CN106014896B - 形状记忆合金驱动的摆动式位移转换放大机构及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种形状记忆合金驱动的摆动式位移转换放大机构及其方法，该机构包括相互连接的形状记忆合金驱动联接装置以及位移转换放大装置，形状记忆合金驱动联接装置设有若干个，利用形状记忆合金SMA的形状记忆效应，带动位移转换放大装置上下偏转，将水平位移转换为垂直位移；实现了驱动位移的转换和放大，在有限的空间中获得较大的位移和驱动力输出。

Description

形状记忆合金驱动的摆动式位移转换放大机构及其方法

技术领域

本发明涉及位移放大机构的技术领域，具体为形状记忆合金驱动的摆动式位移转换放大机构及其方法。

背景技术

传统的位移放大机构有杠杆式放大机构、桥式放大机构、剪叉式放大机构和桅柱式放大机构。常用的驱动方式有液压驱动、电机驱动、电磁驱动和链条驱动等。随着新兴材料的出现，压电陶瓷、磁致伸缩材料和形状记忆合金（SMA）等新型材料也作为驱动元件得到了广泛的应用。

形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称SMA）是一种兼具感知与驱动功能，能够“记忆”原有形状的智能材料。其最显著的特性即形状记忆效应 （Shape Memory Effect，简称SME），即SMA材料在加热升温到某一温度后，能够完全消除其在低温条件下发生的塑性变形，回复至变形前的形状，而且此过程可以周而复始循环多次。形状记忆效应使得SMA在某种程度上具有自感知、自诊断和自适应的能力。SMA作为驱动器具有推力大、功重比高、结构简单、无需各种传动装置等优点，因此作为新型智能材料受到青睐。

直接使用SMA元件设计的驱动器尽管推力大，但位移行程较小（一般双向移动3%左右），在一些大行程应用场合仍需要对其位移进行放大或累加；比如：将SMA绕制成弹簧形状，可以将行程扩大到了100%以上，但是推力却极大地减小。因此，设计既有较大推力，又有较大位移行程的SMA驱动器，一直是SMA应用研究领域的一个热点和难点问题。此外，由于SMA在使用过程中需要加热或冷却，使得其动态响应频率较低，响应时间较长，有时很难满足实际需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种形状记忆合金驱动的摆动式位移转换放大机构及其运动方法，实现了驱动位移的转换和放大，在有限的空间中获得较大的位移和驱动力输出。同时，对SMA丝采用主动冷却方法，缩短了SMA冷却时间，提高了驱动器的响应频率。

本发明提供的形状记忆合金驱动的摆动式位移转换放大机构，该机构包括相互连接的形状记忆合金驱动联接装置以及位移转换放大装置，所述形状记忆合金驱动联接装置设有若干个，利用形状记忆合金SMA的形状记忆效应，带动位移转换放大装置上下偏转，将水平位移转换为垂直位移；具体的，

所述形状记忆合金驱动联接装置包括SMA固定螺栓、SMA固定联接端子以及SMA主动冷却系统；所述SMA固定联接端子的一端固定SMA丝的一端，另一端与SMA主动冷却系统相连；所述SMA丝的另一端通过SMA固定螺栓固定在位移转换放大装置上；

所述位移转换放大装置，包括支撑盒体、支座和摆动式位移转换及放大机构；所述支座固定在支撑盒体上，摆动式位移转换及放大机构通过摆动轴固定在支座上，所述SMA丝与位移转换放大装置连接的一端连接在摆动式位移转换及放大机构上，所述位移转换放大装置在SMA丝的往返作用下实现位移的放大及转换。

所述SMA固定联接端子包括SMA丝、中心轴、SMA锁紧螺母、调节螺母、套管气动接头以及绝缘片；其中，所述中心轴为中空管体，其一端通过SMA锁紧螺母与套管气动接头同轴相连，并在其一端的径向方向设有孔；所述套管气动接头内设有通孔，所述通孔内安装SMA套管，SMA丝从SMA套管内穿入，从中心轴的孔内穿出，通过SMA锁紧螺母固定并用填充物密封；

在所述中心轴另一端，依次同轴连接绝缘片、调节螺母，并通过冷却气气动接头连接到SMA主动冷却系统。

所述形状记忆合金驱动联接装置分布在支撑盒体的两端，所述支座和摆动式位移转换及放大机构配合形状记忆合金驱动联接装置也固定设置在盒体两端；其中，每个形状记忆合金驱动联接装置对应一个SMA固定螺栓。

所述位移转换放大机构包括上偏转形状记忆合金驱动联接装置与下偏转形状记忆合金驱动联接装置，其中上、下偏转形状记忆合金驱动联接装置与与其对应的SMA固定螺栓分别为相向、同向设置；

所述位移转换放大机构还包括滑轮，所述滑轮带有具有绝缘功能的u型外槽并通过滑轮固定轴固定于支座上；所述下偏转形状记忆合金驱动联接装置中的SMA丝一端与SMA固定螺栓联接，然后绕过滑轮后与相向设置的SMA固定联接端子连接。

所述位移转换放大机构还包括角度传感器，所述角度传感器通过角度传感器支座固定在摆动式位移转换及放大机构的侧面，传感器的内轴与摆动式位移转换机构相联接。

状记忆合金驱动的摆动式位移转换放大方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，加热SMA固定联接端子上的SMA丝，使上偏转形状记忆合金驱动联接装置上的SMA丝温度升高，产生回复收缩形变，其对应的SMA固定螺栓产生向相向设置SMA固定联接端子的位移，带动所述摆动式位移转换及放大机构转动从而产生向上的位移；

步骤二，当摆动式位移转换及放大机构到达其极限位置，形状记忆效应完成，上偏转形状记忆合金驱动联接装置的SMA固定联接端子中施加高压低温空气，使SMA丝温度快速降低；

步骤三，加热SMA固定联接端子上的SMA丝，使下偏转形状记忆合金驱动联接装置上的SMA丝温度升高，产生回复收缩形变，通过滑轮，改变了SMA丝运动方向，其对应的SMA固定螺栓产生向相向设置SMA固定联接端子反方向的位移，带动所述摆动式位移转换及放大机构反方向偏置从而产生向下的位移；

步骤四，当摆动式位移转换及放大机构到达其极限位置，形状记忆效应完成，向下偏转形状记忆合金驱动联接装置的SMA固定联接端子中施加高冷却空气，使SMA丝温度快速降低。

反复步骤一至四，并通过角度位移传感器测量摆动式位移转换及放大机构的角度位移量。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.设计了SMA丝固定联接端子装置，将SMA驱动器在使用过程中的多项功能，如：锁紧固定、长度调节、隔离绝缘、电流加热、主动冷却等在该装置中集中实现。

2.解决了SMA丝驱动器驱动力大但变形量小的问题，实现了驱动位移的放大及驱动方向的转换，改变放大及转换机构的尺寸可改变位移放大比例。原理实用简单，实现方便，具有很好的实际应用价值。

3.SMA有单程和双程之分，本发明采用的是单程SMA丝，通过配置多根SMA丝实现了双向的运动。

附图说明

图1为本发明中SMA固定联接端子结构图；

图2：本发明形状记忆合金驱动的摆动式位移转换放大机构的三维结构轴侧图；

图3：形状记忆合金驱动联接装置以及位移转换及放大装置结构图；

图4：形状记忆合金驱动联接装置上偏结构图；

图5：形状记忆合金驱动联接装置下偏结构图；

图6：位移放大比例示意图；

图1中，1.调节螺母，2.盒体，3.SMA锁紧螺母，4.SMA丝，5.SMA套管，6.套管气动接头，7.孔，8.中心轴，9.绝缘片，10.冷却气气动接头，11.冷却气管；

图2中，12.支座，13.摆动式位移转换及放大机构，2.盒体，14.螺栓组；

图3中，13. 摆动式位移转换及放大机构，15.连接销，12.支座，16.滑轮，17.SMA固定联接端子，18.滑轮固定轴，19.SMA固定螺栓，20.角度传感器，21.角度传感器支座；

图4中，22.右上拉SMA丝，23.左上拉SMA丝；

图5中，24.右下拉SMA丝，25.左下拉SMA丝。

具体实施方式

本发明提供形状记忆合金驱动的摆动式位移转换放大机构及其方法，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所涉及的形状记忆合金驱动的摆动式位移转换放大机构，如图1至图3所示，包括相互连接的形状记忆合金驱动联接装置以及位移转换放大装置，形状记忆合金驱动联接装置设有若干个，利用形状记忆合金SMA的形状记忆效应，带动位移转换放大装置上下偏转，将水平位移转换为垂直位移；具体的，

形状记忆合金驱动联接装置包括SMA固定螺栓19、SMA固定联接端子以及SMA主动冷却系统；所述SMA固定联接端子的一端固定SMA丝4的一端，另一端与SMA主动冷却系统相连；所述SMA丝4的另一端通过SMA固定螺栓19固定在位移转换放大装置上；位移转换放大装置，包括支撑盒体2、支座12和摆动式位移转换及放大机构13；所述支座固定在支撑盒体上，摆动式位移转换及放大机构13通过摆动轴固定在支座12上，所述SMA丝4与位移转换放大装置连接的一端连接在摆动式位移转换及放大机构13上，所述位移转换放大装置在SMA丝的往返作用下实现位移的放大及转换。

如图1所示，SMA固定联接端子包括SMA丝4、中心轴8、SMA锁紧螺母3、调节螺母1、套管气动接头6以及绝缘片9；其中，所述中心轴8为中空管体，其一端通过SMA锁紧螺母3与套管气动接头6同轴相连，并在其一端的径向方向设有孔7；所述套管气动接头6内设有通孔，所述通孔内安装SMA套管5，SMA丝4从SMA套4管内穿入，从中心轴8的孔7内穿出，并用填充物密封固定；在所述中心轴8另一端，依次同轴连接绝缘片9、调节螺母1，并通过冷却气气动接头10连接到SMA主动冷却系统。

如图2所示，形状记忆合金驱动联接装置分布在支撑盒体2的两端，所述支座12和摆动式位移转换及放大机构13配合形状记忆合金驱动联接装置也固定设置在盒体2两端；其中，每个形状记忆合金驱动联接装置对应一个SMA固定螺栓19。

如图3、图4、图5所示，移转换放大机构包括上偏转形状记忆合金驱动联接装置与下偏转形状记忆合金驱动联接装置，其中上、下偏转形状记忆合金驱动联接装置与其对应的SMA固定螺栓相向设置；

移转换放大机构还包括滑轮16，所述滑轮16带有具有绝缘功能的u型外槽并通过滑轮固定轴18固定于支座12上；所述下偏转形状记忆合金驱动联接装置中的SMA丝4一端与SMA固定螺栓19联接，然后绕过滑轮16后转变方向与同向设置的SMA固定联接端子连接，上偏转形状记忆合金驱动联接装置与其对应的SMA固定螺栓固定在支撑盒体的两端。移转换放大机构还包括角度传感器20，所述角度传感器20通过角度传感器支座21固定在摆动式位移转换及放大机构13的侧面。本发明中关于SMA固定联接端子原理及结构设计

SMA丝作为驱动元件使用时需要对其两端进行固定连接，同时还需要考虑SMA丝的加热冷却等配套装置。本发明设计了SMA固定联接端子结构，由中心轴、锁紧螺母、调节螺母、气动接头和绝缘片等部分组成。实现了将SMA丝的接头锁紧固定和长度调节，同时将高压冷却空气导向SMA丝，使得SMA丝能够在一个半密闭的空间中得到快速冷却。整个结构主要包括以下器件，如图1所示：

（a）中心轴：中心沿轴向有一个通孔。通孔既可以穿过SMA丝的一端进行锁定，又可以将压缩空气从中心轴的一端导向SMA丝。中心轴的外表面有螺纹，可以与锁紧螺母和调节螺母相配合，同时方便气动接头的安装。

（b）锁紧螺母：锁紧螺母可以利用中心轴上的螺纹将SMA丝牢牢地固定在中心轴上，使其连为一个整体。SMA丝从气动接头1端穿入，从SMA过孔穿出，转动锁紧螺母使SMA固定中心轴上，中心轴SMA的出孔要用树脂胶等进行密封。

（c）调节螺母：调节螺母可以在安装完成之后调节SMA丝长度，调节范围可以通过改变中心轴的长度而改变。

（d）气动接头：气动接头一端与中心轴两端的管螺纹配合安装，由于采用的是管螺纹的配合方式，所以具有良好的密闭性能，高压空气从导入对SMA丝进行快速冷却。

（e）绝缘片：绝缘片的作用是实现电气绝缘，防止SMA丝在通电加热时发生短路；绝缘片采用的是环氧树脂类绝缘材料。

关于位移放大机构原理及结构设计

整个位移放大机构由形状记忆合金驱动联接装置以及位移转换放大装置组成。SMA驱动联接装置固定于盒体中，位移转换放大装置主要由支座、放大及位移转换机构和传感器等部分组成，支座固定在驱动机构盒体上，放大及位移转换机构一侧通过连接销、另一侧通过销轴及传感器与支座铰接。SMA固定联接端子和SMA固定螺栓分别将SMA丝固定至盒体和放大及位移转换机构。利用SMA的形状记忆效应，当对SMA丝加热到一定温度时，SMA收缩产生驱动力，带动摆动式位移转换及放大机构上下偏转，从而实现位移的放大和转向作用。

实施例：

图1中，先将调节螺母1、SMA锁紧螺母3、绝缘片9旋入或套入中心轴8；再将带有SMA套管5的SMA丝4穿过套管气动接头6安装在中心轴8上，SMA丝4的端头穿过中心轴上的孔7，拧紧SMA锁紧螺母3将SMA丝固定在中心轴上，同时孔7用环氧树脂类胶密封；随后安装套管气动接头6和冷却气气动接头10，安装时将SMA套管5固定在套管气动接头6上；最后通过调节螺母1，对SMA丝松紧程度进行调节；高压空气从冷却气软管11导入对SMA进行主动冷却。

图2中，将支座12通过螺栓组14固定在盒体2上，再将摆动式位移转换及放大机构13通过连接销和角度传感器支座安装在支座12上。通过机构的上下摆动实现位移的放大作用。

图3中，将滑轮16通过滑轮固定轴18固定在支座上，用来改变SMA丝的方向。再将SMA固定螺栓组19安装在摆动式位移转换及放大机构13上，将SMA固定联接端子17固定在盒体上，用来对SMA丝的两端分别进行固定。最后将整个SMA驱动机构固定在盒体上。

图4中，两根右上拉SMA丝22和两根左上拉SMA丝23的两端分别通过SMA固定联接端子和SMA固定螺栓固定在摆动式位移转换及放大机构及盒体上，对两组SMA丝同时施加一定的电流，SMA丝本身的电阻即可将电能转换为热能，使得SMA丝的温度升高，形状记忆效应发生，丝产生回复收缩，带动位移转换和放大机构偏转，实现了向上的运动，将水平位移转换为垂直位移。

图5中，两根右下拉SMA丝24和两根左下拉SMA丝25绕过滑轮分别通过SMA固定联接端子和SMA固定螺栓固定在位移转换和放大机构及盒体上，丝的驱动位移与图4中的SMA丝的驱动位移相反。图4中的SMA加热到一定时间后形状记忆效应完成，在SMA固定联接端子中施加高压冷却空气，将SMA丝的温度快速降低，随后图5中的SMA丝24和25通电加热，产生形状记忆效应，丝长度变短，带动位移转换和放大机构向相反的方向摆动，实现向下运动；同时图4中的丝22和23被拉长，实现了SMA的预拉伸，为下次形状记忆效应做好准备；待向下运动完成后，该两组丝也要进行冷却。通过这样周而复始，即可实现垂直方向的上下运动。

Claims (8)

1.形状记忆合金驱动的摆动式位移转换放大机构，特征在于，该机构包括相互连接的形状记忆合金驱动联接装置以及位移转换放大装置，所述形状记忆合金驱动联接装置设有若干个，利用形状记忆合金SMA的形变特性，带动位移转换放大装置上下偏转，将水平位移转换为垂直位移；具体的，

所述形状记忆合金驱动联接装置包括SMA固定螺栓、SMA固定联接端子以及SMA主动冷却系统；所述SMA固定联接端子的一端固定SMA丝的一端，另一端与SMA主动冷却系统相连；所述SMA丝的另一端通过SMA固定螺栓固定在位移转换放大装置上；

所述位移转换放大装置，包括支撑盒体、支座和摆动机构；所述支座固定在支撑盒体上，摆动机构通过摆动轴固定在支座上，所述SMA丝与位移转换放大装置连接的一端连接在摆动机构上，所述位移转换放大装置在SMA丝的反复作用下实现位移的放大及转换。

2.根据权利要求1所述的形状记忆合金驱动的摆动式位移转换放大机构，其特征在于，所述SMA固定联接端子包括SMA丝、中心轴、SMA锁紧螺母、调节螺母、套管气动接头以及绝缘片；其中，所述中心轴为中空管体，其一端通过SMA锁紧螺母与套管气动接头同轴相连，并在其一端的径向方向设有孔；所述套管气动接头内设有通孔，所述通孔内安装SMA套管，SMA丝从SMA套管内穿入，从中心轴的孔内穿出，并用填充物密封固定；

在所述中心轴另一端，依次同轴连接绝缘片、调节螺母，并通过冷却气气动接头连接到SMA主动冷却系统。

3.根据权利要求1所述的形状记忆合金驱动的摆动式位移转换放大机构，其特征在于，所述形状记忆合金驱动联接装置分布在支撑盒体的两端，所述支座和摆动机构配合形状记忆合金驱动联接装置也固定设置在盒体两端；其中，每个形状记忆合金驱动联接装置对应一个SMA固定螺栓。

4.根据权利要求1至3任一项所述的形状记忆合金驱动的摆动式位移转换放大机构，其特征在于，所述位 移转换放大机构包括内方向运动形状记忆合金驱动联接装置与外方向运动形状记忆合金驱动联接装置，其中内方向运动形状记忆合金驱动联接装置与与其对应的SMA固定螺栓相向设置，分别固定在支撑盒体的不同端；

所述移转换放大机构还包括滑轮，所述滑轮通过滑轮固定轴固定于支座上；所述外方向运动形状记忆合金驱动联接装置与与其对应的SMA固定螺栓同向设置，属于外方向运动形状记忆合金驱动联接装置的SMA丝绕过滑轮与SMA固定螺栓连接，内方向运动形状记忆合金驱动联接装置与与其对应的SMA固定螺栓固定在支撑盒体的同一端。

5.根据权利要求4所述的形状记忆合金驱动的摆动式位移转换放大机构，其特征在于，所述移转换放大机构还包括角度传感器，所述角度传感器通过角度传感器支座固定在摆动机构的侧面。

6.根据权利要求4所述的形状记忆合金驱动的摆动式位移转换放大机构，其特征在于，所述形状记忆合金驱动联接装置与盒体连接处位于绝缘片位置，并且在调节螺母与冷却气气动头间还设有一螺母对形状记忆合金驱动联接装置进行固定。

7.形状记忆合金驱动的摆动式位移转换放大方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一，加热SMA固定联接端子上的SMA丝，使内方向运动形状记忆合金驱动联接装置上的SMA丝温度升高，产生回复收缩形变，其对应的SMA固定螺栓产生向SMA固定联接端子的位移，带动所述摆动机构产生向上的位移；

步骤二，当摆动机构到达其极限位置，形状记忆效应完成，向内方向运动形状记忆合金驱动联接装置的SMA固定联接端子中施加高冷却空气，使SMA丝温度快速降低；

步骤三，加热SMA固定联接端子上的SMA丝，使内方向运动形状记忆合金驱动联接装置上的SMA丝温度升高，产生回复收缩形变，其对应的SMA固定螺栓产生向SMA固定联接端子反方向的位移，通过滑轮，改变了SMA丝运动方向，带动所述摆动机构产生向下的位移；

步骤四，当摆动机构到达其极限位置，形状记忆效应完成，向外方向运动形状记忆合金驱动联接装置的SMA固定联接端子中施加高冷却空气，使SMA丝温度快速降低。

8.根据权利要求7所述的形状记忆合金驱动的摆动式位移转换放大方法，其特征在于，反复步骤一至四，并通过角度位移传感器测量摆动机构的角度位移量。