致動(dòng)器及用于改進(jìn)致動(dòng)器的方法
【專利說明】
[0001] 公共資助聲明
[0002] 本文件可能包含由Tekes (芬蘭國家技術(shù)創(chuàng)新局）、阿爾托大學(xué)和奧頓基金會資助 的工作成果。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及基于形狀記憶合金的致動(dòng)器的構(gòu)造和使用。
【背景技術(shù)】
[0004] 從已公開的專利申請WO 2009/115645 Al和WO 2011/148047 Al已知利用形狀記 憶合金或磁致伸縮材料的形狀改變的致動(dòng)器。
[0005] 發(fā)明目的
[0006] 目的是改進(jìn)利用形狀記憶合金的形狀改變的致動(dòng)器。
[0007] 可以用根據(jù)第1或第12方面的致動(dòng)器以及根據(jù)第13方面的方法來實(shí)現(xiàn)該目的。
[0008] 其它方面描述致動(dòng)器的各種有利方面。
[0009] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的致動(dòng)器包括殼體中的至少一個(gè)基于形狀記憶合金的轉(zhuǎn)換器并包括 至少一個(gè)預(yù)加載彈簧。所述致動(dòng)器被配置為導(dǎo)致至少一個(gè)可移動(dòng)構(gòu)件在以下方向上的運(yùn) 動(dòng)：
[0011] O第一方向，在所述至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器經(jīng)歷使之收縮的熱致相變時(shí)，以及
[0012] 〇與所述第一方向相反的第二方向，在所述至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器經(jīng)歷由溫度改變導(dǎo)致 且由所述預(yù)加載彈簧增強(qiáng)的相變時(shí)，這使所述轉(zhuǎn)換器伸長。
[0013] 此外，所述致動(dòng)器包括至少一個(gè)限制器，所述至少一個(gè)限制器被配置為限制由所 述預(yù)加載彈簧導(dǎo)致的所述至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)變。在所述致動(dòng)器中，所述至少一個(gè)預(yù)加載 彈簧在其初始狀態(tài)下預(yù)加載有預(yù)加載力，并且被配置為導(dǎo)致所述至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器在其靜止 狀態(tài)下產(chǎn)生拉力，所述拉力被所述至少一個(gè)限制器限制，使得由所述至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器中的 拉伸產(chǎn)生的所述拉力小于在相變期間由所述至少一個(gè)預(yù)加載彈簧施加到所述轉(zhuǎn)換器的力。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種致動(dòng)器包括至少一個(gè)基于形狀記憶合金的轉(zhuǎn)換器， 所述基于形狀記憶合金的轉(zhuǎn)換器被配置為導(dǎo)致至少一個(gè)可移動(dòng)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)并且位于殼體中。 此外，所述致動(dòng)器包括至少一個(gè)預(yù)加載彈簧，所述至少一個(gè)預(yù)加載彈簧被配置為預(yù)加載所 述至少一個(gè)基于形狀記憶合金的轉(zhuǎn)換器。改進(jìn)包括至少一個(gè)限制器，所述至少一個(gè)限制器 被配置為限制由所述預(yù)加載彈簧導(dǎo)致的所述至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)變。
[0015] 利用所建議的致動(dòng)器，與能由未預(yù)加載的所述致動(dòng)器獲得的力比較，可以在其沿 所述第二方向移動(dòng)期間由所述可移動(dòng)構(gòu)件施加的力可以顯著增加。更確切地說，利用本致 動(dòng)器，在沿所述第二方向移動(dòng)期間，可以由所述可移動(dòng)構(gòu)件施加的力不再是所述至少一個(gè) 基于形狀記憶合金的轉(zhuǎn)換器的力，而是所述至少一個(gè)預(yù)加載彈簧的力。
[0016] 本致動(dòng)器可獲得的優(yōu)點(diǎn)在于，如圖6所示的結(jié)果建議的，與其中采用了至少一 個(gè)基于形狀記憶合金的轉(zhuǎn)換器和預(yù)加載彈簧但不限制由所述預(yù)加載彈簧施加的預(yù)加 載力的致動(dòng)器相比，可以在工作階段期間由所述致動(dòng)器導(dǎo)致的移動(dòng)量可以是更可預(yù)測 的。與由Azfal Khan等人提出的在其宣傳上題為"SHAPE MEMORY ALLOY WIRES FOR ACTUATING POSITIONING SYSTEMS WITH ELASTIC BEARINGS"（寫入http://www. aspe. net/ publications/Annual 2005/P0STERS/2EQUIP/3DTEST/1815. PDF 可電子檢索）的一個(gè)自由 度定位系統(tǒng)比較，這獲得了更簡單得多的構(gòu)造。
[0017] 認(rèn)為可能與某些用途非常相關(guān)的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)在于，在失效之前，本致動(dòng)器可擁有 更多循環(huán)。所述限制器的主要目的是避免這樣的高預(yù)加載力損壞所述至少一個(gè)基于形狀記 憶合金的轉(zhuǎn)換器。
[0018] 如果所述致動(dòng)器進(jìn)一步包括至少一個(gè)預(yù)加載壓縮到拉伸轉(zhuǎn)變器連接器將由所述 至少一個(gè)預(yù)加載彈簧施加的力傳遞給所述轉(zhuǎn)換器，則所述致動(dòng)器的配置可以由相對簡單的 機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)施。
[0019] 在所述致動(dòng)器中，所述至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器包括由形狀記憶合金制成或組成的各個(gè)線 材或桿構(gòu)成的至少一個(gè)束，使得在所述束中，各個(gè)線材被彼此串聯(lián)或并聯(lián)地電連接并且機(jī) 械地并行布置，可以確保能從至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器經(jīng)由其相變獲得的收縮力足夠高，因?yàn)椴⑿?布置的線材或桿將每個(gè)各個(gè)線材或桿的收縮力集合在一起?？蛇x地，如果存在不止一個(gè)束， 則這些束可彼此串聯(lián)地電連接。以這種方式，例如，可以確保加熱束中的所有線材或桿可以 同時(shí)進(jìn)行，以便避免因可以致使所述致動(dòng)器彎曲的非均勻變形而損壞所述致動(dòng)器。此外，所 述束可優(yōu)選地并聯(lián)連接，以增加力或?qū)崿F(xiàn)期望的移動(dòng)形式。
[0020] 如果所述致動(dòng)器進(jìn)一步包括至少兩個(gè)連接器，所述至少兩個(gè)連接器被電連接到所 述束，用于將從動(dòng)力源、諸如從可無線切換的電池或經(jīng)由所述致動(dòng)器中的至少一個(gè)感應(yīng)線 圈接收的電能饋送到所述束，則所述致動(dòng)器可以以無線的方式使用。當(dāng)致動(dòng)器被設(shè)計(jì)為實(shí) 施在持續(xù)治療數(shù)天、數(shù)周或甚至數(shù)月的患者中的矯形治療裝置的致動(dòng)器時(shí)，在這樣的致動(dòng) 器應(yīng)用情況下這是尤為重要的，因?yàn)橛捎谀軣o線使用，能量可以以無線的方式供給到致動(dòng) 器，并且因此可去除在治療期間使患者具有開放性傷口的需要。
[0021 ] 如果在包括線材或桿的至少一個(gè)束的所述致動(dòng)器中，所述束的各個(gè)線材之間的電 連接以及機(jī)械連接被實(shí)施在至少一個(gè)連接單元內(nèi)，并且其中所述限制器被配置為通過限制 所述至少一個(gè)連接單元或者連接部在所述至少一個(gè)預(yù)加載彈簧的工作方向上到力傳遞裝 置的移動(dòng)來限制所述束的拉力，則所述至少一個(gè)連接單元可以用于吸收很多甚至所有的差 異，以將所述預(yù)加載彈簧的較高預(yù)加載應(yīng)力削減為用作所述至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器上的拉力的較 小力。
[0022] 如果在所述致動(dòng)器中，所述預(yù)加載彈簧圍繞所述轉(zhuǎn)換器布置，使得所述轉(zhuǎn)換器的 收縮拉動(dòng)所述可移動(dòng)構(gòu)件而壓縮所述預(yù)加載彈簧，則所述致動(dòng)器可以更小。除此之外，或者 作為替代，可以以相對簡單的方式確保所述預(yù)加載彈簧和轉(zhuǎn)換器相互之間的相對空間位置 在操作致動(dòng)器期間實(shí)際上保持不變。
[0023] 如果所述致動(dòng)器的殼體被封裝在生物相容性材料中或者由生物相容性材料組成， 則所述致動(dòng)器可以用作醫(yī)療器械中的致動(dòng)器或可與體液或身體組織連接的類似致動(dòng)器。
[0024] 優(yōu)選地，所述致動(dòng)器被結(jié)合至轉(zhuǎn)變器，所述轉(zhuǎn)變器將所述可移動(dòng)構(gòu)件的往復(fù)運(yùn)動(dòng) 轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗蜻\(yùn)動(dòng)。以這種方式，所述致動(dòng)器可以用作將致動(dòng)器的移動(dòng)轉(zhuǎn)換為牽引移動(dòng)（通 過延伸移動(dòng)或向外移動(dòng)）或收縮移動(dòng)（通過縮短移動(dòng)或向外移動(dòng)）的裝置的致動(dòng)器。產(chǎn)生 牽引或收縮移動(dòng)的裝置被廣泛用在醫(yī)藥領(lǐng)域中，特別用在矯形外科中。
[0025] 優(yōu)選地，所述基于形狀記憶合金的轉(zhuǎn)換器是或包括一個(gè)或多個(gè)NiTi元件。 特別有利地，由所述預(yù)加載力施加在一些或所有NiTi元件上的應(yīng)力在致動(dòng)期間介 于250MPa-450MPa的范圍內(nèi)，并且所述NiTi元件在其馬氏體狀態(tài)下導(dǎo)致的張應(yīng)力為 20MPa-90MPa。以這種方式，可以確保，可以由所述致動(dòng)器產(chǎn)生的力對于許多實(shí)際目的是足 夠高的，特別在矯形外科的領(lǐng)域中，特別是對于骨牽引或脊柱側(cè)彎治療裝置，諸如但不限于 結(jié)合下頌骨、掌骨、跖骨、顱頂、面部中央、長管狀骨或其它骨使用的裝置。在所述預(yù)加載力 和張應(yīng)力的呈現(xiàn)范圍內(nèi)，所述NiTi元件的應(yīng)變對更好可預(yù)測有很高的可能性。此外，所述 致動(dòng)器可具有延長的壽命，即所述致動(dòng)器可以用于在負(fù)載下經(jīng)歷更多的循環(huán)。
[0026] 優(yōu)選地，所述致動(dòng)器適合用作固定或互連至骨的可植入治療裝置中的致動(dòng)器。
[0027] 所述致動(dòng)器可特別包括在所述殼體中彼此相鄰組裝的多個(gè)（即至少兩個(gè)）致動(dòng) 器。這種配置特別適合脊柱側(cè)彎治療裝置或內(nèi)部骨牽引裝置。
[0028] 替代地，所述致動(dòng)器可包括圍繞軸線布置的多個(gè)轉(zhuǎn)換器。這種配置特別適合內(nèi)部 骨牽引裝置的骨牽引致動(dòng)器。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的另一致動(dòng)器包括殼體中的至少一個(gè)基于形狀記憶合金的轉(zhuǎn)換器并 包括至少一個(gè)預(yù)加載彈簧。所述致動(dòng)器被配置為導(dǎo)致至少一個(gè)可移動(dòng)構(gòu)件在以下方向上的 運(yùn)動(dòng)：
[0030] 〇第一方向，在所述至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器經(jīng)歷使之收縮的熱致相變時(shí)，以及
[0031] 〇與所述第一方向相反的第二方向，在所述至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器經(jīng)歷由溫度改變導(dǎo)致 且由所述預(yù)加載彈簧增強(qiáng)的相變時(shí)，這使所述轉(zhuǎn)換器伸長。
[0032] 此外，所述致動(dòng)器包括連接到所述可移動(dòng)構(gòu)件以及彈簧的桿。所述彈簧可以是圍 繞彈簧壓縮桿放置的壓縮彈簧堆疊。所述彈簧也可以是連接到所述桿的端部的拉伸彈簧。 在所述致動(dòng)器中，所述桿被拉到所述轉(zhuǎn)換器的最佳預(yù)應(yīng)力，使得可以增設(shè)固定部分。增設(shè)的 所述固定部分保持所述最佳預(yù)應(yīng)力。
[0033] 與前述致動(dòng)器相同的實(shí)施方式可以用于另一致動(dòng)器。
【附圖說明】
[0034] 在下文中，參考在圖1至圖28的附圖中示出的示例更詳細(xì)地描述致動(dòng)器，其中：
[0035] 圖1圖示了基于所呈現(xiàn)的測試系統(tǒng)的致動(dòng)器概念；
[0036] 圖2圖示了致動(dòng)器的理論應(yīng)力-應(yīng)變特性；
[0037] 圖3是測試系統(tǒng)和所使用樣本的示意圖；
[0038] 圖4的（a)和（b)圖示了測試系統(tǒng)中的NiTi線材的應(yīng)力-應(yīng)變特性，（a)示出了 30MPa下的測試，而（b)為69MPa下的測試，每條曲線記錄了加熱期間的更高應(yīng)力水平以及 冷卻期間的更低水平；
[0039] 圖5圖示了在69MPa預(yù)應(yīng)力和250MPa應(yīng)力水平下致動(dòng)期間NiTi的應(yīng)變特性，實(shí) 線為測試的致動(dòng)循環(huán)的平均，而虛線代表測試的標(biāo)準(zhǔn)偏差；
[0040] 圖6圖示了 300Mpa的負(fù)載下的應(yīng)變對循環(huán)次數(shù)；
[0041] 圖7的（a)和（b)圖示了不同負(fù)載條件下的NiTi元件的應(yīng)變特性：(a)示出了 30MPa預(yù)應(yīng)力下的性能，而（b)示出了 69MPa預(yù)應(yīng)力下的性能；
[0042] 圖8的（a)和（b)中的（a)是作為應(yīng)變的函數(shù)圖示的所獲得的凈應(yīng)力，而（b)是 作為針對所有被測試的應(yīng)力-預(yù)應(yīng)力組合獲得的疲勞壽命示出的所獲得的凈應(yīng)力：黑色 符號表示69MPa的預(yù)應(yīng)力，而空心符號為30MPa的預(yù)應(yīng)力；
[0043] 圖9是所呈現(xiàn)的致動(dòng)器的第二實(shí)施方式的示意圖；
[0044] 圖10是圖1中所呈現(xiàn)的致動(dòng)器的第一實(shí)施方式的示意圖；
[0045] 圖11是根據(jù)第二實(shí)施方式的第一致動(dòng)器的截面；
[0046] 圖12是根據(jù)第二實(shí)施方式的第二致動(dòng)器的截面；
[0047] 圖13是處于收縮狀態(tài)下的根據(jù)第二實(shí)施方式的第二致動(dòng)器的截面；
[0048] 圖14是根據(jù)圖1和圖10所示的第一實(shí)施方式的致動(dòng)器的截面；
[0049] 圖15至圖17圖示了根據(jù)第二實(shí)施方式的致動(dòng)器的循環(huán)，從致動(dòng)器的初始階段起， 通過在第一方向上移動(dòng)而到達(dá)收縮階段，并且通過在第二方向上移動(dòng)而回到初始階段；
[0050] 圖18圖示了根據(jù)第三實(shí)施方式的致動(dòng)器的某些部件，該致動(dòng)器包括在殼體中彼 此相鄰組裝的至少兩個(gè)致動(dòng)器；
[0051] 圖19圖示了根據(jù)第四實(shí)施方式的致動(dòng)器的某些部件，該致動(dòng)器包括圍繞軸線布 置的多個(gè)轉(zhuǎn)換器；
[0052] 圖20、圖23和圖24圖示了骨牽引致動(dòng)器；
[0053] 圖21是骨牽引致動(dòng)器的截面A-A ;
[0054] 圖22是如圖23中圖示的骨牽引致動(dòng)器的彈簧堆疊端的縮放視圖C ;
[0055] 圖25圖示了位于圖24中圖示的位置處的截面D-D和E-E ;
[0056] 圖26圖示了致動(dòng)器的各部分；
[0057] 圖27(a)圖示了致動(dòng)器的概略圖；
[0058] 圖27(b)和圖27(c)圖示了圖27(a)的致動(dòng)器的關(guān)鍵點(diǎn)的截面圖。
[0059] 圖28圖示了致動(dòng)器各部分的位置。
[0060] 在所有圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的技術(shù)特征。
【具體實(shí)施方式】
[0061] 1、簡介
[0062] 已經(jīng)發(fā)明了形狀記憶合金（SMA)致動(dòng)器，該致動(dòng)器產(chǎn)生可預(yù)測的輸出性能并已對 其進(jìn)行測試。
[0063] 對于SM致動(dòng)器，存在具有狹小的空間限制的若干應(yīng)用領(lǐng)域，其中通過利用傳感 器來控制致動(dòng)器是難以實(shí)現(xiàn)的。
[0064] 用于致動(dòng)器構(gòu)思的測試系統(tǒng)允許NiTi抵抗具有不同預(yù)應(yīng)力的恒定負(fù)載的性能評 估。市售的NiTi元件Flaxinof (Dynalloy公司的商標(biāo)）線材在該系統(tǒng)下測試，抵抗兩個(gè)不 同預(yù)應(yīng)力值30MPa和69MPa下的高恒定負(fù)載水平250、300、350和400MPa。測量NiTi線材 在這些條件下的應(yīng)變輸出和疲勞壽命。不出所料，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力水平的增加會降低疲勞壽命。此 外，預(yù)應(yīng)力從30MPa增加到69MPa提高了所有應(yīng)力水平下的應(yīng)變輸出。發(fā)現(xiàn)不同的應(yīng)力_ 預(yù)應(yīng)力組合可以導(dǎo)致材料相同的凈輸出力，但它們的最大應(yīng)變輸出和疲勞壽命是不同的。 根據(jù)該結(jié)果，該致動(dòng)器構(gòu)思是可行的，并且能以可預(yù)測的輸出性能實(shí)現(xiàn)。
[0065] 形狀記憶合金用于從醫(yī)療裝置和植入物（Aalsma 1997，％tiiiieii 1999)到航空航 天應(yīng)用（Chau 2006)和機(jī)器人（Kheirikhah 2011)范圍內(nèi)的各種各樣的應(yīng)用。這些應(yīng)用中 的大多數(shù)利用二元鎳鈦合金，這是因?yàn)樗鼈儍?yōu)異的機(jī)械及形狀記憶性能。一般而言，在