DE60031687T2

DE60031687T2 - Antrieb aus einer formgedächtnislegierung und verfahren zur steuerung

Info

Publication number: DE60031687T2
Application number: DE60031687T
Authority: DE
Inventors: Roderick Antioch MACGREGOR
Original assignee: Perihelian Berkley LLC; Perihelian LLC
Current assignee: Perihelian Berkley LLC; Perihelian LLC
Priority date: 1999-08-12
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2020-08-12
Also published as: KR20020021809A; JP2003507625A; HK1047306A1; EP1203156B1; CA2391746A1; US20040261411A1; HK1047306B; EP1203156A1; AU6639000A; CN1369038A; NZ516970A; MXPA02001452A; US6574958B1; ATE344388T1; WO2001012985A1; AU772107B2; DE60031687D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
(a) Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf Formgedächtnislegierungs-Aktuatoren (SMA-Aktuatoren) und andere Aktuatoren mit elektromechanisch aktiven Materialien [die bei dieser Anwendung zusammen als SMA-Aktuatoren bezeichnet werden] und auf Verfahren für ihre Steuerung. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf SMA-Aktuatoren, die für eine Miniaturisierung geeignet sind, um eine schnelle (Subsekunden) Antwort zu erreichen, und auf Steuerverfahren für SMA-Aktuatoren im Allgemeinen, und ebenfalls insbesondere auf die miniaturisierbaren SMA-Aktuatoren dieser Erfindung für niedrigen Energieverbrauch, Widerstand-/Hindernis-Abfühlung und Positionssteuerung.
(b) Beschreibung des Standes der Technik
Eine Klasse von Materialien wurde in den 1950er Jahren entdeckt, die aufweisen, was als der Formgedächtnislegierungs-Effekt bekannt ist (siehe beispielsweise K. Otsuka, C. M. Wayman, "Shape Memory Materials", Cambridge University Press, Cambridge, England, 1998, ISBN0-521-44487X). Diese Materialien weisen eine thermoelastische Martensitumwandlung auf; d.h. sie sind unter einer bestimmten Übergangstemperatur formbar, weil das Material in seiner Martensitphase ist und ohne weiteres verformt werden kann. Wenn ihre Temperatur über die Übergangstemperatur erhöht wird, kehrt das Material in seine Austenitphase und seine vorherige Form zurück, wobei eine große Kraft erzeugt wird, wenn es es tut. Beispiele derartiger Materialien sind näherungsweise 50:50 Atomprozent Titan-Nickel-Legierungen (TiNi-Legierungen), die optional kleine Mengen von anderen Metallen enthalten, um erhöhte Stabilität bereitzustellen oder um die Martensit/Austenit-Übergangstemperaturen zu ändern; und diese können formuliert und behandelt werden, um den Formgedächtnislegierungs-Effekt aufzuweisen. Weitere derartige Legierungen umfassen Cu/Al/Ni- und Cu/Al/Zn-Legierungen, die manchmal als Betamessinge bekannt sind. Derartige Legierungen werden generisch als Formgedächtnislegierungen (SMA) bezeichnet und sind von einer Anzahl von Quellen in Drahtform mit Durchmessern von so niedrig wie 37 μm bis 1 mm oder größer kommerziell verfügbar. Siehe beispielsweise, Dynalloy Corp., "Technical Characteristics of Flexinol Actuator Wires", Technical Information Pamphlet, Dynalloy Corp., 18662 MacArthur Boulevard, Suite 103, Irvine, CA 92715, USA.
SMA-Drähte sind Drähte einer Formgedächtnislegierung, die behandelt werden, sodass sie ohne weiteres entlang ihrer Längsachse gestreckt werden können, während sie in der Martensitphase sind, womit ihre atomare kristalline Struktur neu angeordnet wird. Einmal gestreckt, bleiben sie so, bis sie über ihre Austenit-Übergangstemperatur erwärmt werden, wobei an diesem Punkt die kristalline Struktur in ihrer ursprünglichen (erinnerten) Austenit-Konfiguration wiederhergestellt wird. Diese Umkehrung führt den Draht nicht nur in seine ursprüngliche Länge zurück, sondern erzeugt ebenfalls eine große Kraft, typischerweise von der Größenordnung von 50 kgf/mm² Querschnittsfläche, abhängig von der Legierung und ihrer Behandlung. Aufgrund der großen verfügbaren Kraft je Querschnittsfläche werden SMA-Drähte normalerweise in kleinen Durchmessern hergestellt. Beispielsweise kann ein Draht mit einem Durchmesser von 100 μm eine Kraft von etwa 250 g liefern. Um mehr Kraft zu erhalten, sind dickere Drähte oder mehrere Drähte erforderlich.
Obwohl SMAs seit 1951 bekannt sind, haben sie aufgrund einiger inhärenter Begrenzungen in den physikalischen Prozessen, die die Formgedächtnislegierungs-Eigenschaften erzeugen, eingeschränkte kommerzielle Aktuatoranwendungen gefunden. Dieses Fehlen von kommerziellen Anwendungen ist auf eine Kombination der folgenden Faktoren zurückzuführen:
(1) Begrenzte Verschiebung
Ein TiNi-SMA-Draht kann um höchstens 8% seiner Länge während des thermoelastischen Martensit/Austenit-Übergangs kontrahieren. Er kann jedoch nur einige Zyklen auf diesem Beanspruchungsniveau ertragen, bevor er ausfällt. Für eine vernünftige Zyklenlebensdauer liegt die maximale Beanspruchung in dem Bereich von 3–5%. Als Beispiel sind für einen Aktuator mit vernünftiger Zyklenlebensdauer mehr als 25 cm SMA-Draht erforderlich, um 1 cm Bewegung zu erzeugen.
(2) Mindestbiegeradius
Eine offensichtliche Lösung, um lange Längen von SMA in kleine Räume zu packen, besteht in einer Art von Rollensystem. Ungünstigerweise können SMA-Drähte beschädigt werden, wenn sie um scharfe Biegungen geleitet werden. Typischerweise sollte ein SMA-Draht nicht um einen Radius gebogen werden, der geringer als das fünfzigfache des Drahtdurchmessers ist. Als Beispiel weist ein Draht mit einem Durchmesser von 250 μm einen Mindestbiegeradius von 1,25 cm auf. Es sei bemerkt, dass der Begriff "Mindestbiegeradius", wie er hier verwendet wird, den Mindestradius bedeutet, innerhalb dessen ein SMA-Draht gebogen werden kann und noch für wiederholtes Austenit/Martensit-Zyklieren ohne Beschädigung geeignet ist. Die Hinzufügung einer großen Anzahl von kleinen Rollen macht das System mechanisch komplex, wobei eines der Reize beseitigt wird, womit SMA überhaupt erst verwendet wurde. Außerdem platziert der Mindestbiegeradius ebenfalls eine untere Grenze auf die Aktuatorgröße.
(3) Zykluszeit
Ein SMA-Draht wird normalerweise ohmisch erwärmt, indem ein elektrischer Strom durch ihn geleitet wird. Der Draht muss sich dann unter seine Übergangstemperatur abkühlen, bevor er zurück in seine Startposition gestreckt werden kann. Falls diese Abkühlung durch Konvektion in ruhiger Luft erreicht wird, dann können viele Sekunden benötigt werden, bevor der Aktuator erneut verwendet werden kann. Der oben erläuterte 250 μm Draht weist eine beste Zykluszeit von etwa 5 s oder mehr auf. Somit erreicht beispielsweise Stiquito, ein SMA-angetriebenes gehendes Insekt [J. M. Conrad, J. W. Mills, "Stiquito: Advanced Experiments with a Simple and Inexpensive Roboter", IEEE Computer Society Press, Los Alamitos, CA, USA, ISBN 0-8186-7408-3] eine Gehgeschwindigkeit von lediglich 3–10 cm/min. Da die Rate der Abkühlung von dem Verhältnis des Oberflächenbereichs des Draht zu seinem Volumen abhängt, beeinflussen Änderungen im Drahtdurchmesser die Zykluszeit dramatisch.
Um diese Begrenzungen zu überwinden, haben Entwickler von SMA-gestützten Aktuatoren typischerweise lange gerade Drähte oder Spulen verwendet. Siehe beispielsweise M. Hashimoto, M. Takeda, H. Sagawa, I. Chiba, K. Sato, "Application of Shape Memory Alloy to Roboteric Actuators", J. Robotic Systems, 2 (1), 3–25 (1985); K. Kuribayashi, "A New Actuator of a Joint Mechanism using TiNi Alloy Wire", Int. J. Robotics, 4 (4), 47–58 (1986); K. Ikuta, "Micro/Miniature Shape Memory Alloy Actuator", IEEE Robotics and Automation, 3, 2151–2161 (1990); und K. Ikuta., M. Tsukamoto, S. Hirose, "Shape Memory Alloy Servo Actuator with Electrical Resistance Feedback and Application for Active Endoscope", Proc. IEEE Int. Conf on Robotics and Information, 427–430 (1988). Offensichtlich ist es bei vielen Anwendungen, bei denen insbesondere wobei Miniaturisierung gewünscht wird, unpraktisch, lange gerade Drähte zu verwenden. Obwohl sie den gelieferten Hub stark erhöhen, verringern Spulen bedeutend die verfügbare Kraft; und um den Abfall in der Kraft auszugleichen, werden dickere Drähte verwendet, die das Ansprechverhalten des resultierenden Aktuators verringern, was ihn für viele Anwendungen ungeeignet macht.
Andere Mechanismen, die gewöhnlicherweise verwendet werden, um die verfügbare Verschiebung mechanisch zu verstärken, wie beispielsweise jene, die in D. Grant, V. Hayward, "Variable Control Structure of Shape Memory Alloy Actuators", IEEE Control Systems, 17 (3), 80–88 (1997) und in dem US-Patent Nr. 4 806 815 offenbart werden, leiden unter der gleichen Begrenzung der verfügbaren Kraft, was erneut zu der Anforderung nach dickeren Drähten und den begleitenden Probleme mit der Zykluszeit führt.
Wie oben erläutert, können SMA-Materialien als die treibende Kraft für einen Aktuator verwendet werden [siehe beispielsweise T. Waram, "Aktuator Design Using Shape Memory Alloys" 1993, ISBN 0-9699428-0-X], dessen Position durch Überwachung des elektrischen Widerstands der Legierung gesteuert werden kann (siehe beispielsweise die oben erläuterte Veröffentlichung von K. Ikuta, M. Tsukamoto, S. Hirose, "Shape Memory Servo Actuator with Electrical Resistance Feedback and Application for Active Endoscope").
Ein übliches Verfahren, um SMA-Aktuatoren auf ihre Übergangstemperatur zu erwärmen, ist Impulsbreitenmodulation (PWM). Bei diesem Schema wird eine feste Spannung für einen Prozentsatz einer voreingestellte Periode angelegt. Wenn der Prozentsatz von Einschaltzeit zu Ausschaltzeit in einer einzelnen Periode (als die relative Einschaltdauer bezeichnet) geändert wird, kann die kumulierte Menge der an die SMA gelieferten Leistung gesteuert werden. Dieses Schema ist aufgrund der Einfachheit populär, mit der es in digitalen Systemen implementiert werden kann, wobei ein einzelner Transistor alles ist, was erforderlich ist, um einen Aktuator anzutreiben, wobei die Notwendigkeit einer Digital-Analog-Wandlung und der zugeordneten Verstärker umgangen wird.
Bei einem einfachen Beispiel liefert ein PWM-Generator PWM-Impulse an das SMA-Element bei einer relativen Einschaltdauer und einer Periode, die durch einen digitalen Controller spezifiziert werden. Während der Aus-Periode des PWM-Impulses misst ein Widerstandsmess-System den Widerstand der SMA, der abgetastet und dann in einem Abtast- und Halte-System gehalten wird. Diese Messung wird in dem Aus-Zyklus durchgeführt, weil der PWM-Impuls ziemlich kurz sein kann und der Controller nicht imstande sein könnte, die SMA abzutasten, wenn der Impuls an ist. Schließlich wird das Analogsignal in dem Abtast- und Halte-System durch einen Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) in Digitalform umgewandelt, von der es dann durch den Controller gelesen werden kann. Dieser Wert wird dann durch einen Algorithmus in dem Controller verwendet, um die relative Einschaltdauer des PWM-Generators zu variieren, um eine gewünschte Position des SMA-Elements zu erreichen. Bei Systemen mit mehr als einem SMA-Element müssen alle Systeme mit Ausnahme des Controllers für jedes SMA-Element dupliziert werden, was zu großen, komplexen und kostspieligen Steuersystemen führt.
Verschiedene Schemas wurden vorgeschlagen, um diese Duplizierung zu vermeiden. Die üblichste besteht darin, den A/D-Wandler über eine Anzahl von Abtast- und Halte-Schaltungen zu multiplexen, womit lediglich ein A/D-Wandler erforderlich ist. Ein weiteres Schema, das in dem US-Patent Nr. 5 763 979 beschrieben wird, verwendet elektronische Schalter in einer Reihen- und Spalten-Konfiguration, um ein einzelnes SMA-Element zu isolieren, und legt seinerseits einen PWM-Impuls an jedes Element an. Dies ermöglicht, dass die Widerstandsmess-, Abtast- und Halte- und A/D-Subsysteme über alle Aktuatoren gemeinsam genutzt werden können, und weist ebenfalls den Vorteil auf, die Anzahl der Drähte zu verringern, die erforderlich sind, um die Vorrichtungen miteinander zu verbinden. Ungünstigerweise verdoppelt das Schema ebenfalls die Anzahl von Schaltvorrichtungen höher Ströme, da jeder Aktuator zwei derartige Kanäle im Gegensatz zu lediglich einem bei dem herkömmlichen Schema erfordert. Diese Schalter sind normalerweise das physisch größte Element derartiger Steuersysteme aufgrund ihrer Notwendigkeit, beträchtliche Wärme aufgrund ihres Betriebs mit hohem Strom zu dissipieren. Obwohl dieses Schema die Anzahl von Drähten verringert, erhöht es tatsächlich die Größe und Komplexität des Controller-Subsystems.
Der Übergang von der Martensitphase (Niedrigtemperaturphase) in die Austenitphase (Hochtemperaturphase) findet bei SMAs nicht sofort bei einer spezifischen Temperatur statt, sondern schreitet stattdessen inkrementell über einen Temperaturbereich voran. 1 zeigt die Beziehung zwischen Verschiebung und Temperatur, wobei die Austenit-Start-Temperatur A_s und die Austenit-Finish-Temperatur A_f sowie auch die Martensit-Start- und -Finish-Temperaturen M_s bzw. M_f angegeben werden. In dem durch ΔT angegebenen Temperaturbereich besteht die Legierung aus einer Mischung von Austenit und Martensit. Wie beobachtet werden kann, tritt im Wesentlichen keine Änderung in der Länge unterhalb A_s und im Wesentlichen keine weitere Änderung in Länge oberhalb A_f auf, wenn die SMA erwärmt wird. Auf ähnliche Weise tritt bei Abkühlung im Wesentlichen keine Änderung in Länge oberhalb M_s und im Wesentlichen keine weitere Änderung in der Länge unterhalb M_f auf; wobei es jedoch typischerweise Hysterese in der Längen-Temperatur-Kurve gibt. Wie bei der oben erläuterten Veröffentlichung von K. Ikuta, M. Tsukamoto, S. Hirose, "Shape Memory Alloy Servo Actuator with Electrical Resistance Feedback and Application for Active Endoscope" und dem US-Patent Nr. 4 977 886 gibt es eine Beziehung zwischen dem elektrischen Widerstand einer SMA-Komponente und ihrer Temperatur, wie in 2 gezeigt wird, die für eine SMA gezeigt wird, die eine M_f oberhalb der Raumtemperatur aufweist. Wie ersichtlich ist, kann in dem schattierten Bereich zwischen Rmin und Rmax der Widerstand als ein Analogon für die SMA-Temperatur verwendet werden, und folglich ist es möglich, die Prozentwandlung zwischen den beiden Phasen basierend auf dem Widerstandswert ohne eine direkte Messung der Temperatur vollständig herzuleiten, da die Widerstandstemperaturkurve keine bedeutende Hysterese anzeigt. Aufgrund der in 1 dargestellten großen Position-Temperatur-Hysterese ist jedoch die Kenntnis der Temperatur allein nicht ausreichend, um die Position herzuleiten.
Wenn jedoch zwei Aktuatoren auf eine antagonistische Art und Weise angeordnet sind, kann eine Anzahl von Schemas verwendet werden, um die Hysterese auszugleichen. Ein in Dynalloy Corp., "Technical Characteristics of Flexinol Actuator Wires" und dem US-Patent Nr. 4 977 886 beschriebenes allgemeines Schema verwendet den normierten Widerstand beider Aktuatoren in Kombination, um die Hysterese auszugleichen. Alle diese Positionssteuerschemas stützen sich auf eine a priori Kenntnis von Rmax und Rmin (siehe 2). Diese Werte ändern sich mit der Zeit, wenn die Legierung altert, und ebenfalls mit Umgebungsfaktoren, sodass das System vor jedem Gebrauch zur zweckmäßigen Positionssteuerung erneut kalibriert werden muss. Die Kalibrierung wird entweder durch die Anbringung externer Sensoren, um Rmax und Rmin bei bekannten gemessenen minimalen und maximalen Verschiebungen zu berechnen, oder, wie bei dem US-Patent Nr. 4 977 886, durch Anlegen eines Stroms erreicht, der groß genug und lange genug ist, sodass die Temperatur A_f überschritten wird und die angetroffenenen Mindest- und Spitzenwiderstände aufgezeichnet werden. Das erstere Kalibrationsschema ist für viele Systeme unpraktisch, bei denen ein kontinuierlicher kostengünstiger Betrieb erforderlich ist. Das letztere Schema stützt sich auf die Kenntnis der physikalischen Abmessungen des SMA-Elements und außerdem auf seine aktuelle Umgebung und Zustand (z.B. Austenit oder Martensit), so dass die Größe und Dauer des Kalibrierungsimpuls berechnet werden kann.
Es würde wünschenswert sein, SMA-Aktuatoren, die imstande sind, im Wesentlichen die volle Kraft der sie umfassenden SMA-Drähte bereitzustellen, während ein größerer Hub (Kontraktion) erreicht wird, als durch einen SMA-Draht der Länge des Aktuators erreicht werden kann (Hub-Multiplikation ohne bedeutende Kraftverringerung); SMA-Aktuatoren, die miniaturisierbar sind und schnell wirken; und wirtschaftliche und effiziente Steuer- und Abfühlmechanismen für SMA-Aktuatoren (einschließlich herkömmlicher Formgedächtnislegierungs- Aktuatoren so wie auch die Hub-multiplizierenden SMA-Aktuatoren dieser Erfindung) für niedrigen Energieverbrauch, Widerstand-/Hindernis-/Last-Abfühlung und genaue Positionssteuerung zu entwickeln.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung stellt bereit: Hub-multiplizierende Formgedächtnislegierungs-Aktuatoren und andere Aktuatoren mit elektromechanisch aktiven Materialien [die bei dieser Anwendung als SMA-Aktuatoren bezeichnet werden]t, die eine Hub-Multiplikation ohne bedeutende Kraftverringerung bereitstellen, die ohne weiteres miniaturisierbar und schnell wirkend sind, und ihre Ausgestaltung und Verwendung; wirtschaftliche und effiziente Steuer- und Abfühl-Mechanismen für Formgedächtnislegierungs-Aktuatoren (einschließlich herkömmlicher Formgedächtnislegierungs-Aktuatoren sowie auch den Hub-multiplizierenden SMA-Aktuatoren dieser Erfindung) für niedrigen Energieverbrauch, Widerstand-/Hindernis-/Lastabfühlung, und genaue Positionssteuerung; und Vorrichtungen, die diese Aktuatoren und Steuer- und Abfühlmechanismen enthalten.
Diese Erfindung stellt einen Hub-multiplizierenden Formgedächtnislegierungs-Aktuator gemäß Anspruch 1 bereit. Bei einem ersten Aspekt umfasst der Aktuator mehrere starre Elemente und Formgedächtnislegierungs-Drähte.
Bei einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung einen Hub-multiplizierenden Formgedächtnislegierungs-Aktuator mit einem einzelnen Formgedächtnislegierungs-Draht bereit.
Bei einem dritten Aspekt stellt diese Erfindung multiplexte Steuer- und Abfühlmechanismen für Formgedächtnislegierungs-Aktuatoren bereit.
Bei einem vierten Aspekt stellt Erfindung Steuer- und Abfühlmechanismen für Formgedächtnislegierungs-Aktuatoren mit Widerstandsrückkopplung bereit, bei denen die Änderung im Widerstand des Aktuators mit der Zeit, wenn der Aktuator aktiviert wird, verwendet wird, um die Steuerinformation für den Aktuator zu erzeugen. Diese Steuer- und Abfühl-Mechanismen und -verfahren können für die Kalibrierung von Aktuatoren, Ausführen von Positionsteuerfunktionen, Messen von an Aktuatoren angelegte Lasten und Erfassen von Kollisionen oder mechanischen Behinderungen, die bei Aktuatoren angetroffen werden, oder Systemausfällen bei diesen, verwendet werden. Bei einem bevorzugten Steuermechanismus wird die Messung der Entladezeit eines Kondensator verwendet, der parallel mit dem Aktuator verbunden ist, um den Widerstand des Aktuators zu messen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine graphische Darstellung der Länge als Funktion von Temperatur für ein typisches SMA-Element.
2 zeigt eine graphische Darstellung des Widerstands als Funktion von Temperatur für ein typisches SMA-Element.
3 zeigt eine erste Ausführungsform eines SMA-Aktuators dieser Erfindung.
4A zeigt eine zweite Ausführungsform eines SMA-Aktuators dieser Erfindung.
4B zeigt eine alternative zweite Ausführungsform eines SMA-Aktuators dieser Erfindung.
5 zeigt eine dritte Ausführungsform eines SMA-Aktuators dieser Erfindung.
6 zeigt ein starres Element für eine alternative dritte Ausführungsform eines SMA-Aktuators dieser Erfindung.
7 ist eine perspektivische Ansicht der alternativen dritten Ausführungsform des SMA-Aktuators mit dem starren Element von 6.
8A zeigt den Aktuator von 7 in einer Seitenansicht in seiner gestreckten Konfiguration.
8B zeigt den Aktuator von 8A in seiner kontrahierten Konfiguration.
9 zeigt schematisch einen SMA-Aktuator des zweiten Aspekts dieser Erfindung, die die Verwendung eines einzelnen SMA-Draht veranschaulicht.
10 zeigt die Verwendung von reibungsarmen Rohren, um den SMA-Draht des Aktuators von 9 zu führen.
11 zeigt die alleinige Verwendung eines Führungsrohres.
12 zeigt eine Vier-Aktuator-Anordnung dieses zweiten Aspekts der Erfindung.
13 zeigt einen herkömmlichen Typ eines PWM-Controllers für einen SMA-Aktuator.
14 zeigt einen multiplexten PWM-Controller.
15 ist eine graphische Darstellung, die die Veränderung in der Leitfähigkeit und Position mit der Zeit in einem erwärmten SMA-Element zeigt.
16 zeigt einen herkömmlichen Typ von Widerstandsrückkopplungssteuerung für einen SMA-Aktuator.
17 zeigt eine kapazitive Abfühlschaltung zur Widerstandsrückkopplungssteuerung für einen SMA-Aktuator.
18 zeigt die starren Elemente und SMA-Drähte einer vierten Ausführungsform eines SMA-Aktuators dieser Erfindung.
19 ist eine Seitenansicht, die den zusammengebauten Aktuator mit der Element/Drahtanordnung von 18 zeigt.
20A zeigt die Verwendung eines Begrenzungsanschlags für einen SMA-Aktuator in seiner vollständig gestreckten Konfiguration.
20B zeigt die Verwendung eines Begrenzungsanschlags für den SMA-Aktuator von 20A in seiner vollständig kontrahierten Konfiguration.
21 zeigt ein Modell eines gehenden Insekts, das die SMA-Aktuatoren dieser Erfindung enthält.
22 ist eine Seitenansicht und Draufsicht, die den Betrieb eines Beins des Insektenmodells von 21 zeigt.
23 ist eine Rückansicht, die die Arbeitsweise des Beins von 22 zeigt.
24 ist eine perspektivische Ansicht, die die Arbeitsweise des Beins von 22 zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Definitionen und Allgemeine Parameter
Eine "Formgedächtnislegierung" oder "SMA (shape memory alloy)" ist eine Legierung, die eine thermoelastische Martensitumwandlung zeigt, sodass sie verformt werden kann, während sie in der Martensitphase ist, und die Verformung wiederhergestellt wird, wenn die Legierung in die Austenitphase zurückkehrt. SMAs, die für Raumtemperaturanwendungen dieser Erfindung geeignet sind, sind jene, die aufweisen: einen Austenit-Martensit-Übergangsbereich etwas oberhalb der erwarteten Umgebungstemperatur, etwa eine Martensit-Finish-Temperatur von 30–50°C, so dass die SMA bei Ausbleiben angewandter Erwärmung in ihrer Martensitphase bleiben wird, und eine Austenit-Finish-Temperatur, die niedrig genug ist, um mit üblichen technischen Kunststoffen kompatibel zu sein, etwa eine Austenit-Finish-Temperatur von 80–100°C, um den Umfang der Erwärmung (z.B. in die SMA eingegebene elektrische Energie) zu minimieren, die erforderlich ist, um den Martensit/Austenit-Übergang abzuschließen. Derartige Legierungen sind ohne weiteres kommerziell verfügbar. Legierungen mit anderen Übergangstemperaturbereichen können für Aktuatoren gewählt werden, die entwickelt wurden, um bei verringerten (z.B. unter 0°C) oder erhöhten (z.B. oberhalb 100°C) Temperaturumgebungen zu arbeiten, und ein Fachmann wird keine Schwierigkeiten hinsichtlich des fachlichen Könnens und dieser Offenbarung aufweisen, eine geeignete SMA für einen gewünschten Zweck zu wählen. Es ist bekannt, dass, wenn ein SMA-Element, wie beispielsweise ein SMA-Draht, innerhalb des wiederherstellbaren Bereichs der Beanspruchung unter seiner M_f-Temperatur verformt und dann über die A_f-Temperatur erwärmt wird, es in seine ursprüngliche, nicht verformte Form zurückkehren wird. Die erneute Abkühlung des Elements unter die M_f-Temperatur wird jedoch keine spontane Umkehr in die verformte Form bewirken – der Formgedächtnislegierungs-Effekt ist ein Einwegeffekt. Somit muss eine Spannung oder Vorspannung an das SMA-Element angelegt werden, damit es in die verformte Form zurückkehrt, wenn es sich erneut unter die M_f-Temperatur abkühlt. Obwohl es im Allgemeinen nicht in Relation zu den SMA-Aktuatoren dieser Erfindung erläutert wird, wird angenommen, dass eine Vorspannung vorhanden ist oder an den Aktuator angelegt werden kann, um die Umkehrung in den verformten Martensit-Zustand zu bewirken, wenn sich die SMA-Elemente des Aktuators unter die M_f-Temperatur abkühlen. Diese Vorspannung kann entweder durch eine Feder (Anlegung einer konstanten Vorspannung, wobei der Aktuator die Kraft der Feder überwinden muss, um eine Bewegung des Aktuator zu veranlassen, wenn er sich erwärmt; oder durch einen gegenüberliegenden Aktuator, wobei typischerweise einer erwärmt und der andere nicht erwärmt wird, wobei jedoch jeder zu unterschiedlichem Ausmaß zur präzisen Steuerung erwärmt werden kann). Die Federvorspannung ist wirtschaftlich, wobei sie jedoch den Nachteil aufweist, dass ein Teil der Aktuatorkraft durch die Feder absorbiert wird, wobei weniger für den Aktuator verfügbar bleibt, an eine externe Last anzulegen; die Vorspannung des gegenüberliegenden Aktuators bietet größere Kraftverfügbarkeit, da der gegenüberliegenden Aktuator, wenn nicht erwärmt, wenig Kraft benötigt, um sich zu bewegen, und größere Positionsempfindlichkeit, wenn beide unterschiedlich aktiviert werden, jedoch auf Kosten der Komplexität der Steuerung und erhöhtem Energieverbrauch. Dies ist in der Technik bekannt; und die SMA-Aktuatoren dieser Erfindung können in jedem der beiden Modi verwendet werden.
SMA-"Draht", wie bei dieser Anwendung verwendet, bezieht sich auf SMA-Material von länglicher Form, das für eine Kontraktion/Verlängerung entlang der langen Achse geeignet ist. Somit impliziert der Begriff "Draht" keinen kreisförmigen Querschnit, obwohl dies der typische Querschnitt sein wird, sondern umfasst Querschnitte, die elliptisch, quadratisch, rechteckig oder dergleichen sein können.
Der "Hub" eines SMA-Aktuators ist die Änderung in dem Abstand zwischen der vollständig gestreckten Länge und der vollständig kontrahierten Länge des Aktuators. Falls der Aktuator einen Begrenzungsanschlag/Begrenzungsanschläge enthält, um entweder die Kontraktion und/oder die Streckung des Aktuators zu begrenzen, dann wird der "Hub" der Abstand zwischen dem Begrenzungsanschlag/den Begrenzungsanschlägen sein, der geringer als der "Hub" sein kann, wenn kein Begrenzungsanschlag/keine Begrenzungsanschläge vorhanden wäre/wären.
Ein "Hub-multiplizierender" SMA-Aktuator ist ein SMA-Aktuator, bei dem der Hub des Aktuators größer als die Kontraktion oder Streckung eines SMA-Drahts der externen Länge des Aktuators in der Richtung seiner Streckung oder Kontraktion ist.
Bei einem ersten Aspekt stellt diese Erfindung Hub-multiplizierende SMA-Aktuatoren bereit, d.h. SMA-Aktuatoren, die imstande sind, im Wesentlichen die volle Kraft der sie umfassenden SMA-Drähte bereitzustellen, während ein größerer Hub erreicht wird, als durch ein SMA-Draht der Länge des Aktuators erreichbar ist (wobei "Länge" als die Länge des Aktuators in der Richtung der Achse der SMA-Drähte definiert wird), wodurch Hub-Multiplikation ohne bedeutende Kraftverringerung erreicht wird.
Diese Hub-Multiplikation ohne bedeutende Kraftverringerung ermöglicht, dass dünne SMA-Drähte benutzt werden können, was zu einer stark erhöhten Ansprechempfindlichkeit aufgrund der nichtlinearen Abhängigkeit der Drahtabkühl-Geschwindigkeit von dem Drahtdurchmesser führt. Wie in der SMA-Aktuatortechnik bekannt ist, ist je Längeneinheit die Masse des zu kühlenden Drahts proportional der Querschnittsfläche des Drahts (eine Funktion des Quadrats des Drahtdurchmessers), während die Abkühlrate proportional der Oberfläche des Drahts (eine Funktion des Durchmessers) ist. Tatsächlich wird dieses Verhältnis durch die Wärmeleitfähigkeit des Drahts selbst weiter kompliziert, wobei es jedoch ersichtlich ist, dass die Abkühlrate eines SMA-Drahts von seiner A_f-Temperatur zu seiner M_f-Temperatur im Wesentlichen mit der Abnahme im Drahtdurchmesser abnimmt. Dies vermindert die Zykluszeit eines SMA-Aktuator, da die Aufwärmzeit von der M_f-Temperatur zu der A_f-Temperatur immer im Wesentlichen kürzer als die Abkühlzeit sein wird, vorausgesetzt, dass ausreichendes Leistung angelegt wird, um eine schnelle Erwärmungsrate zu erreichen. Während beispielsweise ein Aktuator mit einem Draht von 250 μm Durchmesser eine Zykluszeit von 6–7 s oder mehr aufweist, weist ein Aktuator mit einem 50 mm Durchmesser Draht eine Zykluszeit von weniger als etwa 1 s und ein Aktuator mit 37 μm Durchmesser Draht eine Zykluszeit von etwa 0,4 s auf.
Die Grundausgestaltung des Hub-multiplizierenden SMA-Aktuators umfasst eine Mehrzahl von parallelen, einschließlich konzentrisch angeordneten, starren (d.h. nicht-SMA) Elemente, die frei sind, sich bezogen zueinander zu verschieben, wobei jedes miteinander durch SMA-Drähte auf eine derartige Art und Weise verbunden ist, dass der Hub des Aktuators im Wesentlichen gleich der Summe der Hübe der einzelnen SMA-Drähte ist.
Bei einer ersten Ausführungsform sind, wie in 3 gezeigt ist, die verschiebbaren starren Elemente 301, 302, 303 und die SMA-Drähte 311, 312, 313, die jeweils an Punkten 321 und 331, 322 und 332, 323 und 333 befestigt sind, des allgemein bei 30 gezeigten Aktuators derart angeordnet, sodass, wenn die SMA-Drähte 311, 312, 313 kontrahieren, jeder an einem Ende eines starren Elements zieht, dessen anderes Ende an dem nächsten Draht befestigt ist. Auf diese Art und Weise wird die Verschiebung eines Drahts zu dem nächsten der Reihe nach hinzugefügt. Ein Ende 341 des starren Elements 301 kann durch jedes geeignete Mittel an einem Punkt befestigt werden, und das Ende 333 des Drahts 313 kann an einem anderen Punkt befestigt werden, wobei die beiden Punkte entweder beide bewegbar oder gewöhnlicherer Weise einer bewegbar und einer fest ist, sodass der Abstand zwischen den Punkten verringert wird, wenn die Drähte 311, 312, 313 kontrahieren. Der doppelköpfige Pfeil A gibt die Bewegungsrichtung an, wobei die Kontraktion der SMA-Drähte eine Kontraktion des Abstands zwischen den Punkten 321 und 333 verursacht. Eine beliebige Anzahl von Drähten und Elementen kann kombiniert werden, um jede gewünschte Verschiebung zu erreichen.
Beispielsweise wird, falls das Element 301 an einem Substrat starr befestigt ist und die Elemente 302 und 303 bezogen zueinander und dem Element 301 verschiebbar sind, wenn die SMA-Drähte erwärmt werden und kontrahieren, und jeder etwa 3% kontrahiert, die endgültige Kontraktion der Anordnung von dem Befestigungspunkt 341 zu dem Befestigungspunkt 333 etwa 9% betragen, was etwa eine dreifache Multiplikation der Verschiebung ohne Verringerung der ausgeübten Kraft mit Ausnahme des geringfügigen Reibungsverlust innerhalb des Aktuators darstellt. Die Ausgestaltung liefert somit die Vorteile eines langen geraden Drahts, jedoch in einer kompakteren Form, ohne die verfügbare Kraft zu verringern. Außerdem bedeutet die Tatsache, dass alle Drähte gerade sind, dass das Problem des Mindestbiegeradius des SMA-Draht hypothetisch ist, was es möglich macht, die Anordnung auf einen Maßstab von einigen Zentimetern, beispielsweise bis hinab zu 1 cm oder weniger, und potentiell bis hinab auf einen mikroskopischen Maßstab zu miniaturisieren.
Die Steifigkeit jedes der Elemente muss ausreichend sein, sodass sich der Aktuator nicht verbiegen wird, wenn die Drähte kontrahieren, wobei jedoch, weil der Aktuator in einem Gehäuse eingeschlossen sein kann, das das Verbiegen der Elemente verhindert (falls ein derartiges Gehäuse aus einem geeigneten reibungsarmen polymeren Material, wie beispielsweise PTFE oder einem anderen Fluoropolymer, hergestellt oder mit diesem beschichtet ist, wird es ebenfalls wirken, um eine reibungsarme Umgebung für die Verschiebung der starren Elemente bereitzustellen), ist keine ungewöhnliche Festigkeit erforderlich. Ein Aktuator dieses Typs (nebeneinanderliegende Anordnung) kann, wie aus der Zeichnung offensichtlich ist, verglichen mit seiner Länge und Breite flach gemacht werden, was ihn insbesondere bei einer Situation eines eingeengten flachen Raums brauchbar macht.
Die Leistungsversorgung zu den SMA-Drähten 311, 312, 313 kann für jeden Draht einzeln sein, wobei ein maximale Steuerung der Bewegung und Streuung der Spitzenleistungsaufnahme ermöglicht wird (falls die Drähte sequentiell aktiviert werden, weil der Strom, der erforderlich ist, um einen Draht auf seine A_f-Temperatur zu erwärmen, größer als der Strom ist, der erforderlich ist, um den Draht über seiner A_f-Temperatur zu halten, sobald die Temperature erreicht ist). Dies ist eine bedeutende Überlegung bei batterieangetriebenen Vorrichtungen, bei denen die Lebensdauer der Batterie zu einem Ausmaß von der Rate der Stromentnahme abhängt; wobei es allerdings Kosten wegen des Bedarfs an zahlreichen Zuführungen und erhöhter Steuerkapazität gibt. Die Leistungsversorgung kann ebenfalls gewöhnlicher von einem Ende des Aktuator zu dem anderen in einem einzelnen Lauf sein, so dass lediglich zwei Zuführungen erforderlich sind und die Steuerung vereinfacht wird. In dieser Situation müssen die Punkte 331 und 332 an dem Element 302 und die Punkte 332 und 323 an dem Element 303 elektrisch verbunden sein, sodass ein Strom von dem Punkt 321 zu dem Punkt 333 fließen kann, wodurch damit alle drei Drähte 311, 312, 313 gleichzeitig kontrahieren, wenn eine Spannung an die Punkte 321 und 333 angelegt wird. Falls die starren Elemente nichtleitend sind, müssen geeignete elektrische Pfade (Überbrückungsdrähte) bereitgestellt werden, um die erforderliche elektrische Verbindung herzustellen. Falls die starren Elementen selber leitend sind und die SMA-Drähte an ihnen auf eine elektrisch leitende Art und Weise befestigt sind, dann werden die starren Elemente selber als die Überbrückungsdrähte dienen, wobei dies jedoch erfordert, dass die SMA-Drähte selber elektrisch isoliert sind oder von den starren Elemente, ausgenommen an den Befestigungspunkten 321, 323, 331, 332, beabstandet sind, um sicherzustellen, dass Strom vollständig durch die SMA-Drähte läuft.
Bei einer zweiten Ausführungsform können, um den Raumbedarf des Aktuator weiter zu minimieren, die starren Elemente als konzentrische Rohre angeordnet sein, wobei die SMA-Drähte an der Außenseite des Rohr angebracht sind, wie in 4A und 4B gezeigt wird. In 4A umfasst der allgemein bei 40 gezeigte Aktuator zwei Rohre (oder ein äußeres Rohr und einen inneren Stab), wobei das äußere Rohr 401 an einer geeigneten Struktur (nicht gezeigt) verankert ist, und ein Ende 412 des SMA-Drahts 411 auf eine Sehnen-ähnliche Art mit der Last verbunden ist, auf die zu wirken ist (ebenfalls nicht gezeigt). Das inneres Rohr/der innere Stab 402 verschiebt sich in dem äußeren Rohr 401. Das andere Ende des Drahts 411 ist an einem Befestigungspunkt 413 an einem Ende des inneren Rohrs/Stab 402 befestigt, während ein zweiter Draht 421 an dem andere Ende des inneren Rohrs/Stabs 402 am Befestigungspunkt 422 und ebenfalls an einem Befestigungspunkt 423 verbunden ist, der starr mit dem äußeren Rohr 401 verbunden ist. Typischerweise ist das innere Rohr/der innere Stab 402 elektrisch leitend, wodurch ein elektrischer Pfad von Punkt 412 zu Punkt 423 durch beide in Reihe geschaltete SMA-Drähte mit den an Punkten 412 und 423 verbundenen Leistungszuführungen abgeschlossen ist. Das äußeres Rohr kann nichtleitend sein; wobei es jedoch isoliert oder elektrisch von dem inneren Rohr getrennt ist, falls es leitend ist. In 4B besteht der allgemein bei 43 gezeigte Aktuator aus einem äußeren Rohr 431 mit einem Paar von gegenüberliegenden inneren Rohren/Stäben 432A, 432B, die jeweils mit einer unterschiedlichen Struktur (nicht gezeigt) verbunden sind, um eine Kraft zwischen ihnen auszuüben. Ein Ende des SMA-Drahtes 441A ist am Befestigungspunkt 442A mit dem äußeren Rohr 431 verbunden, und das andere Ende ist am Befestigungspunkt 443A mit dem freigelegten Ende des inneren Rohrs/Stabs 432A verbunden. Die Kontraktion des Drahts 441A drängt somit das innere Rohr/Stab 432A in das äußere Rohr 431. Auf ähnliche Weise drängt die Kontraktion des Drahts 441B das innere Rohr/den inneren Stab 432B in das äußere Rohr 431 von der entgegengesetzten Richtung. Dies erzeugt einen gegenüberliegenden Aktuator, und wenn die inneren Enden 433A und 433B mit einer zu bewegenden Struktur (nicht gezeigt) durch eine Apertur in dem äußeren Rohr 431 verknüpft wären, könnte diese Struktur in einer Richtung oder der anderen entlang der Achse von dem äußeren Rohr 431 durch Anlegen von Leistung an einen oder anderen der Drähte 441A und 441B bewegt werden. Diese Konfiguration kann in einen Hub Multiplizieren SMA-Aktuator durch einen Aktuator von dem Typ modifiziert werden, der allgemein in 4A für jeden der Halb-Elemente des Aktuators 43 gezeigt wird.
Offensichtlich können beide Konfigurationen dieser Aktuatoren mit konzentrischen Rohren durch Hinzufügen konzentrischer Rohre zu der Vorrichtung gestreckt werden, um größere Verschiebungen zu erreichen. Um die verfügbaren gelieferte Kraft zu erhöhen, können mehrere parallele SMA-Drähte an dem gleichen Gestellrahmen ohne irgendeine Zykluszeit-Penalty verwendet werden.
Ein Prototypsatz von Aktuatoren wurde in einem Maßstab aufgebaut, der zum Implementieren eines sechsbeinigen, Stiquito-ähnlichen, gehenden Roboters geeignet ist. Die resultierende Vorrichtung kann mit einer Geschwindigkeit von näherungsweise 1 cm/s gehen, was sehr vorteilhaft mit Stiquito's 3–10 cm/min verglichen werden kann. Bei dieser Ausführungsform wurden die bei diesen Aktuatoren verwendeten konzentrischen Rohre aus Aluminium hergestellt. Das äußere Rohr hatte eine Länge von 4 cm, einen Außendurchmesser von 2,4 mm, und der Aktuator erzeugte einen Hub von mindestens 3,2 mm. Der SMA-Draht wurde an den Aluminumrohren mit kleinen Muttern und Schrauben aus Messing der Größe 00–90 verankert. Die verwendete SMA war eine Flexinol TiNi-Legierung (Dynalloy, Inc.) mit einem Durchmesser von 50 μm, die eine Kraft von 35 g erzeugte. Die SMA wurde mit einem 1 kHz PWM-Signal erwärmt, das ein Maximum von 110 mA bei einer Amplitude von 6 V lieferte. Zwei parallele SMA-Drähte waren an den Rohren bestimmter Aktuatoren (jene, die für das Tragen des Gewichts des Roboters verantwortlich sind) befestigt und lieferten so eine Kraft von 70 g. Die Zykluszeit für beide Arten von Aktuator betrug ungefähr 0,7 s.
Bei einer bevorzugteren dritten Ausführungsform besteht der Aktuator aus einem Satz von gestapelten parallelen Platten, die elektrisch voneinander isoliert und durch SMA-Drähte verbunden sind. Der Aufbau eines derartigen Aktuators wird in 5 bis 8 gezeigt.
5 zeigt konzeptionell einen derartigen Aktuator mit gestapelten Platten, der allgemein bei 50 gezeigt wird, der drei starre leitende Platten 511 bis 513 umfasst, die durch zwei SMA-Drähte 521 und 522 verbunden sind. Der Draht 521 ist mit der Platte 511 an einem Befestigungspunkt 521A und mit der Platte 512 an einem Befestigungspunkt 521B verbunden, während der Draht 522 mit der Platte 512 an einem Befestigungspunkt 522A und mit der Platte 513 an einem Befestigungspunkt 522B verbunden ist. Die Platten 521 bis 523 werden beabstandet und elektrisch voneinander isoliert, wie beispielsweise durch Lagen aus reibungsarmem polymeren Material (z.B. PTFE oder ein anderer fluorierter Polymer, oder einem Polyamid, wie beispielsweise ein Nylon oder Kapton), das zwischen ihnen angeordnet ist, oder durch eine Beschichtung aus reibungsarmem polymeren Material, das auf die Platten aufgebracht wurde, so dass sich die Platten ohne weiteres bezogen zueinander verschieben können. Die Platte 511 ist mit einem externen Befestigungspunkt versehen, der als Apertur 5111 an dem Ende benachbart dem Drahtbefestigungspunkt 521A gezeigt wird, während die Platte 513 mit einem externen Befestigungspunkt versehen ist, der als Apertur 5131 an dem Ende benachbart dem Drahtbefestigungspunkt 522B gezeigt wird. Wenn elektrische Leistung an den Aktuator zwischen Punkten auf den Platten 511 und 513 angelegt wird, werden die SMA-Drähte 521 und 522 erwärmt und kontrahieren, wodurch sich die externen Befestigungspunkte 5111 und 5131 näher zusammen bewegen. Der Hub des Aktuators wird ungefähr die Summe der Kontraktion der Drähte 521 und 522 und daher etwa das zweifache der Kontraktion jedes einzelnen Drahts sein, wobei jedoch die ausgeübte Kraft nicht wesentlich niedriger als die durch jeden Draht ausgeübte Kraft sein wird. Es wird offensichtlich sein, dass ein erhöhter Hub für den Aktuator einfach durch Erhöhen der Anzahl von Platten und Drähten erhalten werden kann.
Eine Variation an dem in 5 gezeigten Aktuator wird in 6, 7, 8A und 8B gezeigt.
6 zeigt eine "1-Träger-" oder "Hundeknochen"-förmige Platte für diesen Aktuator. Die allgemein bei 60 gezeigte Platte umfasst einen verlängerten Schaft 61 und Enden 62 und 63. Externe Befestigungspunkte 62A und 63A, die beispielsweise Öffnungen sein können, in denen externen Sehnen oder dergleichen verbunden werden können, können an einem oder beiden Enden der Platte vorhanden sein. Obwohl lediglich ein Ende der obersten Platte und das andere Ende der untersten Platte typischerweise extern verbunden sein wird, um die Kraft des Aktuator zu einer externen Last zu befördern, kann es für alle Platten zweckmäßig sein, gleich ausgeführt zu werden. An Enden 62 und 63 sind ebenfalls Drahtbefestigungspunkte 62B und 63B vorhanden. Diese werden zweckmäßigerweise an den Seiten der Enden gezeigt, wobei sie jedoch befestigt sein können, wo immer es zweckmäßig ist. Es ist ebenfalls möglich, dass ähnliche Drahtbefestigungspunkte an den Seiten der Enden vorhanden sein können, wodurch ermöglicht wird, dass zwei Drähte zwischen jedem Paar von Platten verknüpft und die von dem Aktuator verfügbare Kraft verdoppelt wird.
7 ist eine perspektivische Ansicht, die einen allgemein bei 70 gezeigten Aktuator mit sechs gestapelten Platten 71 bis 76 und fünf SMA-Drähten 711 bis 715 zeigt. In dieser Figur werden die Drähte schlaft und der Aktuator in seiner gestreckten Position gezeigt. Die Platten 71 bis 76, die aus einem leitenden Material, wie beispielsweise Messing, hergestellt sind, werden durch isolierende Schichten (nicht gezeigt) in einem Gehäuse 77 gehalten, das die Platten drängt, sich parallel zu bewegen. Das Gehäuse 77 wird typischerweise aus einem thermoplastischem polymeren Material, wie beispielsweise Polycarbonat, Polystyrol oder dergleichen, hergestellt. Leistung kann an den Aktuator zwischen dem Punkt 711A (bei dem der Draht 711 an der Platte 71 befestigt ist) und dem Punkt 715B (bei dem der Draht 715 an der Platte 76 befestigt ist) oder, da die Platten elektrisch leitend sind, an beliebigen Stellen an den Platten 711 und 715 angelegt werden, und eine Schaltung wird durch alle sechs Platte und fünf Drähte vollständig sein.
8A und 8B sind Seitenansichten eines ähnlichen Aktuators, in denen 8A (wie 7) den Aktuator in einer gestreckten Position und 8B ihn in einer kontrahierenden Position zeigt, wobei die starken Pfeile die Richtung der Kontraktion zeigen. Hier wurde die Kontraktion als symmetrisch gezeigt, so dass sich die Enden der Platten ausrichten, wobei dies jedoch keine Anforderung ist. Der Hub dieses Aktuator wird ungefähr das fünffache der Kontraktion jedes einzelnen Drahtes sein, während die Kraft, die durch den Aktuator ausgeübt werden kann, nicht wesentlich niedriger als die durch einen Draht ausgeübte Kraft sein wird.
Obwohl der Aktuator (wie alle SMA-Aktuatoren dieser Erfindung) durch Kontraktion des SMA-Drahtes arbeitet, wenn er erwärmt wird, so dass der Aktuator in der Länge abnimmt, wie in 8B gezeigt ist, wird ein Fachmann ohne weiteres verstehen, dass es möglich ist, eine der Platten, wie beispielsweise die Platte 76, mit einer Verlängerung 761 an dem gegenüberliegenden Ende der Platte von dem Ende mit dem Befestigungspunkt 715B zu verlängern. Durch Vergleichen der relativen Positionen des Befestigungspunkts 711A und der Verlängerung 761 in 8A und 8B ist ersichtlich, dass sich die Verlängerung 761 weit über den Befestigungspunkt 711A erstreckt, wenn der Aktuator kontrahiert wird. Somit kann durch eine geeignete Verlängerung einer der äußersten Platten und eine Befestigung der anderen äußersten Platten ein auf Kontraktions-gestützter Aktuator drücken so wie ziehen.
Bei dieser Variation von 6 bis 8B wurden, wie oben erwähnt, die SMA-Drähte lediglich an einer Seite der Enden gezeigt, wobei es jedoch möglich ist, einen zweiten Satz von Drähten an der anderen Seite der Enden aufzuweisen, um die Betätigungskraft zu verdoppeln. Wie zuvor erwähnt, kann die Anzahl der Platten und Drähte wie gewünscht erhöht werden, um den Hub des Aktuators zu erhöhen.
Ein Merkmal, das verfügbar ist, um die Gesamtspannung zu minimieren, die erforderlich ist, um einen Mehrplatten-Aktuator zu treiben, wenn die Anzahl der Platten zunimmt, besteht darin, eine ungerade Anzahl von Platten (gerade Anzahl von SMA-Drähten) zu verwenden, anstatt Leistung an den Aktuator zwischen den äußersten Platten anzulegen (wobei der Widerstand des Aktuators unter der Annahme, dass der Plattenwiderstand bedeutend niedriger als der Drahtwiderstand ist, die Summe der Widerstände aller Drähte sein wird), wobei die äußersten Platten elektrisch verknüpft und Leistung zwischen diesen beiden äußersten Platten und der mittleren Platte angelegt wird (wobei der Widerstand der Aktuatoren dann die Hälfte der Summe der Widerstände aller Drähten sein wird). Dies ermöglicht die Verwendung einer niedrigeren Versorgungsspannung, obwohl die Stromaufnahme verdoppelt werden wird.
Bei einem zweiten Aspekt stellt diese Erfindung einen Hub-multiplizierenden SMA-Aktuator mit einzigem Draht bereit, der eine Hub-Multiplikation ohne wesentliche Kraftverringerung und ohne Zurückgreifen auf eine mechanisch komplexe Lösung, wie Rollen, oder auf Mechanismen die die verfügbare Kraft verringern, erreicht.
Die grundlegende Ausgestaltung dieses Aspekts der Erfindung umfasst, wie schematisch in 9 gezeigt ist, zwei parallele hohle, reibungsarme, nichtleitende Rohre oder Stäbe 901 und 902 mit einem SMA-Draht 910, der um sie gewickelt ist, als ob sie Rollen wären. Die Rohre/Stäbe, die eine Radius aufweisen, der größer als der Mindestbiegeradius des SMA-Drahts ist (wie zuvor erläutert, ist dieser Mindestbiegeradius für wiederholbaren Austenit/Martensit-Übergang etwa das fünfzigfache des Drahtdurchmessers), sind aus einem reibungsarmen polymerem Material hergestellt oder mit diesem abgedeckt, das imstande ist, der Temperatur des SMA-Drahts zu widerstehen, wenn der SMA-Draht erwärmt wird. Die Rohre/Stäbe werden an einem Rahmen angebracht, der in der Figur als ein Paar von Platten 921 und 922 gezeigt wird, der starr ist, so dass die Rohre/Stäbe mit einem konstanten Abstand getrennt gehalten werden. Wenn der SMA-Draht 910 erwärmt wird (z.B. indem ein elektrischer Strom durch ihn geleitet wird), kontrahiert er und verschiebt sich über die reibungsarmen Rohre/Stäbe, was bewirkt, dass sich das Ende des Drahts in der Richtung des Pfeils bewegt. Aufgrund der reibungsarme Natur der Rohre/Stäbe, verschiebt sich der SMA-Draht über sie ohne nennenswerten Verlust der verfügbaren Kraft, was ermöglicht, dass ein dünnerer SMA-Draht benutzt werden kann, was zu einer stark erhöhten Ansprechfähigkeit aufgrund der nichtlinearen Abhängigkeit der Abkühlgeschwindigkeit von dem Drahtdurchmesser führt. Geeignete Polymere für die Rohre/Stäbe oder ihre Beschichtungen sind PTFE und andere fluorierte Polymere. Diese können nicht nur hohen Temperaturen widerstehen, sondern ebenfalls Wärme effizient leiten, so dass die Rohre/Stäbe ebenfalls als Wärmesenken für den SMA-Draht wirken, wobei die Ansprechfähigkeit des resultierenden Aktuators weiter verbessert wird. Das Ergebnis ist ein Aktuator, der kleiner und viel mehr ansprechbar ist, als mit herkömmlichen Verfahren erreicht werden könnte, der jedoch die mechanische Komplexität von Rollen vermeidet.
Eine Variation dieses Aspekts besteht darin, ein schmale Rohrleitung 931, 932 zu verwenden, die aus einem Polymer hergestellt oder mit diesem innen beschichtet ist, wie beispielsweise PTFE oder ein anderes Fluorpolymer, und die einen Innendurchmesser aufweist, der geringfügig größer als der Durchmesser des SMA-Drahts ist, um den Draht zu umschließen, wenn er über die Rohre/den Stab 901 läuft, wie in 10 dargestellt ist (die lediglich ein Ende des Aktuators zeigt, wobei das andere Ende ähnlich ist). Diese Anordnung erhöht den Wärmesenkeneftekt der Rohrleitung und erlaubt ebenfalls die Verwendung von leitenden Rohren/Stäben. Für SMA-Drähte mit kleinem Durchmesser, bei denen die auf die Rohrleitung 931 durch den SMA-Draht ausgeübte Kraft niedrig ist, kann das Rohr/der Stab 901 weggelassen werden, wie in 11 gezeigt ist, die dies nur für eine einzige Biegung in dem SMA-Draht veranschaulicht (wobei es offensichtlich ist, dass die anderen Biegungen in dem SMA-Draht auf ähnliche Weise behandelt werden können).
Ein Beispiel, wie derartige Aktuatoren implementiert werden können, wird schematisch in 12 gezeigt. Hier werden vier Aktuatoren in einer antagonistischen Konfiguration verwendet, um ein Gelenk mit zwei Freiheitsgraden zu implementieren, wie beispielsweise bei einem Roboter-Hüftgelenk verwendet werden könnte. SMA-Drähte 1201, 1202, 1203 und 1204 (nicht gezeigt, weil sie in dieser Figur durch das Glied 1221 verdeckt werden) laufen jeweils über reibungsarme Rohre/Stäbe 1211, 1212, 1213, 1214, die an einer Platte 1200 angebracht sind. Eine ähnliche Platte und ein Satz von Stäben bilden den "Rücken" des Aktuators (gezeigt, jedoch nicht nummeriert). Lediglich die Enden des Drahts, die sich von der "Front" des Aktuators über die Rohre/Stäbe erstrecken, werden gezeigt, um die Komplexität zu minimieren und das Verständnis der Figur zu vereinfachen, obwohl die Anordnung für jeden SMA-Draht die gleiche wie die ist, die vollständiger in 9 gezeigt wird. Durch Antreiben der SMA-Drähte kann das distale Ende 1223 des Glieds 1221, wobei das Glied von der Platte 1200 durch ein Gelenk 1222, wie beispielsweise ein Kugelgelenk, gelenkig bewegt wird, dazu gebracht werden, sich nach oben oder unten, links oder rechts zu bewegen, wie durch die Pfeile an dem Ende des Glieds dargestellt wird. Das Antreiben der SMA-Drähte in Kombination kann jede gewünschte diagonale oder gekrümmte Bewegung erzeugen.
Wenn viele Aktuatoren in einem kleinen Raum erforderlich sind, können das Rahmenwerk und die Rohrleitungen durch mehrere Aktuatoren gemeinsam benutzt werden; beispielsweise durch ein gegenüberliegendes Paar von Aktuatoren, die sich über die gleichen Stäbe bewegen, wobei jedoch die SMA-Drähte aus gegenüberliegenden Seiten des Rahmenwerks herauskommen. In einem derartigen Fall können die Aktuatoren unabhängige Drähte sein, sodass sie unabhängig aktiviert werden, wodurch die Größe des gepaarten Aktuatorsystems verringert wird. Es ist ebenfalls möglich, einen einzigen Draht für ein Paar von Aktuatoren bei einer derartigen Konfiguration zu verwenden, wobei der Draht an seiner Mitte befestigt ist. Falls diese Mitte ein elektrischer Kontakt ist, kann jede Hälfte des Drahts unabhängig angetrieben werden, was zu einem gepaarten, jedoch unabhängigem Doppel-Aktuatorsystem führt (obwohl beide Aktuatoren natürlich gleichzeitig aktiviert werden könnten). Falls diese Mitte nicht als ein elektrischer Kontakt verwendet wird, oder falls beide Endpunkte des Drahts elektrisch verknüpft sind, sodass in jedem Fall der gesamte Draht angetrieben wird, dann ist das Ergebnis ein einziger Aktuator, der sich bewegt und eine kontraktile Kraft auf zwei gegenüberliegende Punkten ausübt. Derartige Konfigurationen sind besonders auf symmetrische Vorrichtungen anwendbar; wie beispielsweise ein Paar von Beinen an gegenüberliegenden Seiten eines mehrbeinigen gehenden Roboters, wie beispielsweise ein Insekt, eine Spinne oder ein Hundertfüßler; und es ist ohne weiteres vorstellbar, dass gepaarte Aktuatoren angeordnet werden können, so dass sich die gegenüberliegenden Beine gleichzeitig in einer Richtung, z.B. beide auf einmal nach vorne, oder in entgegengesetzte Richtungen, z.B. eines nach vorne und eines nach hinten, bewegen. Bei derartigen spezialisierten Einsätzen kann die Anzahl von Aktuatoren und die Komplexität der Betriebsschaltungsanordnung durch Verwenden gepaarten Aktuatoren verringert werden, wie hier und anderswo in dieser Anmeldung beschrieben wird.
Bei einem dritten Aspekt stellt diese Erfindung einen sehr kompakten und einfachen Controller-Mechanismus für Arrays von SMA-Aktuatoren dar, die mit dem PWM-Schema erwärmt werden und die Widerstand als den Rückkopplungsmechanismus verwenden (ein Verfahren, das in der Technik bekannt ist und schematisch in 13 dargestellt wird). In 13 liefert der PWM-Generator 1302 den PWM-Impuls an das SMA-Element 1303 bei einer durch den Controller 1301 spezifizierten relativen Einschaltdauer und Periode. Während der Aus-Period des PWM-Impuls misst das Widerstandsmesssystem 1306 den Widerstand des SMA-Elements, der abgetastet und in dem Abtast- und Halte-System 1305 gehalten wird. Diese Aus-Perioden-Abtastung vermeidet das Risiko möglichen Fehl-Abtastens während einer kurzen An-Periode. Das Analogsignal in dem Abtast- und Halte-System 1305 wird zu dem A/D-Wandler 1304 geleitet und in digitale Form umgewandelt, wobei es durch den Controller 1301 gelesen werden kann. Diese Information kann dann durch den Controller verwendet werden, um die relativen Einschaltdauer des PWM-Generators zu verändern, um die gewünschte Position des SMA-Elements zu erreichen. Bei Systemen mit mehr als einem SMA-Element müssen alle Systeme in der gestrichelten Kästchen in 13 für jeden Aktuator dupliziert werden, was wesentlich zu den Kosten und der Komplexität der sie enthaltenden Vorrichtung beträgt. Es ist bekannt, den Controller über eine Anzahl von Abtast- und Halte-Systemen zu multiplexen, wodurch die Anzahl erforderlicher A/D-Wandler auf gerade einen verringert wird.
Diese Erfindung vermeidet die Duplizierung von Schaltern hohen Stroms, die durch Verfahren, wie beispielsweise jene erforderlich ist, die durch US-Patent Nr. 5 763 979 offenbart werden, das oben erläutert und in 13 dargestellt wird, und verwendet eine Zeitsteuerung, um den Bedarf für Abtast- und Halte-Systeme zu eliminieren. Die Komplexität des Widerstandsmess-Systems wird ebenfalls sehr verringert.
Bei diesem Aspekt der Erfindung weisen, wie schematisch in 14 dargestellt ist, alle SMA-Aktuatoren eine synchronisierte relative Einschaltdauer auf. Ein Interrupt wird in dem PWM-Controller 1401 am Anfang jedes Zyklus von "power on" von dem PWM-Treiber 1402 zu dem SMA-Element 1403 erzeugt, und der Controller initiiert eine Analog/Digital-Wandlung in dem A/D-Wandler 1404. Auf diese Art und Weise wird der PWM-Impuls sowohl als Erwärmungs- als auch Widerstandmess-Spannung verwendet. Die relative Mindesteinschaltdauer wird berechnet, um länger als die Zeit, die benötigt wird, um eine einzige A/D-Wandlung durchzuführen, plus einer Zugabe für Interrupt-Latenzzeit zu sein.
Eine zweite Änderung von der herkömmlichen Ausgestaltung besteht darin, dass die Eingänge in das Widerstandsmess-System 1405 multiplext werden, so dass das Widerstandsmess-System und der A/D-Wandler zwischen allen Aktuatoren gemeinsam benutzt werden. Auf diese Art und Weise wird lediglich der PWM-Treiber 1402 für jedes SMA-Element 1403 dupliziert (wie in dem gestrichelten Kästchen gezeigt ist). Der Interrupt, der bewirkt, dass eine neue A/D-Wandlung startet, wählt seinerseits ebenfalls den nächsten abzutastenden Aktuator durch Programmieren des Multiplexers 1407 aus. Daher wird während jeder PWM-Periode genau ein Aktuator abgetastet, und wenn der Controller die Wandlung einleitet, ist das PWM-Signal bestimmt "an". Da das Widerstandsmess-System hinter einem Multiplexer ist, der lediglich angeschaltet wird, wenn the Impuls high ist, kann es außerdem sehr einfach sein. Zum Beispiel kann es lediglich eine einzigen Widerstand umfassen. Dies kann vorteilhaft mit den komplexen Stromquellen und Brückenschaltungen verglichen werden, die bei der oben erläuterten Veröffentlichung von K. Ikuta, M. Tsukamoto, S. Hirose, "Shape Memory Alloy Servo Actuator with Electrical Resistance Feedback and Application for Active Endoscope", verwendet werden, die den Widerstand während der Aus-Period des PWM-Impulses messen. Das System ist ebenfalls viel kompakter als das, was in dem oben erläuterten US-Patent Nr. 5 763 979 beschrieben wird, weil es einen Schalter hohen Stroms je Aktuator eliminiert, wobei bedeutende Platz- und Kostenersparnisse verwirklicht werden, da in den meisten Fällen diese Schalter der größte und kostspieligste Teil des Controllers sind.
Während die Multiplexer die abzutastenden Aktuatoren sequentiell in einer Reihum-Weise (round robin fashion) auswählen können, inkrementiert ein alternatives Abtastschema den Multiplexer in den nächsten abzutastenden Aktuator, wobei der Stromverbrauch des Systems berücksichtigt wird. Beispielsweise können die Aktuatoren mit einer relativen Einschaltdauer von 0% (d.h. ausgeschaltet) übersprungen werden. Bei vielen Anwendungen wird lediglich eine begrenzte Anzahl der verfügbaren Aktuatoren zu einer bestimmten Zeit aktiv erwärmt, so dass diese Vorgehensweise die Abtastrate jener Aktuatoren bedeutend erhöhen kann, die aktiv gesteuert werden.
Eine PWM-Steuerung ist besonders attraktiv, weil viele kommerzielle Mikrocontroller eingebaute Hardware zum Erzeugen von PWM-Signalen enthalten, wobei der Berechnungszusatzaufwand an dem Controller verringert wird; der PWM-Ausgang wird ebenfalls häufig bei Sound-Chips (wie beispielsweise jene, die bei "sprechenden" Grußkarten und dergleichen verwendet werden) als ein kostengünstiger D/A-Wandlungs-Mechanismus verwendet, was diese Niedrigpreis-Chips als Controller für SMA-Aktuatoren dieser Erfindung geeignet macht. Beispielsweise könnte ein Zweikanal-Sound-Chip verwendet werden, um sowohl Sound als auch Bewegung in einem kompakten Niedrigpreis-Modul zu erzeugen. Bei einigen Anwendungen kann eine volle PWM-Steuerung nicht erforderlich sein, und ein kostengünstiger Zeitgeber-Chip könnte ebenfalls verwendet werden, um die erforderlichen Digitalsignale zu erzeugen. Die PWM-Steuerung verringert außerdem die Stromaufnahme, wenn ein Temperatursignal (tatsächlich ein R_sma-Signal) verfügbar ist, weil kein Strombegrenzungswiderstand benötigt wird, um die Überhitzung des SMA-Elements zu verhindern. Weil der Stromfluss in einem SMA-Draht dazu neigt (wie bei allen massiven Leitern), an der Oberfläche des Drahtes konzentriert zu sein, gibt es hier das Risiko von "Wärmepunkten (hot-spots)" und ungleichmäßiger Wärmeverteilung, was die Lebensdauer des Drahtes verringert. Ein Pulsieren der aktivierenden Spannung macht Wärmeleitung in dem SMA-Draht möglich, um zu gleichmäßigerer Wärmeverteilung zu führen. Ferner ist bei einem herkömmlichen DC Steuersystem der SMA-Strom effektiv konstant und relativ niedrig, weil er durch den Strombegrenzungswiderstand bestimmt wird, dessen Wert gewählt wird, um Überhitzung des SMA-Elements zu vermeiden, sobald es vollständig kontrahiert ist. In einem PWM- oder gepulsten Schema mit Widerstandsrückkopplung kann eine hohe relative Einschaltdauer verwendet werden, um das SMA-Element anfangs zu erwärmen, was zu einer schnellen Anfangsbewegung führt. Die relative Einschaltdauer kann verringert werden, wenn das SMA-Element die gewünschte Position erreicht, wobei lediglich genug Leistung geliefert wird, um das SMA-Element in dem gewünschten Zustand zu halten.
Bei einem weiteren Aspekt verwendet diese Erfindung, anstatt sich bei Entscheidungen für die Positionssteuerung und Kalibrierung auf Ist- oder Spitzenwiderstandswerten zu stützen, die Speicher- und Verarbeitungsleistung von kostengünstigen eingebetteten Mikrocontrollern, um das Verhalten des Widerstands mit der Zeit zu analysieren. Diese Vorgehensweise führt zu einer besseren Performanz für die Kalibrierungs- und Positionssteuerung und ermöglicht ebenfalls, dass Information extrahiert werden kann, die zuvor nicht verfügbar war. Insbesondere kann sich das System automatisch auf SMA-Konfigurationen in einem weiten Betriebsbereich einstellen, kann kontinuierliche Kalibrierungs- und Positionsteuerung durchführen, die an den Aktuator angelegte Last erfassen und ebenfalls mechanische Behinderungen von Kollisionen zwischen dem Aktuator und einem externen Objekt erfassen.
Autokalibrierung
15 zeigt die Beziehung zwischen Leitfähigkeit und Position eines Aktuators, der von unter A_s auf über A_f erwärmt wird. Die Änderung in der Position (Ausmaß der Kontraktion) wird als eine positive Zahl versus Zeit vom Start der Spannungsanlegung als eine durchgezogenen Linie aufgetragen; während die Leitfähigkeit versus Zeit als eine gestrichelte Linie aufgetragen wird. Die Maßstäbe von Position und Leitfähigkeit wurden gewählt, so dass die Ähnlichkeit der Kurven am einfachsten ersichtlich ist, wobei die Verwendung von Leitfähigkeit als ein Analogon der Position veranschaulicht wird. Die Zeit der Erwärmung für einen typischen Aktuator wird etwa 0,3–1 s betragen. Die Leitfähigkeit kann durch Messen des Spannungsabfalls über einen Abfühlwiderstand gemessen werden (wie in 16 veranschaulicht ist). Für eine konstante angelegte Spannung V_sma, die an das SMA-Element angelegt wird, ist der Spannungsabfall über dem Abfühlwiderstand (der einen Widerstand R_sense aufweist) dem Stromfluss durch das SMA-Element und dem Abfühlwiderstand direkt proportional. Die Leitfähigkeit des SMA-Elements (1/R_sma) kann daher ohne weiteres aus dem Strom und folglich aus der durch den A/D-Wandler 1602 gemessenen Spannung berechnet werden. Dieses digitale Spannungssignal ist besonders gut angepasst, um es bei dem Controller/PWM-Generator 1601 zu verwenden. Während der anfänglichen Erwärmung nimmt die Leitfähigkeit (1/Widerstand) ab und ändert dann nach einiger Zeit die Richtung, und beginnt zuzunehmen. Keine Bewegung findet statt, bis sich die Änderung in der Leitfähigkeit umkehrt. Dieser Punkt ist Cmin (Rmax) und entspricht A_s. Normalerweise wird Information in diesem Bereich unter A_s als nutzlos angesehen und von Positionsteuerschemas ausgeschlossen. Analyse und Experimentieren haben jedoch gezeigt, dass die Tiefe und Dauer dieser Umkehrung proportional der an den Aktuator angelegten Last ist. Somit kann durch elektronisches "Zeichnen" einer horizontalen Linie über die Widerstand-Positions-Kurve von Cstart (die Leitfähigkeit ohne Streckung) und Berechnen der Fläche zwischen der Leitfähigkeit/Zeitkurve und dieser Linie (in 15 schattiert gezeigt) und Multiplizieren mit dem passenden Skalenfaktor (experimentell bestimmt), die angelegte Last, gegen die der Aktuator arbeitet, berechnet werden. Diese Messungen können mit Aktuatoren, die einen Hub von lediglich einigen Millimetern aufweisen, mit einem Genauigkeitsgrad durchgeführt werden, sodass der Unterschied zwischen einer und zwei Ein-Cent-Münzen als angelegte Lasten beobachtet werden kann.
Als nächstes kann in 15 ein Bereich einer relativ linearen Beziehung zwischen Position und Leitfähigkeit gefolgt von einer weiteren Umkehrung in der Leitfähigkeitsänderung beobachtet werden. Der obere Teil der Leitfähigkeitsspitze entspricht nicht Rmin, weil sich, wie ersichtlich ist, die Position des Aktuators an diesem Punkt immer noch ändert, was angibt, dass A_f noch nicht erreicht wurde. Systeme, die einen einfachen Spitzendetektor für Rmin verwenden, überschätzen somit Rmin. Eine bessere Performanz wird durch Aufzeichnen des Werts erreicht, bei dem die Leitfähigkeit ein Plateau erreicht. An diesem Punkt ist die Temperatur der Legierung auf oder über A_f, und maximale Verschiebung wurde erreicht.
Da die Erfassung von Rmin und Rmax vollständig von der Zeitvarianz des Widerstands und nicht von seinem Absolutwert abhängt, kann sich das System dynamisch auf SMA-Komponenten verschiedener Längen anpassen. Die Beschränkungen auf die Längen, die unterstützt werden können, sind: (1) die Leistungsversorgung, die verwendet wird, um die SMA zu erwärmen, muss imstande sein, zu bewirken, dass die SMA die A_f-Temperatur erreicht, und (2) der Widerstand der SMA muss groß genug sein, dass die SMA nicht A_f erreicht und sich schneller überhitzt, als das Steuersystem reagieren kann. In praktischer Hinsicht ermöglicht dies dem gleichen Steuersystem, sich auf SMA-Aktuatoren in einem weiten Bereich von Größen automatisch anzupassen; was besonders attraktiv ist, weil bei vielen Anwendungen das Steuersystem eine Anzahl von Aktuatoren von unterschiedlichen Längen gleichzeitig steuern wird.
Widerstandsrückkopplungssteuerung
16 veranschaulicht ein erstes Widerstandsmessverfahren (Widerstandsrückkopplungsverfahren). Der Controller/PWM-Generator sendet einen PWM-Logikimpuls von dem PWM-Ausgang 1601A zu einem Leistungsschalttransistor 1603 (wie beispielsweise einen FET oder einen Bipolartransistor), der ermöglicht, dass Leistung durch das SMA-Element fließen kann. In der Erkenntnis, dass die Widerstandsänderung zwischen den Austenit- und Martensitphasen eines SMA-Elements klein ist, d.h. typischerweise lediglich etwa 10% des Widerstands des SMA-Elements ist, wird die Empfindlichkeit der Messung benötigt.
In 16 wird der Widerstand R_sense gewählt, um einen Wert aufzuweisen, der so klein wie möglich, z.B. etwa 1 Ω ist, so dass der maximale Strom verfügbar ist, um das SMA-Element R_sma zu erwärmen. Dies bedeutet seinerseits, dass die Spannungsänderung über R_sense klein ist und durch einen Verstärker 1602 verstärkt werden muss, bevor sie an den A/D-Stift des Controller/PWM-Generators 1601 gespeist wird.
Für die meisten praktischen Werte der angelegten Spannung V_sma kann die Spannung an dem A/D-Wandler-Stift die maximale annehmbare Spannung (typischerweise etwa 5 V) überschreiten, wenn das PWM-Signal low ist, sodass eine Klemmdiode an dem Ausgang des Verstärkers 1602 verwendet werden kann. Diese traditionell ausgelegte Schaltung erfordert jedoch nicht nur, dass der Controller 1601 eine A/D-Wandlungsfähigkeit aufweist (oder dass ein A/D-Wandler hinzugefügt wird), sondern ebenfalls, dass die Schaltung einen Abfühlwiderstand und einen Verstärker 1602 aufweist.
Bei einer verbesserten Abfühlschaltung, die schematisch in 17 dargestellt wird, werden sowohl der Abfühlwiderstand als auch der Verstärker eliminiert, und der Controller erfordert keine A/D-Wandlungsfähigkeit. Wenn das PWM-Signal am Ausgang 1701A des Controller/PWM-Generators 1701 auf logisch "1" ("an") ist, erlaubt der Schalttransistor 1703 einen Stromfluss durch das mit R_sma bezeichnete SMA-Element; und die Spannung an der Eingangsposition 1701B an dem Controller ist V_sma weniger dem Spannungsabfall über den Schalttransistor 1703. Die gleiche Spannung wird an dem Nicht-Masse-Anschluss des Kondensators C beobachtet. Da die Eingangsposition 1701B ein Eingangsstift und somit von hoher Impedanz ist, stört sie nicht den Stromfluss durch das SMA-Element.
Wenn das PWM-Signal von der Position 1701A auf logisch "0" geht (während des "Aus"-Teils der relativen Einschaltdauer), schaltet der Schalttransistor 1703 den Stromfluss durch das SMA-Element ab, und der Kondensator C beginnt sofort, sich durch das SMA-Element zu entladen. Schließlich fällt die Spannung bei der Position 1701B unter die Übergangsschwelle für diesen Eingang ab, und der Eingang schaltet von logisch "1" auf logisch "0". Durch Messen der Zeit, die der Kondensator C₁ benötigt, um sich zu entladen, sobald das PWM-Signal auf logisch "0" geht, kann die RC-Konstante für R_smaC₁ bestimmt werden. Da C₁ konstant ist, kann der Wert von R_sma bestimmt werden; und wie zuvor erläutert, wird sich dieser Wert während des Martensit-Austenit-Übergangs ändern. Ein ähnliches Verfahren umfasst das SMA-Element und den Kondensator, der parallel zwischen dem Schalttransistor 1703 und V_sma anstatt zwischen dem Transistor 1703 und Masse ist, so dass die Kondensatorladezeit und nicht die Entladezeit gemessen und verwendet werden würde, um den Wert von R_sma zu bestimmen. Andere ähnliche Verfahren, die die Messung der RC-Zeitkonstante benutzen, werden einem Fachmann angesichts dieser Offenbarung offensichtlich sein.
Positionsabfühlung
Nachdem Rmin und Rmax durch die obigen Mittel während der ersten Zyklen der Erwärmung und Abkühlung identifiziert wurden, kann das Steuersystem die Position basierend auf der Ausgabe einer einfachen Zustandsmaschine melden, die weiß, ob der Draht in der Anfangsphase der Erwärmung, dem linearen Abschnitt oder dem oberen Plateau ist.
Krafterfassung
Nach einigen Zyklen der Erwärmung und der Abkühlung lernt das Steuersystem die Größe und Dauer der anfänglichen Widerstandsumkehrung und nimmt an, dass dies der unbelastete Zustand ist. Bei zukünftigen Zyklen kann das System die Last als ein Mehrfaches oder einen Bruchteil der anfänglichen Last melden.
Kollisionserfassung
Nach einigen Zyklen der Erwärmung und der Abkühlung entwickelt das Steuersystem eine "Erwartung" davon, wo das obere Plateau auftreten wird. Wenn das Plateau bei einem höheren Widerstandswert als erwartet auftritt, dann wurde der Aktuator entweder mechanisch behindert oder die thermischen Umgebungsbedingungen haben sich geändert, sodass die Leistungsversorgung nicht länger genug Leistung bereitstellen kann, um A_f zu erreichen (z.B. kann der SMA-Draht durch thermischen Kontakt mit einem kühlen Körper gekühlt werden, oder ein kühlender Luftstrom kann auf ihn treffen). Bei vielen Anwendungskategorien ist die Wahrscheinlichkeit der Änderung in thermischen Umgebungsbedingungen niedrig, und so kann das System eine mechanische Behinderung annehmen. Tatsächlich kann das System sogar ableiten, wie weit entlang des Hubs die Behinderung auftrat, basierend darauf, wo in dem linearen Teil der Kurve das Plateau auftrat.
Systemausfallerfassung
Schließlich können plötzliche Spannungsspitzen oder die Abwesenheit von Spannung während der Erwärmung durch die Software entweder als ein eine offene Schaltung oder ein Kurzschlusszustand interpretiert werden, und geeignete Schritte können unternommen werden, um eine sichere und geordnete Abschaltung des Systems zu ermöglichen. Feine SMA-Drähte brennen, wenn sie wesentlich überhitzt sind, und können eine Zündquelle in feuergefährlichen Umgebungen sein.
Während einige vorbekannte SMA-Vorrichtungen eine Position oder Last an einem einzigen Aktuator bestimmt haben, besteht ein attraktives Merkmal dieser Erfindung darin, dass, wenn gegenüberliegende Aktuatoren verwendet werden (wie es bei ausgereiften Anwendungen üblich ist), Messungen lediglich mit dem aktivierten Aktuator durchgeführt werden können. Eine Messung lediglich an dem erwärmten kontrahierenden SMA-Draht vermeidet, mit der inhärenten Hysterese des SMA-Übergangs umzugehen, und ermöglicht genaue Positions- und Lastmessung sowie Positionssteuerung, da der nicht erhitzte Draht des gegenüberliegenden jedoch nicht aktivierten Aktuators rein als ein Federkraft mit niedriger Kraftkonstante arbeitet.
Da alle Merkmale einfach sind, die durch Software erkannt werden, sind sehr wenige Berechnungen (über etwas elementares Filtern hinaus) erforderlich. Dies bedeutet, dass das System vollständig in Hardware als eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung oder in Software auf einem eingebetteten Niedrigpreis-Mikrocontroller implementiert werden kann.
Mikrocontrollermerkmale
Für Systeme ohne Rückkopplung ist lediglich ein Mikrocontrollerstift je Aktuator erforderlich; wenn es jedoch erforderlich ist, dass mehrere Aktuatoren gleichzeitig angetrieben werden (wie beispielsweise drei Beine eines sechsbeinigen gehenden Spielzeugs), kann ein einziger Ausgangsstift verwendet werden, um mehrere Schalttransistoren anzutreiben und somit mehrere Aktuatoren zu steuern. Wenn Federvorspannung verwendet wird, nimmt die Anzahl von Aktuatoren ab; und folglich erfordert ein sechsbeiniger Geher mit Federvorspannung so wenig wie vier Ausgangsstifte – jeweils zwei ("anheben" und "nach vorne bewegen") für jeden von zwei Sätzen von Beinen. Für Systeme mit Rückkopplung sind zwei Stifte je Aktuator erforderlich – einer für den PWM-Ausgang und der andere für den Positionsabfühleingang; und wenn ein kapazitives Abfühlschema verwendet wird, ist ein Zeitgebereingangsstift je Aktuator ebenfalls erforderlich. Multiplexer können natürlich verwendet werden, falls notwendig, um die Anzahl erforderlicher Eingangsstifte zu verringern. Die Anzahl von Ausgangsstiften kann ebenfalls durch Verwenden eines Vielkanal-Treiber-Chips, wie beispielsweise eines Allegro UDN5832, verringert werden, der 32 Ausgangstreiber hohen Stroms und eine serielle periphere Schnittstelle enthält, über die serielle Bits gesendet und in dem Treiber zwischengespeichert werden können. Bei Systemen mit vielen SMA-Aktuatoren kann der Berechnungsmehraufwand des Steuerns der Aktuatoren bedeutsam werden. Mit Abstand die größte berechnungintensive Aktivität des Controllers ist die Erzeugung von PWM-Signalen für viele Kanäle und das Bedienen der Interrupts für die Sensor-Rückkopplungwerte. Wenn die PWM-Signale vollständig in Software erzeugt werden (keine PWM-Hardware auf dem Chip), dann kann ein 8 MHz Motorola HC08 Mikrocontroller lediglich etwa zwölf Aktuatoren gleichzeitig treiben. Die PWM-Erzeugung kann jedoch ohne weiteres in Hardware implementiert werden, und ein kundenspezifischer Chip könnte entwickelt werden, der Multiplexer, PWM-Generatoren und Abfühlstifte enthalten könnte, und dieser könnte mit dem Mikrocontroller mit einer seriellen peripheren Schnittstelle kommunizieren, womit die Anzahl von Aktuatoren erhöht wird, die gesteuert werden könnten.
BEISPIEL – EIN HUB-MULTIPLIZIERENDER MINIATUR-AKTUATOR
18 zeigt in explodierter Ansicht die Anordnung, die allgemein bei 181 gezeigt wird, der Platten und Drähte dieser Ausführungsform. Diese Platten werden in einem parallelen Array gestapelt, wobei die Platte 1811 die niedrigste ist, die nacheinander von den Platten 18512 bis 1815 gefolgt und von der Platte 1816 überragt wird. Jede Platte ist aus einem Material hergestellt, das starr jedoch weich genug ist, um Crimpen des Materials auf den SMA-Drähten 1821 bis 1825 an Crimpverbindungen 1821A und 1821B bis 1825A und 1825B jeweils ohne Beschädigen der Drähte zu ermöglichen (übermäßige Kompression der SMA-Drähte verursacht Zerbrechlichkeit und Änderung in Übergangseigenschaften). Ein geeignetes Material für die Platten ist ein halbhartes Patronenmessing. Andere Verfahren zur Befestigung der Drähte können verwendet werden, wobei jedoch Crimpen ein attraktives Verfahren aus Gründen der Einfachheit, Wirtschaftlichkeit und des Nicht-Erhöhens der Größe des zusammengebauten Aktuators ist. Die unterste Platte 1811, die die Platte des Aktuators mit dem größten Weg bezogen auf die oberste Platte 1816 ist, wird mit einem Befestigungspunkt 18111 zur externen Verbindung mit einem durch den Aktuator zu bewegenden Objekt versehen, und wird typischerweise mit einem Vorsprung 18112, um mit Anschlägen in Eingriff zu kommen, um ihren Weg während der Streckung und Kontraktion der SMA-Drähte zu begrenzen, und mit einem als Apertur(en) 18113 gezeigten Befestigungspunkten) zur Befestigung einer Leistungszuführung (nicht gezeigt) versehen. Die oberste Platte 1816 kann mit Vertiefungen oder Aperturen 18161 ausgestattet sein, um die Anordnung bezogen auf ein Gehäuse (in dieser Figur nicht gezeigt) zu ermöglichen, und wird ebenfalls mit Befestigungspunkten, die als Aperturen 18162 gezeigt werden, zur Befestigung der anderen Leistungszuführung (nicht gezeigt) ausgestattet.
19 zeigt den zusammengebauten Aktuator in einem Gehäuse 1830 in einer Seitenansicht. Obwohl jede der Platten 1811 bis 1816 und die Crimpverbindungen 1821A bis 1825B gezeigt werden, wird zwecks Klarheit lediglich ein SMA-Draht 1825 gezeigt. Die Platten sind aus 0,2 mm dickem, halbharten Patronenmessing (CA 260) hergestellt, um sachgemäßes Crimpen der SMA-Drähte ohne Beschädigung zu ermöglichen und den Platten weiterhin eine ausreichende Steifigkeit zu verleihen. Eine Isolierschicht (nicht gezeigt) aus 0,08 mm Kapton-Polyamidfilm, Typ HN, wird auf den Unterseiten der Platten aufgebracht, oder eine Lage aus ähnlichem Material kann zwischen den Platten angeordnet werden, um eine elektrische Trennung der Platten sicherzustellen und eine reibungsarme Verschiebungsoberfläche bereitzustellen. Die Drähte sind aus 50 μm Dynalloy Flexinol mit einer Übergangstemperatur von 90°C und werden unter einer Vorlastspannung von 10 g befestigt, um loses Durchhängen zu vermeiden, was ansonsten zu verlorener Bewegung in dem Aktuator führen würde. Ein geeignetes Material für das Gehäuse ist ein technischer Thermoplast, wie beispielsweise ein Polycarbonat oder gleichwertiges Material. Der resultierende Aktuator umfasst eine Höhe von 4 mm, eine Breite von 3 mm, eine gestreckte Länge von 30 mm und eine kontrahierte Länge von 26 mm, was einen Hub von 4 mm ergibt (13% Hub/Längenverhältnis). Der fertiggestellte Aktuator wiegt lediglich 0,7 g. Der Aktuator umfasst eine Kontraktionskraft von 35 g, eine Rückstellkraft von 4 g und eine Begrenzungskraft von 1 kg mit einer Kontraktionszeit von 0,5 s und einer Abkühlzeit von 0,7 s. Bei 6,0 V beträgt der durchschnittliche Strom 50 mA mit einem Spitzenstrom von 110 mA.
20A und 20B veranschaulichen schematisch die Begrenzungsanschläge eines Aktuators, wobei lediglich die sich am weitesten bewegende Platte gezeigt im Querschnitt in einem Gehäuse gezeigt wird. Das Gehäuse 2001, indem sich die Platte 2010 verschiebt, ist mit einem Befestigungspunkt 2002 versehen, um den Aktuatorkörper in der Umgebung des Einsatzes zu befestigen, und umfasst ein offenes Ende, das durch Anschläge 2003 definiert ist. Die Platte 2010 ist mit einem Befestigungspunkt 2011, um mit der Umgebung des Einsatzes verbunden zu werden, inneren Vorsprüngen 2012 und äußeren Vorsprüngen 2013 ausgestattet (die Begriffe "innen" und "außen" werden mit Bezug auf das Gehäuse 2001 definiert). Wenn der Aktuator in seiner vollständig gestreckten Position ist, wie in 20A gezeigt ist, kommen die inneren Vorsprünge 2012 an der Platte 2010 mit Anschlägen 2003 in Eingriff, um eine weitere Streckung des Aktuators zu verhindern. Wenn der Aktuator in seiner vollständig kontrahierten Position ist, wie in 20B gezeigt, kommen äußere Vorsprünge 2013 mit Anschlägen 2003 in Eingriff, um die Kontraktion zu begrenzen. Auf diese Art und Weise kann weder (1) die Anlegung einer übermäßigen externen Streckkraft (viel größer als die Kraft, die durch den Aktuator ausgeübt werden kann) die SMA-Elemente überlasten, noch (2) wird der Aktuator bis an die Grenze seiner Fähigkeit kontrahiert (womit sichergestellt wird, dass, sogar wenn die SMA-Elements altern und ihre Wiederherstellungsfähigkeiten verlieren – wie für SMA-Elemente bekannt ist – sich die Aktuatoren noch über den vollem Bereich zwischen den Begrenzungsanschlägen bewegen werden).
BEISPIEL – EIN GEHENDES INSEKT
Eine der vielen potenziellen Anwendungen der SMA-Aktuatoren dieser Erfindung ist bei kleinen mobilen Robotern oder Roboterspielzeugen. Ein Spielzeug, das erzeugt wurde, ist ein sechsbeiniges gehendes Roboter-Insekt. SMA-Aktuatoren werden verwendet, um naturgetreue Animation und Mobilität bereitzustellen. 21 zeigt ein allgemein bei 2100 gezeigtes, sechsbeiniges Spielzeuginsekt mit sechs SMA-Aktuatoren 2101 bis 2106 (einer je Bein), die sichtbar über einem internen Körperrahmen 2110 (11 cm × 3 cm) angebracht sind, der einen Motorola MC68HC08MP16 Mikrocontroller und eine 9 V Batterie enthält. Sechs ähnliche Aktuatoren 2121 bis 2126 (wobei in dieser Figur lediglich Enden sichtbar sind) sind unter dem internen Rahmen angebracht. Jeder Aktuator ist mit einem entsprechenden Bein des Spielzeugs verbunden (Aktuatoren 2101 und 2121 sind mit dem Bein 2111 und so weiter verbunden). Aktuatoren 2101 bis 2016 wirken, um die Enden ihrer entsprechenden Beine mit Bezug auf den Rahmen 2110 anzuheben, während Aktuatoren 2121 bis 2126 wirken, um die Enden der Beine mit Bezug auf den Rahmen 2110 nach hinten zu bewegen, wie mit Bezug auf 22 bis 24 erläutert wird. Zusätzliche Aktuatoren 2107 und 2108 sind mit Zangen 2117 bzw. 2118 verbunden und wirken, um die Zangen zu schließen. Jedem dieser Aktuatoren wirkt eine nicht nummerierte Vorspannfeder entgegen, die dazu neigt, das Ende jedes Bein nach vorne und nach unten zu ziehen und die Zangen zu öffnen. 22, 23 und 24 zeigen, wie zwei SMA-Aktuatoren an jedem Bein des Spielzeugs befestigt sind. Die Beine und der Körper des Insekts können aus jedem geeigneten leichten starren Material, wie beispielsweise ein Thermoplast, zum Beispiel ein Polycarbonat, wie beispielsweise Lexan, hergestellt werden.
22 zeigt eine Ansicht von oben und zur linken des Insektenkörperrahmens, die als ein repräsentatives Beispiel das linke hintere Bein 2112 des Insekts veranschaulicht. Zwei Aktuatoren 2102 und 2122 sind mit einem Gelenk mit zwei Freiheitsgraden mit Rotationsachsen verbunden, die durch gestrichelte Linien 2132 und 2142 (in 23) gezeigt werden, wobei das Bein 2112 den Rahmen 2110 trifft. Wenn beide Aktuatoren entspannt (gestreckt) werden, drängt die Feder 2152 das Ende des Beines 2112 bezogen auf den Rahmen nach unten, wie durch den bogenförmigen Pfeil nahe der Feder 2152 gezeigt wird, und trägt das Gewicht des Insekts, so dass es stehen kann, ohne Leistung zu verbrauchen. Wenn der oben auf dem Rahmen 2110 angebrachte Aktuator 2102 kontrahiert, wie durch den dem Aktuator 2102 benachbarten Pfeil gezeigt wird, zieht er über eine Sehne (nicht nummeriert) an dem Hebel 2162, der bewirkt, dass sich das Bein um die horizontale Achse 2132 dreht, wobei das Bein angehoben wird. Wenn sich der Aktuator 2102 entspannt, bewirkt die Feder 2152, dass das Bein in seine ursprüngliche Position zurückkehrt. Durch Steuern der Größe der Kontraktion des Aktuators 2102 kann das Bein 2112 um einen spezifischen Betrag angehoben werden. Durch Verändern der Länge des Hebels 2162 und der Kraft der Feder 2152, können unterschiedlichen Schritthöhen und Körpergewichte untergebracht werden. Wenn der Aktuator 2122 entspannt ist, wird das Bein 2112 mittels der Feder 2172 vorne gehalten. Wenn der Aktuator 2122 kontrahiert, wie durch den dem Aktuator 2122 benachbarten Pfeil gezeigt wird, zieht er (über eine Sehne, die nicht nummeriert ist) an der L-förmigen Verlängerung 2182 des Beins, was bedeutet, dass es sich um die Achse 2142 dreht und das Bein 2112 in einem Bogen nach hinten schwingt. Wenn sich der Aktuator 2122 entspannt, bringt die Feder 2172 das Bein in seine ursprüngliche vordere Position zurück, wie durch den der Feder 2172 benachbarten Pfeil gezeigt wird.
Durch Steuern des Ausmaßes der Kontraktion jedes der beiden mit dem Bein verbundenen Aktuatoren, kann der Fuß des Beins dazu gebracht werden, jeden beliebigen Pfad in einem Rechteck zu beschreiben, das durch den Bewegungsbereich der Aktuatoren definiert wird.
23 zeigt das gleiche Bein von der Rückseite des Rahmens, wobei die Wirkung des Aktuators 2102 und seiner gegenüberliegenden Feder 2152 deutlicher dargestellt wird; während 24 beide Freiheitsgrade darstellt.
Die verbleibenden fünf Beine sind auf eine ähnliche Art und Weise ebenso wie zwei Zangen befestigt (obwohl diese lediglich einen Aktuator je Zange erfordern, wie in 21 gezeigt ist, weil sie lediglich zur Bewegung in einem horizontalen Bogen drehbar befestigt sind). Wenn das Insekt geht, sind drei seiner Füße zu jedem gegebenen Zeitpunkt auf dem Boden, und so muss es imstande sein, sich selbst auf lediglich drei Beinen zu tragen. Daher müssen die Federn jeweils imstande sein, mindestens ein Drittel des Gesamtgewichts des Insekts zu tragen. Dies bedeutet seinerseits, dass die Aktuatoren oben auf dem Körper, die verwendet werden, um die Beine anzuheben, stark genug sein müssen, um diese Federn zu überwinden. Wenn die Länge des Hebels gewählt wird, um gleich dem Dreharm zu sein, der durch das Gelenk und das Bein gebildet wird, wenn es sich um die horizontale Achse dreht, dann wird der Fuß imstande sein, sich um den gleichen Abstand nach oben zu bewegen, wenn der Aktuator kontrahiert. Somit würde eine Aktuator, der eine Nennkraft von 70 g erzeugt und 4 mm kontrahiert, imstande sein, ein etwa 200 g wiegendes Insekt zu tragen, das seine Füße 4 mm vom Boden anhebt. In der Praxis ist die gewünschte Fußanhebung gewöhnlicherweise größer, um sich dem Gehen über unebenes Gelände anzupassen, und so wird das Verhältnis des Hebels zu dem Dreharm des Fußes verringert, was zu einer höheren Fußanhebung jedoch niedrigerer Lastbeförderungskapazität führt.
Ein kostengünstiger 8-Bit-Mikrocontroller, wie beispielsweise der oben erwähnte Motorola MC68HC08MP16, kann verwendet werden, um die erforderlichen PWM-Signale zu erzeugen und die sich ändernden Widerstandwerte der vierzehn verwendeten Aktuatoren zu messen. Software kann dann jedes der sechs Beine anweisen, sich zu spezifischen Positionen zu bewegen, und bestimmen, wann diese Position erreicht ist. Auf diese Art und Weise kann ein Geh-Algorithmus, wie beispielsweise der Dreifußgang (tripod gait), der vielfach in der Literatur beschrieben wird [siehe beispielsweise C. Ferrell, A Comparison of Three Insect Inspired Locomotion Controllers, Massachusetts Institute of Technology, Artificial Intelligence Laboratory Memorandum, Cambridge, MA, USA; und M. Binnard, Design of a Small Pneumatic Walking Roboter, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, Master Thesis, 1995] ohne weiteres implementiert werden; und die Zangen können dazu gebracht werden, sich zu öffnen und zu schließen.
Es wird für einen Fachmann offensichtlich sein, dass zahlreiche Modifikationen an einem derartigen Roboter oder Spielzeug, wobei beispielsweise ein einzelner Aktuator verwendet wird, um beide Zangen zu schließen, wobei entgegensetzte Paare von Aktuatoren und nicht Feder-gegenüberliegende Aktuatoren, etc. abhängig von dem gewünschten Niveau der Ausgestaltung und technischen Ausgereiftheit durchgeführt werden können. Ähnliche Entwurfsverfahren können verwendet werden, um irgendeine der vielen Aufgaben zu erfüllen, für die SMA-Aktuatoren nützlich sein können, und ein Entwickler/Hersteller mit gewöhnlichem Fachkönnen in der Technik von SMA-Aktuatoren und ihrer Verwendung sollte imstande sein, SMA-Aktuatoren und die sie enthaltene Vorrichtungen ohne unnötiges Experimentieren zu entwickeln/herzustellen. Es wird ebenfalls offensichtlich sein, dass die Abfühl- und Steuer-Aspekte dieser Erfindung allgemein auf alle SMA-Aktuatoren und die sie enthaltenen Vorrichtungen anwendbar sind, und dass ihr Gebrauch nicht auf die Hub-multiplizierenden SMA-Aktuatoren des ersten und zweiten Aspekts dieser Erfindung begrenzt sind. Somit können die Abfühl- und Steueraspekte dieser Erfindung ebenfalls bei herkömmlichen SMA-Aktuatoren mit geradem Draht, gewendeltem Draht oder anderen SMA-Aktuatoren verwendet werden, wie sie in der Technik bereits bekannt sind und beispielsweise bei den in dieser Anmeldung angeführten Dokumenten als für die Fachkenntnisse der Technik repräsentativ angeführt werden.
Die Software, die benötigt wird, um die verschiedenartigen Funktionen, einschließlich Abfühl- und Steuerfunktionen, für die SMA-Aktuatoren dieser Erfindung zu implementieren, wird ohne weiteres durch einen Fachmann in der Technik von SMA-Aktuatoren und deren Gebrauch hinsichtlich der Kenntnisse und der Information, die einer derartigen Person verfügbar ist, einschließlich der Dokumente, auf die in dieser Anmeldung und der Offenbarung hier Bezug genommen wird, zustande gebracht werden.
Wie in der Zusammenfassung der Erfindung erläutert wird, umfasst diese Erfindung ebenfalls andere Aktuatoren mit elektromechanisch aktiven Materialien (Materialien des Typs, die bei Durchgang eines elektrischen Stroms oder der Anlegung eines elektrischen Potentials an sie und nicht durch die normalen Prozesse der Wärmedehnung und Kontraktion expandieren oder kontrahieren, die normalerweise mit der Temperatur über einen weiten Temperaturbereich linear sind). Derartige Materialien umfassen beispielsweise piezoelektrische Materialien und bestimmte elektroaktive Polymere. Diese Materialien weisen typischerweise lediglich eine sehr begrenzte Expansion oder Kontraktion auf, wenn sie elektrisch aktiviert werden, und Vorrichtungen, die sie als Aktuatoren benutzen, werden typischerweise auf Hub-Multiplikation des Typs anpassbar sein, die bei dieser Anmeldung ausführlich für Aktuatoren mit Formgedächtnislegierungs-Elementen erläutert wurden. Die Steuer- und Abfühltechniken werden gleichfalls für derartige andere Aktuatoren zweckmäßig sein. Wenn der Begriff "SMA-Aktuator" hier verwendet wird, sollte er interpretiert werden, als Aktuatoren einzuschließen, die Elemente mit elektromechanisch aktive Materialien, insbesondere Formgedächtnislegierungen, benutzen, es sei denn, dass der Kontext es offensichtlich macht, dass er sich lediglich auf einen Formgedächtnislegierungs-Elemente umfassenden Aktuator bezieht.
Verschiedenartige Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden für einen Fachmann offensichtlich sein, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit speziellen bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte ersichtlich sein, dass die Erfindung, wie beansprucht, nicht unangemessenerweise auf derartige spezielle Ausführungsformen begrenzt sein sollte. In der Tat sind verschiedenartige Modifikationen der beschriebenen Modi zum Ausführen der Erfindung, die für einen Fachmann offensichtlich sind, bestimmt, im Schutzumfang der folgenden Ansprüche zu liegen.

Claims

Hub-multiplizierender Formgedächtnislegierungs-Aktuator (30; 40; 50; 70) mit einer Mehrzahl von parallelen starren Elementen (301, 302, 303; 401, 402; 511, 512, 513; 71–76), dadurch gekennzeichnet, dass die starren Elemente bezogen zueinander verschiebbar sind, die jeweils durch einen oder mehrere Formgedächtnislegierungs-Drähte (311, 312, 313; 411, 421; 521, 522; 711–715) auf eine solche Art und Weise miteinander verbunden sind, dass der Hub des Aktuators im Wesentlichen gleich der Summe der Hübe der einzelnen Formgedächtnislegierungs-Drähte ist.
Aktuator gemäß Anspruch 1, bei dem die starren Elemente eine Reihe konzentrischer Rohre (401, 402) oder ein Satz paralleler Platten (511, 512, 513; 71–76) sind.
Aktuator gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Formgedächtnislegierungs-Drähte (311, 312, 313; 411, 421; 521, 522; 711–715) einzeln aktivierbar sind, um einen inkrementalen Hub des Aktuators zu erreichen, und vorzugsweise der Reihe nach aktivierbar sind, um den Spitzenenergieverbrauch zu minimieren.
Aktuator gemäß Anspruch 1, mit einem Formgedächtnislegierungs-Draht (910), der um ein Paar reibungsarmer, nicht leitender Stäbe oder Rohre (901, 902) gewickelt ist, die einen Radius aufweisen, der größer als der minimale Biegeradius des Formgedächtnislegierungs-Drahtes ist, die durch eine starre Struktur (921, 922) parallel getrennt gehalten oder um eine Kurve herum geführt werden, die größer als der minimale Biegeradius des Formgedächtnislegierungs-Drahtes ist, durch Laufen durch ein gegenüberliegendes Paar nicht leitender Rohre (931, 932), die durch eine starre Struktur (921, 922) getrennt gehalten werden.
Aktuator gemäß Anspruch 4, bei dem die nicht leitenden Rohre (931, 932) aus einem fluorierten Polymer, wie beispielsweise PTFE, hergestellt oder damit beschichtet sind.
Aktuator gemäß Anspruch 4 oder 5, bei dem der Gestellrahmen und die Stäbe oder Rohre von mehreren Aktuatoren gemeinsam benutzt werden.
Aktuator gemäß Anspruch 1, bei dem der Hub-multiplizierende Formgedächtnislegierungs-Aktuator mit anderen Hub-multiplizierenden Formgedächtnislegierungs-Aktuatoren, um ein Array von Aktuatoren zu bilden, einer impulsbreitenmodulierte Energiequelle (1302, 1402), um das Array von Aktuatoren mit impulsbreitenmodulierten Signalen von der impulsbreitenmodulierten Energiequelle durch Widerstand zu erwärmen, und einer Widerstandsmessschaltung (1306, 1405) und einem Analog/Digital-Wandler (1304, 1404) angeordnet ist, sodass der Widerstand jedes Aktuators verwendet wird, um diesen Aktuator zu steuern, wobei die Widerstandsmess-Schaltung (1306, 1405) und der Analog/Digital-Wandler (1304, 1404) mit dem Array von Formgedächtnislegierungs-Aktuatoren durch einen Multiplexer (1407) verbunden sind.
Aktuator gemäß Anspruch 7, bei dem die Auswahl durch den Multiplexer (1407) von jedem des Arrays der Aktuatoren für die Widerstandsmessung und die Analog/Digital-Umwandlung sequentiell auf einer Reihum-Weise (round robin fashion) oder in einer von der Reihum-Weise unterschiedlichen Art, wie beispielsweise durch Nicht-Auswahl von nicht aktivierten Aktuatoren, stattfindet.
Aktuator gemäß Anspruch 1, ferner mit einem Controller (1601, 1701), um den Formgedächtnislegierungs-Aktuator zu steuern, wobei der Controller konfiguriert ist, um die Änderung in dem Widerstand des Aktuators mit der Zeit zu messen, wenn der Aktuator aktiviert ist, und Steuerinformation für den Aktuator aus der Änderung im Widerstand mit der Zeit bereitzustellen.
Aktuator gemäß Anspruch 9, bei dem der Controller (1601, 1701) ferner konfiguriert ist, um Steuerinformation zu verwenden, um den Aktuator zu kalibrieren, wobei die physikalischen Parameter des Aktuators im Voraus nicht bekannt sind, oder für den Aktuator durch Ausführen einer Positionssteuerfunktion mit dem Widerstand als die Rückkopplungs-Variable zu verwenden.
Aktuator gemäß Anspruch 1, ferner mit einem Controller (160, 170) zum Durchführen eines oder mehrerer der Folgenden: Messen einer an den Formgedächtnislegierungs-Aktuator angelegten Last, Erfassen einer Kollision oder mechanischen Behinderung, die von einem Formgedächtnislegierungs-Aktuator angetroffen wird, und Erfassen eines Systemausfalls in einem Formgedächtnislegierungs-Aktuator, wobei der Controller (1601, 1701) konfiguriert ist, um die Änderung im Widerstand des Aktuators mit der Zeit zu messen, wenn der Aktuator aktiviert ist, und aus der Änderung im Widerstand mit der Zeit die an den Aktuator angelegten Last, die Kollision oder die mechanischen Behinderung, die von dem Aktuator angetroffen wird, oder den Systemausfall in dem Aktuator zu bestimmen oder zu erfassen.
Aktuator gemäß Anspruch 1, ferner mit einem Widerstandsrückkopplungs-Steuersystem, das einen Kondensator, der parallel mit dem Formgedächtnislegierungs-Aktuator verbunden ist, und eine Zeitmessschaltung mit dem Steuersystem umfasst, um die Ladezeit oder Entladezeit des Kondensators zu messen, wodurch der Widerstand des Aktuators aus der Ladezeit oder Entladezeit des Kondensators bestimmt wird.
Aktuator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, ferner mit mindestens einem Begrenzungsanschlag (2003), um eine Überdehnung des Aktuators durch Anlegen einer übermäßigen externen Kraft zu verhindern und/oder den Hub des Aktuators auf weniger als seinen verfügbaren Hub zu begrenzen.