專利名稱：基于活性材料的柔順機構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及柔順機構，由于可逆地操作制成這些機構的活性材料的屬性的能力，因而該柔順機構展示更好的耐用性和/或制造后順應性。該能力被用來可逆地修改機構的 幾何形狀、布局和/或剛性和阻尼分布，和因此在機構被制造后可逆地修改其性能。
背景技術：
常規(guī)的或剛性本體機構包括由動態(tài)接合件(例如鉸鏈、滑動接合件和齒輪等)連 接的剛性連接件，以傳遞運動和力。不同于剛性本體機構，柔順機構從機構柔性部段的變形 獲取其至少部分的運動。完全柔順機構典型地為單件彈性本體，其完全從機構本體的變形 獲得運動。許多完全柔順機構包括實質鉸鏈，即，用作鉸鏈的彈性本體且因而經歷比周圍區(qū) 域更大的應變的區(qū)域?，F(xiàn)有技術中實質鉸鏈通過在這些區(qū)域中具有比周圍區(qū)域相對較小的 截面面積來實現(xiàn)更大的應變。實質鉸鏈存儲在機構的變形期間的應變能量，且是最常見的 材料失效部位，從而限制機構的使用壽命。本申請的構想也適用于局部柔順機構的完全柔 順部分。因此在本申請的其余部分中，將不使用限定詞局部或完全。在本文中使用的“性能”是指機構的力和/或運動傳輸屬性，例如準靜態(tài)力偏轉性 能、其變形的性質、機構上由點跟蹤的路徑、其動態(tài)響應等。一旦制造出具有給定設計的柔 順機構，那么響應于給定負載組的機構性就被固定。因此，柔順機構通常必須對其每個應用 進行定制。

發(fā)明內容
柔順機構包括柔順機構本體，柔順機構本體配置成響應于機械輸入而產生機構輸 出。柔順機構本體具有由活性材料制成的至少一個區(qū)域?；钚圆牧吓渲贸身憫诩せ钚盘?而經歷至少一種材料屬性變化。示例性材料屬性包括儲存模量、損耗模量和破壞應變等。當 施加激活信號時，該屬性上的變化可用來改變機構的性能。替代地，該屬性上的變化可用來 改變機構的配置使得甚至在未施加激活信號時也能改變柔順機構的性能。上述方法均可組 合使用和/或同時使用。本文提供的柔順機構定制用于各種不同的應用，因為其配置是可調整的故因而其 性能是可調整的。相應的方法包括提供柔順機構本體，該柔順機構本體具有第一配置，使 得柔順機構本體響應于輸入而產生第一性能。柔順機構本體具有由活性材料制成的區(qū)域， 該區(qū)域配置成響應于激活信號而經歷配置上的變化。該方法還包括將激活信號施加到該區(qū) 域。這導致響應于相同輸入而改變機構的性能。通過對實施本發(fā)明的最佳模式的后述詳細說明結合附圖，本發(fā)明的上述特征和優(yōu) 勢以及其它特征和優(yōu)勢將顯而易見。


圖1是具有四個激活裝置的柔順機構的示意性截面?zhèn)纫晥D2是圖1中柔順機構的示意性截面?zhèn)纫晥D，其中第一激活裝置施加激活信號給 柔順機構的第一區(qū)域； 圖3是圖1和2中柔順機構的示意性截面?zhèn)纫晥D，其中第二激活裝置施加激活信 號給柔順機構的第二區(qū)域；圖4是以第一配置為特征的另一柔順機構的示意性側視圖，該另一柔順機構具有 多個激活裝置；圖5是圖4中柔順機構的示意性側視圖，激活裝置中的一個施加激活信號給柔順 機構的區(qū)域，且在施加激活信號時機構的配置通過施加外力改變；和圖6是圖4和5中柔順機構的示意性側視圖，其特征在于不同于第一配置的第二 配置；圖7描述了 SMA處于其馬氏體和奧氏體狀態(tài)下的理想響應；和圖8A和圖8B分別描述 了在高于Tf和低于Ts時SMP的性能。
具體實施例方式柔順機構由熱激活形狀記憶聚合物(SMP)制成?？删植考訜岷?或冷卻機構的區(qū) 域的溫度控制元件(例如，電阻加熱器和熱電模塊等)分布在機構的本體上。SMP的儲存和 損耗模量在受熱到高于特征成型溫度Tf (Tf >Tx，特征切換溫度)時經歷明顯的減少(例 如，減少10分之一至1000分之一(a factor of 10 to 1000))。高于Tf時材料樣品展示 彈性性能，其特征為較低的剛度、較低的內阻尼和較高的彈性應變極限。當樣品冷卻到低于 特征凝固溫度Ts(Ts < Tx)時，樣品恢復其玻璃化性能，其特征為更高的剛度、更高的內阻 尼和較低的彈性應變極限。材料的屬性(例如，儲存模量、損耗模量和彈性應變極限等)在 Ts與Tf之間連續(xù)變化。因此，在溫度控制元件附近的機構區(qū)域的剛度、內阻尼和彈性應變 極限通過控制其溫度而可選擇地改變。當機構的小區(qū)域被加熱到高于Tf的溫度時，該小區(qū) 域取決于其在機構內的位置可用作實質鉸鏈。當該區(qū)域隨后冷卻到低于Ts時，其恢復為機 構的剛性區(qū)域。通過控制區(qū)域的溫度在Ts與Tf之間，這種實質鉸鏈的阻抗(剛度和內阻 尼)可被調節(jié)到相應極限值之間的任何值。當實質鉸鏈以這種方式在柔順機構(其本體由 熱激活SMP制成)中形成時，機構的耐用性與具有通過減少局部截面形成的實質鉸鏈的相 同機構相比得到了改善，因為在前一情形中彈性應變極限實質更高(例如1. 5-20倍)。如果通過控制更大區(qū)域(例如，機構的整個部段)的溫度來修改其屬性，那么更大 區(qū)域可表現(xiàn)為類似于機構中的柔性連接件。當通過彎曲中間柔性部段允許柔順機構的部分 之間有相對運動時，該機構被認為展示分布式柔度。與實質鉸鏈相關的集中柔度則經歷更 高的應變和應力，因為鄰近部段之間的相對運動通過機構本體中很小區(qū)域的變形來實現(xiàn)。 在更大區(qū)域上分布柔度會導致更低的應力，因此得到更長的機構壽命。當柔順機構的至少 一部分是由活性材料(可通過恰當?shù)募顏砜赡娴卣{節(jié)其屬性)制成時，調節(jié)材料屬性的 能力允許設計人員根據(jù)需要和在需要時生成兩種類型的柔度。分布在機構本體上的每個溫度控制元件可產生至少一個可控實質鉸鏈和/或柔 性部段。柔順機構的力和運動傳輸特性通過控制(如果有的話)被激活的實質鉸鏈和/或 柔性部段來可選擇地改變。產生實質鉸鏈和/或柔性部段的能力允許用戶在機構制造之后 修改其布局(即，連接件的數(shù)量、接合件的數(shù)量、連接件的類型、接合件的類型以及連接件 的連接度)，和因此修改其性能和/或功能。
在前述的討論中，一旦通過提供合適水平(例如，將SMP加熱高于Tf)的激勵來產 生實質鉸鏈或柔性部段，那么只要機構被用于其意在目的，該激勵就將被持續(xù)施加以維持 所選區(qū)域的期望粘彈性屬性。如果產生實質鉸鏈以使機構能夠執(zhí)行具體任務，那么該區(qū)域 中的材料在機構開始任務之前受熱到Tf且在機構執(zhí)行該任務時保持高于該溫度。當為了產生實質鉸鏈或柔性部段所施加的激勵被移除時(例如，如果由熱激活 SMP制成的柔順機構中的實質鉸鏈/柔性部段區(qū)域冷卻到低于Ts時)，鉸鏈或柔性部段恢 復成為剛性元件。當冷卻到低于Ts時，實質鉸鏈/柔性部段“鎖定”或“凍結”成由在冷卻 到低于Ts前作用于其上的力產生的最后形狀。該“凍結”狀態(tài)是臨時的，且只要溫度保持 低于Ts以及由于所施加的負載引起的鉸鏈/部段上的應力保持低于閥值時會保持該狀態(tài)。 在更高的應力時，鉸鏈/部段中的材料可經歷導致偏離于“凍結”配置的可恢復或不可恢復 (例如塑性)的應變。當沒有外負載作用于機構上且其不經歷任何不可恢復應變時，通過將 機構加熱到高于Tf的溫度可容易地恢復到原始配置。
去激活實質鉸鏈或柔性部段則降低了柔順機構的可動性，從而限制其功能。如果 前述產生的足量實質鉸鏈和/或柔性部段被去激活，那么機構的可動性可降低至零，即，使 機構大致鎖定于其最后配置。在不用供給任何能量以維持最后配置的情況下將機構(剛性 本體或柔順)鎖定于其最后配置而的能力是很有用的，且通常稱為零動力保持或無動力保 持。需要注意的是，在柔順機構(類似地所有機構)中，可動性由額定輸入和輸出力和/或 運動確定；過量的輸入和/或輸出力可產生不期望的可動性且導致?lián)p壞機構。我們假設在 柔順機構中的零動力保持能力的前述說明中采用額定操作。在前述討論中，公開了施加合適的激勵來產生機構的剛度和內阻尼特性上的期望 空間變化。該概念的直接擴展包括通過控制施加到機構不同部分上的激勵的隨時間而變的 幅值和/或相而引起這些屬性上的臨時變化。激勵的調節(jié)可作為機構的開環(huán)控制的一部分 來進行，或可用于機構的閉環(huán)控制。當機構在使用時，鎖定臨時變形的能力可用來改變機構的性能而不需要要持續(xù)施 加的激勵。在該情形中，在機構使用前激勵被施加到柔順機構本體的一個或多個部段。由 所施加的激勵產生的局部或分布式柔度可結合外力使用，以修改該部段的幾何形狀。如在 本文使用的，“幾何形狀”包括機構部段的長度、形狀和截面尺寸以及機構中凸點的位置。這些變化然后被鎖定以確保修改后的幾何形狀被保持，甚至在激勵關閉后也是如 此。該幾何形狀上的變化導致機構的動態(tài)和/或動態(tài)靜力學參數(shù)的變化，和因此其準靜態(tài) 和/或動態(tài)性能的變化。如前所述，當沒有外負載作用于機構上時，通過將機構加熱到高于 Tf的溫度可容易地恢復到原始配置。參考圖1，其中示意性地描述了柔順機構10的一部分。柔順機構10包括包含活性 材料18的彈性本體14?；钚圆牧?8的特征為可通過施加恰當?shù)募顏硇薷牡牟牧蠈傩浴?示例性材料屬性包括材料中的彈性屬性(例如，模量、彈性應變率等)以及內阻尼?；钚圆?料18配置成響應于激活信號而經歷至少一種材料屬性上的變化。更具體地，材料屬性的特 征為響應于施加激活信號(激勵)而變化的可測量值。彈性本體14的一端20以懸置的方式安裝到固定物體22上。在如圖1_3中以14 示出的無應力狀態(tài)下，彈性本體14是大致線性的，且其特征為沿著其長度的恒定截面面 積。應當注意的是，雖然在該實施例中描述的彈性本體14在無應力狀態(tài)下是線性的且其特征為恒定截面面積，但是柔順機構的彈性本體14的特征可為在所要求保護的本發(fā)明范圍 內的任何形狀。在所描述的實施例中，活性材料18在彈性本體14的整個長度上延伸。柔順機構10還包括沿著彈性本體14的長度彼此分隔開的多個激活裝置 26A-26D。每個激活裝置26A-26D配置成將激活信號選擇性地施加給彈性本體14的相應 區(qū)域30A-30D，使得在每個區(qū)域30A-30D中至少一種材料屬性被改變。因此，每個激活裝置 26A-26D可操作以選擇性地改變區(qū)域30A-30D中的相應一個的彈性屬性。在一個實施例中， 活性材料18是熱激活形狀記憶聚合物(SMP)，且激活裝置26A-26D是配置成將熱量(即，熱 激活信號)施加給區(qū)域30A-30D中的相應一個的電阻加熱元件。總體而言，SMP是包括至少兩種不同單元(描述為限定SMP內不同的部段 )的相分 離共聚物，每個部段對SMP的整體屬性起不同的貢獻。如在本文中所使用的，術語“部段”是 指共聚以形成SMP的相同或類似單體或低聚物單元的塊、接枝或序列。每個部段可為結晶 的或非結晶的，且分別具有相應的熔點或玻璃化轉變溫度(Tg)。取決于部段是非結晶部段 或結晶部段，在本文為了方便而互換地使用的術語“特征切換溫度”或“熱轉變溫度”一般是 指Tg或熔點。對于包括(η)個部段的SMP，SMP被認為具有一個硬部段和(η_1)個軟部段， 其中硬部段具有比任何軟部段更高的熱轉變溫度。因此，SMP具有(η)個熱轉變溫度。硬 部段的熱轉變溫度稱為“最后轉變溫度”，且所謂的“最軟”部段的最低熱轉變溫度稱為“第 一轉變溫度”。重要的是要注意，如果SMP具有特征為相同熱轉變溫度(也就是最后轉變溫 度)的多個部段，那么SMP被認為具有多個硬部段。當SMP受熱到高于最后轉變溫度時，可定形SMP材料?？赏ㄟ^隨后將SMP冷卻到 低于該溫度來固定并記憶SMP的永久形狀。如在本文中所使用的，術語“原始形狀”、“先前 限定的形狀”和“永久形狀”是同義的且意在互換地使用。可這樣設定臨時形狀將材料加 熱到高于任何軟部段的熱轉變溫度但仍低于最后轉變溫度的溫度，施加外應力或負載以使 得SMP變形，并然后將其冷卻到低于該軟部段的具體熱轉變溫度同時保持該變形?？赏ㄟ^在移除應力或應變的情況下將材料加熱到高于該軟部段的具體熱轉變溫 度但仍低于最后轉變溫度，可恢復到永久形狀。因此應當清楚的是，通過組合多個軟部段可 能顯示多個臨時形狀和借助于多個硬部段則可能顯示多個永久形狀。類似地，采用分層或 合成的方法，將多個SMP進行組合則顯示在多個臨時形狀和多個永久形狀之間的轉變。對于僅具有兩個部段的SMP,形狀記憶共聚物的臨時形狀被設定在第一轉變溫度， 隨后在負載下將SMP冷卻以鎖定臨時形狀。只要SMP保持低于第一轉變溫度，那么臨時形 狀將保持。當SMP再次高于第一轉變溫度時重新得到永久形狀。重復進行加熱、定形和冷 卻的步驟可重復地再次設定臨時形狀。大多數(shù)SMP展示“單向”效應，其中SMP展示一個永久形狀。在無應力或負載的情 況下將形狀記憶聚合物加熱到高于軟部段的熱轉變溫度時，得到永久形狀，但是在不使用 外力的情況下該形狀不會恢復到臨時形狀。作為替代方式，可制備一些形狀記憶聚合物成分以展示“雙向”效應，其中SMP展 示兩個永久形狀。該系統(tǒng)包括至少兩種聚合物成分。例如，一種成分可為第一交聯(lián)聚合物 而另一種成分是不同的交聯(lián)聚合物。所述成分采用成層技術結合，或是互穿網絡，其中這兩 種聚合物成分交聯(lián)但彼此不交聯(lián)。通過改變溫度，形狀記憶聚合物在向第一永久形狀或第 二永久形狀的方向上改變其形狀。每個永久形狀屬于SMP的一種成分。整體形狀的溫度依賴性是由于這樣的事實一種成分(成分A)的機械屬性在所關注的溫度間隔中幾乎與溫度 無關。另一種成分(成分B)的機械屬性在所關注的溫度間隔中依賴于溫度。在一個實施 例中，成分B在較低溫度時比成分A更強，而成分A在較高溫度時更強并確定實際形狀。雙 向記憶裝置可這樣來制備設定成分A的永久形狀(第一永久形狀)，使該裝置變形為成分 B的永久形狀(第二永久形狀)，以及在施加應力時使成分B的永久形狀固定。 本領域的技術人員應當認識到，將SMP以許多不同形式和形狀來配置是可能的。 設計聚合物自身的成分和結構可允許選擇用于期望應用的具體溫度。例如，取決于具體的 應用，最后轉變溫度可為從約0°C至約300°C或者更高。用于形狀恢復的溫度(S卩，軟部段的 熱轉變溫度)可為高于或等于約_30°C。用于形狀恢復的另一溫度可為高于或等于約20°C。 用于形狀恢復的另一溫度可為高于或等于約70°C。用于形狀恢復的另一溫度可為低于或等 于約250°C。用于形狀恢復的又一溫度可為低于或等于約200°C。最后，用于形狀恢復的另 一溫度可為低于或等于約180°C。適合用于SMP的聚合物包括熱塑性、熱固性、互穿網絡、半互穿網絡或混合網絡。 聚合物可以是單種聚合物或者聚合物的混合物。聚合物可以具有側鏈或樹枝結構元件的線 性或分支熱塑性彈性體。適合形成形狀記憶聚合物的聚合物組分包括但不限于聚磷腈、 聚(乙烯醇)、聚酰胺、聚酯酰胺、聚氨酸、聚酐、聚碳酸酯、聚丙烯酸鹽、聚亞烴基烯、聚丙 烯酸鹽、聚亞烷基二醇、聚烷基氧化物、聚亞烷基對苯二甲酸鹽、聚原酸酯、聚乙烯醚、聚乙 烯酯、聚乙烯商化物、聚酯、聚交酯、聚二醇、聚硅氧烷、聚氨基甲酸酯、聚醚、聚醚酰胺、聚醚 酯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯酚、聚乙烯吡咯烷酮、氯化聚乙烯、聚(十八烷基乙烯基醚)乙 烯-醋酸乙烯、聚乙烯、聚環(huán)氧乙烷(PEO)-聚(對苯二甲酸乙二酯)、聚乙烯/尼龍(接枝 共聚物)、聚已酸內酯一聚酰胺(嵌段共聚物)、聚(己酸內酯)丙烯酸酯-η-丙烯酸丁酯、 聚(冰片基多面低聚硅酸酯)、聚氯乙烯、尿烷/ 丁二稀共聚物、聚氨基甲酸酯嵌段共聚物、 苯乙烯-丁二稀-苯乙烯嵌段共聚物等、以及包括前述聚合物組分中的至少一種的組合物。 合適的聚丙烯酸鹽的范例包括聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸乙醇)、聚(丙烯酸 丁酯)、聚(甲基丙烯酸異丁酯)、聚(己基丙烯酸酯)、聚(異癸基丙烯酸酯)，聚(甲基丙 烯酸月桂酯)、聚(苯基丙烯酸酯)、聚(丙烯酸甲酯)、聚(異丙基丙烯酸酯)、聚(異丁基 丙烯酸酯)和聚(十八基丙烯酸酯)。上述用于形成SMP的各個部段的聚合物是商業(yè)上可 用的或者可以使用常規(guī)化學方法合成。本領域技術人員將在無需過多試驗的情況下容易使 用已知化學和加工技術來制備所述聚合物。熱激活形狀記憶聚合物在受熱高于熱轉變溫度(Tx)時其模量明顯減少。更具 體地，SMP的儲存模量和損耗模量很大程度上取決于溫度(尤其是在熱轉變溫度附近)。 因此，熱激活形狀記憶聚合物通過在其溫度升高至高于Tx時其模量明顯減少來響應熱激 活信號。激活裝置26A-26D中的每個配置成在激活時將熱激活信號選擇性地施加給區(qū)域 30A-30D中的相應一個，從而將該相應一個區(qū)域加熱至高于熱轉變溫度。因此，當激活信號被施加給具體區(qū)域30A-30D時，只要施加激活信號，那么區(qū)域的 模量明顯減少且區(qū)域變?yōu)閺椥员倔w14的更低剛性部分，且因此用作實質鉸鏈。在沒有激活 信號(即，低于熱轉變溫度)時，區(qū)域30A-30D不是彈性本體14的更低剛性部分且不用作 實質鉸鏈。所以，區(qū)域30A-30D是可選擇地激活的實質鉸鏈。在所描述的實施例中，激活裝置26A-26D嵌入在活性材料18中，以便形成彈性本體14的整體部分。在所要求保護的本發(fā)明的范圍內可采用其它激活裝置配置。例如，激活裝置26A-26D可安裝在彈性本體14外部。導線28也嵌入到彈性本體14中，以將電流從 電源(未示出)選擇性地供給到激活裝置26A-26D。激活裝置26A-26D接線使得任何裝置 26A-26D都可獨立被選擇。在圖1中，激活裝置26A-26D均未施加激活信號給區(qū)域30A-30D，故因而區(qū)域 30A-30D的剛度沒有局部地降低；也就是說，區(qū)域30A-30D具有與彈性本體14的其余部分 相同的彈性屬性。當輸入力F被施加到彈性本體14的端部34(與端部20相對)時，彈性 本體14偏轉到14A所示的位置。響應于輸入力F，柔順機構以輸出運動為特征當彈性本 體14偏轉到14A所示的位置時，端部34跟隨路徑38A。當負載F移除時，由于彈性本體14 中存儲的彈性能量被釋放，彈性本體返回到14所示的位置。柔順機構10的尺寸和SMP的 彈性屬性被選擇，以確保在所期望的實質鉸鏈30A-30D被激活時柔順機構10在其期望的操 作溫度下具有足夠的剛度(例如，以傳遞/抵抗期望的負載)。參考圖2，其中相同的附圖標記指代圖1中的相同部件，激活裝置26A施加激活信 號給區(qū)域30A，使得區(qū)域30A成為彈性本體14的局部變弱部分。也就是說，激活裝置26A施 加熱能給區(qū)域30A使得區(qū)域30A高于熱轉變溫度。激活裝置26B-26D未施加激活信號給區(qū) 域30B-30D，且區(qū)域30B-30D低于熱轉變溫度。當輸入力F施加到端部34時，被激活區(qū)域 30A用作彎曲鉸鏈，且彈性本體14變形到14B所示的位置。響應于輸入力F，柔順機構以輸 出運動為特征當彈性本體14偏轉到14B所示的位置時，端部34跟隨路徑38B。在該情形 中，在彈性本體14由于區(qū)域30A高于熱轉變溫度而變形時存儲在區(qū)域30A的應變能量比在 區(qū)域30A低于熱轉變溫度時發(fā)生的相同變形時更少。因此，如果所施加的力F被移除同時 區(qū)域30A高于熱轉變溫度，那么彈性本體14可能顯示彈回到其初始配置的更小可能性。如果區(qū)域30A被允許冷卻到低于熱轉變溫度(S卩，通過去激活激活裝置26A)同時 保持力F，那么彈性本體14將保持14B所示的偏轉形狀，甚至在移除力F之后也是如此。在 稍后的時間，如果激活裝置26A施加激活信號給區(qū)域30A，以將區(qū)域30A加熱至高于轉變溫 度，那么在區(qū)域30A的鎖定應變是可釋放的。參考圖3，其中相同的附圖標記指代圖1和2中的相同部件，激活裝置26B施加激 活信號給區(qū)域30B，使得區(qū)域30B成為彈性本體14的局部變弱部分。激活裝置26A、26C和 26D均未施加激活信號給區(qū)域30A、30C和30D，且因此區(qū)域30A、30C和30D不是彈性本體14 的局部變弱部分。當力F施加到端部34時，被激活的區(qū)域30B用作彎曲鉸鏈，且彈性本體 14變形至14C所示的位置。響應于輸入力F，柔順機構以輸出運動為特征當彈性本體14 偏轉到14C所示的位置時，端部34跟隨路徑38C。如果區(qū)域30B被允許冷卻到低于熱轉變溫度(S卩，通過去激活激活裝置26B)同時 保持力F，那么彈性本體14將保持14C所示的偏轉形狀，甚至在移除力F之后也是如此。在 稍后的時間，如果激活裝置26B施加激活信號給區(qū)域30B，以將區(qū)域30B加熱至高于轉變溫 度，那么在區(qū)域30B的鎖定應變是可釋放的。參考圖1-3，取決于哪個(如果有的話)區(qū)域30A-D高于熱轉變溫度，響應于輸入 力F由彈性本體14端部34跟隨的路徑38A-C將改變；因此，彈性本體14的力偏轉特征通 過激活激活裝置26A-D而可選擇地改變。更具體地，在所描述的實施例中，路徑38A-C是具 有彼此不同的半徑的圓弧。通過同時或順序地激活多個激活裝置26A-D和施加恰當?shù)呢撦d給彈性本體14，線性彈性本體14可采用各種各樣的形狀。激活信號以具有可測量的值的屬性為特征，該可測量的值是選擇性可變的。例如，如果激活信號是熱的，那么可測量的值可為溫度。激活信號的示例屬性可包括幅值和相等。 活性材料18配置成使得材料屬性的值是激活信號屬性的值的函數(shù)；也就是說，至少在激 活信號屬性值的某范圍內，激活信號屬性的值的變化使得材料屬性的值也變化。激活裝置 26A-D配置成使得激活信號的值是選擇性可變的。在激活裝置26A-D是電阻加熱器的實施 例中，通過控制至裝置26A-D的電流量可控制激活裝置26A-D的溫度。尤其參考圖1，柔順機構10包括控制器50。控制器50經由導線28可操作地連接 到每個激活裝置26A-D，且配置成選擇性地控制區(qū)域30A-D中活性材料18的材料屬性的值。 更具體地，在區(qū)域30A-D中的一個的材料屬性的值由該區(qū)域的溫度確定；該區(qū)域的溫度至 少部分地通過由與該區(qū)域關聯(lián)的激活裝置接收的電流量來確定?？刂破?0配置成控制通 過導線28至激活裝置26A-D的電流量。因此，控制器50配置成通過控制傳輸至激活裝置 26A-D的電流來控制區(qū)域30A-D的溫度?？刂破?0配置成獨立地控制每個激活裝置26A-D。換句話說，傳輸至激活裝置 26A-D中任何一個的電流量都與傳輸至任何其它激活裝置26A-D的電流量無關。在活性材料18是SMP的實施例中，SMP的儲存和損耗模量很大程度上依賴于溫度， 尤其是在轉變溫度Tx附近。如前所述，材料的屬性(例如，儲存模量、損耗模量和彈性應變 極限等)在Ts與Tf之間連續(xù)變化。因此，控制器50配置成通過控制至激活裝置26A-D的 電流量來選擇性地控制區(qū)域30A-D的儲存和損耗模量。該改變激活裝置26A-D的溫度的能 力允許控制對應于激活裝置26A-D的區(qū)域30A-D的柔度和阻尼容量。通過選擇性地選擇激 活哪個激活裝置26A-D以及將相應區(qū)域30A-D升高到何溫度，控制器50控制柔順機構本體 14中的剛度以及阻尼的分布。意為純柔性部段的區(qū)域的溫度需要保持在成型溫度或高于成型溫度，意為阻尼柔 性部段的區(qū)域的溫度需要保持在凝固溫度與成型溫度之間，且剛性部段的溫度需要保持在 低于成型溫度。激活裝置也可重新定位以與其激活/去激活狀態(tài)無關地改變其影響的區(qū) 域。應當注意的是，激活裝置也可包括配置成降低區(qū)域溫度的冷卻器。柔順機構10也包括可操作地連接到控制器50的至少一個傳感器54。傳感器54 配置成監(jiān)測狀況并將指示該狀況的傳感器信號傳輸給控制器50。示例性狀況包括本體的一 個或多個區(qū)域的溫度、本體14的第一部分相對于本體14的第二部分的位移和輸入力F的 幅度和矢量等?？刂破?0被編程基于來自于傳感器54的傳感器信號并根據(jù)預定算法來確定并控 制至每個激活裝置26A-D的電流量、和因此區(qū)域30A-D的材料屬性的值，以得到柔順機構10 對于給定輸入F的預定機械輸出。例如，取決于輸入和傳感器信號，控制器50可激活僅激 活裝置26A，控制器50可激活僅激活裝置26A-D中的兩個，或者控制器50可激活所有的激 活裝置26A-D。類似地，取決于傳感器信號，控制器可使得區(qū)域30A受熱到第一溫度、區(qū)域 30D受熱到不同于第一溫度的第二溫度，且控制器可不激活激活裝置26B和26C，使得區(qū)域 30B和30C不受熱。取決于傳感器信號，控制器50在施加輸入力時也可隨著時間改變不同區(qū)域的溫 度。因此，響應于感測機構的實際響應的控制器50，柔性部段的位置、柔性和剛性部段的剛度以及柔性部段的阻尼系數(shù)都可實時地改變。類似地，在所要求保護的本發(fā)明的范圍內，柔 性部段的長度可通過選擇性地施加激活信號來改變。參考圖4，柔順機構110包括彈性本體114。彈性本體114包括活性材料118。彈 性本體114的一端120A安裝在第一錨定件122A處，且彈性本體114的另一端120B安裝在 第二錨定件122B處。錨定件122A、122B相對于彼此空間固定。彈性本體114以三個線性部段124A-C為特征。彈性本體114也以四個實質鉸鏈 125A-D為特征。在所描述的實施例中，每個實質鉸鏈125A-D由彈性本體114的以局部減 少截面面積為特征的區(qū)域形成，這是本領域技術人員能夠理解的。實質鉸鏈125A-D與彈性 本體114的其余部分相比更小的截面面積導致局部應變集中。實質鉸鏈125A-D優(yōu)選以內 圓角(fillet)為特征，如圖所示，以改善耐用性。實質鉸鏈125A將端部120A與部段124A 分離。實質鉸鏈125B將部段124A與部段124B分離。實質鉸鏈125C將部段124B與部段 124C分離。實質鉸鏈125D將部段124C與端部120B分離。柔順機構110還包括三個激活裝置126A-C。每個激活裝置126A-C配置成選擇性 地施加激活信號給彈性本體114的相應區(qū)域130A-130C，使得區(qū)域130A-C改變至少一種材 料屬性。因此，每個激活裝置126A-C可操作選擇性地改變區(qū)域130A-C中相應一個的具體 材料屬性。在一個實施例中，活性材料118是形狀記憶聚合物(SMP)、且每個激活裝置126A-C 是電阻加熱元件，該電阻加熱元件配置成選擇性地施加熱(即，熱激活信號)給區(qū)域130A-C 相應一個，從而選擇性地將區(qū)域130A-C相應一個升高至高于熱轉變溫度。在所描述的實施 例中，每個激活裝置126A-C是環(huán)繞相應區(qū)域130A-C的柔性套管。區(qū)域130A是部段124A 的一部分；區(qū)域130B是部段124B的一部分；以及區(qū)域130C是部段124C的一部分。柔順機構110以圖4中的第一配置為特征。激活裝置126A-126C被去激活，使得 區(qū)域130A-C不局部變弱且具有與部段124A-C的其余部分相同的模量和截面面積。處于第 一配置的柔順機構被設計成使得柔順機構110響應于在其上輸入端口 138處施加的輸入力 134而在輸出端口 144處產生輸出力142A。柔順機構110還響應于輸入力134而輸出運動； 輸出端口 144沿著路徑146A運動。在沒有任何激活裝置126A-C的激活(即，沒有施加到 區(qū)域130A-C的激活信號)的情況下產生輸出力142A和輸出運動。柔順機構110的輸出可通過改變柔順機構110的形狀或配置來改變。因此，例如， 如果在沒有激活信號給區(qū)域130A-C的情況下期望輸入134的第二輸出時，那么柔順機構 110可被再定形以獲得第二輸出。參考圖5，其中相同的附圖標記指代圖4中的相同部件， 激活裝置126A被激活以施加熱激活信號給區(qū)域130A。因而區(qū)域130A受熱到高于熱轉變溫 度且是部段124A的局部變弱部分。通過施加定形力150給柔順機構110同時區(qū)域130A高 于熱轉變溫度，部段124A的區(qū)域130A變形使得柔順機構采用在IlOA以雙點劃線示出的第 二配置。在柔順機構處于IlOA所示的形狀之后，激活裝置126A去激活，S卩，區(qū)域130A被允 許冷卻到低于熱轉變溫度。定形力150被保持直到區(qū)域130A低于熱轉變溫度為止，使得柔 順機構保持IlOA所示的形狀。 參考圖6，其中相同的附圖標記指代圖4和5中的相同部件，柔順機構110以第二 配置為特征，且所有的激活裝置126A-126C關閉。在第二形狀或配置時，柔順機構110配置 成響應于在輸入端口 138處的輸入力134而在輸出端口 144處產生輸出力142B。輸出力142B在幅度和方向上不同于輸出力142A。柔順機構110也產生輸出運動輸出端口144響 應于輸出力134而沿著路徑146B運動。路徑146B不同于路徑146A ；更具體地，路徑146A、 146B是具有不同半徑的圓的圓弧。當柔順機構處于第一配置時輸出端口 144的初始運動方 向不同于當柔順機構處于第二配置時初始運動的方向。柔順機構110在第一和第二配置時力 偏轉特性是不同的，是由于部段124A的有效長度改變且連接件124B、124C的初始斜度改變。激活裝置126B、126C類似地激活以分別使區(qū)域130B、130C變形，并進一步再定形 柔順機構。由柔順機構響應于輸入力而產生的輸出力和運動通過激活一個或多個激活裝置 126A-C也可選擇性地改變，使得區(qū)域130A-C中的一個或多個高于SMP的熱轉變溫度并用作 實質鉸鏈。不同于機構的性能變化受機構幾何形狀上變化的影響的前述情形，在此處性能 上的變化受機構的布局變化的影響。在替代的實施例中，活性材料激活器(未示出)嵌入到柔順機構110的本體114 中，且配置成響應于激活信號而改變機構的配置和因此改變其性能?；钚圆牧霞せ钇餍螤?上的變化使得本體114改變形狀，故因而活性材料激活器形狀上的變化使得柔順機構110 的性能改變。在示例性實施例中，活性材料激活器是預應變熱激活形狀記憶合金(SMA)激 活器元件，其為部分去攣晶馬氏體相(m相)，形狀記憶合金(SMA)激活器元件以其原始(或 制造)配置(如圖4所示)嵌入到柔順機構110的本體114中。這些SMA激活器元件中的 一個或多個可結合激活(例如，經由焦耳加熱)，以使得柔順機構110的本體114變形，從而 獲得改變后的配置，例如在圖5中以雙點劃線示出的IlOA和圖6中示出的110。此外，該變 形可通過將SMA激活器元件的激活與由前述激活裝置126A-C引起的本體114的活性材料 118的屬性變化相協(xié)同來鎖定。由于對于被激活的每個不同的SMA激活器元件組來說獲得 不同的初始配置，用該方法獲得柔順機構最終使用的較大靈活性。被激活的SMA激活器元件的去激活則允許在柔順機構變形時存儲與其中的應變 能量使得機構恢復到其初始配置。如果初始配置上的變化通過結合柔順機構本體114的材 料屬性上的變化來完成，那么這些變化也需要與SMA激活器元件的去激活同時逆向，以使 得機構110恢復回到其初始配置?？筍MA激活也可被用來將機構在其初始配置與改變后的 配置之間轉變。參考圖1和圖4，應當注意的是，柔順機構10、110可包括彈性彈簧(未示出)，彈 性彈簧配置成輔助柔順機構返回到預定形狀。在示例性實施例中，彈性彈簧嵌入到柔順機 構中。在所要求保護的本發(fā)明范圍內可使用多種活性材料18、118。在另一示例性實施 例中，活性材料18、118是磁流變(MR)彈性體，且激活裝置26A-26D、126A-126C配置成分別 選擇性地施加磁場到區(qū)域30A-30D、130A-130C的相應一個。磁場強度在某強度范圍內是可 控的，以便控制模量或其它彈性屬性在某值范圍內。由于MR彈性體的剛度隨磁場強度增 力口，因此期望在柔順機構10、110上采用永磁偏磁場(未示出)，使得在沒有來自于激活裝置 26A-26D、126A-126C的磁激活信號時活性材料18、118是剛硬的。來自于激活裝置26A-26D、 126A-126C的磁場然后將通過局部取消永磁偏磁場來降低區(qū)域30A-30D、130A-130C的剛 度。在所描述的實施例中，柔順機構本體14、114由活性材料18、118形成單件。但是 應當注意的是，在所要求保護的本發(fā)明范圍內，柔順機構可包括例如由活性材料區(qū)域互連的非活性部段。在又一示例性實施例中，柔順機構由熱激活SMA制成，SMA在正常操作溫度下處于 其奧氏體相。實質鉸鏈具有這樣的幾何形狀，使得鉸鏈中的應力遠高于機構的其余部分中 的應力。具體地說，選擇幾何形狀使得容易地超過當機構被加載時引發(fā)馬氏體所需的應力。 這導致鉸鏈中的很低剛度，從而允許在鉸鏈處發(fā)生較大的相對運動；該相對運動可較大，因 為應力引發(fā)的奧氏體至馬氏體的轉變具有8%的可恢復應變極限。使該機構卸載則使得應 力引發(fā)的馬氏體恢復回到馬氏體，藉此恢復機構的原始特性。
在一些材料中通過施加高于特征閥值(Sf)的應力可引發(fā)機械屬性(例如，存儲和 損耗模量)的明顯變化。所有的材料在應力超過破壞應力水平(對應于屈服、斷裂等的Sx) 時都將經歷這些模量的明顯變化；然而，一些材料(例如，處于部分去攣晶馬氏體以及完全 奧氏體狀態(tài)的形狀記憶合金、形狀記憶聚合物和壓塑性塑料(baroplastic)等)在高于閥 值應力Sf但低于破壞應力(Sf <= S < Sx)的明顯更低的模量下經歷較大的應變，使得這 些應變可完全恢復。應力的恢復可能需要應用外激勵(例如，在形狀記憶聚合物和部分去 攣晶馬氏體SMA的情形中的熱量)或所施加的應力簡單地減小至低于Sf的水平(例如，S <=Sf < Sx，在完全奧氏體SMA時)。圖7描述了 SMA處于其馬氏體和奧氏體狀態(tài)下的理想響應。線200描述完全去攣 晶馬氏體狀態(tài)，線210描述部分去攣晶馬氏體狀態(tài)，而線220描述奧氏體狀態(tài)。考慮柔順機 構由完全奧氏體SMA制成。機構被加載且某區(qū)域(其將隨著繼續(xù)加載而變?yōu)閷嵸|鉸鏈/柔 性部段)的應力從0增大。當應力升高至高于Als處的應力引發(fā)奧氏體一馬氏體轉變應力 水平時，硬度經歷顯著的降低且區(qū)域可經歷達8%的局部應變，直到應力達到Alf水平為止。 當該區(qū)域被卸載時，應力需要降至低于A2s，以便該區(qū)域隨著材料經歷逆向(應力引發(fā)馬氏 體一奧氏體)轉變而經歷較低硬度的另一狀態(tài)。轉變過程在A2f處完成。在上述特征應力 水平之間，取決于材料成分和其溫度，該區(qū)域可用作實質鉸鏈。在柔順機構由處于部分去攣晶馬氏體狀態(tài)的SMA制成的情形中，隨著應力從0(在 增大到M2，材料展示一定的剛度。當應力超過M2時，隨著材料經歷應力引發(fā)的去攣
晶，材料剛度明顯降低。這在仏處停止。經歷在禮與吣之間的應力的柔順機構的區(qū)域可 用作實質鉸鏈。在禮工處卸載至零應力時，材料剛度仍在其較高的值。熱恢復步驟允許材料 恢復到Mr2處的其初始配置和剛度，在該熱恢復步驟中材料被加熱到高于Af溫度并然后在 零(或特定系統(tǒng)啟動)負載下冷卻。特征應力水平也受溫度和材料成分的影響。類似的情 形適用于在機構的初始配置中其本體由完全去攣晶狀態(tài)的SMA制成的機構。圖8A和圖8B描述了在高于Tf (圖8A)和低于Ts (圖8B)時SMP的性能。前述的 SMP性能集中于圖8A。應當注意的是，類似于上述所描述的部分去攣晶馬氏體SMP，一些SMP 在模量(和因此，剛度)上也展示應力引發(fā)的降低。因此，由這種SMP制成的柔順機構的區(qū) 域也可展示為應力引發(fā)/激活的實質鉸鏈/柔性部段。除了溫度和應力之外，激活激勵包括用于光激活SMP的UV光和用于化學激活SMP 的PH值等?？赏瑫r采用不止一個激活激勵來實現(xiàn)材料屬性的期望空間變化或臨時變化。開環(huán)/閉環(huán)控制器可用來在時間和/或空間上協(xié)同/同步各種激勵，以實現(xiàn)期望 的機構性能。如在本文中所使用的，“實質鉸鏈”可包括實質鉸鏈和/或柔性部段。
在前述示例性實施例中所描述的一個或多個構思可進行組合。前述的具體活性材 料可由功能同等的材料、合成物或系統(tǒng)完全地或部分地替代。產生前述活性材料屬性的期 望變化的激活信號可響應于人的動作、由來自于一個或多個傳感器的感測數(shù)據(jù)觸發(fā)的控制 器信號、由從傳感器數(shù)據(jù)推斷的預期變化觸發(fā)的控制器信號等而產生。雖然已經詳細地描述實施本發(fā)明的最佳模式，但是本發(fā)明所屬領域的技術人員將 能認識到實踐在所附權利要求范圍內的本發(fā)明的各種替代設計和實施例。
權利要求
一種柔順機構，包括柔順機構本體，所述柔順機構本體配置成響應于輸入產生輸出；所述柔順機構本體具有由活性材料形成的至少一個區(qū)域；其中活性材料配置成響應于激活信號而經歷至少一種材料屬性上的變化。
2.根據(jù)權利要求1所述的柔順機構，還包括至少一個激活裝置，所述激活裝置配置成 將激活信號選擇性地施加給所述至少一個區(qū)域。
3.根據(jù)權利要求2所述的柔順機構，其中所述激活信號以選擇性改變的激活信號值為 特征；和其中柔順機構還包括控制器，所述控制器可操作地連接到所述至少一個激活裝置且配 置成選擇性地控制激活信號值；其中所述至少一種材料屬性以選擇性改變的材料屬性值為特征；和 其中材料屬性值隨著激活信號值而變化。
4.根據(jù)權利要求3所述的柔順機構，還包括傳感器，所述傳感器配置成監(jiān)測狀況并將 指示該狀況的傳感器信號傳輸給控制器；和其中控制器配置成基于傳感器信號改變激活信號值。
5.根據(jù)權利要求2所述的柔順機構，其中所述至少一個激活裝置包括多個激活裝置； 其中所述至少一個區(qū)域包括多個區(qū)域；和其中所述激活裝置中的每個配置成將激活信號選擇性地施加給所述多個區(qū)域的相應一個。
6.根據(jù)權利要求5所述的柔順機構，還包括控制器，所述控制器可操作地連接到所述 多個激活裝置且配置成控制哪個激活裝置施加激活信號。
7.根據(jù)權利要求6所述的柔順機構，還包括傳感器，所述傳感器配置成監(jiān)測狀況并將 指示該狀況的傳感器信號傳輸給控制器；和其中控制器配置成基于傳感器信號來確定哪個激活裝置施加激活信號。
8.根據(jù)權利要求7所述的柔順機構，其中所述激活信號以選擇性改變的激活信號值為 特征；其中所述至少一種材料屬性以選擇性改變的材料屬性值為特征； 其中材料屬性值隨著激活信號值而變化；和其中控制器配置成基于傳感器信號來確定由激活裝置施加的激活信號值。
9.根據(jù)權利要求1所述的柔順機構，其中柔順機構本體配置成使得輸出在激活信號施 加到所述至少一個區(qū)域時以第一性能為特征、且在激活信號未施加到所述至少一個區(qū)域時 以第二性能為特征。
10.一種方法，包括提供柔順機構本體，所述柔順機構本體具有第一配置且具有由活性材料形成的至少一 個區(qū)域，所述活性材料配置成響應于激活信號而經歷至少一種材料屬性上的變化；和 施加激活信號給所述至少一個區(qū)域。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中所述至少一種材料屬性包括模量； 其中所述施加激活信號降低所述至少一個區(qū)域的模量；其中處于第一配置的柔順機構在沒有激活信號時響應于輸入而產生第一性能；和其中該方法還包括在所述施加激活信號之前確定期望的第二性能；當所述至少一個區(qū)域的模量降低時，使所述至少一個區(qū)域變形，使得柔順機構以第二 配置為特征；和在使所述至少一個區(qū)域變形之后，升高所述至少一個區(qū)域的模量同時保持柔順機構本 體處于第二配置。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中柔順機構本體在沒有激活信號時響應于輸入而 產生期望的第二性能。
13.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中活性材料是以熱轉變溫度為特征的形狀記憶聚 合物；其中所述降低所述至少一個區(qū)域的模量包括將形狀記憶聚合物加熱到高于熱轉變溫 度；和其中所述升高所述至少一個區(qū)域的模量包括將形狀記憶聚合物冷卻到低于熱轉變溫度。
14.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中所述至少一種材料屬性包括模量；其中所述施加激活信號降低所述至少一個區(qū)域的模量；其中處于第一配置的柔順機構本體在沒有激活信號時響應于輸入而產生第一性能；和其中該方法還包括施加輸入給柔順機構本體同時所述至少一個區(qū)域的模量降低，使得 柔順機構本體產生不同于第一性能的第二性能。
15.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中所述施加信號包括應力。
16.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中所述活性材料從包括形狀記憶合金、形狀記憶 聚合物和壓塑性塑料的組來選擇。
17.一種方法，包括提供柔順機構本體，所述柔順機構本體具有第一配置且具有由活性材料形成的多個區(qū) 域，所述活性材料配置成響應于激活信號而經歷至少一種材料屬性上的變化；所述柔順機構本體配置成在處于第一配置且沒有激活信號時響應于輸入而產生第一 性能；確定不同于第一性能的期望第二性能；施加輸入給柔順機構本體；與所述施加輸入同時地施加激活信號給所述區(qū)域中的至少一個，使得柔順機構產生第 二性能。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中激活信號以選擇性改變的值為特征；且其中所 述施加激活信號給所述區(qū)域中的所述至少一個包括與所述施加輸入同時地改變激活信號 的值。
19.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中激活信號以選擇性改變的值為特征；且其中所 述施加激活信號給所述區(qū)域中的所述至少一個包括將不同值的激活信號施加給所述區(qū)域 中的不同區(qū)域。
20.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中所述至少一種材料屬性包括儲存和損耗模量以 及破壞應變極限。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于活性材料的柔順機構。柔順機構包括配置成響應于機械輸入而產生機構輸出的本體。本體具有由活性材料形成的至少一個區(qū)域。柔順機構也包括至少一個激活裝置，所述激活裝置配置成選擇性地施加激活信號給該至少一個區(qū)域?；钚圆牧吓渲贸身憫诩せ钚盘柖洑v模量上變化，使得輸出在激活裝置施加激活信號時以第一幅度或方向為特征、且在激活裝置未施加激活信號時以第二幅度或方向為特征。
文檔編號F03G7/06GK101813075SQ20091026156
公開日2010年8月25日 申請日期2009年12月3日 優(yōu)先權日2008年12月3日
發(fā)明者A·L·布朗, N·D·曼卡梅 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司