CN104847611A - 一种基于微管道冷却的形状记忆合金驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微管道冷却的形状记忆合金(SMA)驱动器，所述SMA驱动器包括：柔性包裹材料、微管道、弹性板、SMA丝及其定位板。所述的微管道、弹性板以及SMA丝均完全嵌入在柔性包裹材料内。所述微管道是柔性材料内部的空腔管道，宽度和高度可在10μm和5mm之间，冷却液在微管道内快速循环流动过程中，实现驱动器的冷热交换，达到散热目的。所述的弹性板是一种可变形的高分子化合物，所述的定位板上有若干孔，用于定位SMA丝。本发明通过SMA丝和多种材料的复合，在微管道中冷却液的加速冷却作用下，实现了一种高频、运动范围大的SMA柔性驱动器。

Description

一种基于微管道冷却的形状记忆合金驱动器
技术领域
本发明涉及自动化及机器人技术领域，具体为形状记忆合金驱动器及仿生机器人技术领域，特别涉及一种基于微管道冷却的形状记忆合金驱动器。
背景技术
柔性机器人结构的柔韧性、轻巧性、灵活性和自身可实现较大范围的弯曲、扭转等特性，使得柔性机器人可在复杂的环境中完成刚性机器人不能完成的任务，如水下收集数据，自然灾害地区救援等。柔性机器人的驱动器的性能，则对柔性机器人的运动精确度、承载力和可控性有着重要的影响。
目前形状记忆合金(SMA)驱动器是柔性机器人常用的驱动的方式之一。SMA具有记忆效应和超弹性，且易与其他材料复合，使得SMA这种智能材料在柔性驱动器领域得到广泛的运用。但是目前以SMA为柔性机器人驱动器的主要瓶颈在于SMA加热后冷却速度慢，导致柔性机器人的动作频率较低，严重限制了SMA在柔性机器人中的应用发展。目前针对SMA的冷却方式，主要是采用空冷和水冷。而在空气中冷却速度慢，需控制室内温度，并且冷却效率低；在水中冷却则需要考虑密封装置，目前仅见一些直接将SMA驱动器置于水环境中冷却的报道。
本发明则提供一种基于微管道冷却的SMA驱动器，可有效的将驱动装置和散热装置结合为一体。加热SMA丝，驱动器发生弯曲变形输出；停止加热后，驱动器在弹性板的变形力作用下逐渐恢复到原来状态。SMA驱动器在加热过程中产生的热量，大部分由微管道中循环流动的冷却液带走，可缩短SMA丝的冷却时间，从而提高SMA驱动器的动作频率。本发明结构简单，制作成本低，对环境无污染。
发明内容
本发明给出了一种基于微管道冷却的形状记忆合金(SMA)驱动器装置。内置的微管道用于加速SMA丝的冷却过程，从而显著提高SMA驱动器的往复动作频率。
本发明采用的技术方案为：
一种基于微管道冷却的形状记忆合金(SMA)驱动器，所述SMA驱动器包括：柔性包裹材料、微管道、弹性板、SMA丝及其定位板；所述的微管道、弹性板以及SMA丝均完全嵌入在柔性包裹材料内；所述微管道是柔性材料内部的空腔管道，宽度和高度可在10μm和5mm之间，冷却液在微管道内快速循环流动过程中，实现驱动器的冷热交换，达到散热目的；所述的弹性板是一种可变形的高分子化合物，所述的定位板上有若干孔，用于定位SMA丝。
本发明通过SMA丝和多种材料的复合，在微管道中冷却液的加速冷却作用下，实现了一种高频、运动范围大的SMA柔性驱动器。
本发明的优点和积极效果为：
(1)、本发明所述柔性包裹材料具有绝缘、防水、耐热、柔软等特性，确保了本发明的驱动器具有良好的安全性、柔韧性和灵活性，并且避免了微管道中的冷却液和SMA丝的直接接触。
(2)、本发明所述驱动器通过SMA丝和多种材料的复合，在微管道中冷却液的加速冷却作用下，实现了一种高频、运动范围大的SMA柔性驱动器。
(3)、本发明所述驱动器集SMA丝和散热结构于一体，能够实现快速散热。同时也避免了SMA丝的“热死寂”，增加了SMA丝的工作寿命。
(4)、本发明结构简单制作、成本低，对环境无污染，操作简单。
附图说明
图1为本发明的SMA驱动器透视图(如图1(a)所示)和横截面剖视图(如图1(b)所示)示意图；
图2-1为图1示意图中的微管道俯视图和侧视图，图2-2为微管道的其他形状的示意图；
图3-1为图1示意图中SMA丝与定位板的平行排列的连接方式，图3-2为SMA丝与定位板的不规则排列的连接方式；
图4为本发明的SMA驱动器的热传递示意图；
图5为SMA丝加热相变时，驱动器的侧面的剖视图；
其中1为弹性板，2为柔性包裹材料，3为SMA丝，4为定位板，5为微管道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
图1所示为SMA驱动器的透视图(如图1(a)所示)和横截面剖视图(如图1(b)所示)示意图。柔性包裹材料2内部有微管道5、SMA丝3、以及弹性板1。定位板4用于定位SMA丝3。驱动器横截面的剖视图给出了微管道5、SMA丝3和定位板4在柔性包裹材料2的放置的顺序，柔性包裹材料2避免微管道5中的冷却液和SMA丝3的直接接触。
图2-1为微管道5的俯视图和侧视图，侧视图可以看出微管道5的深度和长度。图2-2给出了微管道5的另一种微管道的排布方式。本驱动器中的微管道5的形状可以多样化，可以根据需要设置。冷却液从微管道5的入口进入，出口流出，在微管道5内循环流动过程中，实现冷热交换，从而带走大部分热量。
图3-1给出了SMA丝3与定位板4的平行连接方式，其连接方式可根据应用场景不同做出多种排列形式设计，如图3-2所示为SMA丝不规则排列的连接方式。预先经过训练的SMA丝3先与定位板4连接，再嵌入到柔性包裹材料2中。
图4为本发明SMA驱动器的热传递示意图，示意图中以水为冷却液，SMA丝3通电后产生的热量为热源，将热传递到柔性包裹材料2中，再由空气对流传热、水对流传热和热辐射方式散热。
图5为SMA丝3加热相变后致使整个驱动器发生弯曲变形的某一时刻的状态。SMA丝3相变时，弹性板1随着弯曲，当SMA丝3断电后，弹性板1提供了SMA丝3的恢复力。
优选地，柔性包裹材料可以是有机硅，如PDMS、Ecoflex和RTV-2等。
优选地，所述驱动器的微管道，SMA丝和弹性板的排放顺序如示意图1所示，也可改变三者的排放顺序。
优选地，示意图中微管道的深度为1mm，宽为1mm，宽度和深度均可以10μm到5mm之间。
优选地，微管道的形状可以是示意图2-1中所示的形状，也可以蛇形、回形针式、平行式等。
优选地，微管道的横截面积可以是矩形，圆形或者多边形等。
优选地，丝与弹性板的竖直距离为1.5mm，丝与弹性板的竖直距离也随着驱动器整体尺寸而改变。
优选地，定位板可以是是PCB板、亚克力板、ABS板。定位板上的孔的排列方式可以有多种。
优选地，弹性薄板是易弯曲和恢复的弹性薄板，如PVC板、ABS板、合金薄板及高分子材料板。
基于微管道冷却的SMA驱动器采用模型嵌入式分层浇注和键合工艺成型。首先微管道是由带凹槽的柔性材料2与表面平整的柔性材料2键合而成。其次，将微管道5放在模具中，在管道的四周上浇注柔性材料2，并将与定位板4连接好的SMA丝3嵌入柔性材料2里，待固化完成后，再放置弹性板1。最后浇注第二层柔性材料2，待完全固化后，即可成型所述SMA驱动器。

Claims (2)

1.一种基于微管道冷却的形状记忆合金(SMA)驱动器，其特征在于：所述SMA驱动器包括：柔性包裹材料、微管道、弹性板、SMA丝及其定位板；所述的微管道、弹性板以及SMA丝均完全嵌入在柔性包裹材料内；所述微管道是柔性材料内部的空腔管道，宽度和高度可在10μm和5mm之间，冷却液在微管道内快速循环流动过程中，实现驱动器的冷热交换，达到散热目的；所述的弹性板是一种可变形的高分子化合物，所述的定位板上有若干孔，用于定位SMA丝。
2.根据权利要求1所述的一种基于微管道冷却的形状记忆合金(SMA)驱动器，其特征在于：通过SMA丝和多种材料的复合，在微管道中冷却液的加速冷却作用下，实现了一种高频、运动范围大的SMA柔性驱动器。
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