CN113459077A - 一种形状记忆合金软体驱动器 - Google Patents

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易思成
李龙
张泉
陈豪
徐良
张丹
彭艳
蒲华燕
谢少荣
罗均
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    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
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Abstract

本发明涉及一种形状记忆合金软体驱动器。它包括形状记忆合金丝、柔性基底、增强层、散热涂层，所述形状记忆合金丝设置在柔性基底中，所述增强层设置在柔性基底中性面上，所述散热涂层喷涂在形状记忆合金丝表面。本发明的形状记忆合金软体驱动器具有响应速度快、制造方便、驱动传统结构一体化等特点。适用于空间操作、手术操作机器人以及柔性化制造等领域。

Description

一种形状记忆合金软体驱动器
技术领域
本发明涉及空间操作、手术操作机器人以及柔性化制造等领域，更具体地，涉及一种形状记忆合金软体驱动器。
背景技术
近年来机器人应用不再局限于传统的生产制造领域，逐渐拓宽到医疗康复、资源探测、国防军事等领域。在这些领域中，工作环境以及任务需求变得复杂化，传统刚性机器人存在灵活度有限、生物兼容性和环境适应性差等缺点，难以适应工作环境、完成任务需求。针对这一问题，人们模仿诸如章鱼、蚯蚓等软体生物，研制了多种软体机器人。这些软体机器人结构柔顺度高，环境适应性好，有广泛的应用前景。
由于软体机器人中驱动和传动结构往往是一体的，在这里，用软体驱动器指代软体机器人。当前的软体驱动器可以分为气动驱动器、形状记忆合金驱动器、电活性聚合物驱动器以及其他类型的驱动器。气动驱动器目前技术较为成熟，但一般情况下需要外接气源，易受环境限制。电活性聚合物驱动器面临难以控制的问题。形状记忆合金驱动器拥有形状记忆、功率密度高、载重自重比大等优点，使得形状记忆合金驱动器结构紧凑、应用更为方便。然而形状记忆合金驱动器是依靠材料在高温奥氏体相和低温马氏体相的转化来实现相致应变，需要对材料进行升温和降温处理，材料冷却并恢复到自然形状需要的时间较长，使得驱动器面临响应速度慢的问题。目前提高形状记忆合金材料的冷却速度大多采用加快热对流的形式，如采用空气、水、油冷装置，这些额外的冷却装置会增加系统的复杂程度。
专利文献公开号为CN111358665A的专利技术公开了一种气动软体驱动器，主要通过改变气芯内部的压力，使软体驱动器呈现不同的驱动状态，但是改变气芯内部压力需要提供加压气体和/或抽气装置，其应用容易受到环境方面的限制。
专利文献公开号为CN211709356U的专利技术公开了一种软体驱动器，该驱动器基于柔性电极之间的麦克斯韦力产生挤压应变，从而在固定气压下实现致动，然而该驱动器在电致变形过程中会发生各种失效破坏，如点击穿、强度破坏和褶皱等，并且不能自愈。
专利文献公开号为CN109973342A的专利技术公开了一种形状记忆软体驱动器，通过对形状记忆合金弹簧进行热循环加载，该驱动器能实现不同方向的变形。但是其并未考虑形状记忆合金的散热问题，材料冷却时间较长，导致软体驱动器的响应速度受到很大程度的限制。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种形状记忆合金软体驱动器，可应用于软件机器人技术领域，该驱动器具有响应速度快、制造方便，驱动器传统结构一体化等优点。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种形状记忆合金软体驱动器，包括形状记忆合金丝、柔性基底、增强层和散热涂层，所述形状记忆合金丝设置在柔性基底中，所述增强层设置在柔性基底中性面上，所述散热涂层喷涂在形状记忆合金丝表面。
优选地，所述形状记忆合金丝的材料具有高相变温度特性。
优选地，所述柔性基底的材料为导热橡胶。
优选地，所述增强层的材料为玻璃纤维。
优选地，所述散热涂层的材料为石墨烯。
优选地，所述形状记忆合金丝的直径小而多根对称分布在增强层两侧，并且增强层和形状记忆合金丝的纵向平行。
优选地，所述柔性基底横截面形状为工字形。
优选地，在5V电压条件下可驱动变形，采用将电流通入位于增强层一侧形状记忆合金丝中，改变形状记忆合金丝的温度，从而使形状记忆合金软体驱动器呈现不同的驱动形状；当形状记忆合金丝产生大量的焦耳热，形状记忆合金丝内部奥氏体变体数量逐渐增多，位于增强层一侧的形状记忆合金丝会缩短，进而使得软体驱动器弯曲；当位于增强层一侧的形状记忆合金丝断电后，材料逐渐冷却，形状记忆合金丝内部马氏体变体数量逐渐增多，一侧形状记忆合金丝会恢复到原始长度，进而使得软体驱动器恢复到平直状。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著的技术进步：
1.本发明为软体驱动器，相较于刚性驱动器，生物兼容性好，环境适应性强；
2.本发明采用形状记忆合金材料，具有形状记忆特性，在5V电压上即可驱动，功率密度高，载重自重比大；
3.本发明采用导热橡胶作为基底材料，将石墨烯作为形状记忆合金丝的涂层材料，将柔性基底的横截面设置为工字形；通过上述措施优化形状记忆合金软体驱动器的设计，进而加快驱动器内部的热量散失，提高驱动器的响应速度；
4.本发明的制造工艺简单，制造成本低廉，便于实施。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明形状记忆合金软体驱动器的横截面示意图。
图2是本发明形状记忆合金软体驱动器的原始状态图。
图3是根据本发明的软体驱动器的驱动状态图。
图4是根据本发明的软体驱动器的设计流程图。
1-形状记忆合金丝；2-柔性基底；3-增强层；4-散热涂层。
具体实施方式
下面就优选实施例结合附图对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以下结合附图对本形状记忆合金软体驱动器以及其制造方法进行说明。
实施例一：
参见图1，一种形状记忆合金软体驱动器，包括形状记忆合金丝1、柔性基底2、增强层3和散热涂层4，所述形状记忆合金丝1设置在柔性基底2中，所述增强层3设置在柔性基底2中性面上，所述散热涂层4喷涂在形状记忆合金丝1表面。
本实施例形状记忆合金软体驱动器，可应用于软件机器人技术领域，该驱动器具有响应速度快、制造方便，驱动器传统结构一体化的优点。
实施例二：
在上述实施例中，所述形状记忆合金丝1的材料具有高相变温度特性。
所述柔性基底2的材料为导热橡胶。
所述增强层3的材料为玻璃纤维。
所述散热涂层4的材料为石墨烯。
所述形状记忆合金丝1的直径小而多根对称分布在增强层3两侧，并且增强层3和形状记忆合金丝1的纵向平行。
所述柔性基底2横截面形状为工字形。
本实施例采用导热橡胶作为基底材料，将石墨烯作为形状记忆合金丝的涂层材料，将柔性基底的横截面设置为工字形；通过上述措施优化形状记忆合金软体驱动器的设计，进而加快驱动器内部的热量散失，提高驱动器的响应速度。
实施例三：
一种形状记忆合金软体驱动器，如图1所示，包括形状记忆合金丝1、柔性基底2、增强层3、散热涂层4，所述形状记忆合金丝1设置在柔性基底2中，所述增强层3设置在柔性基底2中心，所述散热涂层4喷涂在形状记忆合金丝1表面。
所述形状记忆合金丝1的材料具有较高相变温度。具体地，形状记忆合金丝1的材料可以是具有高相变温度的镍钛材料，也可以是其他任意合适的材料。
所述柔性基底2采用具有良好弹性和导热性的材料制成。所述柔性基底2的材料为导热橡胶。所述增强层3的材料为玻璃纤维。柔性基底2和增强层3也可由其他任意的合适材料制成，只要能保证相应的特性即可。
所述散热涂层4的材料可以为石墨烯，也可以为其他具有良好导热性的材料。
所述形状记忆合金丝1的直径小而多根对称分布在增强层3两侧，并且增强层3和形状记忆合金丝1纵向平行。
所述柔性基底2横截面形状为工字形。
本实施例形状记忆合金软体驱动器在使用时，采用将电流通入一侧形状记忆合金丝1中，改变形状记忆合金丝1的温度，从而使形状记忆合金软体驱动器呈现不同的驱动形状。当形状记忆合金丝1产生大量的焦耳热，形状记忆合金丝1内部奥氏体变体数量逐渐增多，一侧形状记忆合金丝1会缩短，进而使得软体驱动器弯曲，呈现如图2所示的状态。当形状记忆合金丝1断电后，材料逐渐冷却，形状记忆合金丝1内部马氏体变体数量逐渐增多，一侧形状记忆合金丝1会恢复到原始长度，进而使得软体驱动器恢复到平直状，呈现如图3所示的状态。
以下结合图4对本实施例软体驱动器的设计流程进行介绍。
参见图4，本实施例软体驱动器以变形角度和输出力作为静态输出指标，以响应速度作为动态输出指标，根据设计目标和力平衡准则初步确定形状记忆合金丝1的几何尺寸、数量、空间布局，柔性基底2的材料、形状、几何尺寸，增强层3的材料、形状、几何尺寸、空间布局，散热涂层4的材料、几何尺寸，基于最优设计原理对上述设计变量进行迭代设计，直至设计出满足变形角度、输出力和响应带宽要求的形状记忆合金软体驱动器。
根据以上结合图1-图4的介绍可知，本实施例形状记忆合金软体驱动器可以利用形状记忆合金材料的形状记忆特性，实现软体驱动器不同驱动状态的转换。本实施例形状记忆合金软体驱动器包括形状记忆合金丝、柔性基底、增强层、散热涂层，所述形状记忆合金丝设置在柔性基底中，所述增强层设置在柔性基底中性面上，所述散热涂层喷涂在形状记忆合金丝表面。本实施例形状记忆合金软体驱动器具有响应速度快、制造方便、驱动传统结构一体化等特点。适用于空间操作、手术操作机器人以及柔性化制造等领域。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种形状记忆合金软体驱动器，包括形状记忆合金丝(1)、柔性基底(2)、增强层(3)和散热涂层(4)，其特征在于：所述形状记忆合金丝(1)设置在柔性基底(2)中，所述增强层(3)设置在柔性基底(2)中性面上，所述散热涂层(4)喷涂在形状记忆合金丝(1)表面。
2.根据权利要求1所述形状记忆合金软体驱动器，其特征在于，所述形状记忆合金丝(1)的材料具有高相变温度特性。
3.根据权利要求1所述形状记忆合金软体驱动器，其特征在于，所述柔性基底(2)的材料为导热橡胶。
4.根据权利要求1所述形状记忆合金软体驱动器，其特征在于，所述增强层(3)的材料为玻璃纤维。
5.根据权利要求1所述形状记忆合金软体驱动器，其特征在于，所述散热涂层(4)的材料为石墨烯。
6.根据权利要求1-5中任一项所述形状记忆合金软体驱动器，其特征在于，所述形状记忆合金丝(1)的直径小而多根对称分布在增强层(3)两侧，并且增强层(3)和形状记忆合金丝(1)的纵向平行。
7.根据权利要求1-5中任一项所述形状记忆合金软体驱动器，其特征在于，所述柔性基底(2)横截面形状为工字形。
8.根据权利要求1-5中任一项所述形状记忆合金软体驱动器，其特征在于，在5V电压条件下可驱动变形，将电流通入位于增强层(3)一侧形状记忆合金丝(1)中，改变形状记忆合金丝(1)的温度，从而使形状记忆合金软体驱动器呈现不同的驱动形状；当形状记忆合金丝(1)产生大量的焦耳热，形状记忆合金丝(1)内部奥氏体变体数量逐渐增多，位于增强层(3)一侧的形状记忆合金丝(1)会缩短，进而使得软体驱动器弯曲；当位于增强层(3)一侧的形状记忆合金丝(1)断电后，材料逐渐冷却，形状记忆合金丝(1)内部马氏体变体数量逐渐增多，一侧形状记忆合金丝(1)会恢复到原始长度，进而使得软体驱动器恢复到平直状。
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