CN108730141B - 激光远程光热驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光远程光热驱动装置，包括：激光致液态金属加热型形状记忆合金驱动器、驱动轴、致动臂、支撑臂、偏置弹簧、激光器；激光致液态金属加热型形状记忆合金驱动器包括液态金属加热型形状记忆合金驱动器、石墨烯型激光接收器、石墨烯型热温差发电器；液态金属加热型形状记忆合金驱动器包括液态金属加热型基座、形状记忆合金阵列驱动组件、磁力泵、温度传感器、后置弹簧；液态金属加热型基座包括液态金属热管、液态金属、导热型基体、绝热层；形状记忆合金阵列驱动组件前端为形状记忆合金阵列驱动组件驱动力的输出端。本发明装置能够用于机器人、机械手和工程机械装置的驱动领域。

Description

激光远程光热驱动装置
技术领域
本发明涉及机器人、机械手和工程机械装置的驱动领域，涉及激光光热驱动或太阳能聚光驱动应用技术，更具体地说，涉及一种激光远程光热驱动装置。
背景技术
在空间机器人、工业机器人、战场机器人、野外机器人、机械手和工程机械装置等应用领域，驱动组件与驱动技术都是核心重要部分，要求驱动组件具有简单、鲁棒、轻质、价廉和容易控制等优点。当前发展较成熟且应用较多的驱动机构，主要有静电驱动型、光致伸缩型、电磁驱动型、热膨胀型、压电驱动型、超声波型、磁致伸缩型等。静电驱动是利用静电场之间的静电荷库仑力来进行驱动,压电驱动是利用压电晶体的逆压电效应通过外部施加电场来产生伸长量变化,都要求较高的驱动电压,并且电磁干扰难以消除,还不易小型化集成化。电磁驱动是利用励磁线圈中通电产生电磁场，使磁场中的导磁体产生运动来实现驱动,但存在体积偏大、能耗偏高、温漂噪声偏大等缺点。这些驱动机构在性能上有着各自的优点和缺点,适用于不同的环境,但是也存在系列技术问题，如：结构较复杂,无法兼顾能耗、作用力或位移的大小的要求,且对环境要求高,因此限制这些驱动组件的应用。
发明内容
针对当前驱动组件与驱动技术存在的系列技术问题，本发明提供一种激光远程光热驱动装置。
本发明实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：激光远程光热驱动装置，包括激光致液态金属加热型形状记忆合金驱动器；所述激光致液态金属加热型形状记忆合金驱动器包括液态金属加热型形状记忆合金驱动器、石墨烯型激光接收器、石墨烯型热温差发电器；所述石墨烯型激光接收器分别与液态金属加热型形状记忆合金驱动器和石墨烯型热温差发电器紧密相连接；所述液态金属加热型形状记忆合金驱动器包括液态金属加热型基座、形状记忆合金阵列驱动组件、温度传感器、后置弹簧；所述液态金属加热型基座包括液态金属热管、液态金属、导热型基体、绝热层；所述液态金属装配在液态金属热管中；所述液态金属热管装配在导热型基体中；所述温度传感器装配在导热型基体中；所述导热型基体的一端通过第一石墨烯层与石墨烯型激光接收器紧密相连接；所述导热型基体的另一端通过第二石墨烯层与形状记忆合金阵列驱动组件紧密相连接；所述形状记忆合金阵列驱动组件的后端通过后置弹簧与石墨烯型激光接收器的旁端相连接；所述形状记忆合金阵列驱动组件前端为形状记忆合金阵列驱动组件驱动力的输出端。
所述激光致液态金属加热型形状记忆合金驱动器，采用将激光的光热作为驱动源，并与液态金属和石墨烯的优良导热性能相结合，构成了新型的光热驱动协同结构及组件。由于采用了能量密度大和方向统一性好的激光来远程驱动技术,具有更好的独立性、实用性、远程可控性并且更具有容易小型化、集成化等优势。用激光光热的驱动方法与其他驱动方法相比有其自己的优势。首先,无需利用电线从外界引入电源,因此特别适用于没有电的偏远地区或特殊环境，有利于减小驱动系统的尺寸和重量,从而更容易实现系统的集成化和小型化。其次,激光能量密度大和方向统一性好,可长距离传输,因此易实现备远程控制的功能。并且,采用将激光的光热效应与导热性能优良的液态金属与石墨烯材料相结合，提高了驱动器的工作性能和能量效率。
上述方案中，还包括驱动轴、致动臂、支撑臂、偏置弹簧，所述激光致液态金属加热型形状记忆合金驱动器前端的形状记忆合金阵列驱动组件驱动力的输出端连接驱动轴的一端；所述驱动轴中心连接致动臂；所述激光致液态金属加热型形状记忆合金驱动器的后端连接支撑臂一侧的顶端；所述支撑臂的另一端连接驱动轴中心的一端；所述偏置弹簧的一端连接支撑臂另一侧的顶端；所述偏置弹簧的另一端连接驱动轴的一端；所述液态金属加热型形状记忆合金驱动器的侧面和底部均有绝热层；所述石墨烯型激光接收器和石墨烯型热温差发电器的侧面均有绝热层。
上述方案中，所述石墨烯型激光接收器包括第三石墨烯层、三维石墨烯导热层；所述第三石墨烯层下面连接三维石墨烯导热层；所述三维石墨烯导热层下面连接第一石墨烯层；所述三维石墨烯导热层侧面为绝热层；所述第一、第二、第三石墨烯层均包括石墨烯薄膜、石墨烯涂层或石墨烯复合材料层；所述三维石墨烯导热层包括三维石墨烯、三维多孔石墨烯、三维多孔石墨烯组装导热纳米颗粒或导热材料的复合材料；所述三维多孔石墨烯包括三维多孔石墨烯骨架、三维多孔氧化石墨烯组装体、三维多孔石墨烯海绵、三维多孔石墨烯水凝胶、三维多孔石墨烯气凝胶或三维多孔石墨烯泡沫。
上述方案中，所述三维多孔石墨烯组装导热纳米颗粒复合材料，包括：石墨烯纳米片、碳纳米管、C60团簇、纳米金、纳米银、纳米铜或导热纳米材料中的一种或多种。
上述方案中，所述液态金属加热型形状记忆合金驱动器包括还包括磁力泵，所述液态金属包括液态镓、液态镓合金或液态镓纳米流体；所述液态镓纳米流体包括含分散的碳纳米管、石墨烯纳米片、纳米导热颗粒的液态镓或液态镓合金；所述液态金属通过磁力泵的驱动在液态金属热管中循环流动。
上述方案中，所述石墨烯型热温差发电器包括所述第一石墨烯层、热温差发电器件、散热器；所述第一石墨烯层下面连接热温差发电器件的热端；所述热温差发电器件的冷端连接第四石墨烯层；所述第四石墨烯层连接散热器；所述热温差发电器件包括若干块串联的或/和并联的温差发电片单体，所述温差发电片单体与温差发电片单体之间通过绝热材料隔开；所述石墨烯型热温差发电器与磁力泵相连接，并向磁力泵提供工作电能。
上述方案中，还包括激光器或太阳能聚光器，所述形状记忆合金阵列驱动组件为形状记忆合金阵列驱动组件或形状记忆聚合物阵列驱动组件；所述形状记忆合金阵列驱动组件由单个形状记忆合金单元或多个形状记忆合金单元排列组合形成；所述多个形状记忆合金单元排列组合方式为：将多个形状记忆合金按照一定的排列方式或图案有序排列组合；所述激光器包括单束光激光器或多束光激光器，所述太阳能聚光器包括碟式太阳能聚光器、塔式太阳能聚光器、槽式太阳能聚光器或菲涅尔镜聚光器；所述散热器包括风冷翅片散热器或工质循环散热器；所述工质包括水、纳米流体或导热流体。
本发明提供的一种激光远程光热驱动装置的工作过程如下：
当激光或太阳能聚光照射在激光致液态金属加热型形状记忆合金驱动器的石墨烯型激光接收器时，石墨烯型激光接收器上面的石墨烯层接收激光或太阳能聚光，并产生光热效应；石墨烯层将热量快速传导给三维石墨烯导热层；三维石墨烯导热层通过下面的石墨烯层将热量分别传导给液态金属加热型形状记忆合金驱动器、石墨烯型热温差发电器热端；液态金属加热型形状记忆合金驱动器中的液态金属加热型基座中的导热型基体，将热量快速传导给液态金属热管。石墨烯型热温差发电器在热端与冷端的温差作用下，产生热温差发电效应，并将所产生的电能提供给磁力泵作为工作电源。磁力泵带动液态金属热管中的液态金属循环流动，并将石墨烯型激光接收器的光热能量传输给形状记忆合金阵列驱动组件；光热效应使形状记忆合金阵列驱动组件温度升高，形状记忆合金阵列产生形状记忆效应，形状记忆合金阵列驱动组件驱动力的输出端带动驱动轴上的致动臂转动或移动。
当温度传感器给出装置工作温度高于所设定的温度时，或装置收到新工作指令时，激光或太阳能聚光则停止照射在激光致液态金属加热型形状记忆合金驱动器的石墨烯型激光接收器，石墨烯型激光接收器中的石墨烯层和三维石墨烯导热层温度下降，液态金属热管中的液态金属温度也跟随快速下降，在磁力泵带动液态金属热管中的液态金属循环流动作用下，形状记忆合金阵列驱动组件的温度也下降；在偏置弹簧作用下，形状记忆合金阵列驱动组件驱动力的输出端带动驱动轴上的致动臂反向转动或反向移动，并完成一个驱动动作循环。
实施本发明的激光远程光热驱动装置具有以下有益效果：
本发明的激光远程光热驱动装置，采用了激光致液态金属加热型形状记忆合金驱动器，采用将激光或太阳能聚光的光热作为驱动源，并与液态金属和石墨烯导热相结合，构成了新型的光热驱动协同结构及组件。由于采用了能量密度大和方向统一性好的激光或太阳能聚光来远程驱动,具有更好的独立性、实用性、远程可控性并且更容易小型化集成化等优势。用激光或太阳能聚光光热的驱动方法与其他驱动方法相比有其自己的优势。首先,无需利用电线从外界引入电源,因此特别适用于没有电的偏远地区或特殊环境，有利于减小驱动系统的尺寸和重量,从而更容易实现系统的集成化和小型化。其次,激光能量密度大和方向统一性好,可长距离传输,因此易实现备远程控制的功能。并且,采用将激光或太阳能聚光的光热效应与导热性能优良的液态金属与石墨烯材料相结合，提高了驱动器的工作性能和能量效率。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明激光远程光热驱动装置的结构示意图。
图2是本发明激光远程光热驱动装置中采用的激光致液态金属加热型形状记忆合金驱动器结构剖面示意图。
图3是本发明的采用的激光致液态金属加热型形状记忆合金驱动器中的形状记忆合金阵列驱动组件示意图。
图4是本发明采用的液态金属热管中的液态金属循环流动传热工作原理示意图。
其中：激光致液态金属加热型形状记忆合金驱动器1、驱动轴2、致动臂3、支撑臂4、偏置弹簧5、液态金属加热型形状记忆合金驱动器6、石墨烯型激光接收器7、石墨烯型热温差发电器8、液态金属加热型基座9、形状记忆合金阵列驱动组件10、磁力泵11、温度传感器12、后置弹簧13、导热型基体15、绝热层16、第一石墨烯层17、第二石墨烯层18、输出端19、第三石墨烯层20、三维石墨烯导热层21、热温差发电器件22、散热器23、第四石墨烯层24、形状记忆合金25。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
实施例：为本发明提供的一种激光远程光热驱动装置，其结构示意图见图1；激光远程光热驱动装置中采用的激光致液态金属加热型形状记忆合金驱动器结构剖面示意图，见图2；激光致液态金属加热型形状记忆合金驱动器中的形状记忆合金阵列驱动组件示意图，见图3；液态金属热管中的液态金属循环流动传热工作原理示意图，见图4。
本发明的实施例激光远程光热驱动装置，其包括激光致液态金属加热型形状记忆合金驱动器1、驱动轴2、致动臂3、支撑臂4、偏置弹簧5、激光器；所述激光致液态金属加热型形状记忆合金驱动器1(见图2)，包括：液态金属加热型形状记忆合金驱动器6、石墨烯型激光接收器7、石墨烯型热温差发电器8；石墨烯型激光接收器7分别与液态金属加热型形状记忆合金驱动器6和石墨烯型热温差发电器8紧密相连接；液态金属加热型形状记忆合金驱动器6包括液态金属加热型基座9、形状记忆合金阵列驱动组件10、磁力泵11、温度传感器12、后置弹簧13；液态金属加热型基座9包括液态金属热管14、液态金属、导热型基体15、绝热层16；液态金属装配在液态金属热管14中；液态金属热管14装配在导热型基体15中；温度传感器12装配在导热型基体15中；导热型基体15的一端通过第一石墨烯层17与石墨烯型激光接收器7紧密相连接；导热型基体15的另一端通过第二石墨烯层18与形状记忆合金阵列驱动组件10紧密相连接；形状记忆合金阵列驱动组件10的后端通过后置弹簧13与石墨烯型激光接收器7的旁端相连接；形状记忆合金阵列驱动组件10前端为形状记忆合金阵列驱动组件10驱动力的输出端19(见图2、图3)。
实施例激光远程光热驱动装置，激光致液态金属加热型形状记忆合金驱动器1，其中前端的形状记忆合金阵列驱动组件10驱动力的输出端19连接驱动轴2的一端(见图1)；驱动轴2中心连接致动臂3；激光致液态金属加热型形状记忆合金驱动器1的后端连接支撑臂4一侧的顶端；支撑臂4的另一端连接驱动轴2中心的一端；偏置弹簧5的一端连接支撑臂4另一侧的顶端；偏置弹簧5的另一端连接驱动轴2的一端；液态金属加热型形状记忆合金驱动器1的四周侧面和底部均有绝热层16(见图2)；石墨烯型激光接收器7和石墨烯型热温差发电器8的侧面均有绝热层16。
激光远程光热驱动装置的石墨烯型激光接收器7(见图2)，包括第三石墨烯层20、三维石墨烯导热层21；第三石墨烯层20下面连接三维石墨烯导热层21；三维石墨烯导热层21下面连接第一石墨烯层17；三维石墨烯导热层21侧面为绝热层16；石墨烯层采用石墨烯薄膜；三维石墨烯导热层采用三维多孔石墨烯组装导热纳米颗粒的复合材料。液态金属采用液态镓或液态镓合金。石墨烯型热温差发电器8(见图2)，包括所述第一石墨烯层17、热温差发电器件22、散热器23；第一石墨烯层17下面连接热温差发电器件8的热端；热温差发电器件8的冷端连接第四石墨烯层24；所述第四石墨烯层24连接散热器23；热温差发电器件8，包括若干块串联的或/和并联的温差发电片单体，温差发电片单体与温差发电片单体之间通过使用绝热材料隔开；石墨烯型热温差发电器件8与磁力泵11相连接，并向磁力泵11提供工作电能。激光器采用：多束光激光器；散热器23采用：风冷翅片散热器。
本发明实施例提供的激光远程光热驱动装置的工作过程如下：
当激光照射在激光致液态金属加热型形状记忆合金驱动器1的石墨烯型激光接收器7时，石墨烯型激光接收器7上面的第三石墨烯层20接收激光，并产生光热效应；第三石墨烯层20将热量快速传导给三维石墨烯导热层21；三维石墨烯导热层21通过下面的第一石墨烯层17将热量分别传导给液态金属加热型形状记忆合金驱动器6、石墨烯型热温差发电器8热端；液态金属加热型形状记忆合金驱动器6中的液态金属加热型基座9中的导热型基体15，将热量快速传导给液态金属热管14。石墨烯型热温差发电器8在热端与冷端的温差作用下，产生热温差发电效应，并将所产生的电能提供给磁力泵11作为工作电源。磁力泵11带动液态金属热管14中的液态金属循环流动，并将石墨烯型激光接收器7的光热能量传输给形状记忆合金阵列驱动组件10(见图4)；光热效应使形状记忆合金阵列驱动组件10温度升高，形状记忆合金25阵列(见图3)产生形状记忆效应，形状记忆合金阵列驱动组件10驱动力的输出端19带动驱动轴2上的致动臂3转动或移动(见图1)。
当温度传感器12给出装置工作温度高于所设定的温度时，或装置收到新工作指令时，激光则停止照射在激光致液态金属加热型形状记忆合金驱动器1的石墨烯型激光接收器7，石墨烯型激光接收器7中的第三石墨烯层20和三维石墨烯导热层21温度下降，液态金属热管14中的液态金属温度也跟随快速下降，在磁力泵11带动液态金属热管14中的液态金属循环流动作用下，形状记忆合金阵列驱动组件10的温度也下降；在偏置弹簧4作用下，形状记忆合金阵列驱动组件10(见图3)驱动力的输出端19带动驱动轴2上的致动臂3反向转动或反向移动，并完成一个驱动动作循环。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种激光远程光热驱动装置，其特征在于，包括：激光致液态金属加热型形状记忆合金驱动器；所述激光致液态金属加热型形状记忆合金驱动器包括液态金属加热型形状记忆合金驱动器、石墨烯型激光接收器、石墨烯型热温差发电器；所述石墨烯型激光接收器分别与液态金属加热型形状记忆合金驱动器和石墨烯型热温差发电器紧密相连接；所述液态金属加热型形状记忆合金驱动器包括液态金属加热型基座、形状记忆合金阵列驱动组件、温度传感器、后置弹簧；所述液态金属加热型基座包括液态金属热管、液态金属、导热型基体、绝热层；所述液态金属装配在液态金属热管中；所述液态金属热管装配在导热型基体中；所述温度传感器装配在导热型基体中；所述导热型基体的一端通过第一石墨烯层与石墨烯型激光接收器紧密相连接；所述导热型基体的另一端通过第二石墨烯层与形状记忆合金阵列驱动组件紧密相连接；所述形状记忆合金阵列驱动组件的后端通过后置弹簧与石墨烯型激光接收器的旁端相连接；所述形状记忆合金阵列驱动组件的前端为形状记忆合金阵列驱动组件驱动力的输出端。
2.根据权利要求1所述的激光远程光热驱动装置，其特征在于：还包括驱动轴、致动臂、支撑臂、偏置弹簧，所述激光致液态金属加热型形状记忆合金驱动器的前端形状记忆合金阵列驱动组件驱动力的输出端连接驱动轴的一端；所述驱动轴中心连接致动臂；所述激光致液态金属加热型形状记忆合金驱动器的后端连接支撑臂一侧的顶端；所述支撑臂的底端连接驱动轴中心的一端；所述偏置弹簧的一端连接支撑臂另一侧的顶端；所述偏置弹簧的另一端连接驱动轴的一端；所述液态金属加热型形状记忆合金驱动器的侧面和底部均有绝热层；所述石墨烯型激光接收器和石墨烯型热温差发电器的侧面均有绝热层。
3.根据权利要求1所述的激光远程光热驱动装置，其特征在于：所述石墨烯型激光接收器包括第三石墨烯层、三维石墨烯导热层；所述第三石墨烯层下面连接三维石墨烯导热层；所述三维石墨烯导热层下面连接所述第一石墨烯层；所述三维石墨烯导热层侧面为绝热层；所述第一、第二、第三石墨烯层均包括石墨烯薄膜、石墨烯涂层或石墨烯复合材料层；所述三维石墨烯导热层包括三维多孔石墨烯组装导热纳米颗粒或导热材料的复合材料；所述三维多孔石墨烯包括三维多孔石墨烯骨架、三维多孔氧化石墨烯组装体、三维多孔石墨烯海绵、三维多孔石墨烯水凝胶、三维多孔石墨烯气凝胶或三维多孔石墨烯泡沫。
4.根据权利要求3所述的激光远程光热驱动装置，其特征在于：所述三维多孔石墨烯组装导热纳米颗粒的复合材料包括石墨烯纳米片、碳纳米管、C60团簇、纳米金、纳米银、纳米铜或导热纳米材料中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的激光远程光热驱动装置，其特征在于：所述液态金属加热型形状记忆合金驱动器还包括磁力泵，所述液态金属包括液态镓、液态镓合金或液态镓纳米流体；所述液态镓纳米流体包括含分散的碳纳米管、石墨烯纳米片、纳米导热颗粒的液态镓或液态镓合金；所述液态金属通过磁力泵的驱动在液态金属热管中循环流动。
6.根据权利要求5所述的激光远程光热驱动装置，其特征在于：所述石墨烯型热温差发电器包括所述第一石墨烯层、热温差发电器件、散热器；所述第一石墨烯层下面连接热温差发电器件的热端；所述热温差发电器件的冷端连接第四石墨烯层；所述第四石墨烯层连接散热器；所述热温差发电器件包括若干块串联或/和并联的温差发电片单体，所述温差发电片单体与温差发电片单体之间通过绝热材料隔开；所述石墨烯型热温差发电器与磁力泵相连接，并向磁力泵提供工作电能。
7.根据权利要求1所述的激光远程光热驱动装置，其特征在于：还包括激光器或太阳能聚光器，所述形状记忆合金阵列驱动组件包括采用形状记忆聚合物阵列驱动组件；所述形状记忆合金阵列驱动组件为单个形状记忆合金单元或多个排列组合的形状记忆合金单元；所述多个排列组合的形状记忆合金单元通过将多个形状记忆合金按照一定的排列方式或图案有序排列组合形成；所述激光器包括单束光激光器或多束光激光器，所述太阳能聚光器包括碟式太阳能聚光器、塔式太阳能聚光器、槽式太阳能聚光器或菲涅尔镜聚光器；所述散热器包括风冷翅片散热器或工质循环散热器；所述工质包括水、纳米流体或导热流体。
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