CN103062004A - 可调节刚度致动器 - Google Patents

Abstract

提供了一种可调节刚度致动器，其为一种适于可调节刚性控制的致动器，该致动器包括包括智能材料在内的刚性元件，以及被磁性致动的偏置元件。偏置元件被配置为提供作用在刚性元件上的非线性或可变偏置力。该智能材料可为形状记忆合金，且该偏置元件可配置为包括永磁体、电磁体、磁性形状记忆合金、或以上的组合。致动器的偏置元件和刚性元件可被彼此并联地配置，或可彼此串联地配置。偏置力可响应于由致动器的刚性元件的智能材料的疲劳、功能退化、老化、摇落、伸长以及操作环境中的一个或多个限定的输入或由致动器或受控于致动器的装置的操作特点限定的输入而提供。

Description

可调节刚度致动器

技术领域

本发明涉及使用智能致动器(smart actuator)的刚度控制。

背景技术

包括形状记忆合金（SMA）的智能致动器和被智能致动的装置可通常被配置为使用具有预定（例如恒定）刚度的机械弹簧来偏置SMA元件，以例如，辅助SMA刚性元件从经致动的形状返回至未致动形状。使用预定的刚度来偏置SMA元件可导致在与设计不符的工作状况下造成被致动装置的次优性能，例如与智能致动器相互接合的操作环境的改变和构件的劣化。在大设计空间中，可能在一些操作状况中需要更高的偏置应力以避免错误的致动，这可导致标称状况下的次优的性能，或由更高的偏置应力造成的SMA元件的使用寿命降低。

热激活的SMA元件的性能会受以下因素影响：环境状况的变化、和/或SMA元件由于反复使用或服役载荷而造成的SMA元件的劣化或退化（服役载荷可以是设计的或是偶发的载荷）、高温或高载荷下的反复致动、或其他影响刚性元件的性能、耐用性和可靠性（诸如在重复使用后老化、疲劳、剥落、和/或刚性元件的伸长的因素的影响。随着SMA元件的性能和/或机械弹簧的性能改变或退化，包括SMA元件和机械弹簧的智能致动器或装置的性能会变得有效性会越来越差。

发明内容

需要为形状记忆合金（SMA）或致动器配置有磁弹簧或其他磁性致动偏置元件，诸如磁性SMA（MSMA）元件，以提供可调节的偏置元件，其可适应由于环境或操作状况变化造成的SMA装置性能的改变，或是使用SMA元件的老化和劣化在内的其他变化，以为致动器提供有可调节刚性的特点。通过使用可配置为提供作用于SMA刚性元件上的可变偏置力的磁性致动偏置元件，可根据操作状况调节偏置力，以避免SMA元件的应力过度，由此延长SMA元件的使用寿命，并在操作状况范围内优化SMA致动器的致动性能。一个或多个磁性偏置元件可串联、并联、或以串联和并联的组合与SMA元件布置在一起，以提供作用在SMA元件上的偏置力，其中该偏置力可为可调节的或可变的偏置力。

提供了一种适于可调节刚性控制的致动器，该致动器包括具有智能材料的刚性元件，以及配置为被磁性致动的偏置元件。偏置元件被磁性地致动，以提供作用在刚性元件上的偏置力。智能材料可为形状记忆合金（SMA），其可例如被配置为SMA线或SMA弹簧。通过非限制性示例的方式，致动器的偏置元件和刚性元件可被彼此并联地配置，或可彼此串联地配置。由偏置元件提供的偏置力可为非线性偏置力。致动器可配置响应于输入提供可变的偏置力。

偏置元件可配置为包括永磁体、电磁体、磁性智能材料合金（MSMA）或以上的组合。输入可配置为电流，其可启动偏置部件，诸如电磁体，以使用偏置元件提供可变的偏置力。输入可由致动器的刚性元件的智能材料的疲劳、功能退化、老化、摇落、伸长以及操作环境中的一个或多个限定。致动器可受控于控制器，该控制器配置为提供输入以控制致动器的输出，其中输入可由致动器的输出、由致动器致动的装置的输出、或包括致动器的系统的输出限定。该输入可由操作特点或操作环境限定，例如，示例性地由控制器监测的致动器环境的温度或湿度限定。

致动器可包括多个刚性元件以及多个偏置元件，其中多个刚性元件中的至少一个包括智能材料，且多个偏置元件中的至少一个被磁性地致动。多个偏置元件中的每一个都可和多个刚性元件中的至少一个串联地致动，或与多个刚性元件中的至少一个并联地致动，或与多个刚性元件中的一个或多个以及与彼此成串联和并联相组合地致动，使得该多个偏置元件中的至少一个可被致动以提供作用在多个刚性元件中的至少一个上的偏置力，该力可为可变或非线性的偏置力。

一种提供可调节刚性控制的方法包括配置致动器以提供刚性控制输出。致动器包括具有可致动智能材料的刚性元件和配置为被磁性地致动以提供可变偏置力的偏置元件。该方法还包括致动智能材料元件和选择性地致动偏置元件以提供致动器刚性控制输出。

当结合附图时，本发明的上述特征以及其他特征和优势从下文中用于实施本发明的最佳模式的详尽描述中是轻易地明显的。

附图说明

图1是包括并联配置的智能刚性元件和磁性偏置元件的致动器的示意图；

图2是包括并联配置的智能刚性元件和磁性偏置元件的致动器的示意图；

图3是包括并联配置和串联配置的智能刚性元件和磁性偏置元件的致动器的示意图；

图4是包括并联配置和串联配置的智能刚性元件和磁性偏置元件的致动器的示意图；

图5是包括提供恒定偏置力且并联配置的智能刚性元件和磁性偏置元件的致动器的示意图；

图6是包括提供可调节偏置力且并联配置的智能刚性元件和磁性偏置元件的致动器的示意图；和

图7是包括并联配置的智能刚性元件和磁性偏置元件的致动器的示意图。

具体实施方式

参见附图，其中类似的附图标记在若干幅附图中代表相同的构件，图1-7中示出的元件并非按比例绘制。因此，此处示出的附图的中提供的具体的图示、尺寸和应用不被视为限制性的。

图1是10处大致示出且适于可调节刚性控制的致动器的示意图。致动器10包括刚性元件12以及大致在20处示出的磁性偏置元件。刚性元件12可包括智能材料（smart material）。偏置元件20可配置为被磁性地致动，以提供作用在刚性元件12上的偏置力。通过非限制性示例的方式，偏置元件和刚性元件可被彼此并联地配置，如图1和2所示。在图1中，刚性元件12示出为和包括致动器10的偏置元件20并联。在图2中，刚性元件12示出为和包括致动器30的另一偏置元件32并联。刚性元件12可配置为和偏置元件42串联，以构成致动器40，如图3中的非限制性示例中示出的。图4示出了另一种构造的致动器50，其中致动器包括和偏置元件20并联的刚性元件12，且这些元件12、20的组合被配置为和第二偏置元件42串联。包括一个或多个刚性元件以及一个或多个偏置元件的致动器的其他配置也是可以的，其中该一个或多个刚性元件和/或一个或多个偏置元件被配置为彼此成串联、并联、和/或串联和并联的组合，以构成适于刚性控制的致动器。由偏置元件提供的偏置力可为非线性偏置力。致动器可配置为响应于输入在刚性元件上提供可变的偏置力。

刚性元件12可包括诸如形状记忆合金（SMA）的智能材料，其可被示例性地配置为SMA线或SMA弹簧中之一，且可在此处可称作SMA刚性元件、SMA元件、或智能刚性元件。SMA刚性元件12可在非限制性示例中由形状记忆合金线以预定的第一形状（未示出）制成，该预定的第一形状可例如为收缩或缩回的形状且由SMA线在预定的高温（例如其转变温度处）记忆。第一形状也可在此处被称作奥氏体形状，例如，由SMA元件在SMA处在高温或奥氏体状态时记忆的形状。SMA元件12通过在较低温度（例如低于转变温度的温度）下施加成形力而转变（形成）至第二形状，且通常保持该第二形状直至由温度或施加的电流加热至转变温度之上，由此位于转变温度之上的SMA元件12从第二形状转变至其预定的第一或奥氏体形状。第二形状也可在此处被称作马氏体形状，例如，该形状是由SMA元件在SMA处在较低温度（例如当SMA处在马氏体状态中）下受力定形时记忆的形状。在转变温度以下冷却后，SMA元件继而从其第一（奥氏体）形状转变回其第二（马氏体）形状。

SMA元件12可因此被配置为用作致动器中的刚性元件，例如图1-7中分别示出的致动器10、30、40、50、60、70、80，通过操纵SMA元件12的温度使其高于或低于由SMA材料限定的转变温度，以造成SMA元件的形状的变化，这可用于与输出界面22的操作相连地施加力至被致动部件（未示出）或抵抗该被致动部件施加力。在图1-7中示出的非限制性例子中，刚性元件12可在第一连接部18和第二连接部28处操作地连接。第一连接部18可称作输入连接部，其可配置为提供输入以启动刚性元件12和/或偏置元件。第二连接部28可称作输出连接部。第二连接部可和输出界面22操作地相连，其也可被称作第二界面。

刚性元件12可被选择性地致动以提供力，其可为压缩力或拉伸力，对抗第二或输出界面22分别沿图1中X示出的箭头的方向或与该方向相反。致动器10的输出界面22和/或输出连接部28可与可致动装置或可致动部件（未示出）成操作相连或操作地连接。以该方式配置的致动器10可例如用于致动实际部件，以将被致动部件从另一部件接合/脱开，和/或将被致动部件沿方向X或与该方向相反地位移。

再次参见图1，并使用致动器10作为代表性致动器，刚性元件12可包括第一界面，其可示例性地为安装表面或界面，用于将致动器12操作地连接至向接合的构件或装置（其可以诸如是控制器、传感器或开关这样的致动构件）。第一界面24也可被称作输入界面。刚性元件12可通过第一连接界面18与致动源（未示出）操作相连或操作地连接。第一连接界面18也可被称作第一连接部或输入连接部。致动源可例如配置为电路，且输出连接部18可配置为操作地连接至电路，通过该电路电流可输入或提供至刚性元件12，使得该刚性元件12经由通过电阻加热使刚性元件12中的SMA的温度升高从而被促动。在非限制性示例中，刚性元件12可通过输入连接部18和/或输入界面24操作地连接至一个或多个传感器或开关（未示出），或连接至可对至少一个传感器做出响应的控制器(未示出），其中该至少一个传感器感知致动器10、刚性元件12、由致动器10致动的装置、和/或可包括致动器10的系统中的一个或多个的操作特点，且其中该至少一个传感器响应于感知到的一个或多个操作特点的变化而提供信号至刚性元件12、开关或控制器。

致动源可为经由输入连接部18操作地连接至刚性元件12的开关或功率提供部(未示出），使得当开关闭合时，电流从功率提供部流动至刚性元件12，且热量由刚性元件12的SMA线的电阻产生，充分地增加线的温度，使得刚性元件12从其马氏体形状被激活和转变至其奥氏体形状，例如，从其第二形状至其第一收缩或预定形状，沿方向X提供作用于在输出连接部28和/或输出界面22上的拉伸力。当开关被断开或打开以切断或中止至SMA元件12的电流供应时，SMA元件12被停止激活，从而其冷却且转变至其第二形状，并因此长度伸长，并由此从致动器10抵抗输出连接部28和/或输出界面22提供与方向X相反的压缩力。应理解也可使用热致动刚性元件12的其他方法。

包括SMA元件12的致动器的其他配置也示出在图2-7中。在图2-7中各自通过非限制性示例的方式示出的相应致动器30、40、50、60、70、80中，SMA元件12被示出为在一个端部操作地附连至输入部18和/或输入界面24，且在另一端部操作地附连至输出连接部28和/或输出界面22。应理解各自包括SMA元件12的致动器30、40、50、60、70、80可由来自致动源的输入致动，以提供致动器输出（其可为刚性控制输出）至此前针对图1中示出的致动器10讨论的可致动装置。

再次参见图1，在非限制性示例中，致动器10还包括偏置元件20。偏置元件20可配置为包括永磁体、电磁体、磁性形状记忆合金（MSMA）、或其他磁性可致动部件中的一个或多个，使得偏置元件20配置为可磁性地致动。偏置元件20可通过任何适合一个或多个磁性部件（其包括偏置元件20）的器件而被磁性地致动。

在图1中示出的非限制性示例中，偏置装置20包括第一偏置部件14和第二偏置部件16，其中部件14、16中的至少一个为磁性可致动部件。偏置部件14、16中的一个可配置为和输出界面22成操作相连，使得偏置部件和刚性元件12操作相连。偏置部件14、16中的另一个可与支撑界面18操作相连，或操作地与之附连，使得第一和第二部件14、16之间的相对运动（例如）沿图1中箭头X的方向或与其相反的方向产生作用在刚性元件12上的偏置力。偏置部件14、16可为磁性可致动部件，布置为使得偏置元件20可配置为磁弹簧，如图1所示。

部件14、16可各自配置为例如两极式永磁体，使得永磁体14、16彼此方位为相同的磁极彼此相对，在它们之间产生排斥力，或当永磁体方位为不同的磁极彼此相对时，在它们之间产生吸引力。由两个永磁体14、16由于其间的间隙变化而提供的偏置力是磁极的数量和每个磁极的强度的函数。通过合适地布置这些磁极（两个或更多），可配置偏置力和这些磁体之间间隙的非线性关系。如图2所示，磁体14、16可各自大致地配置为具有中空的中心部分的环形形状磁体。致动器10配置为使得SMA元件12穿过每一个环形磁体14、16的中空中心，使得磁体14、16关于SMA元件12的轴线相对于彼此的运动产生作用在SMA元件12上的偏置力。

这样配置的偏置元件20可通过将永磁体14、16中的至少一个从和永磁体14、16中的至少另一个中立或平衡的位置位移而被致动，从而改变被位移的磁体14、16之间的磁场，进而产生吸引力或排斥力。在磁体14、16之间产生的磁力（吸引力或排斥力）可与以下项成比例或取决于以下项：一个磁体从另一个磁体移位的相对幅度和/或方向、每一个磁体的磁场强度、以及一个磁体的磁极相对于另一个磁体的磁极的取向。由一个磁体从另一个磁体的移位导致的磁力（吸引力或排斥力）提供了施加至刚性元件12的偏置力。将永磁体14、16中的一个或多个从永磁体14、16中的另一个移位并进而启动偏置元件20的输入可示例性地为SMA元件12的长度的变化、或连接部28和/或输出界面22的位移。由一个磁体从另一个磁体的移位产生的磁力的变化可能与移位的量成非线性关系，使得由包括永磁体的磁弹簧20产生的偏置力和刚性元件12的长度变化成非线性关系。

在另一个示例中，偏置元件20可配置为使得偏置部件14、16中的一个可为永磁体，而偏置部件14、16中的另一个可为电磁体。出于示例目的，永磁体可表示为图1中的元件14，且电磁体可表示为元件16。电磁体16可配置为使得电磁体16的磁场强度可通过控制和/或改变输入至电磁体16的线圈的电流而被选择性地操控（开/关、增强、减弱）。电磁体16和永磁体14可被如前所述地配置，以提供配置为磁弹簧的偏置元件20，其可为可变磁弹簧。

这样配置的偏置元件20可示例性地通过将永磁体14从电磁体16移位而被致动，其中电磁体16被保持在固定的磁场强度上，并由此改变被位移的磁体14、16之间产生的最终磁场，进而产生取决于移位的相对方向的吸引力或排斥力，如前针对包括两个永磁体的偏置元件20所讨论的。将永磁体14从电磁体16移位并进而启动偏置元件20的输入可示例性地为SMA元件12的长度变化、或连接部28和/或输出界面22的位移。

在另一示例中，通过操控或改变控制电磁体16的电流使得电磁体16的磁场强度相对于永磁体的恒定或固定的磁场发生变化（不论是减弱或是增强），配置为具有永磁体14和电磁体16的偏置元件20可被致动。电磁体16的可变磁场和永磁体14的固定磁场之间的差在电磁体16和永磁体14之间产生最终磁力（吸引力或排斥力），其中磁力提供施加至刚性元件12的偏置力。

操控或改变电磁体的磁场强度并由此启动偏置元件20的输入可示例性地为提供至电磁体16的线圈的电流变化，其中电流变化是响应于来自一个或多个传感器或开关的输入，或是响应于对至少一个传感器做出响应的控制器，其中至少一个传感器感知刚性元件12、致动器10、可由致动器10致动的装置、和/或可包括致动器10的系统中一个或多个的操作特点，其中该至少一个传感器响应于感知到的一个或多个操作特点的变化而提供信号至刚性元件12、开关或控制器。

还应理解这样配置的偏置元件12可通过停止或中止对电磁体16的电流的供应而被中止激活，使得不存在施加至SMA元件12的偏置力，或偏置力大致为零。因此，对于包括永磁体14和电磁体16的偏置元件20而言，由一个磁体相对于另一个的移位产生的磁力（吸引力或排斥力）、由电磁体16的磁场强度相对于永磁体14的强度的变化产生的磁力、和/或这些磁力的组合，可提供施加至刚性元件12的偏置力，该偏置力可为非线性和/或可变的，或在其中电磁体16被终止激活的情形中，该偏置力为大致为零的偏置力。

包括偏置元件的致动器的其他构造在图2-7中示出，其中示出的致动器30、40、50、60、70、80每一个都包括至少一个配置为施加偏置力至刚性元件12的磁性可致动偏置元件。通过非限制性示例的方式，致动器30包括偏置元件32，致动器40包括偏置元件42，致动器50包括偏置元件20和42，致动器60包括偏置元件52，致动器70包括偏置元件62，且致动器80包括偏置元件72。

构成致动器30、40、50、60、70、80的偏置元件20、32、42、52、62、72的操作原理已经通过对图1中示出的偏置元件20的各种构造操作情况的描述而大致做了描述。将在此处更详尽地描述每一个非限制性构造的操作。应理解偏置元件20、32、42、52、62、72每一个都被配置为包括一个或多个偏置部件，其可被磁性地致动且可被配置为可致动以响应于输入而提供施加至诸如SMA元件12这样的刚性元件上的非线性和/或可变偏置力，如针对图1中示出的偏置元件20在此前讨论的。

此处描述的致动器可包括多于一个的偏置元件,使得偏置元件可配置为单独、串联、并联、或以这些方式的组合而产生作用，以提供抵抗SMA元件12的偏置力。例如，图4示出了致动器50，其包括和刚性元件12并联的第一偏置元件20,以及和第一偏置元件20和刚性元件12两者串联的第二偏置元件42，其中偏置元件20和42可被单独或彼此组合地、选择地致动，以在刚性元件12上施加偏置力。

再次参见图2，在非限制性示例中，致动器30包括偏置元件32。偏置元件32可配置为包括永磁体、电磁体或MSMA、或其他磁性可致动部件，或使得偏置元件32配置为可磁性地致动的构件。偏置元件32可通过任何适合包括偏置元件32的一个或多个磁性偏置部件的装置而被磁性地致动。在图2中示出的非限制性示例中，偏置装置32包括第一偏置部件34和第二偏置部件36，其中部件34、36中的至少一个为磁性可致动部件。第一偏置部件34可配置为操作地附连至输出界面22，使得偏置部件32和刚性元件12成操作相连。第二偏置部件36可被操作地附连至支撑界面18，使得第二偏置部件36可保持在相对于可动的第一偏置部件34固定的位置中。

如针对图1所讨论的，偏置部件34、36每一个可配置为永磁体，其可例如为双磁极磁体。在图2中示出的示例中，第一永磁体34和第二永磁体36每一个可大致配置为环形形状磁体，具有中空的中心部分且布置为彼此同轴以及与刚性元件12共轴。如针对图1中的致动器10所讨论的，偏置部件34、36方位为相同的磁极共轴地彼此相对，从而在其间产生排斥力。这样配置的偏置元件32可通过将永磁体34、36中的至少一个从与永磁体34、36中的至少另一个中立或平衡的位置移位而被致动，从而改变被移位的磁体34、36之间的磁场，进而产生吸引力或排斥力。在磁体34、36之间产生的磁力可以与以下项成比例或取决于以下项：一个磁体从另一个磁体移位的相对幅度和/或方向、每一个磁体34、36的磁场强度、以及一个磁体的磁极相对于另一个磁体的磁极的取向。由一个磁体从另一个磁体的移位导致的磁力提供了施加至刚性元件12的偏置力。将永磁体34、36中的一个或多个从另一个移位并进而启动偏置元件32的输入可示例性地为SMA元件12的长度的变化，或连接部28和/或输出界面22的位移。由一个磁体从另一个磁体的移位产生的磁力的变化可能与移位的量成非线性关系，使得由包括永磁体34、36的磁弹簧32产生的偏置力和刚性元件12的长度变化成非线性关系。

图5示出了致动器60，包括在一个端部处的连接点18处附连的刚性元件12和在另一端部处的输出界面22，其中偏置元件52包括两个永磁体54、56。两个永磁体54、56被如图2所示的布置。该布置在大的行程（stroke）上以及在最小的封装空间中提供作用在刚性元件12上的恒定的偏置力，从而提供优于传统刚性元件的优势。

在另一个示例中，图2中示出的偏置元件32可配置为使得偏置部件34、36中的一个可为永磁体而另一个可为电磁体。出于示例目的，永磁体可表示为图2中的元件34，且电磁体可表示为元件36。如此前针对图1所讨论的，电磁体36可配置为使得电磁体16的磁场强度可通过控制和/或改变提供至电磁体36的线圈的电流而被选择性地操控。电磁体36和永磁体34可被如前所述地配置，以提供配置为磁弹簧的偏置元件32，其可为可变磁弹簧。如此配置有永磁体34和电磁体36的偏置元件32可如图1所讨论的一样地被致动，以提供作用在SMA元件12上的偏置力。

图6示出了致动器70，包括在一个端部处的连接点18处附连的刚性元件12和在另一端部处的输出界面22，其中偏置元件62包括永磁体64和电磁体66。永磁体64和电磁体66被如图2所示的布置。通过控制提供至电磁体的电流，该布置在最小的封装空间中提供作用在刚性元件12上的可调节的偏置力，从而提供优于传统刚性元件的优势。

现在参见图3，其示出了配置为可调节刚性元件的致动器40的另一非限制性实施例。致动器40包括配置为和刚性元件12串联的偏置元件42。刚性元件12包括智能材料，其可示例性地为此前讨论的SMA材料。刚性元件12在一端部操作地附连至输入连接部18和/或输入界面24。刚性元件12在另一端部操作地附连至连接部28/或中间界面48。偏置元件42包括第一偏置部件44和第二偏置部件46。第一偏置部件44可操作地连接至输出界面22。第二偏置部件46可操作地连接至中间界面48。如此配置时，致动器40可响应于在输入连接部18处和/或输入界面24处的输入通过刚性元件12和偏置元件42的组合来提供去往界面22的输出。

在一个非限制性示例中，第一偏置部件44包括两个永磁体44a、44b,其每一个配置为永磁性双磁极磁体。两个磁体44a、44b被布置为相反的磁极（S-N）相邻，使得两个磁体44a、44b彼此吸引。偏置部件44可操作地连接至输出界面22。偏置部件46包括两个永磁体46a、46b,它们每一个配置为永磁性双磁极磁体。两个磁体46a、46b被布置为相反的磁极（S-N）相邻，使得两个磁体46a、46b彼此吸引。偏置部件44和偏置部件46方位为使得相同的磁极（N-N）对齐，提供在偏置部件44、46之间的排斥力。通过将具每一个偏置部件44、46偏置为具有多于一个的双磁极磁体，可增强偏置部件44、46之间的磁场。也可使用其他构造。例如，偏置部件44、46中的每一个都可配置为包括一个双磁极磁体，而不是两个，其中这样配置的偏置元件42将提供较图3所示配置的偏置元件42更弱的磁场。应理解每一个偏置部件44、46都可配置为包括多个磁性部件的其他构造也是可行的。

如图3所示配置的偏置元件42可如针对图1中的偏置元件20所述的一样被致动，即，通过将一个偏置部件44从另一个偏置部件46移位从而在偏置部件44、46之间产生磁力，该磁力作为偏置力作用在SMA元件12上，且和SMA元件12串联以提供作用在输出界面22上输出力。导致偏置部件44、46中的一个移位的输入可示例性地为当SMA元件被致动时SMA元件12的长度变化，或可示例性地为输出界面22的位移。

再次参见图3，应理解偏置部件44、46中的一个可使用电磁体取代，其可如前针对图1和图2所讨论的一样地被致动，以提供偏置元件42的另一构造。

也可使用和刚性元件12串联的偏置元件的其他构造。在非限制性示例中，图7示出了偏置元件80，其可包括磁性形状记忆合金(MSMA)部件74，和用于致动MSMA76的磁场源。MSMA也可被铁磁性形状记忆合金（FSMA），且可包括任意铁磁性材料——这种材料可在由于MSMA的马氏体结构变化造成的施加磁场的影响下产生形状和尺寸的较大变化。MSMA可例如为镍-锰-镓（Ni-Mn-Ga）合金。用于对MSMA进行致动（例如用于导致MSMA的马氏体结构的变化）的磁场源可配置为电磁体76。电磁体76可配置为使得电磁体76的磁场的强度和方向可通过控制和/或改变提供至电磁体76的线圈的电流而被选择性地操控，以提供沿对SMA部件74进行致动的所需方向和足够强度的磁场，以例如导致MSMA的马氏体孪晶结构重排，由此导致MSMA部件74的偏置尺寸的变化，例如，与所施加的磁场方向对齐的MSMA部件74的长度的增加。强度的减小或磁场方向的反置导致马氏体孪晶结构的重排逆转，并由此导致MSMA部件74的偏置尺寸的逆向变化，例如，在当前示例中，MSMA部件74的长度减小至未致动时的长度。在施加的磁场的影响下，MSMA部件74的偏置尺寸的长度变化可在此处称作磁性形状记忆效应（MSME）。

如图7所示，致动器80包括刚性元件12，其可为SMA元件，在一端操作地附连至输入连接部18，且在另一端操作地附连至MSMA元件74，使得SMA元件12和MSMA元件74被串联地连接至输出界面22。当磁场由电磁体76提供且以沿引起磁性形状记忆效应（MSME）所需要的方向和足够的强度施加至MSMA部件74时，偏置尺寸（例如MSMA部件74的长度）由于MSME而增加，从而MSMA部件74施加偏置力至其操作地连接的刚性元件12。当MSME逆转时，例如，通过逆转由电磁体76提供的施加磁场的方向，MSMA部件74的MSMA被停止促动，例如马氏体结构的变化被逆转，以导致偏置尺寸的缩短（例如，MSMA部件74的长度），且施加至SMA元件12的偏置力被逆转。改变电磁体76的磁场强度和方向并由此将偏置元件80的MSMA部件74的MSME启动的输入例如是提供至电磁体76的线圈的电流变化，其中电流的变化响应于来自一个或多个传感器或开关的输入，或是响应于至少一个传感器的控制器，其中至少一个传感器感知致动器12、刚性元件12、由致动器10可致动的装置、和/或可包括致动器10的系统中一个或多个的操作特点，其中该至少一个传感器响应于感知到的一个或多个操作特点的变化而提供信号至刚性元件12、开关或控制器。因此，对于包括MSMA部件74和电磁体76的偏置元件80而言，MSME和MSMA部件74的相关偏置尺寸的变化可提供施加至刚性元件12的偏置力，该偏置力可根据由MSME启动的MSMA部件74的马氏体结构的变化的幅度和程度以及磁场的强度而变动。致动器80可例如通过控制施加至电磁体76（其启动MSMA部件74）的电流来补偿SMA元件12的松弛。如此，当与这样的系统结合地配置时，在系统的初始设置或配置中，或在系统的使用寿命中，致动器80可用于电调节传统偏置弹簧系统中的预压缩，以对系统构件磨损或劣化、系统操作环境或状况的变化或系统性能的其他变化进行补偿。

现在参照图4，示出了包括SMA刚性元件12和多个磁性偏置元件20、42的致动器50的示意图。偏置元件20配置为与刚性元件12并联，且偏置元件42配置为与SMA刚性元件12以及偏置元件20串联。偏置元件20、42可具有包括至少一个磁性可致动偏置部件的任何构造，如前针对图1、2和3所讨论的。偏置元件20、42可被单独和/或组合地启动，以提供作用在刚性元件12上的偏置力，其可为可变的以及动态的，取决于偏置元件20、42的启动组合、幅度和顺序。

包括多个刚性元件以及多个偏置元件的其他致动器构造也是可行的（其中多个刚性元件中的至少一个包括智能材料，且多个偏置元件中的至少一个被磁性地致动)。应理解多个偏置元件每一个可以具有以下特点：可与多个刚性元件中的至少一个串联地致动；与多个刚性元件中的至少一个并联地致动；或与多个刚性元件中的一个或多个以及与彼此串联和并联相组合地致动，使得该多个偏置元件被配置为单个地或组合地提供作用在多个刚性元件上的偏置力。

对诸如致动器10、30、40、50、70、80这样的致动器的输入（其中至少一个偏置元件可为电磁体或其他电致动偏置部件）可配置为电流，其可启动电磁体或偏置部件，以使用偏置元件提供可变的偏置力。致动器可受控于控制器（未示出），该控制器配置为提供输入以控制致动器的输出，其中该输入可由致动器的输出、刚性元件的输出、由致动器致动的装置的输出、或包括致动器的系统的输出所限定。控制器可配置为提供致动输入至致动器的偏置元件中的刚性元件中的一个或两者，其中该输入可为相同的输入或不同的输入。控制器可包括控制逻辑，使得对偏置元件的输入中去往刚性元件的输入被协调，以从致动器提供希望的刚性输出。控制器可同时、顺序、或以另外地模式或顺序致动刚性元件和偏置元件，以从致动器提供希望的刚性控制输出。来自致动器的刚性控制输出可基于偏置元件中的刚性元件的致动模式而变化，以提供操作地连接至致动器的可致动装置的可变致动。输入可由致动器的刚性元件12的智能材料的疲劳、功能退化、老化、摇落、伸长以及操作环境中的一个或多个限定。该输入可由操作特点或操作环境限定，例如，由传感器和/或控制器监测的致动器环境的温度或湿度。

致动器的一个或多个偏置元件可被顺序地或同时地和/或与刚性元件12的致动组合地致动，以提供作用于刚性元件上的可变偏置力，和/或来自致动器的可变输出。将致动器配置为具有一个或多个智能刚性元件与一个或多个偏置元件的组合（并联、串联、或其组合）的能力（其中至少一个偏置元件可被磁性地致动）提供了优于传统的刚性致动器的优势，传统的刚性致动器包括配置为具有智能刚性元件和传统的例如机械偏置弹簧这样的致动器。附加地，当和传统刚性致动器比较时，使用磁性可致动偏置元件提供了可调节、紧凑封装、鲁棒性、可变致动、和摩擦力补偿的优势。

可提供一种提供可调节刚性控制的方法，包括配置致动器，诸如图1-7中示出的任意致动器，以经由输出连接部28和/或输出界面22提供刚性输出。该方法还包括对智能材料元件进行致动和选择性地对偏置元件进行致动，以提供致动器刚性控制输出。

可提供一种系统，其包括可变刚性控制装置，诸如图1-7中示出的任意致动器。应理解系统还可配置为感知刚性元件、致动器、和/或可致动装置中的至少一个的输出范围的变化，其中该变化可由例如刚性元件、致动器和/或可致动装置中的一个或多个的劣化导致或造成。刚性元件或可致动装置的输出范围的变化可被检测到，例如，通过感知影响或改变致动器输出的刚性元件的被启动和被停止启动的长度的变化，或通过感知被致动装置的性能特点的变化，其可示例性地为位移或力输出的测量结构。刚性元件会变化，例如可由于反复使用或服役载荷（其可为经设计的或是偶发的载荷）、高温或高载荷下的反复致动、或其他影响刚性元件的性能、耐用性和可靠性的因素而造成。刚性元件性能的变化或劣化可例如由反复致动后刚性元件材料的老化、疲劳、摇落（shakedown）、功能性退化、和/或伸长所造成。被致动装置会变化，例如可由于反复使用或表面内浮动、反复致动、或其他影响被致动器致动的装置的性能、耐用性和可靠性的因素而劣化或退化。

控制器和致动器可配置为调节或改变被启动的多个偏置元件和/或刚性元件、或被启动的单个刚性元件和/或偏置元件的启动顺序或组合，以提供致动器输出和/或被致动装置输出，这种输出对多个刚性元件中的一个或多个的输出的劣化或其他变化的补偿，或提供对致动器装置的输出变化的补偿，以为在劣化或其他变化之前提供的输出提供等效的输出，例如，功能性替代性输出。类似地，控制器和/或致动器可附加地配置为调节启动或改变被启动的多个刚性元件或单个刚性元件的启动顺序或组合，以提供补偿其他系统变化的输出，诸如被致动装置或元件的磨损或退化，诸如其中被致动装置和/或致动器所运行的环境温度或湿度的变化这样的操作环境变化，这需要对致动器输出进行改变，以提供被致动装置的所需操作状况。

通过配置具有并联、串联、或其组合(的多个可致动刚性元件以及多个偏置元件、且具有可致动装置经由连接部28和/或输出界面22）的致动器，可致动刚性元件和/或偏置元件或多个可致动刚性元件和/或偏置元件可被单个地或组合地、在各个时间以各种顺序和/或以各种一个或多个偏置元件的位移、幅度、和/或强度而被启动或停止启动，以针对输入状况提供具体且细致的响应（其可以是可变的和/或非线性的响应），并由此增强了对多种变量和更宽输入范围做出响应的能力。

此处描述的致动器和系统的其他构造也是可行的。例如，致动器可包括任意数量的以各种形状配置且由各种力/应力和行程/应变输出曲线和刚性特点限定的SMA元件。此外，SMA元件可以串联和并联构造的任意组合限定，如提供为被致动装置的操作和/或致动器所希望的致动输出所需要的。此处描述的可调节刚性致动器可包括其他构造的SMA材料，诸如SMA带、SMA薄膜、SMA缆线、嵌有SMA的复合材料、和由诸如SMA粉末材料的SMA块状材料制成的构造。

此处讨论的偏置元件可包括磁性可致动部件的其他构造，如此前讨论的，包括电磁体和磁性可致动MSMA部件。偏置元件可配置为包括具有各种形状、尺寸、磁场强度、和布置的偏置部件，诸如为可调节刚性致动器的具体构造提供偏置力所需要的、致动装置或系统可能需要的、或针对具体应用所需要的。除此前讨论的优势外，此处提供的系统和装置可适应刚性的快速变化，例如，在几个毫秒内的变化，使用该功能快速地致动和停止致动给定致动器的一个或多个刚性元件和/或一个或多个偏置元件。

尽管已经对用于实施本发明的最佳模式进行了详尽的描述，对本发明所涉及的领域熟悉的技术人员将辨识出在所附的权利要求内用于实施本发明的各种可替换设计和实施例。

交叉引用

该申请要求2011年7月11日申请的印度临时申请No.2359/CHE/2011的权益，其被通过引用的方式全文合并于此。

Claims (10)

1.一种适用于可调节刚性控制的致动器，该致动器包括：

刚性元件，包括智能材料；和

偏置元件，配置为被磁性地致动；

其中偏置元件被磁性地致动，以提供作用在刚性元件上的偏置力。

2.如权利要求1所述的致动器，其中所述智能材料是形状记忆合金。

3.如权利要求1所述的致动器，其还包括：

多个刚性元件，其中该多个刚性元件中的至少一个包括智能材料；

多个偏置元件，其中该多个偏置元件中的至少一个被磁性地致动；

其中该多个偏置元件中的每一个具有下列特征之一：

能够和所述多个刚性元件中的至少一个串联地致动，

能够和所述多个刚性元件中的至少一个并联地致动，和

能够和所述多个刚性元件中的一个或多个彼此串联和并联相组合地致动，

使得所述多个偏置元件提供作用在所述多个刚性元件上的偏置力。

4.如权利要求1所述的致动器，其还包括：

多个刚性元件，其中该多个刚性元件中的至少一个包括智能材料；

多个偏置元件，其中该多个偏置元件中的至少一个被磁性地致动；

其中所述多个偏置元件中的至少一个被配置为提供作用在所述多个刚性元件中的至少一个上的可变的偏置力。

5.如权利要求1所述的致动器，其中所述偏置力是非线性的。

6.如权利要求1所述的致动器，其中所述偏置元件被配置为响应于输入提供可变的偏置力。

7.如权利要求6所述的致动器，其中输入由刚性元件的智能材料的疲劳、功能退化、老化、摇落、伸长以及操作环境中的一个或多个限定。

8.如权利要求6所述的致动器，其还包括具有该致动器和被致动装置的系统，其中输入被下列特征中之一的变化所限定：

系统输出，

系统操作特点，

被致动装置的操作特点，和

系统、被致动装置、和致动器中的一个的操作状况。

9.一种提供可调节刚性控制的方法，该方法包括：

配置致动器以提供刚性控制输出，该致动器包括：

刚性元件，包括可致动智能材料；和

偏置元件，配置为被磁性地致动以提供可变偏置力：

对智能材料进行致动和选择性地对偏置元件进行致动，以提供刚性控制输出。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述偏置元件被配置为包括电磁体，且其中选择性地对偏置元件致动包括提供电流至所述电磁体。

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