專利名稱：可調(diào)節(jié)剛度致動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用智能致動器(smart actuator)的剛度控制。
背景技術(shù)：
包括形狀記憶合金(SMA)的智能致動器和被智能致動的裝置可通常被配置為使用具有預(yù)定(例如恒定)剛度的機(jī)械彈簧來偏置SMA元件，以例如，輔助SMA剛性元件從經(jīng)致動的形狀返回至未致動形狀。使用預(yù)定的剛度來偏置SMA元件可導(dǎo)致在與設(shè)計(jì)不符的工作狀況下造成被致動裝置的次優(yōu)性能，例如與智能致動器相互接合的操作環(huán)境的改變和構(gòu)件的劣化。在大設(shè)計(jì)空間中，可能在一些操作狀況中需要更高的偏置應(yīng)力以避免錯誤的致動，這可導(dǎo)致標(biāo)稱狀況下的次優(yōu)的性能，或由更高的偏置應(yīng)力造成的SMA元件的使用壽命降低。熱激活的SMA元件的性能會受以下因素影響環(huán)境狀況的變化、和/或SMA元件由于反復(fù)使用或服役載荷而造成的SMA元件的劣化或退化(服役載荷可以是設(shè)計(jì)的或是偶發(fā)的載荷)、高溫或高載荷下的反復(fù)致動、或其他影響剛性元件的性能、耐用性和可靠性(諸如在重復(fù)使用后老化、疲勞、剝落、和/或剛性元件的伸長的因素的影響。隨著SMA元件的性能和/或機(jī)械彈簧的性能改變或退化，包括SMA元件和機(jī)械彈簧的智能致動器或裝置的性能會變得有效性會越來越差。

發(fā)明內(nèi)容
需要為形狀記憶合金(SMA)或致動器配置有磁彈簧或其他磁性致動偏置元件，諸如磁性SMA (MSMA)元件，以提供可調(diào)節(jié)的偏置元件，其可適應(yīng)由于環(huán)境或操作狀況變化造成的SMA裝置性能的改變，或是使用SMA元件的老化和劣化在內(nèi)的其他變化，以為致動器提供有可調(diào)節(jié)剛性的特點(diǎn)。通過使用可配置為提供作用于SMA剛性元件上的可變偏置力的磁性致動偏置元件，可根據(jù)操作狀況調(diào)節(jié)偏置力，以避免SMA元件的應(yīng)力過度，由此延長SMA元件的使用壽命，并在操作狀況范圍內(nèi)優(yōu)化SMA致動器的致動性能。一個或多個磁性偏置元件可串聯(lián)、并聯(lián)、或以串聯(lián)和并聯(lián)的組合與SMA元件布置在一起，以提供作用在SMA元件上的偏置力，其中該偏置力可為可調(diào)節(jié)的或可變的偏置力。提供了一種適于可調(diào)節(jié)剛性控制的致動器，該致動器包括具有智能材料的剛性元件，以及配置為被磁性致動的偏置元件。偏置元件被磁性地致動，以提供作用在剛性元件上的偏置力。智能材料可為形狀記憶合金(SMA)，其可例如被配置為SMA線或SMA彈簧。通過非限制性示例的方式，致動器的偏置元件和剛性元件可被彼此并聯(lián)地配置，或可彼此串聯(lián)地配置。由偏置元件提供的偏置力可為非線性偏置力。致動器可配置響應(yīng)于輸入提供可變的偏置力。偏置元件可配置為包括永磁體、電磁體、磁性智能材料合金(MSMA)或以上的組合。輸入可配置為電流，其可啟動偏置部件，諸如電磁體，以使用偏置元件提供可變的偏置力。輸入可由致動器的剛性元件的智能材料的疲勞、功能退化、老化、搖落、伸長以及操作環(huán)境中的一個或多個限定。致動器可受控于控制器，該控制器配置為提供輸入以控制致動器的輸出，其中輸入可由致動器的輸出、由致動器致動的裝置的輸出、或包括致動器的系統(tǒng)的輸出限定。該輸入可由操作特點(diǎn)或操作環(huán)境限定，例如，示例性地由控制器監(jiān)測的致動器環(huán)境的溫度或濕度限定。致動器可包括多個剛性元件以及多個偏置元件，其中多個剛性元件中的至少一個包括智能材料，且多個偏置元件中的至少一個被磁性地致動。多個偏置元件中的每一個都可和多個剛性元件中的至少一個串聯(lián)地致動,或與多個剛性元件中的至少一個并聯(lián)地致動，或與多個剛性元件中的一個或多個以及與彼此成串聯(lián)和并聯(lián)相組合地致動，使得該多個偏置元件中的至少一個可被致動以提供作用在多個剛性元件中的至少一個上的偏置力，該力可為可變或非線性的偏置力。一種提供可調(diào)節(jié)剛性控制的方法包括配置致動器以提供剛性控制輸出。致動器包括具有可致動智能材料的剛性元件和配置為被磁性地致動以提供可變偏置力的偏置元件。該方法還包括致動智能材料元件和選擇性地致動偏置元件以提供致動器剛性控制輸出。當(dāng)結(jié)合附圖時，本發(fā)明的上述特征以及其他特征和優(yōu)勢從下文中用于實(shí)施本發(fā)明的最佳模式的詳盡描述中是輕易地明顯的。


圖1是包括并聯(lián)配置的智能剛性元件和磁性偏置元件的致動器的示意圖；圖2是包括并聯(lián)配置的智能剛性元件和磁性偏置元件的致動器的示意圖；圖3是包括并聯(lián)配置和串聯(lián)配置的智能剛性元件和磁性偏置元件的致動器的示意圖；圖4是包括并聯(lián)配置和串聯(lián)配置的智能剛性元件和磁性偏置元件的致動器的示意圖；圖5是包括提供恒定偏置力且并聯(lián)配置的智能剛性元件和磁性偏置元件的致動器的不意圖；圖6是包括提供可調(diào)節(jié)偏置力且并聯(lián)配置的智能剛性元件和磁性偏置元件的致動器的示意圖；和圖7是包括并聯(lián)配置的智能剛性元件和磁性偏置元件的致動器的示意圖。
具體實(shí)施例方式參見附圖，其中類似的附圖標(biāo)記在若干幅附圖中代表相同的構(gòu)件，圖1-7中示出的元件并非按比例繪制。因此，此處示出的附圖的中提供的具體的圖示、尺寸和應(yīng)用不被視為限制性的。圖1是10處大致示出且適于可調(diào)節(jié)剛性控制的致動器的示意圖。致動器10包括剛性元件12以及大致在20處示出的磁性偏置元件。剛性元件12可包括智能材料(smartmaterial)。偏置元件20可配置為被磁性地致動，以提供作用在剛性元件12上的偏置力。通過非限制性示例的方式，偏置元件和剛性元件可被彼此并聯(lián)地配置，如圖1和2所示。在圖1中，剛性元件12示出為和包括致動器10的偏置元件20并聯(lián)。在圖2中，剛性元件12示出為和包括致動器30的另一偏置元件32并聯(lián)。剛性元件12可配置為和偏置元件42串聯(lián)，以構(gòu)成致動器40，如圖3中的非限制性示例中示出的。圖4示出了另一種構(gòu)造的致動器50，其中致動器包括和偏置元件20并聯(lián)的剛性元件12，且這些元件12、20的組合被配置為和第二偏置元件42串聯(lián)。包括一個或多個剛性元件以及一個或多個偏置元件的致動器的其他配置也是可以的，其中該一個或多個剛性元件和/或一個或多個偏置元件被配置為彼此成串聯(lián)、并聯(lián)、和/或串聯(lián)和并聯(lián)的組合，以構(gòu)成適于剛性控制的致動器。由偏置元件提供的偏置力可為非線性偏置力。致動器可配置為響應(yīng)于輸入在剛性元件上提供可變的偏置力。剛性元件12可包括諸如形狀記憶合金(SMA)的智能材料，其可被示例性地配置為SMA線或SMA彈簧中之一，且可在此處可稱作SMA剛性元件、SMA元件、或智能剛性元件。SMA剛性元件12可在非限制性示例中由形狀記憶合金線以預(yù)定的第一形狀(未示出)制成，該預(yù)定的第一形狀可例如為收縮或縮回的形狀且由SMA線在預(yù)定的高溫(例如其轉(zhuǎn)變溫度處)記憶。第一形狀也可在此處被稱作奧氏體形狀，例如，由SMA元件在SMA處在高溫或奧氏體狀態(tài)時記憶的形狀。SMA元件12通過在較低溫度(例如低于轉(zhuǎn)變溫度的溫度)下施加成形力而轉(zhuǎn)變(形成)至第二形狀，且通常保持該第二形狀直至由溫度或施加的電流加熱至轉(zhuǎn)變溫度之上，由此位于轉(zhuǎn)變溫度之上的SMA元件12從第二形狀轉(zhuǎn)變至其預(yù)定的第一或奧氏體形狀。第二形狀也可在此處被稱作馬氏體形狀，例如，該形狀是由SMA元件在SMA處在較低溫度(例如當(dāng)SMA處在馬氏體狀態(tài)中)下受力定形時記憶的形狀。在轉(zhuǎn)變溫度以下冷卻后，SMA元件繼而從其第一(奧氏體)形狀轉(zhuǎn)變回其第二 (馬氏體)形狀。SMA元件12可因此被配置為用作致動器中的剛性元件，例如圖1-7中分別示出的致動器10、30、40、50、60、70、80，通過操縱SMA元件12的溫度使其高于或低于由SMA材料限定的轉(zhuǎn)變溫度，以造成SMA元件的形狀的變化，這可用于與輸出界面22的操作相連地施加力至被致動部件(未示出)或抵抗該被致動部件施加力。在圖1-7中示出的非限制性例子中，剛性元件12可在第一連接部18和第二連接部28處操作地連接。第一連接部18可稱作輸入連接部，其可配置為提供輸入以啟動剛性元件12和/或偏置元件。第二連接部28可稱作輸出連接部。第二連接部可和輸出界面22操作地相連，其也可被稱作第二界面。剛性元件12可被選擇性地致動以提供力，其可為壓縮力或拉伸力，對抗第二或輸出界面22分別沿圖1中X示出的箭頭的方向或與該方向相反。致動器10的輸出界面22和/或輸出連接部28可與可致動裝置或可致動部件(未示出)成操作相連或操作地連接。以該方式配置的致動器10可例如用于致動實(shí)際部件，以將被致動部件從另一部件接合/脫開，和/或?qū)⒈恢聞硬考胤较騒或與該方向相反地位移。再次參見圖1，并使用致動器10作為代表性致動器，剛性元件12可包括第一界面，其可示例性地為安裝表面或界面，用于將致動器12操作地連接至向接合的構(gòu)件或裝置(其可以諸如是控制器、傳感器或開關(guān)這樣的致動構(gòu)件)。第一界面24也可被稱作輸入界面。剛性元件12可通過第一連接界面18與致動源(未示出)操作相連或操作地連接。第一連接界面18也可被稱作第一連接部或輸入連接部。致動源可例如配置為電路，且輸出連接部18可配置為操作地連接至電路，通過該電路電流可輸入或提供至剛性元件12，使得該剛性元件12經(jīng)由通過電阻加熱使剛性元件12中的SMA的溫度升高從而被促動。在非限制性示例中，剛性元件12可通過輸入連接部18和/或輸入界面24操作地連接至一個或多個傳感器或開關(guān)(未示出)，或連接至可對至少一個傳感器做出響應(yīng)的控制器(未示出)，其中該至少一個傳感器感知致動器10、剛性元件12、由致動器10致動的裝置、和/或可包括致動器10的系統(tǒng)中的一個或多個的操作特點(diǎn)，且其中該至少一個傳感器響應(yīng)于感知到的一個或多個操作特點(diǎn)的變化而提供信號至剛性元件12、開關(guān)或控制器。致動源可為經(jīng)由輸入連接部18操作地連接至剛性元件12的開關(guān)或功率提供部(未示出)，使得當(dāng)開關(guān)閉合時，電流從功率提供部流動至剛性元件12，且熱量由剛性元件12的SMA線的電阻產(chǎn)生，充分地增加線的溫度，使得剛性元件12從其馬氏體形狀被激活和轉(zhuǎn)變至其奧氏體形狀，例如，從其第二形狀至其第一收縮或預(yù)定形狀，沿方向X提供作用于在輸出連接部28和/或輸出界面22上的拉伸力。當(dāng)開關(guān)被斷開或打開以切斷或中止至SMA元件12的電流供應(yīng)時，SMA元件12被停止激活，從而其冷卻且轉(zhuǎn)變至其第二形狀，并因此長度伸長，并由此從致動器10抵抗輸出連接部28和/或輸出界面22提供與方向X相反的壓縮力。應(yīng)理解也可使用熱致動剛性元件12的其他方法。包括SMA元件12的致動器的其他配置也示出在圖2-7中。在圖2_7中各自通過非限制性示例的方式示出的相應(yīng)致動器30、40、50、60、70、80中，SMA元件12被示出為在一個端部操作地附連至輸入部18和/或輸入界面24，且在另一端部操作地附連至輸出連接部28和/或輸出界面22。應(yīng)理解各自包括SMA元件12的致動器30、40、50、60、70、80可由來自致動源的輸入致動，以提供致動器輸出(其可為剛性控制輸出)至此前針對圖1中示出的致動器10討論的可致動裝置。再次參見圖1，在非限制性示例中，致動器10還包括偏置元件20。偏置元件20可配置為包括永磁體、電磁體、磁性形狀記憶合金(MSMA)、或其他磁性可致動部件中的一個或多個，使得偏置元件20配置為可磁性地致動。偏置元件20可通過任何適合一個或多個磁性部件(其包括偏置元件20)的器件而被磁性地致動。在圖1中示出的非限制性示例中，偏置裝置20包括第一偏置部件14和第二偏置部件16，其中部件14、16中的至少一個為磁性可致動部件。偏置部件14、16中的一個可配置為和輸出界面22成操作相連，使得偏置部件和剛性元件12操作相連。偏置部件14、16中的另一個可與支撐界面18操作相連，或操作地與之附連，使得第一和第二部件14、16之間的相對運(yùn)動(例如)沿圖1中箭頭X的方向或與其相反的方向產(chǎn)生作用在剛性元件12上的偏置力。偏置部件14、16可為磁性可致動部件，布置為使得偏置元件20可配置為磁彈簧，如圖1所示。部件14、16可各自配置為例如兩極式永磁體，使得永磁體14、16彼此方位為相同的磁極彼此相對，在它們之間產(chǎn)生排斥力，或當(dāng)永磁體方位為不同的磁極彼此相對時，在它們之間產(chǎn)生吸引力。由兩個永磁體14、16由于其間的間隙變化而提供的偏置力是磁極的數(shù)量和每個磁極的強(qiáng)度的函數(shù)。通過合適地布置這些磁極(兩個或更多)，可配置偏置力和這些磁體之間間隙的非線性關(guān)系。如圖2所示，磁體14、16可各自大致地配置為具有中空的中心部分的環(huán)形形狀磁體。致動器10配置為使得SMA元件12穿過每一個環(huán)形磁體14、16的中空中心，使得磁體14、16關(guān)于SMA元件12的軸線相對于彼此的運(yùn)動產(chǎn)生作用在SMA元件12上的偏置力。這樣配置的偏置元件20可通過將永磁體14、16中的至少一個從和永磁體14、16中的至少另一個中立或平衡的位置位移而被致動,從而改變被位移的磁體14、16之間的磁場，進(jìn)而產(chǎn)生吸引力或排斥力。在磁體14、16之間產(chǎn)生的磁力(吸引力或排斥力)可與以下項(xiàng)成比例或取決于以下項(xiàng)一個磁體從另一個磁體移位的相對幅度和/或方向、每一個磁體的磁場強(qiáng)度、以及一個磁體的磁極相對于另一個磁體的磁極的取向。由一個磁體從另一個磁體的移位導(dǎo)致的磁力(吸引力或排斥力)提供了施加至剛性元件12的偏置力。將永磁體14、16中的一個或多個從永磁體14、16中的另一個移位并進(jìn)而啟動偏置元件20的輸入可示例性地為SMA元件12的長度的變化、或連接部28和/或輸出界面22的位移。由一個磁體從另一個磁體的移位產(chǎn)生的磁力的變化可能與移位的量成非線性關(guān)系，使得由包括永磁體的磁彈簧20產(chǎn)生的偏置力和剛性元件12的長度變化成非線性關(guān)系。在另一個示例中，偏置元件20可配置為使得偏置部件14、16中的一個可為永磁體，而偏置部件14、16中的另一個可為電磁體。出于示例目的，永磁體可表示為圖1中的元件14，且電磁體可表示為元件16。電磁體16可配置為使得電磁體16的磁場強(qiáng)度可通過控制和/或改變輸入至電磁體16的線圈的電流而被選擇性地操控(開/關(guān)、增強(qiáng)、減弱)。電磁體16和永磁體14可被如前所述地配置，以提供配置為磁彈簧的偏置元件20，其可為可變磁彈簧。這樣配置的偏置元件20可示例性地通過將永磁體14從電磁體16移位而被致動，其中電磁體16被保持在固定的磁場強(qiáng)度上，并由此改變被位移的磁體14、16之間產(chǎn)生的最終磁場，進(jìn)而產(chǎn)生取決于移位的相對方向的吸引力或排斥力，如前針對包括兩個永磁體的偏置元件20所討論的。將永磁體14從電磁體16移位并進(jìn)而啟動偏置元件20的輸入可示例性地為SMA元件12的長度變化、或連接部28和/或輸出界面22的位移。在另一示例中，通過操控或改變控制電磁體16的電流使得電磁體16的磁場強(qiáng)度相對于永磁體的恒定或固定的磁場發(fā)生變化(不論是減弱或是增強(qiáng))，配置為具有永磁體14和電磁體16的偏置元件20可被致動。電磁體16的可變磁場和永磁體14的固定磁場之間的差在電磁體16和永磁體14之間產(chǎn)生最終磁力(吸引力或排斥力)，其中磁力提供施加至剛性元件12的偏置力。操控或改變電磁體的磁場強(qiáng)度并由此啟動偏置元件20的輸入可示例性地為提供至電磁體16的線圈的電流變化，其中電流變化是響應(yīng)于來自一個或多個傳感器或開關(guān)的輸入，或是響應(yīng)于對至少一個傳感器做出響應(yīng)的控制器，其中至少一個傳感器感知剛性元件12、致動器10、可由致動器10致動的裝置、和/或可包括致動器10的系統(tǒng)中一個或多個的操作特點(diǎn)，其中該至少一個傳感器響應(yīng)于感知到的一個或多個操作特點(diǎn)的變化而提供信號至剛性元件12、開關(guān)或控制器。還應(yīng)理解這樣配置的偏置元件12可通過停止或中止對電磁體16的電流的供應(yīng)而被中止激活，使得不存在施加至SMA元件12的偏置力，或偏置力大致為零。因此，對于包括永磁體14和電磁體16的偏置兀件20而言，由一個磁體相對于另一個的移位產(chǎn)生的磁力(吸引力或排斥力)、由電磁體16的磁場強(qiáng)度相對于永磁體14的強(qiáng)度的變化產(chǎn)生的磁力、和/或這些磁力的組合，可提供施加至剛性元件12的偏置力，該偏置力可為非線性和/或可變的，或在其中電磁體16被終止激活的情形中，該偏置力為大致為零的偏置力。包括偏置元件的致動器的其他構(gòu)造在圖2-7中示出，其中示出的致動器30、40、50、60、70、80每一個都包括至少一個配置為施加偏置力至剛性元件12的磁性可致動偏置元件。通過非限制性示例的方式，致動器30包括偏置元件32，致動器40包括偏置元件42，致動器50包括偏置元件20和42，致動器60包括偏置元件52，致動器70包括偏置元件62，且致動器80包括偏置元件72。
構(gòu)成致動器30、40、50、60、70、80的偏置元件20、32、42、52、62、72的操作原理已經(jīng)
通過對圖1中示出的偏置元件20的各種構(gòu)造操作情況的描述而大致做了描述。將在此處更詳盡地描述每一個非限制性構(gòu)造的操作。應(yīng)理解偏置元件20、32、42、52、62、72每一個都被配置為包括一個或多個偏置部件，其可被磁性地致動且可被配置為可致動以響應(yīng)于輸入而提供施加至諸如SMA元件12這樣的剛性元件上的非線性和/或可變偏置力，如針對圖1中示出的偏置元件20在此前討論的。此處描述的致動器可包括多于一個的偏置元件，使得偏置元件可配置為單獨(dú)、串聯(lián)、并聯(lián)、或以這些方式的組合而產(chǎn)生作用，以提供抵抗SMA元件12的偏置力。例如，圖4示出了致動器50，其包括和剛性元件12并聯(lián)的第一偏置元件20，以及和第一偏置元件20和剛性元件12兩者串聯(lián)的第二偏置元件42，其中偏置元件20和42可被單獨(dú)或彼此組合地、選擇地致動，以在剛性元件12上施加偏置力。再次參見圖2，在非限制性示例中，致動器30包括偏置元件32。偏置元件32可配置為包括永磁體、電磁體或MSMA、或其他磁性可致動部件,或使得偏置元件32配置為可磁性地致動的構(gòu)件。偏置元件32可通過任何適合包括偏置元件32的一個或多個磁性偏置部件的裝置而被磁性地致動。在圖2中示出的非限制性示例中，偏置裝置32包括第一偏置部件34和第二偏置部件36，其中部件34、36中的至少一個為磁性可致動部件。第一偏置部件34可配置為操作地附連至輸出界面22，使得偏置部件32和剛性元件12成操作相連。第二偏置部件36可被操作地附連至支撐界面18，使得第二偏置部件36可保持在相對于可動的第一偏置部件34固定的位置中。如針對圖1所討論的，偏置部件34、36每一個可配置為永磁體，其可例如為雙磁極磁體。在圖2中示出的示例中，第一永磁體34和第二永磁體36每一個可大致配置為環(huán)形形狀磁體，具有中空的中心部分且布置為彼此同軸以及與剛性元件12共軸。如針對圖1中的致動器10所討論的，偏置部件34、36方位為相同的磁極共軸地彼此相對，從而在其間產(chǎn)生排斥力。這樣配置的偏置元件32可通過將永磁體34、36中的至少一個從與永磁體34、36中的至少另一個中立或平衡的位置移位而被致動,從而改變被移位的磁體34、36之間的磁場，進(jìn)而產(chǎn)生吸引力或排斥力。在磁體34、36之間產(chǎn)生的磁力可以與以下項(xiàng)成比例或取決于以下項(xiàng)一個磁體從另一個磁體移位的相對幅度和/或方向、每一個磁體34、36的磁場強(qiáng)度、以及一個磁體的磁極相對于另一個磁體的磁極的取向。由一個磁體從另一個磁體的移位導(dǎo)致的磁力提供了施加至剛性元件12的偏置力。將永磁體34、36中的一個或多個從另一個移位并進(jìn)而啟動偏置元件32的輸入可示例性地為SMA元件12的長度的變化，或連接部28和/或輸出界面22的位移。由一個磁體從另一個磁體的移位產(chǎn)生的磁力的變化可能與移位的量成非線性關(guān)系，使得由包括永磁體34、36的磁彈簧32產(chǎn)生的偏置力和剛性元件12的長度變化成非線性關(guān)系。圖5示出了致動器60，包括在一個端部處的連接點(diǎn)18處附連的剛性元件12和在另一端部處的輸出界面22，其中偏置元件52包括兩個永磁體54、56。兩個永磁體54、56被如圖2所示的布置。該布置在大的行程(stroke)上以及在最小的封裝空間中提供作用在剛性元件12上的恒定的偏置力，從而提供優(yōu)于傳統(tǒng)剛性元件的優(yōu)勢。在另一個示例中，圖2中示出的偏置元件32可配置為使得偏置部件34、36中的一個可為永磁體而另一個可為電磁體。出于示例目的，永磁體可表示為圖2中的元件34，且電磁體可表示為元件36。如此前針對圖1所討論的，電磁體36可配置為使得電磁體16的磁場強(qiáng)度可通過控制和/或改變提供至電磁體36的線圈的電流而被選擇性地操控。電磁體36和永磁體34可被如前所述地配置，以提供配置為磁彈簧的偏置元件32，其可為可變磁彈簧。如此配置有永磁體34和電磁體36的偏置元件32可如圖1所討論的一樣地被致動，以提供作用在SMA元件12上的偏置力。圖6示出了致動器70，包括在一個端部處的連接點(diǎn)18處附連的剛性元件12和在另一端部處的輸出界面22,其中偏置兀件62包括永磁體64和電磁體66。永磁體64和電磁體66被如圖2所示的布置。通過控制提供至電磁體的電流，該布置在最小的封裝空間中提供作用在剛性元件12上的可調(diào)節(jié)的偏置力，從而提供優(yōu)于傳統(tǒng)剛性元件的優(yōu)勢?，F(xiàn)在參見圖3，其示出了配置為可調(diào)節(jié)剛性元件的致動器40的另一非限制性實(shí)施例。致動器40包括配置為和剛性元件12串聯(lián)的偏置元件42。剛性元件12包括智能材料，其可示例性地為此前討論的SMA材料。剛性元件12在一端部操作地附連至輸入連接部18和/或輸入界面24。剛性元件12在另一端部操作地附連至連接部28/或中間界面48。偏置元件42包括第一偏置部件44和第二偏置部件46。第一偏置部件44可操作地連接至輸出界面22。第二偏置部件46可操作地連接至中間界面48。如此配置時，致動器40可響應(yīng)于在輸入連接部18處和/或輸入界面24處的輸入通過剛性元件12和偏置元件42的組合來提供去往界面22的輸出。在一個非限制性示例中，第一偏置部件44包括兩個永磁體44a、44b，其每一個配置為永磁性雙磁極磁體。兩個磁體44a、44b被布置為相反的磁極(S-N)相鄰,使得兩個磁體44a、44b彼此吸引。偏置部件44可操作地連接至輸出界面22。偏置部件46包括兩個永磁體46a、46b,它們每一個配置為永磁性雙磁極磁體。兩個磁體46a、46b被布置為相反的磁極(S-N)相鄰，使得兩個磁體46a、46b彼此吸引。偏置部件44和偏置部件46方位為使得相同的磁極(N-N)對齊，提供在偏置部件44、46之間的排斥力。通過將具每一個偏置部件44、46偏置為具有多于一個的雙磁極磁體，可增強(qiáng)偏置部件44、46之間的磁場。也可使用其他構(gòu)造。例如，偏置部件44、46中的每一個都可配置為包括一個雙磁極磁體,而不是兩個，其中這樣配置的偏置元件42將提供較圖3所示配置的偏置元件42更弱的磁場。應(yīng)理解每一個偏置部件44、46都可配置為包括多個磁性部件的其他構(gòu)造也是可行的。如圖3所示配置的偏置元件42可如針對圖1中的偏置元件20所述的一樣被致動，SP，通過將一個偏置部件44從另一個偏置部件46移位從而在偏置部件44、46之間產(chǎn)生磁力，該磁力作為偏置力作用在SMA元件12上，且和SMA元件12串聯(lián)以提供作用在輸出界面22上輸出力。導(dǎo)致偏置部件44、46中的一個移位的輸入可示例性地為當(dāng)SMA元件被致動時SMA元件12的長度變化，或可示例性地為輸出界面22的位移。再次參見圖3，應(yīng)理解偏置部件44、46中的一個可使用電磁體取代，其可如前針對圖1和圖2所討論的一樣地被致動，以提供偏置元件42的另一構(gòu)造。也可使用和剛性元件12串聯(lián)的偏置元件的其他構(gòu)造。在非限制性示例中，圖7示出了偏置元件80，其可包括磁性形狀記憶合金(MSMA)部件74，和用于致動MSMA76的磁場源。MSMA也可被鐵磁性形狀記憶合金(FSMA)，且可包括任意鐵磁性材料——這種材料可在由于MSMA的馬氏體結(jié)構(gòu)變化造成的施加磁場的影響下產(chǎn)生形狀和尺寸的較大變化。MSMA可例如為鎳-錳-鎵(N1-Mn-Ga)合金。用于對MSMA進(jìn)行致動(例如用于導(dǎo)致MSMA的馬氏體結(jié)構(gòu)的變化)的磁場源可配置為電磁體76。電磁體76可配置為使得電磁體76的磁場的強(qiáng)度和方向可通過控制和/或改變提供至電磁體76的線圈的電流而被選擇性地操控，以提供沿對SMA部件74進(jìn)行致動的所需方向和足夠強(qiáng)度的磁場，以例如導(dǎo)致MSMA的馬氏體孿晶結(jié)構(gòu)重排，由此導(dǎo)致MSMA部件74的偏置尺寸的變化，例如，與所施加的磁場方向?qū)R的MSMA部件74的長度的增加。強(qiáng)度的減小或磁場方向的反置導(dǎo)致馬氏體孿晶結(jié)構(gòu)的重排逆轉(zhuǎn)，并由此導(dǎo)致MSMA部件74的偏置尺寸的逆向變化，例如，在當(dāng)前示例中，MSMA部件74的長度減小至未致動時的長度。在施加的磁場的影響下，MSMA部件74的偏置尺寸的長度變化可在此處稱作磁性形狀記憶效應(yīng)(MSME)。如圖7所示，致動器80包括剛性元件12，其可為SMA元件，在一端操作地附連至輸入連接部18，且在另一端操作地附連至MSMA元件74，使得SMA元件12和MSMA元件74被串聯(lián)地連接至輸出界面22。當(dāng)磁場由電磁體76提供且以沿引起磁性形狀記憶效應(yīng)(MSME)所需要的方向和足夠的強(qiáng)度施加至MSMA部件74時，偏置尺寸(例如MSMA部件74的長度)由于MSME而增加，從而MSMA部件74施加偏置力至其操作地連接的剛性元件12。當(dāng)MSME逆轉(zhuǎn)時，例如，通過逆轉(zhuǎn)由電磁體76提供的施加磁場的方向，MSMA部件74的MSMA被停止促動，例如馬氏體結(jié)構(gòu)的變化被逆轉(zhuǎn)，以導(dǎo)致偏置尺寸的縮短(例如，MSMA部件74的長度)，且施加至SMA元件12的偏置力被逆轉(zhuǎn)。改變電磁體76的磁場強(qiáng)度和方向并由此將偏置元件80的MSMA部件74的MSME啟動的輸入例如是提供至電磁體76的線圈的電流變化，其中電流的變化響應(yīng)于來自一個或多個傳感器或開關(guān)的輸入，或是響應(yīng)于至少一個傳感器的控制器，其中至少一個傳感器感知致動器12、剛性元件12、由致動器10可致動的裝置、和/或可包括致動器10的系統(tǒng)中一個或多個的操作特點(diǎn)，其中該至少一個傳感器響應(yīng)于感知到的一個或多個操作特點(diǎn)的變化而提供信號至剛性元件12、開關(guān)或控制器。因此，對于包括MSMA部件74和電磁體76的偏置元件80而言，MSME和MSMA部件74的相關(guān)偏置尺寸的變化可提供施加至剛性元件12的偏置力，該偏置力可根據(jù)由MSME啟動的MSMA部件74的馬氏體結(jié)構(gòu)的變化的幅度和程度以及磁場的強(qiáng)度而變動。致動器80可例如通過控制施加至電磁體76 (其啟動MSMA部件74)的電流來補(bǔ)償SMA元件12的松弛。如此，當(dāng)與這樣的系統(tǒng)結(jié)合地配置時，在系統(tǒng)的初始設(shè)置或配置中，或在系統(tǒng)的使用壽命中，致動器80可用于電調(diào)節(jié)傳統(tǒng)偏置彈簧系統(tǒng)中的預(yù)壓縮，以對系統(tǒng)構(gòu)件磨損或劣化、系統(tǒng)操作環(huán)境或狀況的變化或系統(tǒng)性能的其他變化進(jìn)行補(bǔ)償?，F(xiàn)在參照圖4，示出了包括SMA剛性元件12和多個磁性偏置元件20、42的致動器50的示意圖。偏置元件20配置為與剛性元件12并聯(lián)，且偏置元件42配置為與SMA剛性元件12以及偏置元件20串聯(lián)。偏置元件20、42可具有包括至少一個磁性可致動偏置部件的任何構(gòu)造，如前針對圖1、2和3所討論的。偏置元件20、42可被單獨(dú)和/或組合地啟動，以提供作用在剛性元件12上的偏置力，其可為可變的以及動態(tài)的，取決于偏置元件20、42的啟動組合、幅度和順序。包括多個剛性元件以及多個偏置元件的其他致動器構(gòu)造也是可行的(其中多個剛性元件中的至少一個包括智能材料,且多個偏置元件中的至少一個被磁性地致動)。應(yīng)理解多個偏置元件每一個可以具有以下特點(diǎn)可與多個剛性元件中的至少一個串聯(lián)地致動；與多個剛性元件中的至少一個并聯(lián)地致動；或與多個剛性元件中的一個或多個以及與彼此串聯(lián)和并聯(lián)相組合地致動，使得該多個偏置元件被配置為單個地或組合地提供作用在多個剛性元件上的偏置力。對諸如致動器10、30、40、50、70、80這樣的致動器的輸入(其中至少一個偏置元件
可為電磁體或其他電致動偏置部件)可配置為電流，其可啟動電磁體或偏置部件，以使用偏置元件提供可變的偏置力。致動器可受控于控制器(未示出)，該控制器配置為提供輸入以控制致動器的輸出，其中該輸入可由致動器的輸出、剛性元件的輸出、由致動器致動的裝置的輸出、或包括致動器的系統(tǒng)的輸出所限定?？刂破骺膳渲脼樘峁┲聞虞斎胫林聞悠鞯钠迷械膭傂栽械囊粋€或兩者，其中該輸入可為相同的輸入或不同的輸入。控制器可包括控制邏輯，使得對偏置元件的輸入中去往剛性元件的輸入被協(xié)調(diào)，以從致動器提供希望的剛性輸出?？刂破骺赏瑫r、順序、或以另外地模式或順序致動剛性元件和偏置元件，以從致動器提供希望的剛性控制輸出。來自致動器的剛性控制輸出可基于偏置元件中的剛性元件的致動模式而變化，以提供操作地連接至致動器的可致動裝置的可變致動。輸入可由致動器的剛性元件12的智能材料的疲勞、功能退化、老化、搖落、伸長以及操作環(huán)境中的一個或多個限定。該輸入可由操作特點(diǎn)或操作環(huán)境限定，例如，由傳感器和/或控制器監(jiān)測的致動器環(huán)境的溫度或濕度。致動器的一個或多個偏置元件可被順序地或同時地和/或與剛性元件12的致動組合地致動，以提供作用于剛性元件上的可變偏置力，和/或來自致動器的可變輸出。將致動器配置為具有一個或多個智能剛性元件與一個或多個偏置元件的組合(并聯(lián)、串聯(lián)、或其組合)的能力(其中至少一個偏置元件可被磁性地致動)提供了優(yōu)于傳統(tǒng)的剛性致動器的優(yōu)勢，傳統(tǒng)的剛性致動器包 括配置為具有智能剛性元件和傳統(tǒng)的例如機(jī)械偏置彈簧這樣的致動器。附加地，當(dāng)和傳統(tǒng)剛性致動器比較時，使用磁性可致動偏置元件提供了可調(diào)節(jié)、緊湊封裝、魯棒性、可變致動、和摩擦力補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢。可提供一種提供可調(diào)節(jié)剛性控制的方法，包括配置致動器，諸如圖1-7中示出的任意致動器，以經(jīng)由輸出連接部28和/或輸出界面22提供剛性輸出。該方法還包括對智能材料元件進(jìn)行致動和選擇性地對偏置元件進(jìn)行致動，以提供致動器剛性控制輸出?？商峁┮环N系統(tǒng)，其包括可變剛性控制裝置，諸如圖1-7中示出的任意致動器。應(yīng)理解系統(tǒng)還可配置為感知剛性元件、致動器、和/或可致動裝置中的至少一個的輸出范圍的變化，其中該變化可由例如剛性元件、致動器和/或可致動裝置中的一個或多個的劣化導(dǎo)致或造成。剛性元件或可致動裝置的輸出范圍的變化可被檢測到，例如，通過感知影響或改變致動器輸出的剛性元件的被啟動和被停止啟動的長度的變化，或通過感知被致動裝置的性能特點(diǎn)的變化，其可示例性地為位移或力輸出的測量結(jié)構(gòu)。剛性元件會變化，例如可由于反復(fù)使用或服役載荷(其可為經(jīng)設(shè)計(jì)的或是偶發(fā)的載荷)、高溫或高載荷下的反復(fù)致動、或其他影響剛性元件的性能、耐用性和可靠性的因素而造成。剛性元件性能的變化或劣化可例如由反復(fù)致動后1 1J性元件材料的老化、疲勞、搖落(shakedown )、功能性退化、和/或伸長所造成。被致動裝置會變化，例如可由于反復(fù)使用或表面內(nèi)浮動、反復(fù)致動、或其他影響被致動器致動的裝置的性能、耐用性和可靠性的因素而劣化或退化?？刂破骱椭聞悠骺膳渲脼檎{(diào)節(jié)或改變被啟動的多個偏置元件和/或剛性元件、或被啟動的單個剛性元件和/或偏置元件的啟動順序或組合，以提供致動器輸出和/或被致動裝置輸出，這種輸出對多個剛性元件中的一個或多個的輸出的劣化或其他變化的補(bǔ)償，或提供對致動器裝置的輸出變化的補(bǔ)償，以為在劣化或其他變化之前提供的輸出提供等效的輸出，例如，功能性替代性輸出。類似地，控制器和/或致動器可附加地配置為調(diào)節(jié)啟動或改變被啟動的多個剛性元件或單個剛性元件的啟動順序或組合，以提供補(bǔ)償其他系統(tǒng)變化的輸出，諸如被致動裝置或元件的磨損或退化，諸如其中被致動裝置和/或致動器所運(yùn)行的環(huán)境溫度或濕度的變化這樣的操作環(huán)境變化，這需要對致動器輸出進(jìn)行改變，以提供被致動裝置的所需操作狀況。通過配置具有并聯(lián)、串聯(lián)、或其組合(的多個可致動剛性元件以及多個偏置元件、且具有可致動裝置經(jīng)由連接部28和/或輸出界面22)的致動器，可致動剛性元件和/或偏置元件或多個可致動剛性元件和/或偏置元件可被單個地或組合地、在各個時間以各種順序和/或以各種一個或多個偏置元件的位移、幅度、和/或強(qiáng)度而被啟動或停止啟動，以針對輸入狀況提供具體且細(xì)致的響應(yīng)(其可以是可變的和/或非線性的響應(yīng))，并由此增強(qiáng)了對多種變量和更寬輸入范圍做出響應(yīng)的能力。此處描述的致動器和系統(tǒng)的其他構(gòu)造也是可行的。例如，致動器可包括任意數(shù)量的以各種形狀配置且由各種力/應(yīng)力和行程/應(yīng)變輸出曲線和剛性特點(diǎn)限定的SMA元件。此外，SMA元件可以串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)造的任意組合限定，如提供為被致動裝置的操作和/或致動器所希望的致動輸出所需要的。此處描述的可調(diào)節(jié)剛性致動器可包括其他構(gòu)造的SMA材料，諸如SMA帶、SMA薄膜、SMA纜線、嵌有SMA的復(fù)合材料、和由諸如SMA粉末材料的SMA塊狀材料制成的構(gòu)造。此處討論的偏置元件可包括磁性可致動部件的其他構(gòu)造，如此前討論的，包括電磁體和磁性可致動MSMA部件。偏置元件可配置為包括具有各種形狀、尺寸、磁場強(qiáng)度、和布置的偏置部件，諸如為可調(diào)節(jié)剛性致動器的具體構(gòu)造提供偏置力所需要的、致動裝置或系統(tǒng)可能需要的、或針對具體應(yīng)用所需要的。除此前討論的優(yōu)勢外，此處提供的系統(tǒng)和裝置可適應(yīng)剛性的快速變化，例如，在幾個毫秒內(nèi)的變化，使用該功能快速地致動和停止致動給定致動器的一個或多個剛性元件和/或一個或多個偏置元件。盡管已經(jīng)對用于實(shí)施本發(fā)明的最佳模式進(jìn)行了詳盡的描述，對本發(fā)明所涉及的領(lǐng)域熟悉的技術(shù)人員將辨識出在所附的權(quán)利要求內(nèi)用于實(shí)施本發(fā)明的各種可替換設(shè)計(jì)和實(shí)施例。交叉引用該申請要求2011年7月11日申請的印度臨時申請No. 2359/CHE/2011的權(quán)益，其被通過引用的方式全文合并于此。
權(quán)利要求
1.一種適用于可調(diào)節(jié)剛性控制的致動器，該致動器包括 剛性元件，包括智能材料；和 偏置元件，配置為被磁性地致動； 其中偏置元件被磁性地致動，以提供作用在剛性元件上的偏置力。
2.如權(quán)利要求1所述的致動器，其中所述智能材料是形狀記憶合金。
3.如權(quán)利要求1所述的致動器，其還包括 多個剛性元件，其中該多個剛性元件中的至少一個包括智能材料； 多個偏置元件，其中該多個偏置元件中的至少一個被磁性地致動； 其中該多個偏置元件中的每一個具有下列特征之一 能夠和所述多個剛性元件中的至少一個串聯(lián)地致動， 能夠和所述多個剛性元件中的至少一個并聯(lián)地致動，和 能夠和所述多個剛性元件中的一個或多個彼此串聯(lián)和并聯(lián)相組合地致動， 使得所述多個偏置元件提供作用在所述多個剛性元件上的偏置力。
4.如權(quán)利要求1所述的致動器，其還包括 多個剛性元件，其中該多個剛性元件中的至少一個包括智能材料； 多個偏置元件，其中該多個偏置元件中的至少一個被磁性地致動； 其中所述多個偏置元件中的至少一個被配置為提供作用在所述多個剛性元件中的至少一個上的可變的偏置力。
5.如權(quán)利要求1所述的致動器，其中所述偏置力是非線性的。
6.如權(quán)利要求1所述的致動器，其中所述偏置元件被配置為響應(yīng)于輸入提供可變的偏置力。
7.如權(quán)利要求6所述的致動器，其中輸入由剛性元件的智能材料的疲勞、功能退化、老化、搖落、伸長以及操作環(huán)境中的一個或多個限定。
8.如權(quán)利要求6所述的致動器，其還包括具有該致動器和被致動裝置的系統(tǒng)，其中輸入被下列特征中之一的變化所限定 系統(tǒng)輸出， 系統(tǒng)操作特點(diǎn)， 被致動裝置的操作特點(diǎn)，和 系統(tǒng)、被致動裝置、和致動器中的一個的操作狀況。
9.一種提供可調(diào)節(jié)剛性控制的方法，該方法包括 配置致動器以提供剛性控制輸出，該致動器包括 剛性元件，包括可致動智能材料；和 偏置元件，配置為被磁性地致動以提供可變偏置力 對智能材料進(jìn)行致動和選擇性地對偏置元件進(jìn)行致動，以提供剛性控制輸出。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述偏置元件被配置為包括電磁體，且其中選擇性地對偏置元件致動包括提供電流至所述電磁體。
全文摘要
提供了一種可調(diào)節(jié)剛度致動器，其為一種適于可調(diào)節(jié)剛性控制的致動器，該致動器包括包括智能材料在內(nèi)的剛性元件，以及被磁性致動的偏置元件。偏置元件被配置為提供作用在剛性元件上的非線性或可變偏置力。該智能材料可為形狀記憶合金，且該偏置元件可配置為包括永磁體、電磁體、磁性形狀記憶合金、或以上的組合。致動器的偏置元件和剛性元件可被彼此并聯(lián)地配置，或可彼此串聯(lián)地配置。偏置力可響應(yīng)于由致動器的剛性元件的智能材料的疲勞、功能退化、老化、搖落、伸長以及操作環(huán)境中的一個或多個限定的輸入或由致動器或受控于致動器的裝置的操作特點(diǎn)限定的輸入而提供。
文檔編號F03G7/06GK103062004SQ201210240678
公開日2013年4月24日 申請日期2012年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月11日
發(fā)明者S.阿克, V.R.布拉瓦拉 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司