料属性包括储存模量、损耗模量和破坏应变等。当施加激活信号时，该属性上的变化可用来改变机构的性能。替代地，该属性上的变化可用来改变机构的配置使得甚至在未施加激活信号时也能改变柔顺机构的性能。上述方法均可组合使用和/或同时使用。
本文提供的柔顺机构定制用于各种不同的应用，因为其配置是可调整的故因而其性能是可调整的。相应的方法包括提供柔顺机构本体，该柔顺机构本体具有第一配置，使得柔顺机构本体响应于输入而产生第一性能。柔顺机构本体具有由活性材料制成的区域，该区域配置成响应于激活信号而经历配置上的变化。该方法还包括将激活信号施加到该区域。这导致响应于相同输入而改变机构的性能。
通过对实施本发明的最佳模式的后述详细说明结合附图，本发明的上述特征和优势以及其它特征和优势将显而易见。
附图说明
图1是具有四个激活装置的柔顺机构的示意性截面侧视图；
图2是图1中柔顺机构的示意性截面侧视图，其中第一激活装置施加激活信号给柔顺机构的第一区域；
图3是图1和2中柔顺机构的示意性截面侧视图，其中第二激活装置施加激活信号给柔顺机构的第二区域；
图4是以第一配置为特征的另一柔顺机构的示意性侧视图，该另一柔顺机构具有多个激活装置；
图5是图4中柔顺机构的示意性侧视图，激活装置中的一个施加激活信号给柔顺机构的区域，且在施加激活信号时机构的配置通过施加外力改变；
图6是图4和5中柔顺机构的示意性侧视图，其特征在于不同于第一配置的第二配置；图7描述了SMA处于其马氏体和奥氏体状态下的理想响应；和图8A和图8B分别描述了在高于Tf和低于Ts时SMP的性能。
具体实施方式
柔顺机构由热激活形状记忆聚合物(SMP)制成。可局部加热和/或冷却机构的区域的温度控制元件(例如，电阻加热器和热电模块等)分布在机构的本体上。SMP的储存和损耗模量在受热到高于特征成型温度Tf(Tf＞Tx，特征切换温度)时经历明显的减少(例如，减少10分之一至1000分之一(a factor of 10 to 1000))。高于Tf时材料样品展示弹性性能，其特征为较低的刚度、较低的内阻尼和较高的弹性应变极限。当样品冷却到低于特征凝固温度Ts(Ts＜Tx)时，样品恢复其玻璃化性能，其特征为更高的刚度、更高的内阻尼和较低的弹性应变极限。材料的属性(例如，储存模量、损耗模量和弹性应变极限等)在Ts与Tf之间连续变化。因此，在温度控制元件附近的机构区域的刚度、内阻尼和弹性应变极限通过控制其温度而可选择地改变。当机构的小区域被加热到高于Tf的温度时，该小区域取决于其在机构内的位置可用作实质铰链。当该区域随后冷却到低于Ts时，其恢复为机构的刚性区域。通过控制区域的温度在Ts与Tf之间，这种实质铰链的阻抗(刚度和内阻尼)可被调节到相应极限值之间的任何值。当实质铰链以这种方式在柔顺机构(其本体由热激活SMP制成)中形成时，机构的耐用性与具有通过减少局部截面形成的实质铰链的相同机构相比得到了改善，因为在前一情形中弹性应变极限实质更高(例如1.5-20倍)。
如果通过控制更大区域(例如，机构的整个部段)的温度来修改其属性，那么更大区域可表现为类似于机构中的柔性连接件。当通过弯曲中间柔性部段允许柔顺机构的部分之间有相对运动时，该机构被认为展示分布式柔度。与实质铰链相关的集中柔度则经历更高的应变和应力，因为邻近部段之间的相对运动通过机构本体中很小区域的变形来实现。在更大区域上分布柔度会导致更低的应力，因此得到更长的机构寿命。当柔顺机构的至少一部分是由活性材料(可通过恰当的激励来可逆地调节其属性)制成时，调节材料属性的能力允许设计人员根据需要和在需要时生成两种类型的柔度。
分布在机构本体上的每个温度控制元件可产生至少一个可控实质铰链和/或柔性部段。柔顺机构的力和运动传输特性通过控制(如果有的话)被激活的实质铰链和/或柔性部段来可选择地改变。产生实质铰链和/或柔性部段的能力允许用户在机构制造之后修改其布局(即，连接件的数量、接合件的数量、连接件的类型、接合件的类型以及连接件的连接度)，和因此修改其性能和/或功能。
在前述的讨论中，一旦通过提供合适水平(例如，将SMP加热高于Tf)的激励来产生实质铰链或柔性部段，那么只要机构被用于其意在目的，该激励就将被持续施加以维持所选区域的期望粘弹性属性。如果产生实质铰链以使机构能够执行具体任务，那么该区域中的材料在机构开始任务之前受热到Tf且在机构执行该任务时保持高于该温度。
当为了产生实质铰链或柔性部段所施加的激励被移除时(例如，如果由热激活SMP制成的柔顺机构中的实质铰链/柔性部段区域冷却到低于Ts时)，铰链或柔性部段恢复成为刚性元件。当冷却到低于Ts时，实质铰链/柔性部段“锁定”或“冻结”成由在冷却到低于Ts前作用于其上的力产生的最后形状。该“冻结”状态是临时的，且只要温度保持低于Ts以及由于所施加的负载引起的铰链/部段上的应力保持低于阀值时会保持该状态。在更高的应力时，铰链/部段中的材料可经历导致偏离于“冻结”配置的可恢复或不可恢复(例如塑性)的应变。当没有外负载作用于机构上且其不经历任何不可恢复应变时，通过将机构加热到高于Tf的温度可容易地恢复到原始配置。
去激活实质铰链或柔性部段则降低了柔顺机构的可动性，从而限制其功能。如果前述产生的足量实质铰链和/或柔性部段被去激活，那么机构的可动性可降低至零，即，使机构大致锁定于其最后配置。在不用供给任何能量以维持最后配置的情况下将机构(刚性本体或柔顺)锁定于其最后配置而的能力是很有用的，且通常称为零动力保持或无动力保持。需要注意的是，在柔顺机构(类似地所有机构)中，可动性由额定输入和输出力和/或运动确定；过量的输入和/或输出力可产生不期望的可动性且导致损坏机构。我们假设在柔顺机构中的零动力保持能力的前述说明中采用额定操作。
在前述讨论中，公开了施加合适的激励来产生机构的刚度和内阻尼特性上的期望空间变化。该概念的直接扩展包括通过控制施加到机构不同部分上的激励的随时间而变的幅值和/或相而引起这些属性上的临时变化。激励的调节可作为机构的开环控制的一部分来进行，或可用于机构的闭环控制。
当机构在使用时，锁定临时变形的能力可用来改变机构的性能而不需要要持续施加的激励。在该情形中，在机构使用前激励被施加到柔顺机构本体的一个或多个部段。由所施加的激励产生的局部或分布式柔度可结合外力使用，以修改该部段的几何形状。如在本文使用的，“几何形状”包括机构部段的长度、形状和截面尺寸以及机构中凸点的位置。
这些变化然后被锁定以确保修改后的几何形状被保持，甚至在激励关闭后也是如此。该几何形状上的变化导致机构的动态和/或动态静力学参数的变化，和因此其准静态和/或动态性能的变化。如前所述，当没有外负载作用于机构上时，通过将机构加热到高于Tf的温度可容易地恢复到原始配置。
参考图1，其中示意性地描述了柔顺机构10的一部分。柔顺机构10包括包含活性材料18的弹性本体14。活性材料18的特征为可通过施加恰当的激励来修改的材料属性。示例性材料属性包括材料中的弹性属性(例如，模量、弹性应变率等)以及内阻尼。活性材料18配置成响应于激活信号而经历至少一种材料属性上的变化。更具体地，材料属性的特征为响应于施加激活信号(激励)而变化的可测量值。
弹性本体14的一端20以悬置的方式安装到固定物体22上。在如图1-3中以14示出的无应力状态下，弹性本体14是大致线性的，且其特征为沿着其长度的恒定截面面积。应当注意的是，虽然在该实施例中描述的弹性本体14在无应力状态下是线性的且其特征为恒定截面面积，但是柔顺机构的弹性本体14的特征可为在所要求保护的本发明范围内的任何形状。在所描述的实施例中，活性材料18在弹性本体14的整个长度上延伸。
柔顺机构10还包括沿着弹性本体14的长度彼此分隔开的多个激活装置26A-26D。每个激活装置26A-26D配置成将激活信号选择性地施加给弹性本体14的相应区域30A-30D，使得在每个区域30A-30D中至少一种材料属性被改变。因此，每个激活装置26A-26D可操作以选择性地改变区域30A-30D中的相应一个的弹性属性。在一个实施例中，活性材料18是热激活形状记忆聚合物(SMP)，且激活装置26A-26D是配置成将热量(即，热激活信号)施加给区域30A-30D中的相应一个的电阻加热元件。
总体而言，SMP是包括至少两种不同单元(描述为限定SMP内不同的部段)的相分离共聚物，每个部段对SMP的整体属性起不同的贡献。如在本文中所使用的，术语“部段”是指共聚以形成SMP的相同或类似单体或低聚物单元的块、接枝或序列。每个部段可为结晶的或非结晶的，且分别具有相应的熔点或玻璃化转变温度(Tg)。取决于部段是非结晶部段或结晶部段，在本文为了方便而互换地使用的术语“特征切换温度”或“热转变温度”一般是指Tg或熔点。对于包括(n)个部段的SMP，SMP被认为具有一个硬部段和(n-1)个软部段，其中硬部段具有比任何软部段更高的热转变温度。因此，SMP具有(n)个热转变温度。硬部段的热转变温度称为“最后转变温度”，且所谓的“最软”部段的最低热转变温度称为“第一转变温度”。重要的是要注意，如果SMP具有特征为相同热转变温度(也就是最后转变温度)的多个部段，那么SMP被认为具有多个硬部段。
当SMP受热到高于最后转变温度时，可定形SMP材料。可通过随后将SMP冷却到低于该温度来固定并记忆SMP的永久形状。如在本文中所使用的，术语“原始形状”、“先前限定的形状”和“永久形状”是同义的且意在互换地使用。可这样设定临时形状：将材料加热到高于任何软部段的热转变温度但仍低于最后转变温度的温度，施加外应力或负载以使得SMP变形，并然后将其冷却到低于该软部段的具体热转变温度同时保持该变形。
可通过在移除应力或应变的情况下将材料加热到高于该软部段的具体热转变温度但仍低于最后转变温度，可恢复到永久形状。因此应当清楚的是，通过组合多个软部段可能显示多个临时形状和借助于多个硬部段则可能显示多个永久形状。类似地，采用分层或合成的方法，将多个SMP进行组合则显示在多个临时形状和多个永久形状之间的转变。
对于仅具有两个部段的SMP，形状记忆共聚物的临时形状被设定在第一转变温度，随后在负载下将SMP冷却以锁定临时形状。只要SMP保持低于第一转变温度，那么临时形状将保持。当SMP再次高于第一转变温度时重新得到永久形状。重复进行加热、定形和冷却的步骤可重复地再次设定临时形状。
大多数SMP展示“单向”效应，其中SMP展示一个永久形状。在无应力或负载的情况下将形状记忆聚合物加热到高于软部段的热转变温度时，得到永久形状，但是在不使用外力的情况下该形状不会恢复到临时形状。
作为替代方式，可制备一些形状记忆聚合物成分以展示“双向”效应，其中SMP展示两个永久形状。该系统包括至少两种聚合物成分。例如，一种成分可为第一交联聚合物而另一种成分是不同的交联聚合物。所述成分采用成层技术结合，或是互穿网络，其中这两种聚合物成分交联但彼此不交联。通过改变温度，形状记忆聚合物在向第一永久形状或第二永久形状的方向上改变其形状。每个永久形状属于SMP的一种成分。整体形状的温度依赖性是由于这样的事实：一种成分(成分A)的机械属性在所关注的温度间隔中几乎与温度无关。另一种成分(成分B)的机械属性在所关注的温度间隔中依赖于温度。在一个实施例中，成分B在较低温度时比成分A更强，而成分A在较高温度时更强并确定实际形状。双向记忆装置可这样来制备：设定成分A的永久形状(第一永久形状)，使该装置变形为成分B的永久形状(第二永久形状)，以及在施加应力时使成分B的永久形状固定。
本领域的技术人员应当认识到，将SMP以许多不同形式和形状来配置是可能的。设计聚合物自身的成分和结构可允许选择用于期望应用的具体温度。例如，取决于具体的应用，最后转变温度可为从约0℃至约300℃或者更高。用于形状恢复的温度(即，软部段的热转变温度)可为高于或等于约-30℃。用于形状恢复的另一温度可为高于或等于约20℃。用于形状恢复的另一温度可为高于或等于约70℃。用于形状恢复的另一温度可为低于或等于约250℃。用于形状恢复的又一温度可为低于或等于约200℃。最后，用于形状恢复的另一温度可为低于或等于约180℃。
适合用于SMP的聚合物包括热塑性、热固性、互穿网络、半互穿网络或混合网络。聚合物可以是单种聚合物或者聚合物的混合物。聚合物可以具有侧链或树枝结构元件的线性或分支热塑性弹性体。适合形成形状记忆聚合物的聚合物组分包括但不限于：聚磷腈、聚(乙烯醇)、聚酰胺、聚酯酰胺、聚氨酸、聚酐、聚碳酸酯、聚丙烯酸盐、聚亚烃基烯、聚丙烯酸盐、聚亚烷基二醇、聚烷基氧化物、聚亚烷基对苯二甲酸盐、聚原酸酯、聚乙烯醚、聚乙烯酯、聚乙烯卤化物、聚酯、聚交酯、聚二醇、聚硅氧烷、聚氨基甲酸酯、聚醚、聚醚酰胺、聚醚酯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯酚、聚乙烯吡咯烷酮、氯化聚乙烯、聚(十八烷基乙烯基醚)乙烯-醋酸乙烯、聚乙烯、聚环氧乙烷(PEO)-聚(对苯二甲酸乙二酯)、聚乙烯/尼龙(接枝共聚物)、聚己酸内酯一聚酰胺(嵌段共聚物)、聚(己酸内酯)丙烯酸酯-n-丙烯酸丁酯、聚(冰片基多面低聚硅酸酯)、聚氯乙烯、尿烷/丁二稀共聚物、聚氨基甲酸酯嵌段共聚物、苯乙烯-丁二稀-苯乙烯嵌段共聚物等、以及包括前述聚合物组分中的至少一种的组合物。合适的聚丙烯酸盐的范例包括聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸乙醇)、聚(丙烯酸丁酯)、聚(甲基丙烯酸异丁酯)、聚(己基丙烯酸酯)、聚(异癸基丙烯酸酯)，聚(甲基丙烯酸月桂酯)、聚(苯基丙烯酸酯)、聚(丙烯酸甲酯)、聚(异丙基丙烯酸酯)、聚(异丁基丙烯酸酯)和聚(十八基丙烯酸酯)。上述用于形成SMP的各个部段的聚合物是商业上可用的或者可以使用常规化学方法合成。本领域技术人员将在无需过多试验的情况下容易使用已知化学和加工技术来制备所述聚合物。
热激活形状记忆聚合物在受热高于热转变温度(Tx)时其模量明显减少。更具体地，SMP的储存模量和损耗模量很大程度上取决于温度(尤其是在热转变温度附近)。因此，热激活形状记忆聚合物通过在其温度升高至高于Tx时其模量明显减少来响应热激活信号。激活装置26A-26D中的每个配置成在激活时将热激活信号选择性地施加给区域30A-30D中的相应一个，从而将该相应一个区域加热至高于热转变温度。
因此，当激活信号被施加给具体区域30A-30D时，只要施加激活信号，那么区域的模量明显减少且区域变为弹性本体14的更低刚性部分，且因此用作实质铰链。在没有激活信号(即，低于热转变温度)时，区域30A-30D不是弹性本体14的更低刚性部分且不用作实质铰链。所以，区域30A-30D是可选择地激活的实质铰链。
在所描述的实施例中，激活装置26A-26D嵌入在活性材料18中，以便形成弹性本体14的整体部分。在所要求保护的本发明的范围内可采用其它激活装置配置。例如，激活装置26A-26D可安装在弹性本体14外部。导线28也嵌入到弹性本体14中，以将电流从电源(未示出)选择性地供给到激活装置26A-26D。激活装置26A-26D接线使得任何装置26A-26D都可独立被选择。
在图1中，激活装置26A-26D均未施加激活信号给区域30A-30D，故因而区域30A-30D的刚度没有局部地降低；也就是说，区域30A-30D具有与弹性本体14的其余部分相同的弹性属性。当输入力F被施加到弹性本体14的端部34(与端部20相对)时，弹性本体14偏转到14A所示的位置。响应于输入力F，柔顺机构以输出运动为特征：当弹性本体14偏转到14A所示的位置时，端部34跟随路径38A。当负载F移除时，由于弹性本体14中存储的弹性能量被释放，弹性本体返回到14所示的位置。柔顺机构10的尺寸和SMP的弹性属性被选择，以确保在所期望的实质铰链30A-30D被激活时柔顺机构10在其期望的操作温度下具有足够的刚度(例如，以传递/抵抗期望的负载)。
参考图2，其中相同的附图标记指代图1中的相同部件，激活装置26A施加激活信号给区域30A，使得区域30A成为弹性本体14的局部变弱部分。也就是说，激活装置26A施加热能给区域30A使得区域30A高于热转变温度。激活装置26B-26D未施加激活信号给区域30B-30D，且区域30B-30D低于热转变温度。当输入力F施加到端部34时，被激活区域30A用作弯曲铰链，且弹性本体14变形到14B所示的位置。响应于输入力F，柔顺机构以输出运动为特征：当弹性本体14偏转到14B所示的位置时，端部34跟随路径38B。在该情形中，在弹性本体14由于区域30A高于热转变温度而变形时存储在区域30A的应变能量比在区域30A低于热转变温度时发生的相同变形时更少。因此，如果所施加的力F被移除同时区域30A高于热转变温度，那么弹性本体14可能显示弹回到其初始配置的更小可能性。
如果区域30A被允许冷却到低于热转变温度(即，通过去激活激活装置26A)同时保持力F，那么弹性本体14将保持14B所示的偏转形状，甚至在移除力F之后也是如此。在稍后的时间，如果激活装置26A施加激活信号给区域30A，以将区域30A加热至高于转变温度，那么在区域30A的锁定应变是可释放的。
参考图3，其中相同的附图标记指代图1和2中的相同部件，激活装置26B施加激活信号给区域30B，使得区域30B成为弹性本体14的局部变弱部分。激活装置26A、26C和26D均未施加激活信号给区域30A、30C和30D，且因此区域30A、30C和30D不是弹性本体14的局部变弱部分。当力F施加到端部34时，被激活的区域30B用作弯曲铰链，且弹性本体14变形至14C所示的位置。响应于输入力F，柔顺机构以输出运动为特征：当弹性本体14偏转到14C所示的位置时，端部34跟随路径38C。
如果区域30B被允许冷却到低于热转变温度(即，通过去激活激活装置26B)同时保持力F，那么弹性本体14将保持14C所示的偏转形状，甚至在移除力F之后也是如此。在稍后的时间，如果激活装置26B施加激活信号给区域30B，以将区域30B加热至高于转变温度，那么在区域30B的锁定应变是可释放的。
参考图1-3，取决于哪个(如果有的话)区域30A-D高于热转变温度，响应于输入力F由弹性本体14端部34跟随的路径38A-C将改变；因此，弹性本体14的力偏转特征通过激活激活装置26A-D而可选择地改变。更具体地，在所描述的实施例中，路径38A-C是具有彼此不同的半径的圆弧。通过同时或顺序地激活多个激活装置26A-D和施加恰当的负载给弹性本体14，线性弹性本体14可采用各种各样的形状。
激活信号以具有可测量的值的属性为特征，该可测量的值是选择性可变的。例如，如果激活信号是热的，那么可测量的值可为温度。激活信号的示例属性可包括幅值和相等。活性材料18配置成使得材料属性的值是激活信号属性的值的函数；也就是说，至少在激活信号属性值的某范围内，激活信号属性的值的变化使得材料属性的值也变化。激活装置26A-D配置成使得激活信号的值是选择性可变的。在激活装置26A-D是电阻加热器的实施例中，通过控制至装置26A-D的电流量可控制激活装置26A-D的温度。
尤其参考图1，柔顺机构10包括控制器50。控制器50经由导线28可操作地连接到每个激活装置26A-D，且配置成选择性地控制区域30A-D中活性材料18的材料属性的值。更具体地，在区域30A-D中的一个的材料属性的值由该区域的温度确定；该区域的温度至少部分地通过由与该区域关联的激活装置接收的电流量来确定。控制器50配置成控制通过导线28至激活装置26A-D的电流量。因此，控制器50配置成通过控制传输至激活装置26A-D的电流来控制区域30A-D的温度。
控制器50配置成独立地控制每个激活装置26A-D。换句话说，传输至激活装置26A-D中任何一个的电流量都与传输至任何其它激活装置26A-D的电流量无关。
在活性材料18是SMP的实施例中，SMP的储存和损耗模量很大程度上依赖于温度，尤其是在转变温度Tx附近。如前所述，材料的属性(例如，储存模量、损耗模量和弹性应变极限等)在Ts与Tf之间连续变化。因此，控制器50配置成通过控制至激活装置26A-D的电流量来选择性地控制区域30A-D的储存和损耗模量。该改变激活装置26A-D的温度的能力允许控制对应于激活装置26A-D的区域30A-D的柔度和阻尼容量。通过选择性地选择激活哪个激活装置26A-D以及将相应区域30A-D升高到何温度，控制器50控制柔顺机构本体14中的刚度以及阻尼的分布。
意为纯柔性部段的区域的温度需要保持在成型温度或高于成型温度，意为阻尼柔性部段的区域的温度需要保持在凝固温度与成型温度之间，且刚性部段的温度需要保持在低于成型温度。激活装置也可重新定位以与其激活/去激活状态无关地改变其影响的区域。应当注意的是，激活装置也可包括配置成降低区域温度的冷却器。
柔顺机构10也包括可操作地连接到控制器50的至少一个传感器54。传感器54配置成监测状况并将指示该状况的传感器信号传输给控制器50。示例性状况包括本体的一个或多个区域的温度、本体14的第一部分相对于本体14的第二部分的位移和输入力F的幅度和矢量等。
控制器50被编程基于来自于传感器54的传感器信号并根据预定算法来确定并控制至每个激活装置26A-D的电流量、和因此区域30A-D的材料属性的值，以得到柔顺机构10对于给定输入F的预定机械输出。例如，取决于输入和传感器信号，控制器50可激活仅激活装置26A，控制器50可激活仅激活装置26A-D中的两个，或者控制器50可激活所有的激活装置26A-D。类似地，取决于传感器信号，控制器可使得区域30A受热到第一温度、区域30D受热到不同于第一温度的第二温度，且控制器可不激活激活装置26B和26C，使得区域30B和30C不受热。
取决于传感器信号，控制器50在施加输入力时也可随着时间改变不同区域的温度。因此，响应于感测机构的实际响应的控制器50，柔性部段的位置、柔性和刚性部段的刚度以及柔性部段的阻尼系数都可实时地改变。类似地，在所要求保护的本发明的范围内，柔性部段的长度可通过选择性地施加激活信号来改变。
参考图4，柔顺机构110包括弹性本体114。弹性本体114包括活性材料118。弹性本体114的一端120A安装在第一锚定件122A处，且弹性本体114的另一端120B安装在第二锚定件122B处。锚定件122A、122B相对于彼此空间固定。
弹性本体114以三个线性部段124A-C为特征。弹性本体114也以四个实质铰链125A-D为特征。在所描述的实施例中，每个实质铰链125A-D由弹性本体114的以局部减少截面面积为特征的区域形成，这是本领域技术人员能够理解的。实质铰链125A-D与弹性本体114的其余部分相比更小的截面面积导致局部应变集中。实质铰链125A-D优选以内圆角(fillet)为特征，如图所示，以改善耐用性。实质铰链125A将端部120A与部段124A分离。实质铰链125B将部段124A与部段124B分离。实质铰链125C将部段124B与部段124C分离。实质铰链125D将部段124C与端部120B分离。
柔顺机构110还包括三个激活装置126A-C。每个激活装置126A-C配置成选择性地施加激活信号给弹性本体114的相应区域130A-130C，使得区域130A-C改变至少一种材料属性。因此，每个激活装置126A-C可操作选择性地改变区域130A-C中相应一个的具体材料属性。
在一个实施例中，活性材料118是形状记忆聚合物(SMP)、且每个激活装置126A-C是电阻加热元件，该电阻加热元件配置成选择性地施加热(即，热激活信号)给区域130A-C相应一个，从而选择性地将区域130A-C相应一个升高至高于热转变温度。在所描述的实施例中，每个激活装置126A-C是环绕相应区域130A-C的柔性套管。区域130A是部段124A的一部分；区域130B是部段124B的一部分；以及区域130C是部段124C的一部分。
柔顺机构110以图4中的第一配置为特征。激活装置126A-126C被去激活，使得区域130A-C不局部变弱且具有与部段124A-C的其余部分相同的模量和截面面积。处于第一配置的柔顺机构被设计成使得柔顺机构110响应于在其上输入端口138处施加的输入力134而在输出端口144处产生输出力142A。柔顺机构110还响应于输入力134而输出运动；输出端口144沿着路径146A运动。在没有任何激活装置126A-C的激活(即，没有施加到区域130A-C的激活信号)的情况下产生输出力142A和输出运动。
柔顺机构110的输出可通过改变柔顺机构110的形状或配置来改变。因此，例如，如果在没有激活信号给区域130A-C的情况下期望输入134的第二输出时，那么柔顺机构110可被再定形以获得第二输出。参考图5，其中相同的附图标记指代图4中的相同部件，激活装置126A被激活以施加热激活信号给区域130A。因而区域130A受热到高于热转变温度且是部段124A的局部变弱部分。通过施加定形力150给柔顺机构110同时区域130A高于热转变温度，部段124A的区域130A变形使得柔顺机构采用在110A以双点划线示出的第二配置。在柔顺机构处于110A所示的形状之后，激活装置126A去激活，即，区域130A被允许冷却到低于热转变温度。定形力150被保持直到区域130A低于热转变温度为止，使得柔顺机构保持110A所示的形状。
参考图6，其中相同的附图标记指代图4和5中的相同部件，柔顺机构110以第二配置为特征，且所有的激活装置126A-126C关闭。在第二形状或配置时，柔顺机构110配置成响应于在输入端口138处的输入力134而在输出端口144处产生输出力142B。输出力142B在幅度和方向上不同于输出力142A。柔顺机构110也产生输出运动：输出端口144响应于输出力134而沿着路径146B运动。路径146B不同于路径146A；更具体地，路径146A、146B是具有不同半径的圆的圆弧。当柔顺机构处于第一配置时输出端口144的初始运动方向不同于当柔顺机构处于第二配置时初始运动的方向。柔顺机构110在第一和第二配置时力偏转特性是不同的，是由于部段124A的有效长度改变且连接件124B、124C的初始斜度改变。
激活装置126B、126C类似地激活以分别使区域130B、130C变形，并进一步再定形柔顺机构。由柔顺机构响应于输入力而产生的输出力和运动通过激活一个或多个激活装置126A-C也可选择性地改变，使得区域130A-C中的一个或多个高于SMP的热转变温度并用作实质铰链。不同于机构的性能变化受机构几何形状上变化的影响的前述情形，在此处性能上的变化受机构的布局变化的影响。
在替代的实施例中，活性材料激活器(未示出)嵌入到柔顺机构110的本体114中，且配置成响应于激活信号而改变机构的配置和因此改变其性能。活性材料激活器形状上的变化使得本体114改变形状，故因而活性材料激活器形状上的变化使得柔顺机构110的性能改变。在示例性实施例中，活性材料激活器是预应变热激活形状记忆合金(SMA)激活器元件，其为部分去挛晶马氏体相(m相)，形状记忆合金(SMA)激活器元件以其原始(或制造)配置(如图4所示)嵌入到柔顺机构110的本体114中。这些SMA激活器元件中的一个或多个可结合激活(例如，经由焦耳加热)，以使得柔顺机构110的本体114变形，从而获得改变后的配置，例如在图5中以双点划线示出的110A和图6中示出的110。此外，该变形可通过将SMA激活器元件的激活与由前述激活装置126A-C引起的本体114的活性材料118的属性变化相协同来锁定。由于对于被激活的每个不同的SMA激活器元件组来说获得不同的初始配置，用该方法获得柔顺机构最终使用的较大灵活性。
被激活的SMA激活器元件的去激活则允许在柔顺机构变形时存储与其中的应变能量使得机构恢复到其初始配置。如果初始配置上的变化通过结合柔顺机构本体114的材料属性上的变化来完成，那么这些变化也需要与SMA激活器元件的去激活同时逆向，以使得机构110恢复回到其初始配置。抗SMA激活也可被用来将机构在其初始配置与改变后的配置之间转变。
参考图1和图4，应当注意的是，柔顺机构10、110可包括弹性弹簧(未示出)，弹性弹簧配置成辅助柔顺机构返回到预定形状。在示例性实施例中，弹性弹簧嵌入到柔顺机构中。
在所要求保护的本发明范围内可使用多种活性材料18、118。在另一示例性实施例中，活性材料18、118是磁流变(MR)弹性体，且激活装置26A-26D、126A-126C配置成分别选择性地施加磁场到区域30A-30D、130A-130C的相应一个。磁场强度在某强度范围内是可控的，以便控制模量或其它弹性属性在某值范围内。由于MR弹性体的刚度随磁场强度增加，因此期望在柔顺机构10、110上采用永磁偏磁场(未示出)，使得在没有来自于激活装置26A-26D、126A-126C的磁激活信号时活性材料18、118是刚硬的。来自于激活装置26A-26D、126A-126C的磁场然后将通过局部取消永磁偏磁场来降低区域30A-30D、130A-130C的刚度。
在所描述的实施例中，柔顺机构本体14、114由活性材料18、118形成单件。但是应当注意的是，在所要求保护的本发明范围内，柔顺机构可包括例如由活性材料区域互连的非活性部段。
在又一示例性实施例中，柔顺机构由热激活SMA制成，SMA在正常操作温度下处于其奥氏体相。实质铰链具有这样的几何形状，使得铰链中的应力远高于机构的其余部分中的应力。具体地说，选择几何形状使得容易地超过当机构被加载时引发马氏体所需的应力。这导致铰链中的很低刚度，从而允许在铰链处发生较大的相对运动；该相对运动可较大，因为应力引发的奥氏体至马氏体的转变具有8％的可恢复应变极限。使该机构卸载则使得应力引发的马氏体恢复回到马氏体，藉此恢复机构的原始特性。
在一些材料中通过施加高于特征阀值(Sf)的应力可引发机械属性(例如，存储和损耗模量)的明显变化。所有的材料在应力超过破坏应力水平(对应于屈服、断裂等的Sx)时都将经历这些模量的明显变化；然而，一些材料(例如，处于部分去挛晶马氏体以及完全奥氏体状态的形状记忆合金、形状记忆聚合物和压塑性塑料(baroplastic)等)在高于阀值应力Sf但低于破坏应力(Sf＜＝S＜Sx)的明显更低的模量下经历较大的应变，使得这些应变可完全恢复。应力的恢复可能需要应用外激励(例如，在形状记忆聚合物和部分去挛晶马氏体SMA的情形中的热量)或所施加的应力简单地减小至低于Sf的水平(例如，S＜＝Sf＜Sx，在完全奥氏体SMA时)。
图7描述了SMA处于其马氏体和奥氏体状态下的理想响应。线200描述完全去挛晶马氏体状态，线210描述部分去挛晶马氏体状态，而线220描述奥氏体状态。考虑柔顺机构由完全奥氏体SMA制成。机构被加载且某区域(其将随着继续加载而变为实质铰链/柔性部段)的应力从0增大。当应力升高至高于A1s处的应力引发奥氏体→马氏体转变应力水平时，硬度经历显著的降低且区域可经历达8％的局部应变，直到应力达到A1f水平为止。当该区域被卸载时，应力需要降至低于A2s，以便该区域随着材料经历逆向(应力引发马氏体→奥氏体)转变而经历较低硬度的另一状态。转变过程在A2f处完成。在上述特征应力水平之间，取决于材料成分和其温度，该区域可用作实质铰链。
在柔顺机构由处于部分去挛晶马氏体状态的SMA制成的情形中，随着应力从0(在Mr2处)增大到M2，材料展示一定的刚度。当应力超过M2时，随着材料经历应力引发的去挛晶，材料刚度明显降低。这在Mf处停止。经历在M2与Mf之间的应力的柔顺机构的区域可用作实质铰链。在Mr1处卸载至零应力时，材料刚度仍在其较高的值。热恢复步骤允许材料恢复到Mr2处的其初始配置和刚度，在该热恢复步骤中材料被加热到高于Af温度并然后在零(或特定系统启动)负载下冷却。特征应力水平也受温度和材料成分的影响。类似的情形适用于在机构的初始配置中其本体由完全去挛晶状态的SMA制成的机构。
图8A和图8B描述了在高于Tf(图8A)和低于Ts(图8B)时SMP的性能。前述的SMP性能集中于图8A。应当注意的是，类似于上述所描述的部分去挛晶马氏体SMP，一些SMP在模量(和因此，刚度)上也展示应力引发的降低。因此，由这种SMP制成的柔顺机构的区域也可展示为应力引发/激活的实质铰链/柔性部段。
除了温度和应力之外，激活激励包括用于光激活SMP的UV光和用于化学激活SMP的pH值等。可同时采用不止一个激活激励来实现材料属性的期望空间变化或临时变化。
开环/闭环控制器可用来在时间和/或空间上协同/同步各种激励，以实现期望的机构性能。
如在本文中所使用的，“实质铰链”可包括实质铰链和/或柔性部段。
在前述示例性实施例中所描述的一个或多个构思可进行组合。前述的具体活性材料可由功能同等的材料、合成物或系统完全地或部分地替代。产生前述活性材料属性的期望变化的激活信号可响应于人的动作、由来自于一个或多个传感器的感测数据触发的控制器信号、由从传感器数据推断的预期变化触发的控制器信号等而产生。
虽然已经详细地描述实施本发明的最佳模式，但是本发明所属领域的技术人员将能认识到实践在所附权利要求范围内的本发明的各种替代设计和实施例。

Claims (9)

1.一种柔顺机构，包括：
柔顺机构本体，所述柔顺机构本体配置成响应于输入产生输出；所述柔顺机构本体具有由活性材料形成的至少一个区域；
其中活性材料配置成响应于激活信号而经历至少一种材料属性上的变化；
至少一个激活装置，所述至少一个激活装置配置成将激活信号选择性地施加给所述至少一个区域；
其中所述至少一个激活装置包括多个激活装置；
其中所述至少一个区域包括多个区域；和
其中所述多个激活装置中的每个配置成将激活信号选择性地施加给所述多个区域的相应一个。
2.根据权利要求1所述的柔顺机构，还包括控制器，所述控制器可操作地连接到所述多个激活装置且配置成控制哪个激活装置施加激活信号。
3.根据权利要求2所述的柔顺机构，还包括传感器，所述传感器配置成监测状况并将指示所述状况的传感器信号传输给控制器；和
其中控制器配置成基于传感器信号来确定哪个激活装置施加激活信号。
4.根据权利要求3所述的柔顺机构，其中所述激活信号以选择性改变的激活信号值为特征；
其中所述至少一种材料属性以选择性改变的材料属性值为特征；
其中材料属性值随着激活信号值而变化；和
其中控制器配置成基于传感器信号来确定由激活装置施加的激活信号值。
5.根据权利要求1所述的柔顺机构，其中柔顺机构本体配置成使得输出在激活信号施加到所述至少一个区域时以第一性能为特征、且在激活信号未施加到所述至少一个区域时以第二性能为特征。
6.一种方法，包括：
提供柔顺机构本体，所述柔顺机构本体具有第一配置且具有由活性材料形成的至少一个区域，所述活性材料配置成响应于激活信号而经历至少一种材料属性上的变化；和
施加激活信号给所述至少一个区域；
其中所述至少一种材料属性包括模量；
其中所述施加激活信号降低所述至少一个区域的模量；
其中处于第一配置本体的柔顺机构在没有激活信号时响应于输入而产生第一性能；和
在所述施加激活信号之前确定期望的第二性能；
当所述至少一个区域的模量降低时，使所述至少一个区域变形，使得柔顺机构本体以第二配置为特征；和
在使所述至少一个区域变形之后，升高所述至少一个区域的模量同时保持柔顺机构本体处于第二配置。
7.根据权利要求6所述的方法，其中柔顺机构本体在没有激活信号时响应于输入而产生期望的第二性能。
8.根据权利要求6所述的方法，其中活性材料是以热转变温度为特征的形状记忆聚合物；
其中所述降低所述至少一个区域的模量包括将形状记忆聚合物加热到高于热转变温度；和
其中所述升高所述至少一个区域的模量包括将形状记忆聚合物冷却到低于热转变温度。
9.一种方法，包括：
提供柔顺机构本体，所述柔顺机构本体具有第一配置且具有由活性材料形成的至少一个区域，所述活性材料配置成响应于激活信号而经历至少一种材料属性上的变化；
施加激活信号给所述至少一个区域；
其中所述至少一种材料属性包括模量；
其中所述施加激活信号降低所述至少一个区域的模量；
其中处于第一配置的柔顺机构本体在没有激活信号时响应于输入而产生第一性能；和
其中所述方法还包括施加输入给柔顺机构本体同时所述至少一个区域的模量降低，使得柔顺机构本体产生不同于第一性能的第二性能。
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