CN105114270B - 一种柔性可弯曲形状记忆合金驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性可弯曲形状记忆合金驱动器，采用形状记忆合金丝作为驱动元件，通电加热时收缩、冷却时伸长，实现驱动器位移和力的输出。该驱动器由驱动端、柔性螺线套管和固定端组成；形状记忆合金丝置于可弯曲螺线套管内部，记忆合金丝的一端与输出轴刚性连接，另一端与固定端盖相连接；驱动端内置偏置弹簧，其作用是在冷却过程中辅助记忆合金丝产生伸长动作。该驱动器体积小、重量轻、结构简单可靠、输出力和位移可调，并可以按照一定的曲率进行弯曲，与外部机构易于安装集成。

Description

一种柔性可弯曲形状记忆合金驱动器

技术领域

本发明涉及一种驱动装置，具体涉及一种柔性可弯曲形状记忆合金驱动器。

背景技术

传统的电磁式驱动器体积大、结构复杂、制造加工成本高以及易产生电磁干扰，其应用领域受到很大的限制。目前常用的形状记忆合金直线驱动器的主要原理是利用温度控制形状记忆合金丝低温相马氏体和高温相奥氏体之间的转变来实现驱动器力和位移的输出。当合金为低温马氏体相时，合金较软，表现为具有很好的延展性和可拉伸性，当被加热到一定温度后，被拉伸的合金开始收缩并转变为奥氏体，形成输出力和位移。形状记忆合金驱动器的输出位移取决于形状记忆合金丝的长度，现有的形状记忆合金驱动器采用刚性结构，形状记忆合金丝的长度受到限制，通常采用分段位移叠加方法来增大输出位移，导致驱动器结构复杂、制造加工困难。如美国专利US 6574958 B1中公布了一种形状记忆合金驱动器，该驱动器通过多段形状记忆合金丝位移叠加的方式增大驱动器的输出位移，但该结构复杂，体积较大，制造加工困难。

发明内容

本发明设计开发了一种柔性可弯曲形状记忆合金驱动器，本发明通过采用形状记忆合金丝作为驱动元件，通电加热时收缩、冷却时伸长，实现驱动器位移和力的输出；本发明具有体积小、输出位移大、易于调试和安装集成等特点。

本发明的第一发明目的是解决传统电磁式直线驱动器通过蜗轮蜗杆或者齿轮齿条等装置将电机的旋转运动转换为直线运动，必要的情况还要加装减速装置、从而造成体积大、输出位移小、集成度低、结构复杂，调节参数不便的问题。

本发明的第二发明目的是解决现有的形状记忆合金直线驱动器为了减小尺寸体积通常采用分段叠加的方式增大驱动器的输出位移，而分段的形状记忆合金丝必须通过附加机构进行连接，使得结构复杂、制造困难、体积尺寸无法进一步减小的问题。

本发明的第三发明目的是解决在固定端及驱动端的输出轴的不能方便的进行参数调节，驱动器的安装和调试，输出轴的运动范围不能预调节等问题。

本发明提供的技术方案为：

一种柔性可弯曲形状记忆合金驱动器，包括：

记忆合金丝；

驱动端，其与所述记忆合金丝一端固定连接；以及

固定端，其与所述记忆合金丝另一端固定连接；

螺线管，其缠绕所述记忆合金丝，所述螺线管和所述记忆合金丝能够共同折叠弯曲并且保持弯曲后的形状；

其中，所述驱动端还包括第一端盖、第一圆筒、第二圆筒及输出轴；所述第一圆筒和所述第二圆筒螺接，所述第一圆筒和所述第二圆筒之间相对旋转，能够调节所述驱动端的轴向长度；所述第一端盖固定在所述第一圆筒的另一端；

所述记忆合金丝能够穿过所述第一圆筒和所述第二圆筒的空腔，固定连接所述输出轴一端；所述输出轴另一端穿过所述第一端盖上的通孔后伸出。

优选的是，所述固定端包括：第三圆筒、第四圆筒和第二端盖；

所述第三圆筒和所述第四圆筒螺接，第三圆筒和第四圆筒之间相对旋转，能够调节所述固定端的轴向长度；

所述第二端盖固定在所述第四圆筒的另一端；

所述记忆合金丝穿过所述第三圆筒和所述第四圆筒的空腔，固定连接所述第二端盖。

优选的是，所述记忆合金丝为镍钛记忆合金材料。

优选的是，所述记忆合金丝为铜基或铁基记忆合金材料。

优选的是，所述记忆合金丝为单股结构或多股结构。

优选的是，还包括具有通孔的固定套和弹簧；所述固定套固定在第二圆筒的另一端，所述记忆合金丝穿过所述固定套的通孔；所述弹簧一端支撑在所述固定套上，另一端支撑在所述输出轴上。

优选的是，所述螺线管为金属类导电材料或者有机高分子类绝缘材料。

优选的是，所述螺线管的外表面包覆弹性绝缘外层。

优选的是，还包括：

第一环形垫片，其设置于第二圆筒和所述固定套之间；

第二环形垫片，其设置于所述固定套和所述螺线管之间或者设置在第二端盖和第四圆筒之间。

本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：

1、本发明采用的形状记忆合金驱动方式，利用形状记忆合金丝即可实现位移和力的输出，具有体积小、重量轻、结构简单可靠、加工制造方便、冲击小、无噪声以及不产生电磁干扰等特点；

2、本发明采用形状记忆合金丝和外部柔性螺线管组成的柔性套管结构，并且螺线管和记忆合金丝能够共同折叠弯曲并且保持弯曲后的形状；该驱动方式可以通过增加形状记忆合金丝长度的方式和增加柔性套管结构长度的方式增大驱动器的输出位移，无需附加机构，并可以根据实际的使用空间进行任意弯曲布置，具有体积质量小、结构简单可靠以及易于安装集成的特点；

3、本发明柔性形状记忆合金驱动器的驱动端和固定端均采用螺旋可调机构，可以实现驱动器的参数调节，便于驱动器的安装和调试；在本发明中，第四圆筒和第三圆筒组成空心可调机构，可以通过该可调机构调整形状记忆合金丝的预紧力；第一圆筒和第二圆筒之间采用螺纹连接，通过调整置于第一圆筒和第二圆筒内部偏置弹簧的压缩量来控制输出轴的运动范围；

4、本发明柔性形状记忆合金驱动器的形状记忆合金丝可采用多股的结构形式，与单纯增加形状记忆合金丝的直径相比，多股的结构形式有利于驱动元件的散热，提高驱动器的响应速度；有利于增加驱动元件的可靠性；同时也有利于提高驱动器柔性套管结构的弯曲程度，增强外部环境适应性；并且本发明还通过增加形状记忆合金丝的股数来提高驱动器的输出力；

5、本发明还通过在驱动端内置偏置弹簧，其能够用于在柔性形状记忆合金丝冷却过程中辅助记忆合金丝产生伸长动作。

附图说明

图1为本发明形状记忆合金驱动器的结构示意图；

图2为本发明形状记忆合金驱动器的工作初始状态示意图；

图3为本发明形状记忆合金驱动器的工作通电加载示意图；

图4为金属导电螺线管内部结构示意图；

图5为非金属绝缘螺线管内部结构示意图；

图6为单股形状记忆合金丝结构示意图；

图7为3股形状记忆合金丝结构示意图；

图8为7股形状记忆合金丝结构示意图；

图9为不同长度螺线套管输出位移对比示意图；

图10为驱动器第一种电流走向示意图；

图11为驱动器第二种电流走向示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供了一种柔性可弯曲形状记忆合金驱动器，其中包括：形状记忆合金丝200，以及用于与形状记忆合金丝200一端固定连接的驱动端100及与形状记忆合金丝200另一端固定连接的固定端300，同时，还包括缠绕形状记忆合金丝200的螺线管410，螺线管410和形状记忆合金丝200能够共同折叠弯曲并且保持弯曲后的形状；其中，形状记忆合金丝200可以为镍钛、铜基或铁基记忆合金材料。

在另一种实施例中，如图1所示，在驱动端100中包括偏置弹簧120、驱动端固定套140、第一圆筒131、第二圆筒132、输出轴110及第一端盖150，驱动端固定套140具有通孔，第一圆筒131和第二圆筒132螺接，组成可调机构，能够相对旋转调节驱动端100的轴向长度，第一端盖150固定在第一圆筒131的另一端，驱动端固定套140固定在第二圆筒132的另一端；在固定端300中包括第三圆筒321、第四圆筒322及第二端盖310，第三圆筒321和第四圆筒322螺接，组成可调机构，能够相对旋转调节固定端300的轴向长度，第二端盖310固定在第四圆筒322的另一端；其中，螺线套管400一端与驱动端100相连接，另一端与固定端300相连接；

形状记忆合金丝200贯穿于螺线套管400内的空腔，螺线管410一端与驱动端固定套140相连，另一端与第三圆筒321相连，形状记忆合金丝200一端穿过驱动端固定套140的通孔、第二圆筒132及第一圆筒131的空腔与输出轴110固定连接，输出轴110的另一端穿过第一端盖150上的通孔后伸出，形状记忆合金丝200的另一端穿过第三圆筒321和第四圆筒322的空腔与第二端盖310固定连接，偏置弹簧120一端支撑在形状记忆合金丝200与输出轴110相连的端面上，同时，偏置弹簧120的另一端支撑在驱动端固定套140上；第三圆筒321的一端与螺线套管400固定连接，由于形状记忆合金丝200的一端固定于第二端盖310，螺线管410在长度方向不可压缩，因此形状记忆合金丝200在长度方向的收缩变形在螺线套管400内部传递。

在另一种实施例中，如图2所示，初始状态即断电时所处的状态，形状记忆合金丝200在偏置弹簧120的作用下推动输出轴110至最大位移位置；如图3所示，通电加载即在形状记忆合金丝200两端施加电流载荷，形状记忆合金丝200在电流的作用下温度升高，在长度方向产生收缩，形状记忆合金丝200在驱动端的一侧带动输出轴110向右运动，实现驱动器的右向驱动，到达最小位移位置；通过电路的“通电”和“断电”即可促使驱动器输出轴110往复运动，实现位移和力的双向输出，其中，图3中“D”即为驱动器可达到的最大输出位移。

在另一种实施例中，如图4、图5、图11所示，螺线管410分别为金属类导电材料及有机高分子绝缘类材料；其中，如图4所示，螺线管410为金属类导电材料时，螺线管410可作为形状记忆合金丝200施加电流载荷的导电介质，其外部可涂覆弹性绝缘外层163，防止与外部结构搭接短路，同时防止灰尘等污染物进入螺线套管内部；形状记忆合金丝200的外部套有绝缘套管164，其作用是防止形状记忆合金丝200与外部结构接触短路；带有电极的环形垫片161置于第二圆筒132和驱动端固定套140之间，带有电极的环形垫片162置于驱动端固定套140和螺线管410之间，与螺线管410端部接触导通，其作用是作为驱动器施加电载荷的一个电极来连接外围驱动电路；如图5、图11所示，螺线管410为具有绝缘性能的非金属、有机高分子材料时，其外部可涂覆弹性绝缘外层163，防止灰尘等污染物进入螺线套管内部；由于螺线管410具有绝缘性能，省去了形状记忆合金丝200外部的绝缘套管，结构有所简化；带有电极的环形垫片161置于第二圆筒132和驱动端固定套140之间，带有电极的环形垫片330置于第四圆筒322及第二端盖310之间，其作用是作为驱动器施加电载荷的一个电极来连接外围驱动电路。

在另一种实施例中，如图6所示，形状记忆合金丝200可为单股结构形式；如图7、图8所示，形状记忆合金丝200也可为多股结构形式(2股及2股以上)，如图7所示为3股结构形式、图8为7股结构形式。

在另一种实施例中，柔性螺线套管400的长度可调节，如图9所示，两组对应不同的柔性螺线套管长度的柔性驱动器，其中，螺线套管401长度大于螺线套管402的长度，即输出位移“D1”大于输出位移“D2”；驱动器的行程与螺线套管部分的长度成正比例关系：增大驱动器的行程可以通过增加螺线套管部分的长度来实现；减小驱动器的行程可以通过减小螺线套管部分的长度来实现。

如图10、图11所示为本发明通电使用时的电流走向，螺线管410分别为金属类导电材料及有机高分子绝缘类材料驱动器的电流走向；如图10所示，当螺线管410为金属类导电材质时，驱动器电流传递路线为：电源正极→金属垫片161→第二圆筒132→第一圆筒131→输出轴110→形状记忆合金丝200→第二端盖310→第四圆筒322→第三圆筒321→螺线管410→金属垫片162→电源负极；由于形状记忆合金驱动元件没有极性，电源正负极可以对调，对应的电流传递路线依次反向。

如图11所示，螺线管410为非金属、有机高分子绝缘材质时，驱动器电流传递路线为：电源正极→金属垫片161→第二圆筒132→第一圆筒131→输出轴110→形状记忆合金丝200→第二端盖310→金属垫片330→电源负极；由于形状记忆合金驱动元件没有极性，电源正负极可以对调，对应的电流传递路线依次反向。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种柔性可弯曲形状记忆合金驱动器，其特征在于，包括：

记忆合金丝；

驱动端，其与所述记忆合金丝一端固定连接；以及

固定端，其与所述记忆合金丝另一端固定连接；

螺线管，其缠绕所述记忆合金丝，所述螺线管和所述记忆合金丝能够共同折叠弯曲并且保持弯曲后的形状；

其中，所述驱动端还包括第一端盖、第一圆筒、第二圆筒及输出轴；所述第一圆筒和所述第二圆筒螺接，所述第一圆筒和所述第二圆筒之间相对旋转，能够调节所述驱动端的轴向长度；所述第一端盖固定在所述第一圆筒的另一端；

所述记忆合金丝能够穿过所述第一圆筒和所述第二圆筒的空腔，固定连接所述输出轴一端；所述输出轴另一端穿过所述第一端盖上的通孔后伸出；

所述固定端包括：第三圆筒、第四圆筒和第二端盖；

所述第三圆筒和所述第四圆筒螺接，第三圆筒和第四圆筒之间相对旋转，能够调节所述固定端的轴向长度；

所述第二端盖固定在所述第四圆筒的另一端；

所述记忆合金丝穿过所述第三圆筒和所述第四圆筒的空腔，固定连接所述第二端盖；

还包括具有通孔的固定套和弹簧；所述固定套固定在第二圆筒的另一端，所述记忆合金丝穿过所述固定套的通孔；所述弹簧一端支撑在所述固定套上，另一端支撑在所述输出轴上；

所述螺线管为金属类导电材料或者有机高分子类绝缘材料；

第一环形金属垫片，其设置于第二圆筒和所述固定套之间；

第二环形金属垫片，其设置于第二端盖和第四圆筒之间。

2.如权利要求1所述的柔性可弯曲形状记忆合金驱动器，其特征在于，所述记忆合金丝为镍钛记忆合金材料。

3.如权利要求2所述的柔性可弯曲形状记忆合金驱动器，其特征在于，所述记忆合金丝为铜基或铁基记忆合金材料。

4.如权利要求2或3所述的柔性可弯曲形状记忆合金驱动器，其特征在于，所述记忆合金丝为单股结构或多股结构。

5.如权利要求1、2或3所述的柔性可弯曲形状记忆合金驱动器，其特征在于，所述螺线管的外表面包覆弹性绝缘外层。