[發(fā)明專利]一種快速響應(yīng)的多模態(tài)形狀記憶合金軟體驅(qū)動(dòng)器

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210943487.1
• 申請(qǐng)日: 2022-08-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN115366085A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-11-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 易思成;陳豪;張泉;江展;徐良;李龍;岳濤;彭艷
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 主分類號(hào): B25J9/10
• 分類號(hào): B25J9/10
• 代理公司: 上海上大專利事務(wù)所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

本發(fā)明涉及一種快速響應(yīng)的多模態(tài)形狀記憶合金軟體驅(qū)動(dòng)器，包括凝膠包裹層、驅(qū)動(dòng)模塊、柔性包裹層，其中驅(qū)動(dòng)模塊封裝在凝膠包裹層內(nèi)部，柔性包裹層粘附于凝膠包裹層底端。驅(qū)動(dòng)模塊包括固定板、彈性基板、導(dǎo)熱絕緣薄膜、形狀記憶合金絲。固定板共四塊，分別設(shè)置在彈性基板上下表面的兩端，每塊固定板上設(shè)有兩個(gè)定位孔。形狀記憶合金絲約束在兩個(gè)定位孔之間，在同一水平面內(nèi)整體呈X型排布，導(dǎo)熱絕緣薄膜裹覆在形狀記憶合金絲表面。本發(fā)明基于形狀記憶效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的彎曲、扭轉(zhuǎn)以及彎扭組合模態(tài)運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)水凝膠蒸發(fā)脫水的形式加速驅(qū)動(dòng)器散熱，具有驅(qū)動(dòng)效率高、制造成本低、運(yùn)動(dòng)形式多樣等特點(diǎn)，適用于軟體機(jī)械手、柔性制造等領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及軟體機(jī)械手、柔性制造以及空間探索等領(lǐng)域，更具體地，涉及一種快速響應(yīng)的多模態(tài)形狀記憶合金軟體驅(qū)動(dòng)器。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療服務(wù)、軍事偵察等領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，但局限于其內(nèi)在的環(huán)境適應(yīng)性差、噪聲大、生物兼容性差等因素，難以應(yīng)用在如脆弱目標(biāo)抓取、狹窄空間作業(yè)等特殊條件下。近年來(lái)，隨著新型智能材料的發(fā)展，軟體機(jī)器人得到了廣泛的關(guān)注和研究，軟體機(jī)器人采用性能穩(wěn)定的柔性材料進(jìn)行加工，能夠連續(xù)變形，在理論上具有無(wú)限自由度，可以在極端、復(fù)雜條件下保持高度完整性和穩(wěn)定性，同時(shí)其自身良好的生物兼容性和柔順性彌補(bǔ)了剛性機(jī)器人的不足。

形狀記憶合金作為近年來(lái)發(fā)展的智能材料之一，擁有諸多優(yōu)良性能，具體地，包括超彈性、形狀記憶效應(yīng)、高阻尼等特性，同時(shí)能產(chǎn)生一定的伸縮變形。基于上述性能，形狀記憶合金被廣泛應(yīng)用于軟體驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域，利用形狀記憶合金制成的軟體驅(qū)動(dòng)器能夠集驅(qū)動(dòng)和結(jié)構(gòu)于一體，擁有能量密度高、載重自重比大等優(yōu)點(diǎn)，但由于形狀記憶合金基于熱驅(qū)動(dòng)，加熱后完全冷卻所需時(shí)間較長(zhǎng)，因此，形狀記憶合金的冷卻速度直接制約了驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度。此外，雖然軟體驅(qū)動(dòng)器能夠產(chǎn)生多種運(yùn)動(dòng)類型，包括線性運(yùn)動(dòng)、彎曲運(yùn)動(dòng)和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等，但現(xiàn)階段研究的軟體驅(qū)動(dòng)器較少能夠?qū)崿F(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

專利CN11991184A的專利技術(shù)公開(kāi)了一種變剛度軟體氣動(dòng)康復(fù)手，利用氣泵對(duì)空腔進(jìn)行充氣加壓，從而實(shí)現(xiàn)手掌的驅(qū)動(dòng)。然而，加壓所需的氣壓源需要外接氣泵，這在一定程度上增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，限制了該技術(shù)的應(yīng)用范圍。

專利CN111264948A的專利技術(shù)公開(kāi)了一種基于形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的軟體康復(fù)手套，主要通過(guò)對(duì)不同位置的形狀記憶合金絲通電和/或停止通電而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)不同關(guān)節(jié)的彎曲、側(cè)擺。但是其并未考慮形狀記憶合金絲的散熱問(wèn)題，導(dǎo)致該軟體康復(fù)手套的響應(yīng)速度不佳。

專利CN108622352A的專利技術(shù)公開(kāi)了一種基于形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器的自主式水下航行器潛浮裝置，主要通過(guò)形狀記憶合金彈簧驅(qū)動(dòng)活塞進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)器僅能輸出一維線性運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)形式單一，限制了驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用范圍。

專利CN113459077A的專利技術(shù)公開(kāi)了一種形狀記憶合金軟體驅(qū)動(dòng)器，主要通過(guò)柔性基底和散熱涂層實(shí)現(xiàn)形狀記憶合金絲的冷卻，進(jìn)而提高驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度。首先，柔性基底大多由高分子聚合物如硅橡膠制成，其本身散熱性能較差，即使添加導(dǎo)熱填料，導(dǎo)熱性能始終有限。聚(N-異丙基丙烯酰胺)水凝膠在溶脹模態(tài)下含水量達(dá)90％以上，而水具有很大的潛熱，遠(yuǎn)高于一般的相變材料，當(dāng)水凝膠受熱時(shí)，其內(nèi)部的水分蒸發(fā)帶走大量的熱量，冷卻時(shí)又能從空氣中吸收散失的水分，具有顯著的穩(wěn)定性和高冷卻性能，相對(duì)高分子聚合物組成的柔性基底，聚(N-異丙基丙烯酰胺)水凝膠構(gòu)成的凝膠包裹層在冷卻性能上更加優(yōu)異，并且凝膠包裹層在蒸發(fā)散熱過(guò)程中，水分散失導(dǎo)致體積收縮，通過(guò)粘附不同熱響應(yīng)性能的柔性包裹層可以產(chǎn)生彎曲力，進(jìn)而為驅(qū)動(dòng)器提供驅(qū)動(dòng)力。其次，該專利提出的形狀記憶合金軟體驅(qū)動(dòng)器，僅能輸出彎曲運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)形式單一，限制了驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用范圍。最后，該專利采用5V電壓持續(xù)通電對(duì)形狀記憶合金絲進(jìn)行激活，相較脈沖激活，驅(qū)動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng)，產(chǎn)生的熱量更多。

發(fā)明內(nèi)容