形状记忆合金执行器及其控制方法

本发明所属技术领域

本发明涉及形状记忆合金(SMA)执行器和采用机电活性材料 的其他执行器(在本说明书中统称为形状记忆合金执行器)及其控 制方法。特别地，本发明涉及能够小型化从而获得快速(亚秒)响 应的形状记忆合金执行器；并且涉及一般形状记忆合金的控制方 法，特别是本发明的小型化形状记忆合金执行器的控制方法，从而 获得低耗能、电阻/障碍物传感、和位置控制。

与本发明相关的背景技术

在二十世纪五十年代发现了一类材料，这类材料具有形状记忆 效应。参看，如K.Otsuka和C.M.Wayman的《形状记忆材料)》(“Shape Memory Materials”Cambridge University Press，Cambridge，England， 1998，ISNB 0-521-44487X)。这些材料呈现出一种热弹性马氏体式 变化，即低于一定的转变温度时它们是柔性的，因其处于马氏体相， 从而可以容易变形。当其温度上升到转变温度以上时，该材料恢复 到其奥氏体相和以前的形状，并因而产生较大的力。这种材料的例 子有大约50比50原子百分数的钛-镍(TiNi)合金，可选择性包含 少量的其他金属，从而提供增强的稳定性或改变马氏体-奥氏体转 变温度；这些合金经配制和处理，呈现出形状记忆效应。其他这类 合金包括Cu/Al/Ni和Cu/Al/Zn合金，有时称作β-黄铜。从种属上 分，这类合金被称为形状记忆合金，从可从商业渠道的若干来源获 得这类合金的线型材料。该线的直径为小到37微米、大到1毫米 或更大。参见，如Dynalloy公司的《Flexinol执行器线的技术特征)》 (“Technical Characteristics of Flexinol Actuator Wires”《技术信息 手册》，Dynalloy公司，18662 MacArthur Boulevard，Suit 103，Irvine CA 92715，USA)。

SMA线是形状记忆合金线，它们经处理后，在马氏体相能够 容易地沿其纵轴伸展，从而重新排列其原子晶体结构。一旦伸展它 们就保持其伸展状态，直到它们被加热到其奥氏体转变温度以上， 在奥氏体转变温度，结晶结构恢复到其起初的(记忆的)奥氏体结 构。这种复原不仅恢复线的起始长度而且产生较大的力，通常是 50Kgf/mm2截面积的数量级，这与合金及其处理有关。由于每个截 面积可获得较大的力，因而形状记忆合金线通常制成较小的直径。 例如，直径为100微米的线可以传递大约250克的力。为获得更大 的力，则需要较粗或多重线。

虽然自1951年以来人们已经知道形状记忆合金，但商业上对 这类执行器的应用很有限，原因是其物理过程存在一些固有的限 制，这些物理过程产生了这种形状记忆性能。缺乏商业上的应用归 因于以下因素： (1)有限的位移

在热弹性马氏体向奥氏体转变过程中，钛-镍形状记忆合金线 最多能收缩其长度的8％。然而，在这种应变水平下，其失效前仅 能持续几个循环。为获得合理的循环寿命，最大的应变是在3％至 5％的范围内。作为一个例子，对具有合理循环寿命的一个执行器来 说，它需要25厘米以上的形状记忆合金线来产生1厘的移动。 (2)最小弯曲半径

一种显而易见的把较长的形状记忆合金封装进较小空间的办 法是采用某种类型的滑轮系统。不利的方面是，如果围绕急弯处放 线，形状记忆合金线会损坏。通常，形状记忆合金线不应沿小于线 直径50倍的半径弯曲。举一个例子，直径为250微米的线具有1.25 厘米的最小弯曲半径。应当注意到，这儿使用的“最小弯曲半径” 一词是指形状记忆合金线在其内能弯曲并且仍然能够重复奥氏体 -马氏体循环而没有损伤的最小半径。加入大量的小滑轮则使系统 增加机械复杂性，从而降低了首先采用形状记忆合金的吸引力。对 最小弯曲半径的要求也给执行器的尺寸设置了下限。 (3)周期时间

通常，采用通过电流的方法来对形状记忆合金线进行电阻加 热。然后，该线在能够伸展回到其起点位置前必须被冷却到其转变 温度以下。如果用在静止空气中对流的方法进行冷却，那么在再次 使用执行器以前，需要数秒的时间。上述的直径为250微米的线有 一个最好的周期时间，约5秒或更长。因此，作为一个例子，Stiquito， 一种形状记忆合金提供动力的行走昆虫[J.M.Conrad，J.W.Mills， 《Stiquito：用简单和便宜机器人进行的先进实验》， (Stiquito：Advanced Experiments with a Simple and Inexpensive Robot)，IEEE Computer Society Press，Los Alamitos Ca，USA，ISBN 0-8186-7408-3]仅达到3-10cm/min的行走速度。因为冷却速率依赖 于线表面积和其体积的比，所以线直径的变化极大地影响周期时 间。

为克服这些限制，形状记忆合金执行器的设计者通常使用长直 线或线圈。参见，如M.Hashimoto，M.Takeda，H.Sagawa，I.Chiba， K.Sato的“形状记忆合金应用于机器人执行器”(Application of Shape Memory Alloy to Robotic Actuators)(J.Robotic Systems，2(1)， 3025(1985))；K.Kuribayashi的“一种新的采用钛-镍合金线的接头 装置执行器”(A New Actuator of a Joint Mechanism using TiNi Alloy Wire)(Int.J.Robotics，4(4)，47-58(1986))；K.Ikuta的“微型/小型形 状记忆合金执行器”(Micro/Miniature Shape Memory Alloy Actuator)(IEEE Robotics and Automation，3，2151-2161(1990))；和 K.Ikuta，M.Tsukamoto，S.Hirose的“具有电阻反馈的形状记忆合金伺 服执行器及其在有源内窥镜上的应用”(Shape Memory Alloy Servo Actuator with Electrical Resistance Feedback)(Proc.IEEE.Conf.on Robotics and Information，427-430(1988))。显然，在许多应用场合， 特别是在需要小型化的场合，采用长直线是不切实际的。虽然线圈 大大地增加了传递的行程，但显著地降低了可获得的力。为补尝力 的下降，使用了较粗的线，而这降低了所制成执行器的响应性，进 而使它不能适用于许多应用。

通常用来机械性地放大可获得位移的其他机制，如在D.Grant V.Hayward的“形状记忆合金执行器的可变控制结构”(Variable Control Structure of Shape Memory Alloy Actuators)(IEEE Control Systems，17(3)，80-88(1997))一文，和美国专利第4,806,815号中所 披露的机制，在可获得的力上受到同样的限制，这再次导致需要较 粗的线以及与周期时间伴随的问题。

如上所述，可使用形状记忆合金材料作为执行器的动力[参看， 如T.Wararm的“利用形状记忆合金设计执行器”，1993，ISBN 0-9699428-0-X]，通过监测合金的电阻可以控制执行器的位置。参 见，如K.Ikuta，M.Tsukamoto，和S.Hirose的“具有电阻反馈的形状 记忆合金伺服执行器及其在有源内窥镜上的应用”(Shape Memory Alloy Servo Actuator with Eletrical Resistance Feedback and Application for Active Endoscope)一文(上文已论述)。

把形状记忆合金执行器加热到其转变温度的普通方法是脉冲 宽度调制法(PWM)。在这种方法中，在一定比率的预定周期施加 一个固定的电压。当在一个周期(称为负载周期)中工作时间与停 止时间的比率变化时，则可控制传递到形状记忆合金上的动力的数 量。这种方法很常用，因为在数字系统中可以容易地实施这种方法， 在这里所有需要的是一个晶体管，来驱动执行器，从而无需数字- 模拟转换和辅助的放大器。

在一个简单例子中，一个脉冲宽度调制发生器在一个负载周期 中由一个数字控制器所规定的期间对形状记忆合金元件供给脉冲 宽度调制脉冲。在脉冲宽度调制脉冲断开期间，一个电阻测量系统 测量形状记忆合金的电阻，进行取样，然后保持在采样-保持系统 中。这种测量是在断开期间进行，因为脉冲宽度调制脉冲可以相当 短，当脉冲存在时，控制器不可能对形状记忆合金进行采样。最后， 用模拟-数字(A-D)转换器把在采样-保持系统中的模拟信号转 换成数字信号，然后控制器就能够识别来自转换器的数字信号。通 过控制器中的一种算法使用这种数字信号的值来变化脉冲宽度调 制发生器的负载周期，从而获得所要求的形状记忆合金元件的位 置。在具有一个以上形状记忆合金元件的系统中，除了控制器以外， 对每个形状记忆合金元件，所有系统都需要复制，这导致大型、复 杂和昂贵的控制系统。

已提出了许多方法来避免这种复制。最普遍采用的方法是穿过 若干采样-保持回路来多路复用模拟-数字转换器，因而仅需要一 个模拟-数字转换器。另一个在美国专利第5,763,979号中所描述 的方法，是以行和列构形的方法使用电子开关，来分离形状记忆合 金元件，并依次对每个元件施加脉冲宽度调制脉冲。这使所有执行 器可以共享电阻测量、采样-保持、和模拟-数字子系统，并减少 了需要用来把装置相互连接起来的导线数量。不利的方面是，这种 方法也加倍了高电流开关装置的数量，因为每个执行器需要两个这 样的通道，而在传统方法中仅需一个。这些开关通常是这类控制系 统的物理上最大的元件，因为它们需要散发掉大量的热量，这些热 量源于流过的高电流。所以，虽然这种方法减少了导线的数量，但 它实际上增加了控制器子系统的尺寸和复杂性。

在形状记忆合金中，从马氏体(低温)相到奥氏体(高温)相 的转变并不是在特定温度瞬时发生的，而是在一个温度范围内递增 地进行。图1表示位移和温度之间的关系，图中显示了奥氏体开始 温度(As)和奥氏体完成温度(Af)，以及马氏体开始温度(Ms) 和马氏体完成温度(Mf)。在由ΔT所表示的温度范围内，合金由奥 氏体和马氏体的混合物所组成。正如可以看到的，在低于奥氏体开 始温度时，长度基本上不发生任何变化，而当形状记忆合金被加热 到奥氏体完成温度以上时，长度基本上不会发生任何进一步的变 化。相似地，在冷却过程中，当高于马氏体开始温度时，长度基本 上不发生任何变化，而当温度低于马氏体完成温度时，长度基本上 不会发生任何进一步的变化；然而，在长度-温度曲线中，通常存 在显著的滞后现象。正如K.Ikuta，M.Tsukamoto和S.Hirose在“具 有电阻反馈的形状记忆合金伺服执行器及其在有源内窥镜上的应 用”(Shape Memory Alloy Servo Actuator with Electrical Resistance Feedback)一文中(上面已论述)和美国专利第4,977,886号中所论 述的，在形状记忆合金部件的电阻和其温度之间存在一种关系，如 图2所示，图中形状记忆合金的马氏体完成温度高于室温。正如可 以看到的，在最小电阻(Rmin)和最大电阻(Rmax)之间的阴影区 域内，电阻可用来作为形状记忆合金温度的模拟量，因此可以完全 基于电阻值来推导在两相之间转变的比率，而不直接测量温度，因 为电阻-温度曲线并未显示出明显的滞后现象。然而，如图1所说 明的，由于存在较大的位置-温度滞后现象，仅知道温度不足以推 导出位置。

然而，如果两个执行器以相反的方式进行排列，则可以用许多 方法来抵销这种滞后现象。在Dynalloy公司的《Flexinol执行器线 的技术特征》(“Technical Characteristics of Flexinol Actuator Wires”)和美国专利第4,977,886号中描述了一种普遍方法，该方法 是利用来自两个配合使用的执行器的归一化电阻来抵销滞后现象。 所有这些位置控制方法依赖于对最大电阻和最小电阻的先验了解 (见图2)。伴随合金的老化，再加上环境因素的影响，这些值会发 生变化，因而系统在每次使用前必须进行重新校准，以获得有用的 位置控制。校准是通过外部传感器的附属装置在已测得的最小和最 大位移处计算最大电阻和最小电阻的来完成的。校准的另一种方 法，如在美国专利第4,977,886号中所描述的，是施加足够大的电 流并且时间足够长，因而温度将超过奥氏体完成温度，在此过程中 记录所遇到的最小电阻和峰值电阻。当需要连续、低成本运作时， 前一种校准方法对许多系统是不切实际的。后一种方法依赖于对形 状记忆合金元件的物理尺寸以其电流环境和状态(例如，奥氏体或 马氏体)的了解，因而可以计算校准脉冲的幅度和持续时间。

最好是开发这样的形状记忆合金执行器：能够基本上提供形状 记忆合金线的全力，同时比单根长度为执行器长度的形状记忆合金 线达到更大的行程(收缩)(行程放大而没有显著的力下降)；小型 化和快速作用的形状记忆合金执行器；形状记忆合金执行器(包括 传统的形状记忆合金执行器以及根据本发明的行程放大形状记忆 合金执行器)的经济和有效的控制和传感机制，从而获得低能耗、 电阻/障碍物/载荷传感和精确的位置控制。

发明简述

本发明提供了行程放大形状记忆合金执行器和采用机电活性 材料的其他执行器(在本说明书中统称为形状记忆合金执行器)， 内容包括：行程放大但没有显著的力下降，容易小型化和快速作用 及其设计和用途；形状记忆合金执行器(包括传统的形状记忆合金 执行器以及根据本发明的行程放大形状记忆合金执行器)的经济和 有效的控制和传感机制，从而获得低能耗、电阻/障碍物/载荷传感 和精确的位置控制；包含这些执行器以及控制和传感机制的装置。

在第一个方面，本发明提供了一种行程放大形状记忆合金执行 器。在根据本发明第一个方面的实施例中，执行器包括多个刚性构 件和形状记忆合金线。

在第二个方面，本发明提供了一种行程放大形状记忆合金执行 器，包括一根形状记忆合金线。

在第三个方面，本发明提供了用于形状记忆合金执行器的多路 复用的控制和传感机制。

在第四个方面，本发明利用电阻反馈提供了形状记忆合金执行 器的控制和传感机制以及控制方法，其中当执行器被通电时，执行 器的电阻随时间的变化被用来产生用于执行器的控制信息。这些控 制和传感机制以及方法可用来校准执行器、执行位置控制功能、测 量施加于执行器的载荷、探测执行器所遇到的碰撞或机械障碍物和 执行器中的系统失效。在一个优选的控制机制中，利用与执行器并 联的电容器的放电时间的测量结果来测量该执行器的电阻。

附图简要描述

图1是一种典型的形状记忆合金元件的长度-温度曲线图；

图2是一种典型的形状记忆合金元件的电阻-温度曲线图；

图3是根据本发明的形状记忆合金执行器的第一实施例；

图4A是根据本发明的形状记忆合金执行器的第二实施例；

图4B是根据本发明的形状记忆合金执行器的替换的第二实施 例；

图5是根据本发明的形状记忆合金执行器的第三实施例；

图6是一个刚性元件，用于根据本发明的形状记忆合金执行器 的替换的第三实施例；

图7是形状记忆合金执行器的替换的第三实施例的透视图，其 中使用了图6的刚性元件；

图8A是图7中执行器的伸展形态侧视图；

图8B是图8A中执行器的收缩形态图；

图9是根据本发明第二个方面的形状记忆合金执行器的示意 图，说明单根形状记忆合金线的使用；

图10表示低摩擦力管的使用，用来引导图9中执行器的形状 记忆合金线；

图11仅表示引导管的使用；

图12表示根据本发明第二个方面的四执行器组合；

图13表示一种传统类型的用于形状记忆合金执行器的脉冲宽 度调制控制器；

图14表示一种多路复用的脉冲宽度调制控制器；

图15是在加热的形状记忆合金元件中导电性和位置随时间变 化的曲线图；

图16表示一种传统类型的用于形状记忆合金执行器的电阻反 馈控制；

图17表示一种用于形状记忆合金执行器电阻反馈控制的电容 传感回路；

图18表示根据本发明的形状记忆合金执行器第四个实施例的 刚性构件和形状记忆合金线；

图19是装配好的执行器的侧视图，其中使用了图1 8中的构件 /线组合；

图20A表示形状记忆合金执行器在全伸展形态的限位装置的 使用；

图20B表示图20A中的形状记忆合金执行器在其全收缩形态 的限位装置的使用；

图21表示一种行走昆虫模型，包括根据本发明的形状记忆合 金执行器；

图22是图21中昆虫模型的一个腿进行工作的侧视和仰视图；

图23是图22所示腿进行工作的后视图；以及

图24是图22所示腿进行工作的透视图。

发明详述 定义和一般参数

“形状记忆合金(shape memory alloy)”或“SMA”是一种呈 现出热弹性马氏体式变化的合金，在马氏体相可以变形，而当合金 恢复到奥氏体相时，变形会复原。根据本发明的适合于室温应用的 形状记忆合金是：奥氏体-马氏体转变范围稍高于预期环境温度的 形状记忆合金，譬如说，马氏体完成温度为30至50℃，因而在不 加热时，这种形状记忆合金将保持在其马氏体相；并且奥氏体完成 温度足够低因而能与普通工程塑料相容的形状记忆合金，譬如说， 奥氏体完成温度为80至100℃，从而将完成马氏体到奥氏体的转变 所需要的热量(例如，输到形状记忆合金上的电能)减至最小值。 在商业上可容易获得这类合金。当执行器设计用于低温(例如，低 于0℃)或高温(例如，高于100℃)环境时，则可以选用具有其 他转变温度范围的合金。考虑到现有技术和本申请书披露的内容， 在选择合适的形状记忆合金用于所希望的目的时，本领域技术人员 不会有任何困难。众所周知，一个形状记忆合金元件，如形状记忆 合金线，在低于其马氏体完成温度(Mf)时，会在可复原的应变范 围内变形，然后当加热到奥氏体完成温度(Af)以上时，它将恢复 到其最初的未变形形状。然而，把该元件重新冷却到马氏体完成温 度以下并不会自发地引起复原到变形的形状：形状记忆效应是单向 效应。因此，当形状记忆合金元件重新冷却到马氏体完成温度以下 时，需要对其施加应力或偏压，从而使其恢复到变形的形状。虽然 在下面不会一般性地相对于根据本发明的形状记忆合金执行器进 行论述，但假定当执行器的形状记忆合金元件冷却低于马氏体完成 温度时，对或可以对执行器施加偏压，从而引起复原到变形的马氏 体状态。可以用弹簧来施加这种偏压(一种恒量偏压应用，在这种 情形，当执行器加热时，执行器必须克服弹簧的力来引起执行器的 运动)；或者用一个相反的执行器来施加这种偏压(在这种场合， 通常一个加热，另一个则不加热，但每一个可以加热到不同的程度， 从而获得精确控制)。弹簧偏压是经济的，但缺点是弹簧吸收了一 部分执行器的力，留下较小的可获得的力供执行器施加于外部载 荷；相反执行器偏压提供了更大的可获得力，因为当不加热时相反 执行器几乎不需要什么力来移动，并且当两者被不同地通电时，相 反执行器偏压会提供更大的位置敏感性，但代价是控制的复杂性和 增加的能耗。此点为本技术领域所熟知；依据本发明的形状记忆合 金执行器可用于任何一种方式。

在本说明书中使用的形状记忆合金“线”(SMA“wire”)一词， 是指细长形式的形状记忆合金材料，能沿长轴收缩/伸展。因此，术 语“线”并不意味着一个圆形截面，虽然通常是圆形截面，而应当 包括椭圆形、正方形、长方形等截面。

形状记忆合金执行器的“行程(stroke)”是在执行器的完全伸 展长度和完全收缩长度之间距离上的变化。如果执行器带有限位装 置来限制执行器的收缩和/或伸展，那么“行程”将是限位装置之间 的距离，它可能会小于限位装置不存在时的“行程”。

一个“行程放大(stroke multiplying)”形状记忆合金执行器， 是指这样一种形状记忆合金执行器，在其行程伸展或收缩方向大于 单个形状记忆合金线的伸展或收缩，该单根形状记忆合金线的长度 是该执行器的外部长度。

在第一个方面，本发明提供了行程放大形状记忆合金执行器， 即形状记忆合金执行器能够基本上提供形状记忆合金线的全力而 同时比与执行器长度相同的单根形状记忆合金线获得更大的行程 (“长度”被定义为执行器在形状记忆合金线轴向的长度)，因此获 得行程放大而没有明显的力下降。

行程放大而没有明显的力下降使得可以使用细的形状记忆合 金线，这导致响应性的显著增加，原因在于线冷却速率非线性地依 赖于线直径。正如在形状记忆合金执行器技术领域所熟知的，在每 单位长度，要冷却的线质量与线的截面积成正比(线直径的平方函 数)，而冷却速率与线的表面积成正比(直径的函数)。事实上，线 本身的热导率使这种比率进一步复杂化，但是可以看到，形状记忆 合金线从其奥氏体完成温度到其马氏体完成温度的冷却速率随线 直径的减小而显著下降。这减少了形状记忆合金执行器的周期时 间，因为从马氏体完成温度到奥氏体完成温度的加热时间将总是显 著地短于冷却时间，只要提供足够的电力来达到迅速的加热速率。 例如，直径为250微米的线执行器的周期时间是6至7秒或更长， 直径为50微米的线执行器的周期时间小于1秒，而直径为37微米 的线执行器的周期时间约0.4秒。

行程放大形状记忆合金执行器的基本设计，由若干平行的，包 括同心排列的、刚性(即非形状记忆合金)构件组成，这些构件可 以自由相互滑动，以一定的方法用形状记忆合金线把构件相互连接 起来，以致执行器的行程基本上等于若干单独形状记忆合金线的行 程之总和。

如图3所示，在第一个实施例中，执行器(通常示于30处) 的可滑动刚性构件301、302、303和形状记忆合金线311、312、313 分别在点321和331、322和332、323和333处相连。当形状记忆 合金线311、312和313收缩时，每根线拉住刚性构件的一端，刚 性构件的另一端则与下一根线相连。以这种方法，一根线的位移依 次加到下一根线的位移上。刚性构件301的一端341可用任何适当 的方式连接于一点，线313的端部333可与另一点相连，这两点可 以都能移动，或更通常的情况是，一点可移动而另一点则固定，因 而当线311、312和313收缩时，所述两点间的距离会减小。双箭 头A表示移动的方向，当形状记忆合金线收缩时，则会引起点321 和点333之间距离的收缩。可以对任意数目的线和构件进行组合， 从而达到任何所希望的位移。

例如，如果构件301刚性地固定于一基片而且构件302和303 相互之间及相对于构件301是可滑动的，那么当形状记忆合金线被 加热和收缩时，每根线收缩约3％，组合件的最大收缩(从连接点 341到连接点333)将是约9％。这表明位移放大三倍而没有减少所 施加的力，除了有一些力损失于执行器的内部。因而这种设计以更 紧凑的方式保持了长直线的优点，而没有降低可获得的力。此外， 所有线是直的这一事实意味着不存在形状记忆合金线的最小弯曲 半径的问题，这有可能对组合件进行小型化从而达到几厘米的尺 度，例如降到1厘米或更小，并有潜力降到微观尺度。

每个构件需要有足够的刚度，从而当线收缩时执行器不会屈 曲，但由于执行器可以封闭在一个壳体中来阻止构件的屈曲(如果 这样的壳体用适当的低摩擦聚合物材料制成或涂覆，如聚四氟乙烯 (PTFE)或另一种含氟聚合物，它也将为刚性构件的滑动提供低摩 擦环境)，因而无需特殊的强度。从图中可以明显看到，与其长度 和宽度相比较，这种类型的执行器(并排排列)可以制成薄层状， 这使它特别适用于限定的平直空间情形。

可以分别对形状记忆合金线311、312和313供电，从而便于 对移动和峰值功率移动影响的范围进行最大程度的控制(如果对该 线依次通电，由于加热该线到其奥氏体完成温度所需的电流大于达 到奥氏体完成温度后保持该线在奥氏体完成温度以上所需的电 流)。在电池供电的装置中这是一个需要考虑的重要问题，因为在 一定程度上，电池的寿命依赖于电耗的速率；但是在需要许多导线 和增加的控制能力时要付出代价。通常地，在单个运行期，供电也 可以是从执行器的一端至另一端，因而仅需要两根引线，控制也简 化。在这种情况下，需要把构件302上的点331和322以及构件303 上的点332和323用导线连接起来，因而电流可从点321流到点333， 并进而当对点321和333施加电压时会引起所有3根线311、312 和313同时收缩。如果刚性构件301、302和303不导电，则必须 提供合适的电路(跨接线)来提供所需的电连接。如果刚性构件自 身导电并且形状记忆合金线可以导电的方式和它们相连，那么刚性 构件自身则作为跨接线，但是这要求，除了在连接点321、322、323、 331和332之外，形状记忆合金线自身是电绝缘的或与刚性构件分 隔开，从而确保电流完全通过形状记忆合金线。

在第二个实施例中，为进一步减小执行器的所需空间，刚性构 件可以排列成同心管，而形状记忆合金线则放置在管的外侧，如图 4A和4B所示。在图4A中，通常示于40处的执行器包括两个管(或 一个外管和一个内棒)，外管401固定于某个适当的结构上(未示 出)，形状记忆合金线411的一端412以预应力钢丝束方式 (tendon-like fashion)和所受载荷相连(也未示出)。内管/棒402 在外管401内滑动。在内管/棒402的一端，线411的另一端连接到 连接点413上，而第二根线421在连接点422处连接到内管/棒402 的另一端并且也与连接点423连接，连接点423与外管401刚性相 连。通常内管/棒402是导电的，因而用电源线把点412和423连接 起来则形成一个电路：从点412依次通过两根形状记忆合金线到点 423。外管可以是不导电的；但如果外管导电，则外管必须绝缘或 与内管电气分离。在图4B中，一般示于43处的执行器包括一个外 管431，带有一对相对的内管/棒432A和432B，每个与不同的结构 (未示出)相连，从而在它们之间施加力。形状记忆合金线441A 的一端在连接点442A处与外管431相连，另一端在连接点443A 处与内管/棒432A相反的一端相连。因而线441A的收缩驱使内管/ 棒432A进入外管431。相似地，线441B的收缩驱使内管/棒432B 从相反的方向进入外管431。这样产生了一个相对的执行器，如果 内端433A和433B通过外管431的孔洞与一个待移动的结构(未示 出)相连，那么通过对线441A或441B施加动力，这种结构就可以 沿外管431的轴在一个方向或另一个方向进行移动。可以用图4A 所示类型的执行器对这种构形进行改进，使其成为行程放大形状记 忆合金执行器，图4A显示了执行器43的一半组件。

显然，这些同心管执行器的两种构形都可以扩展，即在装置中 加入额外的同心管，从而达到更大的位移。为增加可获得的传递力， 在相同的构架中可以使用多重平行的形状记忆合金线，而不会对周 期时间有不利影响。

在适合于制成6腿类似于Stiquito的行走机器人的尺度，制造 了一组实验性的执行器。制成的装置能以大约1厘米/秒的速度行 走，这可以顺利地与Stiquito的3-10厘米/分的速度相比较。在这 个实施例中，用于这些执行器的同心管由铝制成的。外管长为4厘 米，外管直径为2.4毫米，执行器产生的行程至少为3.2毫米。用 尺寸为00-99的小黄铜螺帽和螺栓把形状记忆合金线与铝管固定。 所采用的形状记忆合金是Flexinol钛-镍合金(Dyalloy公司)，直 径为50微米，产生的力为35克。形状记忆合金的加热是利用1KHz 脉冲宽度调制(PWM)信号，该信号在6伏的幅度处传递110mA 的最大电流。某些执行器(那些用于承载机器人重量的执行器)有 两个平行的形状记忆合金线连接到管，因而传递70克的力。两种 类型执行器的周期时间约为0.7秒。

在优选的第三个实施例中，执行器由一组叠置的平行板组成， 这些平行板互相电气绝缘并用形状记忆合金线相连。这种执行器的 结构如图5至图8所示。

图5概念性地显示这样一种叠置的平板执行器(一般性地示于 50处)，包括3个刚性导电板511至513，它们由两根形状记忆合 金线521和522连接。线521在连接点521A处与平板511相连并 在连接点521B处与平板512相连，而线522在连接点522A处与平 板512相连并在接点522B处与平板513相连。平板511至513是 分离开的并且相互电绝缘，如通过在它们之间放置低摩擦聚合物薄 片(例如，聚四氟乙烯或另一种含氟聚合物、或聚酰胺，如尼龙或 聚酰亚胺薄膜)，或对平板涂覆低摩擦聚合物材料，因而平板相互 之间可以容易滑动。平板511在靠近线连接点521A的一端有一个 外部接头、图示为孔洞5111，而平板513在靠近线连接点522B的 一端有一个外部接头、图示为孔洞5131。当在平板511上接点和平 板513上接点之间对执行器施加电能时，形状记忆合金线521和522 被加热并收缩，由此移动外部接头5111和5131，使它们靠近。执 行器的行程大约是线521和522收缩的总和，因而大约是每根线独 自收缩的两倍，然而施加的力将基本上不小于每根线所施加的力。 很显然，通过简单地增加平板和线的数目可使执行器的行程增加。

对图5中执行器的改变见图6、图7、图8A和图8B。

图6表示用于这种执行器的“工字梁”形或“狗骨头”形平板。 该平板通常显示在60处，有一个延长轴61以及端头62和63。外 部连接点62A和63A可以在平板的任一端或两端。外部连接点62A 和63A，例如，可以是孔洞，外部钢丝束等可以穿过孔洞进行连接。 虽然，通常仅上部平板的一端和下部平板的另一端与外部连接来传 递执行器的力到外部载荷，但可以方便地把所有平板制成相同形 式。在端部62和63还有线连接点62B和63B。为方便起见，这些 连接点表示在端部的侧面，但它们可以在任何方便的地方。相似的 线连接点也可以在端部的另一侧，从而使两根线在每对平板之间相 连并加倍来自执行器的力。

图7是执行器(一般表示为70)的透视图，有6个叠置的平板 71至76和5根形状记忆合金线711至715。在图中，线是处于松 动状态而执行器是处于其伸展的位置。平板71至76是用导电材料， 如黄铜，制备而成，这些平板安装在壳体77中，并用绝缘层(未 示出)把平板分离开，壳体77限制了平板的平行移动。壳体77通 常由热塑性聚合物材料制备而成，如聚碳酸酯、聚苯乙烯等。可以 在点711A(线711在这儿与平板71相连)和点715B(线715在这 儿与平板76相连)之间对执行器施加电能；或者，因为平板是导 电的，可以在平板711和715的任何地方对执行器施加电能，从而 通过所有6个平板和5根线构成一个回路。

图8A和图8B是类似执行器的侧视图。图8A(和图7一样) 表示执行器在其伸展位置，而图8B表示执行器在其收缩位置，其 中粗箭头表示收缩的方向。这里收缩是对称的，因而平板的端部对 齐，但并不要求如此。这种执行器的行程将约是任何单根线独自收 缩的5倍，而执行器可施加的力将不会明显地低于任何线所施加的 力。

虽然该执行器(和根据本发明的所有形状记忆合金执行器一 样)的运行通过形状记忆合金线的收缩(当被加热时)，因而，如 图8B所示，执行器的长度会减小，然而本领域技术人员容易理解： 可以加长一个平板，如平板76，加延伸部分761是在平板的与有连 接点715B一端相反的一端。比较图8A和图8B中连接点711A和 延伸部分761的相对位置，可以看到，当执行器收缩时加长部分761 的延长超过连接点711A。因此，通过适当延长一个最外层平板和 固定另一个最外层平板，基于收缩的执行器既可以推也可以拉。

如上所述，在图6至图8B中，形状记忆合金线是仅显示在一 侧，但可以有第二组线在另一侧，从而加倍致动力。同样，如上所 述，可以根据需要增加平板和线的数目从而增加执行器的行程。

当平板数目增加时，可以用一种方法来降低驱动多平板执行器 所需要的总电压。该方法是使用奇数的平板(偶数的形状记忆合金 线)，并且不是在最外层平板之间对执行器施加电能(假定平板电 阻显著低于线电阻，此时的执行器电阻将是所有线电阻的总和)而 是电连接最外层平板并在这两个最外层平板和中间平板之间施加 电能(此时执行器的电阻将是所有线电阻总和的一半)。这使我们 可以使用较低的电源电压，虽然电流用量将加倍。

在第二个方面，本发明提供了单线行程放大形状记忆合金执行 器。这种执行器使行程放大但没有显著的力下降并且没有靠机械上 复杂的解决方法，如滑轮或求助于会减小可获得力的机制。

如图9所示，根据本发明的这个方面的基本设计，包括两个平 行的空心低摩擦非导电管或棒901和902，形状记忆合金线910则 围绕它们缠绕，其作用类似滑轮。所述管/棒的半径大于形状记忆合 金线的最小弯曲半径(如前所述，可重复进行奥氏体-马氏体转变 的最小弯曲半径约是线直径的50倍)，它们由低摩擦聚合物材料制 备而成或涂覆低摩擦聚合物材料，所用聚合物材料能耐得住加热时 形状记忆合金线的温度。管/棒安装在一个构架上，在图中表示为一 对平板921和922。该构架是刚性的，因而管/棒保持相隔一定的距 离。当加热形状记忆合金线910时(例如，电流通过其中)时，它 会收缩并在低摩擦管/棒上滑动，这引起该线的端部沿箭头方向移 动。由于管/棒的低摩擦特性，形状记忆合金线在其上滑动而没有明 显的力损失，这使得可以使用更细的形状记忆合金线，进而导致响 应性的巨大增加，原因在于冷却速率非线性依赖于线直径。适合于 制备该管/棒或对管/棒进行涂覆的聚合物是聚四氟乙烯和其他的氟 化聚合物。它们不仅能耐得住高温，而且能有效传热，因而管/棒也 起到形状记忆合金线散热片的作用，这进一步改善了所制成执行器 的响应性。这样制成的执行器比用传统方法制成的执行器具有更小 的体积和更大的敏感性，而且还避免了滑轮的机械复杂性。

对本方面的一个改变是采用窄口径管931和932，它们由聚合 物制备而成或用聚合物进行内涂覆，如聚四氟乙烯或其他的含氟聚 合物；窄口径管的内径稍大于形状记忆合金线的直径，从而当线绕 过管/棒901时，把线包起来，如图10所说明(该图仅显示执行器 的一端，另一端相似)，这种结构增加了管的散热效果并允许使用 导电管/棒。对小直径的形状记忆合金线而言，形状记忆合金线对管 931所施加的力较小，因而可以省去管/棒901，如图11所示，该图 仅说明了在形状记忆合金线中有单个弯曲处的情况(很显然，在形 状记忆合金线中的其他弯曲处可以类似地处理)。

在图12中，概略地说明了这种执行器如何运行的一个实施例。 在该实施例中，以相反的构形使用了四个执行器来完成两个自由度 接头的任务，如用于机器人的臀部关节。形状记忆合金线1201、 1202、1203和1204(图中未示出，由臂1221所遮蔽)分别绕过低 摩擦管/棒1211、1212、1213和1214，这些管/棒是安装在平板1200 上。一个相似的平板和一组棒形成执行器的“背部”(示出但未编 号)。仅显示出越过管/棒从执行器“前部”伸出来的线的端部，以 便降低复杂性和简化对该图的理解，虽然每根形状记忆合金线的构 造与图9中更完全示出的构造一样。通过对形状记忆合金线提供动 力，可以使臂1221的末端1223上下、左右移动，如在臂端部的箭 头所说明的，其中臂1221通过一个接头1222(如球窝式接头)与 平板1200联接。配合地对形状记忆合金线提供动力则可以产生任 何所希望的对角线或曲线运动。

当在较小空间需要许多执行器时，构架和管则可以由多个执行 器共用；例如，一对相对的执行器在相同的棒上移动但形状记忆合 金线导向构架相反的侧面。在这种情况下，执行器可以是独立的线， 因而它们被独立地驱动，由此减小了成对执行器系统的尺寸。也可 以用下述构形把单根线用于一对执行器：线被固定在其中心。如果 那个中心是电接点，线每一半则可以独立地供电，从而获得一对但 相互独立的二重执行器系统(虽然两个执行器可以同时驱动)。如 果那个中心不是作为电接点，或者如果线的两个终端是电相连的， 那么在整个线被提供动力的任一情况下，其结果是单个执行器移动 并对两个相反的点施加收缩力。对对称装置来说，这种构形特别有 用；如在多腿行走机器人中的相反侧的一双腿，如昆虫、蜘蛛或蜈 蚣；并且容易想象，可以对成对的执行器进行一定的安排从而使相 反的腿在一个方向同时移动，例如，两腿同时向前，或者在相反的 方向同时移动，例如，一腿向前、另一腿向后。在这种特定用途中， 通过使用在此及本说明书中其他处所描述的成对执行器，可以减少 执行器的数目和操作回路的复杂性。

在第三个方面，本发明为形状记忆合金执行器的阵列提供了非 常紧凑和简单的控制机制，其中形状记忆合金执行器是用脉冲宽度 调制方法进行加热并用电阻作为反馈机制(本领域熟知的技术，在 图13中进行概要说明)。在图13中，脉冲宽度调制发生器1302对 形状记忆合金元件1303提供脉冲宽度调制脉冲，负载周期和时间 由控制器1301所确定。在脉冲宽度调制脉冲断开期间，电阻测量 系统1306测量形状记忆合金元件的电阻，进行采样并保持在采样 -保持系统1305中。断开期间采样避免了在短暂的接通期间可能 发生的误采样。采样-保持系统中的模拟信号传递到模拟-数字转 换器1304并转换成数字形式，此时控制器1301可以读取该信号。 然后控制器利用这种信号来改变脉冲宽度调制发生器的负载周期 从而使形状记忆合金元件达到希望的位置。在具有一个以上形状记 忆合金元件的系统中，在图13虚线框内的所有系统需就每个执行 器进行复制，这显著地增加了成本和装置的复杂性。众所周知，通 过对若干采样-保持系统多路复用控制器，就可以把所需要的若干 模拟-数字转换器减少到一个。

本发明避免了高电流开关的重复，如在美国专利第5,763,979 号中所披露的方法和在图13中所说明的方法都需要这种重复，并 且本发明利用定时控制从而不需要采样-保持系统。电阻测量系统 在复杂程度上也大大减小。

如图14所示，在本发明的这个方面，所有形状记忆合金执行 器有一个同步的负载周期。在从脉冲宽度调制驱动器1402到形状 记忆合金元件1403接通电源的每个循环之初，在脉冲宽度调制控 制器1401中会产生一个中断，然后该控制器在模拟-数字转换器 中开始模拟-数字转换。以这种方式，脉冲宽度调制脉冲用作两个 目的：加热和电阻测量电压。对最小负载周期进行了计算，它比进 行一个模拟-数字转换加上中断等待时间的留量所需要的时间要 长。

相对于传统设计的第二个变化是多路复用电阻测量系统的输 入值，从而所有执行器共用电阻测量系统和模拟-数字转换器。用 这种方法，对每个形状记忆合金元件1403仅需要复制脉冲宽度调 制驱动器1402(如虚线框所示)。引起一个新的模拟-数字转换的 中断也依次选择下一个执行器，并通过为多路复用器1407编制程 序方法对执行器进行采样。因而，在每个脉冲宽度调制期间只有一 个执行器被采样，并且当控制器开始转换时，脉冲宽度调制信号一 定是处于接通状态。此外，因为电阻测量系统是在多路复用器的后 面，仅当脉冲较高时多路复用器才会接通，因而电阻测量系统可以 非常简单。例如，电阻测量系统可以仅包括一个电阻器。这点优于 在K.Ikuta，M.Tsukamoto，S.Hirose的“具有电阻反馈的形状记忆合 金伺服执行器以及在有源内窥镜上的应用”(Shape Memory Alloy Servo Actuator with Electrical Resistance Feedback)一文中所用的复 杂的电源和桥接电路，该复杂的电源和桥接电路是在脉冲宽度调制 脉冲的断开期间测量电阻。该系统也比美国专利第5,763,979号中 所描述的系统要紧凑得多，因为该系统无需每个执行器有一个大电 流开关，这显著节省了空间和成本，因为在大多数情况下这些开关 是控制器的最大和最昂贵的部件。

虽然多路复用器可以用循环的方式依次选择执行器进行采样， 但一种替换的采样方法把多路复用器扩大到下一个要采样的执行 器，其原理是考虑到系统的电源使用率。例如，可以跳过负载周期 为0％(即，断开状态)的执行器。在许多应用场合，仅有限数目 的可获得执行器在特定时间被有源加热，因而这种方法能显著增加 那些被主动控制的执行器的采样速率。

脉冲宽度调制控制特别有吸引力，因为许多商用微型控制器含 有产生脉冲宽度调制信号的内置硬件，这减少了对控制器进行计算 辅助操作；此外，脉冲宽度调制输出经常用于声频芯片(soundchips) (如那些用于通话问候卡中的声频芯片)作为一种便宜的数字-模 拟转换装置，使这些低成本电路片适合于作为根据本发明的形状记 忆合金执行器的控制器。例如，在低成本小型模件中双通道声电路 片可用来产生声音和移动。在某些应用场合，可能不需要全脉冲宽 度调制控制，一种便宜的定时电路片可用来产生所需的数字信号。 此外，当可获得温度信号(事实上，一种Rsma信号)时，脉冲宽度 调制控制减少了电流量，因为无需限流电阻器来防止形状记忆合金 元件的过热。此外，由于形状记忆合金线中的电流倾向于(和所有 固体导体的情况一样)集中在线的表面，因而存在“热点”和不均 匀热分布的风险，这减少了线的寿命。脉冲输送激活电压(activating voltage)有利于形状记忆合金线中的热传导，可以获得更均匀的热 分布。进一步，在传统的直流电流控制系统中，形状记忆合金电流 是有效恒定和相对较低的，因其是由限流电阻器所决定的，选择该 电阻器的值，从而当形状记忆合金元件完全收缩时避免其过热。在 带有电阻反馈的脉冲宽度调制或脉冲方法中，起初用高负载周期来 加热形状记忆合金元件，这导致迅速的起始移动。当形状记忆合金 元件达到其希望的位置时，降低负载周期，并仅供给足以保持形状 记忆合金元件处于所希望状态所需的电能。

进一步，本发明利用低成本预埋微型控制器的记忆和数据处理 能力来分析电阻随时间的性能，而不是基于瞬时或峰值电阻来确定 位置控制和校准。这种方法导致更好地进行校准和位置控制，并且 也可以获得先前无法获得的信息。特别是，该系统能在广泛的操作 范围内自动适应形状记忆合金的构形，能进行连续的校准和位置控 制，能探测施加于执行器的载荷并且也能探测在执行器和某个外部 物体之间的碰撞的机械障碍物。 自动校准

图15表示在从低于奥氏体开始温度到高于奥氏体完成温度的 加热过程中，电导率和执行器位置之间的关系。将位置变化(收缩 程度)绘制成一个正数-时间曲线，从施加电压开始，用实线表示； 而将电导率变化绘制成电导率-时间曲线，用虚线表示。选择位置 和电导率的尺度，以便能非常容易地看到两条曲线的相似性，从而 说明可采用电导率来模拟位置。典型执行器的加热时间约为0.3秒 至1秒。通过测量通过一个检测电阻的电压降可以测量电导率(如 图16所示)。对施加于形状记忆合金元件的恒定外加电压(Vsma) 来说，通过检测电阻(它有一个电阻R检测)的电压降是与通过形状 记忆合金元件和检测电阻器的电流成正比。所以利用电流以及从模 拟-数字转换器1602测得的电压可以容易地计算形状记忆合金元 件的电导率(1/Rsma)。这种数字电压信号特别适用于控制器/脉冲宽 度调制发生器1601。在加热初期，电导率(1/电阻)下降，然后过 了一段时间改变方向并开始增加。直到电导率的变化反向才会发生 移动。这点是最小电导率Cmin(也是最大电阻)，并对应于奥氏体 开始温度。通常认为低于奥氏体开始温度区域内的信息是无用的并 从位置控制方法中排除。然而，分析和实验表明，这种转向的深度 和持续时间与执行器的外加电荷成正比。因此，通过用电子仪器， 从起始电导率(Cstart，没有任何伸展的电导率)“画”一条水平线 穿过电阻-位置曲线并计算电导率/时间曲线和那根线之间的面积 (图15中的阴影面积)，用适当的尺度系数(由实验确定)进行放 大，从而可以计算执行器正抵抗的外加载荷。对行程仅几个毫米的 执行器可以进行这些测量，并达到这样的精度，即能看到一个分币 和两个分币作为外加载荷所产生的差异。

其次在图15中可以看到，随着电导率变化的另一个倒转，在 位置和电导率之间有一个相对线性关系的区域。电导率峰值的顶部 并不对应于最小电阻，因为，正如可以看到的，在该点执行器的位 置仍在变化，这表明还未达到奥氏体完成温度。因而，采用简单的 峰值探测器来确定最小电阻的系统高估了最小电阻。通过记录电导 率达到平衡状态的值可以获得更好的性能。在这一点，合金的温度 是在或高于奥氏体完成温度并已达到最大位移。

因为最小电阻和最大电阻的探测完全依赖于随时间变化的电 阻而不是其绝对值，因而该系统能动态适用于不同长度的形状记忆 合金部件。对可支撑长度的限制是：(1)用来加热形状记忆合金的 电源必须能够使形状记忆合金达到奥氏体完成温度，(2)形状记 忆合金的电阻必须足够大，从而使形状记忆合金不会以比控制系统 反应速度更快的速度达到奥氏体完成温度和过分加热。实际上，这 使得相同的控制系统在广泛的范围内自动地适用于形状记忆合金 执行器；这点特别具有吸收力，因为在许多应用场合，控制系统将 同时控制若干不同长度的执行器。 电阻反馈控制

图16说明第一种电阻测量(电阻反馈)技术。控制器/脉冲宽 度调制发生器把脉冲宽度调制逻辑脉冲从脉冲宽度调制输出端 1601A送到电源开关晶体管1603(如场效应晶体管或双极晶体管)， 电源开关晶体管1603使电流通过形状记忆合金元件。鉴于在奥氏 体相和马氏体相之间电阻变化较小，通常仅约形状记忆合金元件电 阻的10％，因而需要测量有一定的敏感度。在图16中，要选择电 阻尽可能小的传感电阻，例如，大约1欧姆，因而可获得最大的电 流来加热形状记忆合金元件的电阻(Rsma)。这又意味着通过传感电 阻的电压变化较小，因而在传送到控制器/脉冲宽度调制发生器1601 的模拟-数字插头前必须用放大器1602进行放大。对大多数外加 电压(Vsma)的实际值来说，当脉冲宽度调制信号较低时，在模拟 -数字转换器插头处的电压可能会超过最大可接受电压(通常约 5V)，因而在放大器1602的输出端可以使用箝位二极管。然而，这 种传统设计的电路不仅要求控制器1601有模拟-数字转换能力(或 加上一个模拟-数字转换器)，而且要求该电路包括一个传感电阻 器和一个放大器1602。

如图17概略所示，一种改进的传感电路消除了传感电阻器和 放大器，而且控制器不需要有模拟-数字转换能力。当在控制器/ 脉冲宽度调制发生器1701的输出端1701A处的脉冲宽度调制信号 是处于逻辑“1”(“接通”)状态时，转换晶体管1703允许电流通 过形状记忆合金元件，形状记忆合金元件用符号表示为Rsma；在 控制器输入位置1701B处的电压是形状记忆合金元件的电压 (Vsma)减去通过转换晶体管1703时的电压降。在电容器C1非接 地端具有相同的电压。因为输入位置1701B是一个输入插头因而具 有高阻抗，它不会干扰通过形状记忆合金元件的电流。

当脉冲宽度调制信号从位置1701A处进入逻辑“0”状态(在 负载周期的断开期间)时，转换晶体管1703关断通过形状记忆合 金元件的电流，电容器C1则立即开始通过形状记忆合金元件放电。 最后，在位置1701B处的电压降到输入端的转变阈值以下，因而输 入端从逻辑“1”状态转换到逻辑“0”状态。通过测量一旦脉冲宽 度调制信号进入逻辑“0”状态电容器C1放电所需要的时间，则可 以确定RC常数(表示RsmaC1)。因为C1是常数，则可以确定形状 记忆合金元件电阻(Rsma)的值；而且，如前所述，在马氏体-奥 氏体转变过程中，这个值将变化。一个相似的方法包括形状记忆合 金元件和电容器，电容器是并联在转换晶体管1703和形状记忆合 金元件(Vsma)之间，而不是并联在晶体管1703和地线之间，因 而将测量电容器充电时间而不是放电时间，并用来确定形状记忆合 金元件电阻的值。对本领域技术人员来说，鉴于本申请书披露的内 容，其他使用RC时间常数测量的类似方法是显而易见的。 位置传感

在开始的几个加热和冷却循环中，通过上述方法已经确认了最 小电阻和最大电阻，因而基于一种简单的状态机构的输出值，控制 系统能准确地对位置进行报告，其中简单的状态机构知道线是在加 热的起始阶段、线性部分、或顶部平稳状态。 力探测

在几个加热和冷却循环以后，控制系统记住了起始电阻转向的 大小和时间，并假定这是未加载状态。在进一步的循环中，该系统 可以报告载荷相当于起始载荷的倍数或分数。 碰撞探测

在几个加热和冷却循环以后，控制系统形成了一种上部平稳状 态将在何处发生的“预期”。如果平稳状态发生在比预期更高的电 阻值，那么或者执行器受到机械障碍或者热环境条件已经改变，以 致于电流不再能提供足够的动力来达到奥氏体完成温度(例如，形 状记忆合金线可能与冷物体热接触而被冷却，或者冷却空气流可能 正在冲击形状记忆合金线)。在许多应用场合，热环境条件变化的 概率很小，因而系统可以假定是机械障碍。事实上，基于平稳状态 发生于曲线线性部分之处，该系统甚至能够推导出沿行程多远处发 生障碍。 系统失效探测

最后，在加热过程中，会出现突然的电压窄脉冲或没有电压的 情况，软件对此解释为断路或短路条件，因而采取适当的步骤来确 保系统安全和有序的关闭。在显著过热时，精细的形状记忆合金线 会燃烧并在易燃环境中可能是一个着火源。

虽然一些先前的形状记忆合金装置已经确定了单个执行器的 位置或载荷，但是本发明的一个有吸引力的特点是：当使用相对置 的执行器时(在复杂的应用中通常是这样)，可仅使用通电的执行 器来进行测量。仅对加热的收缩形状记忆合金线进行测量避免了处 理形状记忆合金转变的内在滞后现象，并确保了位置和载荷的准确 测量以及位置控制，因为相反但未通电执行器的未加热线仅起低力 值恒定弹簧力的作用。

因为对软件而言，所有这些特点是简单的，因而几乎不需要计 算(除了一些基本的过滤以外)。这意味着，这种系统可以作为特 定用途的集成电路完全在硬件中实施或完全由在低成本预埋微型 控制器中的软件来实施。 微型控制器的特点

对没有反馈的系统来说，每个执行器仅需要一个微型控制器插 头；然而，如果需要同时驱动若干执行器(如，6腿行走玩具的3 条腿)，则可以使用单一输出插头来驱动若干转换晶体管，并从而 控制若干执行器。当使用弹簧偏压时，执行器的数目会减少；因而 采用弹簧偏压的6腿行走器仅需要4个输出插头：每两个(“提升” 或“前移”)用于两套腿的每一条腿。对有反馈的系统来说，每个 执行器需要两个插头：一个用于脉冲宽度调制输出，另一个用于位 置传感输入；如果采用电容传感方法，对每个执行器还需要一个定 时输入插头，如果需要的话，当然可以采用多路复用器来减少所需 输入插头的数目。通过采用多通道驱动器芯片也可以减少输出插头 的数目，如Allegro UDN5832，它包括32个高电流输出驱动器和连 续的外围界面，在其上连续的二进制数字可送入并锁定在驱动器 中。在具有许多形状记忆合金执行器的系统中，控制执行器的计算 辅助操作可能会变得重要起来。控制器在计算上最集中的活动是为 许多通道产生脉冲宽度调制信号和对传感器反馈值提供中断信号。 如果完全用软件来产生脉冲宽度调制信号(在芯片上没有任何脉冲 宽度调制硬件)，那么一个8MHz Motorola HC08微型控制器仅能同 时驱动大约12个执行器。然而，可以容易地在硬件中完成脉冲宽 度调制的产生，因而可以开发一种定制芯片，它包括多路复用器、 脉冲宽度调制发生器和传感插头，并且利用连续的外围界面使之可 以与微型控制器进行通讯，从而增加了可以控制的执行器的数目。 实施例：小型行程放大执行器

图18用部件分解图表示本实施例的平板和线的组合件，以181 表示。这些平板叠置成平行阵列，平板1811是在最下面，接着是 平板1812至1815，最上面是平板1816。每个平板由某种材料制成， 这种材料是刚性的但又足够柔软，从而允许分别在压接接头1821A 和1821B至压接接头1825A和1825B处把这种材料压接到形状记 忆合金线1821至1825上，并且不损伤线(形状记忆合金线的过度 压缩引起脆性和转变性能的变化)。制备平板的一种合适材料是中 硬弹壳黄铜。该线的连接也可以采用其他方法，但压接是一种有吸 引力的方法，因其容易、经济、并且不增加组合执行器的尺寸。最 下面平板1811是相对于最上面平板1816具有最大行程的执行器的 平板。平板1811有一个连接点18111用于外部连接于执行器要移动 的物体，并且通常有一个伸出物18112来与中止器接合从而在形状 记忆合金线的伸展和收缩过程中限制其行程。平板1811通常还有 一个或多个连接点(示为孔洞18113)用于电源线的连接(未示出)。 最上面平板1816可以有缺口或孔洞18161用来相对于壳体(图中 未示出)进行定位，平板1816还有一个连接点(示为孔洞18162) 用于连接另一根电源线(未示出)。

图19是组合的执行器在壳体1830中的侧视图。虽然图中显示 平板1811至1816和压接接头1821A至1825B，但为清楚起见仅显 示形状记忆合金线1825。平板由中硬弹壳黄铜(CA260)制成，为 0.2毫米粗，从而适当无损伤地压接形状记忆合金线，并且平板仍 具有足够的刚度。一种0.08毫米厚Kapton聚酰胺薄膜(类型为HN) 的绝缘层(未示出)覆盖于平板的内面，或者类似材料的薄片放置 在平板之间，从而确保平板间的电分离并提供低摩擦滑动表面。线 是50微米的Dynalloy Flexinol形状记忆合金线，其转变温度是90 ℃，在10克预加载拉力下对线进行连接从而避免松驰，否则会导 致执行器的无效运动。制备壳体的合适材料是工程热塑性塑料，如 聚碳酸酯或类似物。制成的执行器的高度为4毫米、宽度为3毫米、 伸展长度为30毫米、收缩长度为26毫米，因而提供4毫米的行程 (行程/长度比为13％)。整个执行器的重量仅为0.7克。该执行器 的收缩力为35克，复原力为4克，极限为1公斤，收缩时间为0.5 秒，冷却时间为0.7秒。在6.0V时平均电流是50mA，其峰值电流 为110mA。

图20A和20B简要说明执行器的限位装置，这里仅在壳体内 的截面显示最远移动的平板。平板2010在壳体2001内滑动。壳体 2001有一个连接点2002将执行器主体与使用环境相连，并有一个 限位器2003所限定的开口。平板2010有一个与使用环境相连的连 接点2011、内部伸出物2012、和外部伸出物2013(术语“内部” 和“外部”是相对于壳体2001而言)。如图20A所示，当执行器在 其全伸展位置时，平板2010上的内部伸出物2012与中止器2003 接合来阻止执行器的进一步伸展。如图20B所示，当执行器在其全 收缩位置时，外部伸出物2013与中止器2003接合来限制收缩。以 这种方法：(1)施加过度的外部伸展力(比执行器可施加的力大得 多)既不能使形状记忆合金元件受力过大；(2)执行器也不能收缩 到其能力的极限(因而确保，即使形状记忆合金元件老化和失去恢 复性—对形状记忆合金元件来说这是众所周知的—执行器将仍然 在限位装置之间的整个范围内移动)。

实施例：行走昆虫

根据本发明的形状记忆合金执行器的许多潜在应用之一是用 于小型可移动机器人或机器人玩具。已经创造出的一个玩具是6腿 机器人行走昆虫。形状记忆合金执行器用来提供逼真的活动性和灵 活性。图21表示6腿玩具昆虫，表示为2100。6腿玩具昆虫有6 个形状记忆合金执行器2101至2106(每腿一个)，可以看到它们是 安装在内部躯体架2110(11cm×3cm)之上，内部躯体架2110包含 一个Motorola MC68HC08MP16微型控制器和一个9伏电池。6个 相似的执行器2121至2126(在本图中仅端部可见)是安装在内部 躯体架之下。每个执行器与玩具的一条相对应的腿连接(执行器 2101和2121与腿2111相连，等等)。相对于框架2110，执行器2101 至2106的作用是提升它们的对应腿的端部，而相对于躯体架2110， 执行器2121至2126的作用是向后移动腿的端部，如图22至图24 所示。额外的执行器2107和2108分别与钳子2117和2118相连， 其作用是合拢钳子。用偏压弹簧(未用数字标记)顶住这些执行器 的每一个，倾向于把每条腿的端部向前和向下拉并倾向于把钳子打 开。图22、23和24表示两个形状记忆合金执行器如何连接于玩具 的每条腿。该昆虫的腿和身体可由任何适当的轻质刚性材料制成， 如热塑性塑料，例如象Lexan之类的聚碳酸酯。

图22是昆虫躯体架的上左视图，作为代表性的例子，图示说 明昆虫的左后腿2112。两个执行器2102和2122用点划线2132和 2142(在图23中)所示的旋转轴与一个两自由度接头相连，在此 腿2112与架2110接合。当两个执行器都松驰(伸展)时，弹簧2152 驱使腿2112的端部相对于架向下，如弹簧2152附近的执行器箭头 所示，并支撑昆虫的重量使其能站住而不消耗动力。如邻近执行器 2102的箭头所示，当安装在架2110顶部的执行器2102收缩时，它 通过一钢丝束(未用数字标记)拉操纵杆2162，这引起该腿围绕水 平轴2132旋转并提升该腿。当执行器2102松驰时，弹簧2152促 使该腿恢复到其原始位置。通过控制执行器2102收缩的量，则可 以使腿2112提升一特定的高度。通过变化操纵杆2162的长度和弹 簧2152的力，则可以适应不同步高和体重。当执行器2122松驰时， 弹簧2172保持腿2112向前。如邻近于执行器2122的箭头所示， 当执行器2122收缩时，它(通过钢丝束，未用数字标记)拉腿的L -形伸出部2182，促使其围绕轴2142旋转，并沿向后的弧形摆动 腿2112。如邻近于弹簧2172的箭头所示，当执行器2122松驰时， 弹簧2172使腿恢复到其原始的向前位置。

有两个执行器与腿相连，通过控制每个执行器的收缩程度，可 以使腿的脚在一个长方形内进行任意的路径，其中长方形由执行器 的移动范围所限定。

图23表示相同的腿，它是从架后部观察的结果，该图清楚地 说明了执行器2102及其相对弹簧2152的作用；而图24说明两者 的自由度。

剩余的5条腿以类似的方式连接，两个钳子也一样(虽然每个 钳子仅需要一个执行器，如图21所示，因为它们的铰接仅用于水 平弧形的移动)。当昆虫行走时，在任何一个时刻，它有3只脚是 在地面上，因此必须能够仅用3条腿来支撑自身。因而，每个弹簧 必须能够至少支撑昆虫总重量的三分之一。这又意味着在躯体架顶 部用来提升腿的执行器必须是足够有力来克服这些弹簧的力。如果 选择操纵杆的长度等于接头和腿(当腿围绕水平轴旋转时)所形成 的力矩臂，那么当执行器收缩时脚将能够升高相同的距离。因此， 一个产生70克额定力和收缩4毫米的执行器将能够支撑重量约200 克的昆虫并把其脚升高离地面4毫米。实际上，理想的脚升高通常 较大，从而适应在粗糙地面的行走，因而操纵杆与脚力矩臂的比减 小，这导致更高的脚升高和更低的承载能力。

一种便宜的8比特微型控制器，如上述的Motorola MC68HC08MP16，可用来产生所需的脉冲宽度调制信号和测量所用 14个执行器的变化的电阻值。软件可以指挥6条腿中的每一条腿移 动到特定位置并确定何时达到所需位置。用这种方法，可以容易地 实施一种行走算法，如三脚架步法，对此在文献中有广泛的描述[参 看，如，C.Ferrell，《3种昆虫启发的移动控制器的比较》(A Comparison of Three Insect Inspired Locomotion Controllers)， Massachusetts Institute of Technology Artificial Intelligence Laboratory Memorandum，Cambridge MA，USA；和M.Binnard，《小 型气动行走机器人的设计)》(Design of a Small Pneumatic Walking Robot)，Massachusetts Institute of Technology，Cambridge MA，MS Thesis，1995]；并且可以使螯钳子打开和合拢。

很显然，对本领域技术人员来说，可以对这种机器人或玩具进 行许多改变和改进，例如，采用单个执行器来合拢两个钳子、采用 一对相反的执行器而不是与弹簧相反放置的执行器等等，这依赖于 设计水平和所要求的工程复杂程度。相似的设计技术可用来完成许 多任务，其中形状记忆合金执行器可能是有用的，本技术领域的设 计者和制造者应能够设计/制造形状记忆合金执行器和包含它们的 装置而无需进行过多的实验。也很显然，根据本发明的传感和控制 方面一般可应用于所有形状记忆合金执行器和包含它们的装置，它 们的应用并不限于根据本发明的第一和第二个方面的行程放大形 状记忆合金执行器。因此根据本发明的传感和控制方面也可以用于 传统的直线、螺旋线或其他本领域已知和在本申请书所引用文献中 作为示范的形状记忆合金执行器。

鉴于可获得的信息，包括本申请书引用的文献和本申请书所披 露的内容，本领域技术人员能够容易地完成用于根据本发明的形状 记忆合金执行器所需的软件，这种软件实施各种功能，包括传感和 控制功能。

如在发明简述中所讨论的，本发明还包括采用机电活性材料的 其他执行器(机电活性材料是这样的材料，它们的膨胀和收缩是通 过在其中通过电流或对它们施加电势而获得，而不是借助于在广泛 的温度范围内与温度成线性关系的热膨胀和热收缩过程来完成)。 这类材料包括，例如，压电材料和某些电活性聚合物。当通电时， 这些材料通常仅呈现出非常有限的膨胀或收缩，采用它们作为执行 器的装置通常应用于行程放大，在本申请书中针对包含形状记忆合 金元件的执行器已详细讨论过这种行程放大。此外，控制和传感技 术同样适合于这类不同的执行器。因此，当在本申请书中使用“形 状记忆合金执行器”这一术语时，除非上下文明确表示它仅指包含 形状记忆合金元件的执行器，应当认为“形状记忆合金执行器”包 括采用机电活性材料元件，特别是形状记忆合金元件的执行器。

对于本领域技术人员来说，可以对本发明做各种改变和改进， 而不偏离本发明的范围和精神。虽然本发明已经参考其特定的优选 实施例而加以描述，但是本发明不限于这类特定的实施例。实施本 发明的描述方式的各种改动均在本发明专利申请权利要求范围内。