CN1774583A - 基于形状记忆材料技术的高功率/重量比的制动装置 - Google Patents

Abstract

制动装置(28)在制动杆(42)的每侧上设有一组呈对抗－反对抗构造的形状记忆合金致动器(58)。制动和释放状态由形状记忆合金致动器的奥氏体转变来控制。在制动器启动过程中，制动致动器的收缩使得摩擦片(52)与旋转鼓(40)相接触，这样就形成了制动摩擦扭矩。一旦制动器已经启动，柔性玻璃纤维部件(52)的变形就通过在鼓和摩擦片之间应用足够的法向力而防止了制动器的释放。相反，在释放致动器变热时，摩擦片松散其夹紧力并且鼓就能自由转动。

Description

基于形状记忆材料技术的高功率/重量比的制动装置

技术领域

本发明涉及制动器。

背景技术

在降低和完全停止一个机械系统的旋转时，使用了不同的制动策略。最普通的制动技术包括粘性制动器、迫使流体通过节流孔的液力制动器、特定流体在可变磁场的应用下改变粘性的磁流变制动器、通过在插入两个电磁铁之间的金属盘内感应涡电流来形成与系统旋转相反的力的电磁制动器、以及两个表面彼此压靠的摩擦制动器。

摩擦制动器有很多种，根据摩擦表面的形状和启动原理的性质进行区分。摩擦制动器主要有六种，即鼓式制动器、盘式制动器、带式制动器、机电式制动器、机电式停车制动器和磁粉制动器。鼓式制动器由圆柱形制动面构成，在启动制动器时，一个或多个制动片压在所述制动面上。制动片在制动面上的摩擦使系统的旋转减速。盘式制动器使用夹紧动作来在一个盘和两个安装在卡钳(caliper)中的垫片之间产生摩擦。随着卡钳用置于盘的相对侧面上的垫片来夹紧盘，系统的旋转就被减速。带式制动器由环绕着一个鼓的摩擦带构成。带中的张力与带和鼓之间的夹紧力成比例，这样增大的张力就使鼓的旋转减速。所有这些摩擦制动器可以是液压的、气压的或电动的，只要所选择的启动原理能保证可动的制动元件(制动片、垫片或带)的充分作用。

机电式制动器通过电驱动来运行，但是机械地传递扭矩。当电压应用到制动器时，线圈被通电从而形成磁场，这将线圈转化成电磁。所得到的磁通量吸引一个被带入与摩擦垫片相接触的电枢。由于电枢相对于轴固定并且垫片相对于框架固定，制动器的启动就使系统的旋转减速。在很多设计中，当电能被释放时弹簧保持电枢远离制动表面。相反，在一些设计中，在没有应用电能时，一系列弹簧迫使电枢与制动面相接触。这些称作机电式停车制动器的制动器通过将电压应用到线圈而释放，电压的应用会推动电枢远离制动面。

在磁粉制动器中，磁粉置于一个腔室中，当没有应用电能时，这些磁粉只是简单地放置。然而，一旦电压应用到位于腔室顶部上的线圈，所形成的磁通量倾向于使磁粉聚集到一起。随着电压增大，磁粉的聚集会更强烈。由于制动器转子穿过这些聚集的磁粉，在转子上形成的阻力就使系统的旋转减速。

在修复学(prosthetics)领域，过去已经使用了几种类型的制动器来控制假肢(prosthesis)的部件之间的相对枢轴运动，每个都有各自的优点和缺点。

粘性制动器非常适于假肢应用但是在高负荷条件下会泄漏和失效。此外，它们相对高的重量使得它们与其它解决方案相比不那么令人感兴趣。

磁流变流体理论上适于其中制动装置的粘性需要快速准确地改变的应用。然而，实际应用显示，这种粘性的改变并不是足够地快速和准确以使得能获得修复学领域中可接受的性能。此外，如同粘性制动器那样，它们相对高的重量不利于它们应用于无需动态制动的应用之中。

对于动态制动应用，摩擦制动器是不推荐的，因为接触面的摩擦系数在长期使用之后会改变。然而，它们的简单、紧凑和轻质使得它们是一个令人感兴趣的选择，只要动态制动不是必要的。

此外，上述所有的制动装置具有一个共同的局限性：它们需要动力来保持启动或非启动。

于是，本申请的目标是避免或减轻部分或所有的上述缺点。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种在一对相对可动的部件之间作用的摩擦制动器组件，其包括：连接到所述部件之一的制动件、连接到所述部件中另一个的支架、以及连接到所述支架用于与制动件相啮合的摩擦片。第一致动器可在支架上操作来将摩擦片移动至与制动件相啮合。第二致动器可在支架上操作来将摩擦片移动离开制动件。控制器有选择地操作第一和第二致动器上。根据本发明的又一方面，提供了一种假肢，其具有一对通过机械接头彼此枢轴地相连接的肢。致动器连接在所述肢之间以实现两者之间的相对运动并且制动器用来约束这种相对运动。制动器可作用在致动器上来约束在接头中的进一步运动。

制动装置显示了在没有动力供应时保持启动的给定状态的能力。这种装置的优选实施例采用了形状记忆合金(SMA)的一些特殊性质，也就是形状记忆效应。制动器的优选实施例可以用在膝盖以上截肢者的假肢修复术中，但是并不限于这个具体应用。其可以适于其中制动动作需要在一对部件之间应用的任何常规应用。

在优选实施例中，制动器的致动器设有一组形状记忆合金(SMA)导线，其以对抗-反对抗(agonistic-antagonistic)的构造置于制动杆的每侧上。通过应用电流来缩短一组导线，制动和释放状态就由形状记忆合金致动器的奥氏体转变来控制。在制动器启动过程中，制动导线的收缩使得摩擦片与旋转鼓相接触，这样就形成了制动摩擦扭矩。一旦制动器已经启动，柔性玻璃纤维部件的变形就通过在鼓和摩擦片之间应用足够的法向力而防止了制动器的释放。相反，在启动导线的释放时，摩擦片松散其夹紧力并且鼓就能自由转动。

一半SMA导线用于制动器的启动而另一半用于制动器的释放。制动放大系数由杠杆枢轴点的位置决定。对于减轻重量来说，铝6061-T6非常适于作为原材料。为了增大制动器的摩擦系数，铝青铜和钢分别用来制造制动片和制动鼓。据估计，根据SMA的规格，5V-50A的电源适于制动器的制动和释放。

附图说明

从以下结合附图进行的详细描述中，本发明的其它特点和优点将会更加明显。

图1是具有制动系统的假肢的透视图；

图2是图1所用制动系统的放大透视图；

图3是图2所示制动系统的装配部件的又一透视图；

图4是图1所示制动系统的部件的分解视图；

图5是处于启动状态的制动器的自由体受力图；

图6是图2所示制动系统中使用的部件的变形分析；

图7是图2所示制动器的制动衬片位移的三角形分析；

图8是图6所示部件的自由体受力图；和

图9是与图8类似的自由体受力图，不过运行模式不同。

具体实施方式

这种制动系统在假肢领域对于膝盖之上截肢者已经被开发了并且因此将在这个领域内进行描述从而阐明该系统对于这个努力领域的具体贡献。然而，可以理解到，这种制动系统可以更普遍地应用。

因此参考图1，装有动力的假肢10具有连接在下肢14和承窝18之间的膝盖接合组件12。膝盖接合组件12允许承窝18和下肢14之间的相对转动，下肢14又通过悬臂支撑梁20连接到足部15。膝盖接头12的转动由致动器16控制，如22处所示，致动器16枢轴地连接到下肢组件14并且在其相对端连接到分叉臂24，分叉臂24形成了膝盖接合组件12的部件。致动器16是螺旋式致动器，具有可在外壳体内旋转并且通过螺纹与可线性移动的输出轴26相啮合的电枢。电枢的转动引起轴26的纵向位移从而导致致动器16变长或缩短，并且引起膝盖接合组件12中的相应转动。制动器和膝盖接合组件的更多细节可以从本申请人相应的PCT申请中找到，因此在这里就无需进一步描述。为了约束膝盖接合组件12的转动，在致动器16上结合有制动器组件28，在啮合时，其可以操作来约束致动器16的长度变化。制动器组件28的细节从图2、3和4中可以更容易地看到。

因此参考图2，致动器16具有带有端盖30的外壳体29。电枢可旋转地安装在壳体29内并且可旋转地支撑在端盖30内突出穿过端盖30的轮毂32上。致动器轴26延伸穿过轮毂32并且通过电枢和轴26之间的螺纹连接可以在电枢旋转时纵向移动。轴26的旋转受到其与吊耳24的连接的约束。

轮毂32具有紧固到其上以与轮毂32一起旋转的制动鼓40。制动片支架42通过销钉44枢轴地连接到从致动器16的主体29突出的安装架46。支架42起杠杆的作用并且形成为具有外法兰48的半圆柱形杯，其间固定有部分圆柱形的制动片50。制动片50被构造为与制动鼓40的外表面相一致并且摩擦地啮合于制动鼓。

支架42与销钉44相对的端部连接到在一对吊耳54之间径向突出的梁52。梁52由非导电材料制成并且被设计来在如下所述那样应用制动力时提供可控的弯曲。

吊耳54紧固至致动器16的主体28并且轴向地突出达到制动器组件28的范围。每个吊耳54具有轴向槽56以容纳一组形状记忆合金(SMA)杆58。这些杆紧固到由耳轴62枢轴地紧固到吊耳54的安装架60。杆58的相对端部容纳在形成于梁52中相应的各组孔64中。杆58通过接线盒66、68紧固到梁52，这些接线盒允许对杆进行调节以保证制动片50相对于制动鼓40的正确定位。

杆58由形状记忆合金制成，比如市场上商标为Nitinol的形状记忆合金。杆58被施加预应力并且形状记忆合金具有这样的特点：应用于杆58的电流诱导了奥氏体转变从而导致杆58的缩短。在电流移除时，杆58的长度保持不变直到再次施加电流。

杆58通过接线盒70、72以类似于接线盒66、68的方式紧固到安装架60。接线盒70啮合一单个杆58并且具有与之连接的导体74。接线盒72连接到一对杆58并且因而将这两根杆电连接。两个吊耳54上的接线盒70、72以及梁52上的接线盒66、68的布置是这样的以使得顺序地连接电路中的每组杆58并且从而保证同样的电流应用到每组杆。导体74连接到适合的控制电路，这个控制电路响应于控制信号应用或释放制动器组件28。

在操作中，对杆58进行调节以使得在没有电流应用到杆上时支架42将制动片50保持为与制动鼓40稍微摩擦地接触或者有微小的间隙。在这种情况下，致动器16可操作来旋转电枢并且引起轴26的纵向位移从而实现绕着膝盖接合组件的旋转。电枢的旋转通过上述公开的PCT申请中所述的适当控制功能来进行控制。

在需要制动时，通过将电流经由导体74供应到一组杆58来约束电枢的旋转以将杆26保持在一个固定位置。该组杆58在应用、在电流通过时缩短并且从而通过梁52作用以使得支架42绕着销钉44枢轴运动。这使得制动片50与制动鼓40的外表面相啮合并且将一个减速力作用在制动鼓上。通过导体74供应的电流被终止并且杆58基本上保持其缩短的长度以保持制动片与制动鼓的接触。

从杆58通过梁52施加力导致了梁的与施加负载成比例的弯曲。在移除导体74的电流时，梁52的弯曲用作一个偏置力来通过支架42的中介来使制动片50靠在制动鼓40上并且从而将制动力保持在所需水平。

为了释放制动器，电流被通向另一组杆58，使之缩短并且释放支架42上的负载。因而，通过有选择地将电流应用到一组或另一组杆，在无需持续应用电能的前提下能实现制动和释放并且制动器被保持在稳定的位置。在致动过程中，制动或释放都是将电流应用到一组杆58而非另一组。由应用了电流的该组杆所产生的力比所需的要大得多以将另一组延伸超过所需运动的限制范围，从而保证能实现制动器组件28的致动。

总之，制动器组件28可以适用于其中需要将制动扭矩应用到旋转的机械系统或从中释放的任何应用，甚至是在没有动力应用的时候。制动器只是在将其状态从启动改变到非启动或者反之时需要动力输入。已经通过一个描述了示例性应用的具体实施例描述了制动器操作，其中制动器组件为电动假肢在动力故障或动力关闭时提供了紧急制动。这个实施例通过利用形状记忆合金(SMA)的特殊特点、也就是形状记忆效应来实现这个功能的。这个示例性应用中需要制动器满足一组典型的标准：

1.在动力故障或关闭时启动，即即使没有动力供应到制动器，其也能在启动或释放之后保持在原位置。

2.在单足站立时能承受截肢者的静载荷，即制动器在启动时产生至少2.2Nm的扭矩。

3.尽可能快地彻底阻挡假肢，即制动器在100ms之内阻挡假肢并且可以在2s内释放。

4.是电启动的，即制动器可以适于商用电源。

5.遵守具体的安全约束，即制动器在-20℃至40℃的温度范围下操作，SMA部件的温度决不超过150℃并且制动器的寿命是100 000次或更长。

6.遵守具体的重量和体积约束，即制动器(不包括电源)不超过500g并且不超过直径为60mm且长为60mm的圆柱体的大致体积。

利用上述布置，对于假肢而言，可以设计出满足这些要求的部件。适宜的缩放可以应用于其它条件下。

制动鼓

制动鼓的转动惯量是一个主要的问题，因为其影响假肢的动力学。为了将这个参数保持为尽可能地低，轮毂32的最大直径固定在23mm并且建议的材料是铝6061-T6。为了改善轮毂32和摩擦片50之间的摩擦系数，一个1mm厚的钢制制动鼓40被压配合到轮毂32上。

摩擦片

为了获得较高的摩擦系数和较高的散热性质，铝青铜优选地用作摩擦片50的原材料。铝青铜和钢之间的静摩擦系数大约为0.3。考虑这个数值以及图5所示并由公式1限定的短片摩擦制动器，在一个直径为25mm的制动鼓上需要提供2.2Nm的制动扭矩的情况下，制动鼓32和摩擦片50之间的法向力估计为587N。

$N=\frac{T}{\mathrm{\μr}}$ 公式1

制动杆

制动放大系数与杆的枢轴点的位置直接相关。考虑应用于马氏体状态下的Nitinol导线的推荐应力(20MPa)、这些导线的横截面积A(0.78mm²)以及以上估计的法向力(587N)，制动器的放大系数估计为X＝12.5。

从图5中得到公式2、公式3和公式4。将公式2和公式3替换到公式4中并对a求解，枢轴点的位置估计为a＝13mm且b＝11mm。

$X=\frac{{(c^2+d^2)}^{1/2}}{b-\mathrm{\μ}(a+r)}$ 公式2

L²＝c²+d²                              公式3

R²＝a²+b²                              公式4

为了减轻重量，建议使用铝6061-T6作为制造支架42的粒状材料。

梁

梁52由杨氏模量/抗拉强度比例很低的材料制成，例如，比如S-玻璃-环氧树脂之类的玻璃纤维。从图6和公式5中并且考虑这种材料的性质(E＝45Gpa并且S_u＝1000MPa)，推荐的弯曲应力σ_max＝300MPa，梁52末端的最大力F＝N/X＝46.9N，并且对于长为10mm且宽为10mm的梁52，梁的最小厚度大约为h_min＝1mm。从图6和公式6中并且考虑同样的参数，梁末端的弯曲大约为Δ_DD1＝0.42mm。

$h_{\min }=\sqrt{\frac{6\mathrm{FW}}{b{\mathrm{\σ}}_{\max }}}$ 公式5

${\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{DD}1}=\frac{4F{W}^3}{\mathrm{Eb}{h}^3}$ 公式6

SMA部件

SMA部件(12，21)的长度可以从公式7中得到，其中制动SMA部件(21)的活性应变为ε_a＝4％，释放SMA部件(12)的弹性回复应变在所应用的力为F＝46.9N时为ε_rec＝0.07％而在相同的力之下制动SMA部件58的应变为ε＝0.5％。从图7中获得制动器支架42末端的位移DD’以及从公式6中获得梁52末端的弯曲，SMA部件58的长度估算为L_SMA＝30mm。

ε_aL_SMA＝DD′+ε_recL_SMA+Δ_DD1+εL_SMA    公式7

考虑公式8，每个SMA部件58的体积估计为V＝23.4mm³(0.78mm²×30mm)，也就是说，三个制动SMA部件58以及三个释放SMA部件58的总体积为V_TOT＝70.2mm³(3×23.4mm³)。从公式9中并且考虑Nitinol的密度，ρ＝6450kg/m³，每个SMA部件58的重量估计为m＝1.51×10^-4kg，也就是说，三个制动SMA部件58以及三个释放SMA部件58的总重量估计为m_TOT＝4.53×10^-4kg(3×1.51×10^-4kg)。最后，从公式10中并且考虑Nitinol的电阻，ρ_el＝0.8μΩm，并且在梁52每侧上通过钢区块66、68、70、72顺序地连接的三个平行SMA部件58，SMA部件58的电阻估计为R_el＝0.092Ω。

V＝AL                         公式8

m＝ρV                        公式9

$R_{\mathrm{el}}={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{el}}\frac{3L}{A}$ 公式10

在制动器启动过程中通过制动SMA部件58产生的应力从图8和公式11中获得。考虑F＝15.6N，W＝10mm，x＝6mm，A＝0.78mm²以及σ_m＝100MPa，这个参数估计为σ_g＝80MPa。从公式12中并且考虑室温，T_amb＝25℃，Nitinol转变温度，A_s＝70℃，Nitinol应力梯度，d σ/dT＝5MPa/℃，以及上述估计的σ_g值，制动器启动时的温度升高估计为ΔT＝61℃。

${\mathrm{\σ}}_g=\frac{\mathrm{FW}+{\mathrm{\σ}}_m\mathrm{Ax}}{\mathrm{AW}}$ 公式11

$\mathrm{\ΔT}=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_g}\frac{\mathrm{d\σ}}{\mathrm{dT}}+(A_s-T_{\mathrm{amb}})$ 公式12

类似地，从图9和公式13中获得在制动器释放过程中通过释放SMA元件(12)所产生的应力。在这种情况下，σ_g估计为167MPa并且相关的总SMA温度升高估计为ΔT＝78℃。

${\mathrm{\σ}}_g=\frac{{\mathrm{\σ}}_{m}x}{W}$ 公式13

从公式14中获得制动器启动或释放所需的能量。考虑Nitinol的潜热和相变热函，c_p＝322J/kg℃以及h_T＝24200J/kg，材料重量，m＝4.53×10^-4kg，以及上述温度升高值，与制动器启动相关的能量为U_act＝19.9J，而与制动器释放相关的能量为U_re1＝22.3J。

U＝m(c_pΔT+h_T)                    公式14

从公式15中，考虑上述估计的参数以及SMA制动器功能要求，在100ms内启动制动器所需的电流估计为I_act＝46.5A，而在2s内释放制动器所需的电流估计为I_rel＝11A。从公式16中并且考虑上述估计的电流值，与制动器启动相关的电压估计为V_act＝4.3V，而与制动器释放相关的电压估计为V_rel＝1V。

$I=\sqrt{\frac{U}{\mathrm{Rt}}}$ 公式15

V＝RI                  公式16

框架

相对于假肢仍然保持固定的部件视为框架的部件。这些部件是：SMA插入物60、万向接头销62和杠杆枢轴44。SMA插入物60由例如HST II苯酚的相对较硬的电绝缘体制成。万向接头销由例如钢制成并且用来调节SMA部件58中的初始张力。杠杆枢轴44由例如钢制成并且以如此的方式定位以使得制动器的放大系数固定在X＝12.5。

虽然已经借助于其具体实施例描述了本发明，但是应当说明的是，在不偏离本发明范围的前提下，可以对这个具体实施例进行修改。

Claims (20)

1.一种在一对相对可动的部件之间作用的摩擦制动器组件，包括：

连接到所述部件之一的制动件，

连接到所述部件中另一个的支架；

连接到所述支架的摩擦片，用于与所述制动件相啮合；

第一致动器，其可在所述支架上操作来将所述摩擦片移动至与所述制动件相啮合；

第二致动器，其可在所述支架上操作来将所述摩擦片移动离开所述制动件；和

控制器，其有选择地操作所述第一和第二致动器。

2.根据权利要求1的摩擦制动器，其中弹性元件插入在所述第一致动器和所述支架之间来保持相对于所述制动部件的偏置。

3.根据权利要求2的摩擦制动器，其中所述弹性元件是从所述支架突出的梁。

4.根据前述任何权利要求的摩擦制动器组件，其中所述第一和所述第二致动器每个都包括至少一个形状记忆合金元件。

5.根据权利要求4的摩擦制动器组件，其中所述形状记忆合金元件是拉伸元件，并且所述控制器改变所述元件的长度以致动所述制动器。

6.根据权利要求5的摩擦制动器组件，其中所述控制器将电流供应到所述元件的相应一个以改变其长度。

7.根据前述任何权利要求的摩擦制动器组件，其中所述制动件是可旋转地安装在所述另一部件上的鼓并且所述支架是枢轴地紧固到所述致动器以便运动进入或离开与所述鼓的啮合。

8.根据权利要求7的摩擦制动器组件，其中所述支架包括相对于所述鼓和所述致动器径向延伸的部分并且位于所述另一部件和所述部分上的间隔位置之间。

9.根据权利要求8的摩擦制动器组件，其中所述部分是将所述致动器弹性地结合到所述支架的柔性梁。

10.根据权利要求8或9的摩擦制动器组件，其中所述致动器是由形状记忆合金形成的拉伸元件。

11.根据权利要求10的摩擦制动器组件，其中每个所述致动器包括有多个平行布置的拉伸元件。

12.根据权利要求11的摩擦制动器组件，其中所述元件顺序地电连接并且经过所述拉伸元件的电流导致所述元件的缩短。

13.根据权利要求7至12中任一项的摩擦制动器组件，其中所述支架枢轴地安装为绕着一轴线运动，该轴线平行于所述鼓的旋转轴线但与之隔开。

14.一种假肢，其具有一对通过机械接头彼此枢轴地相连接的肢、连接在所述肢之间以实现两者之间相对运动的致动器、以及用来约束这种相对运动的制动器，所述制动器可作用在所述致动器上来约束在所述接头中的进一步运动。

15.根据权利要求14的假肢，其中所述致动器包括一对相对可移动以改变所述致动器长度的部件并且所述制动器作用在所述可移动的部件之间。

16.根据权利要求15的假肢，其中所述部件通过螺纹互连以使得它们之间的相对转动导致所述致动器长度的变化并且所述制动器用来约束相对转动。

17.根据权利要求16的假肢，其中所述制动器包括可转动的鼓以及支架，该支架具有可与所述鼓相啮合的制动片。

18.根据权利要求17的假肢，其中所述制动片可通过形状记忆合金拉伸元件的缩短而与所述鼓相啮合。

19.根据权利要求17的假肢，其中所述制动片可通过形状记忆合金拉伸元件的缩短而与所述鼓脱离。

20.根据权利要求18或19的假肢，其中所述拉伸元件通过弹性连接与所述制动片相连接。

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