阅读说明：本技术 被配置成用于运动的环-带装置 (Ring-and-band apparatus configured for movement ) 是由 单保祥 于 2018-04-28 设计创作，主要内容包括：公开了一种提供运动的环-带装置。外约束环约束内屈曲环以形成具有一个或多个屈曲部的屈曲模式。用于激活的器件在所述屈曲部中的一者中产生激活力,从而提供引起所述屈曲环的配置变化的应力。这产生所述屈曲环的移动。取决于所述屈曲环的成分,经由加热、冷却、光、电流或电压、磁场或它们的组合产生所述应力。所述约束环是适当薄的相对不能伸展但柔性的材料。所述约束环是在经受适当的激活力时形成应力的适当薄的相对柔性的反应材料。合适的反应材料包括电活性聚合物、电致伸缩材料、磁致伸缩材料,以及具有高线性热膨胀系数的材料。所述运动是线性或旋转的,取决于装置配置。(A ring and belt apparatus is disclosed that provides motion. The outer constraining ring constrains the inner flexure ring to form a flexure pattern having one or more flexures. The means for activating generates an activation force in one of the flexures providing a stress that causes a change in the configuration of the flexure ring. This produces movement of the flexure ring. The stress is generated via heating, cooling, light, current or voltage, magnetic field, or a combination thereof, depending on the composition of the buckling ring. The confinement rings are suitably thin, relatively inextensible, but flexible materials. The confinement rings are suitably thin, relatively flexible, reactive materials that develop stress when subjected to a suitable activation force. Suitable reactive materials include electroactive polymers, electrostrictive materials, magnetostrictive materials, and materials having high linear coefficients of thermal expansion. The motion is linear or rotational depending on the device configuration.)

被配置成用于运动的环-带装置

优先权声明

本申请要求以下申请的优先权：单保祥(Baoxiang Shan)在2017年11月3日提交的标题为“被配置成用于运动的环-带装置(Loop-Band Devices Configured for Motion)”的美国专利申请15/802,580；单保祥在2017年5月15日提交的标题为“环状多稳态系统(Looped Multistable System)”的美国序列号62/506,199；单保祥在2017年5月16日提交的标题为“柔性致动器和传感器(Flexible Actuator and Sensor)”的美国序列号62/506,828；单保祥在2017年5月17日提交的标题为“柔性移动系统(Flexible Movement System)”的美国序列号62/507,300；以及单保祥在2017年5月20日提交的标题为“行波泵(Travelling Wave Pumps)”的美国序列号62/509,102，所有的美国申请的内容特此以引用方式完全并入本文。

技术领域

本发明涉及一种结构和一种用于制作被配置成用于产生运动的环-带装置的方法，并且更具体地，涉及被配置成将热应力、压电应力、电限制应力和磁限制应力转换成机械运动并且反之亦然的环-带装置。

背景技术

将热应力、压电应力、电限制应力和磁限制应力转换成机械运动并且反之亦然的技术问题在运动生成和能量收集的技术领域中是固有的。

可能的相关领域可以包括但不限于诸如美国专利6,392,331和美国专利申请20130082427的公布案。

发明内容

本发明涉及一种使用环-带装置提供运动的发明系统和方法。

在优选实施例中，环-带装置可以包括约束环，所述约束环可以固持屈曲环，使得屈曲环呈现或形成具有一个或多个屈曲部的屈曲模式。器件然后可以用来在屈曲环内产生激活力。激活力可以例如是引起屈曲环中的应力变化的任何力。取决于屈曲环的成分，可以经由器件产生该应力，诸如但不限于，热、冷、光、电流或电压、磁场或者它们的某一组合。应力的结果可以是屈曲环的配置变化，使得存在约束环和/或环-带装置的移动。

在更优选的实施例中，可以在屈曲部中的一者或多者的拐点处或附近施加激活力，因为这可以引起激活力更有效地转变成环-带装置运动。

约束环优选地是没有端点的、可以具有均匀厚度和均匀宽度的连续条带。约束环的宽度优选地比其厚度大，并且约束环可以具有同质成分。

约束环可以例如由相对不能伸展但柔性的材料制成，诸如但不限于，织物增强硅树脂、织物增强聚氨酯、钛合金、不锈钢合金、铜合金或铝合金，或者它们的组合。

屈曲环优选地是没有端点的、可以具有均匀厚度和均匀宽度的连续条带。屈曲环的宽度优选地比屈曲环的厚度大。尽管屈曲环可以具有同质成分，但一些实施例可以具有多层屈曲环，和/或具有不同成分的图案的屈曲环。

屈曲环可以例如由在经受适当激活力时可以形成应力的适当柔性材料制成。此类材料包括例如电活性聚合物。其他合适的屈曲环材料包括但不限于具有合适的线性热膨胀系数的金属或金属合金。

约束环和屈曲环两者都优选地具有无缝构造，但如果适当构造的话，可以形成接合处。

在本发明的又一个优选实施例中，屈曲环可以是具有基底层和活性材料层的双层屈曲环。基底层和活性材料层可以例如接合在一起。基底层可以由诸如但不限于可以制成约束环的那些材料制成。类似地，活性材料层可以由诸如但不限于可以制成屈曲环的那些材料制成。

在本发明的另一个实施例中，约束环可以包括一个或多个接合元件，而屈曲环可以包括一个或多个互补的定位元件。这样的布置可以例如允许屈曲环呈现可以具有更大数量的屈曲部的更复杂的更高本征值模式。互补的接合元件和定位元件还可以或反而可以有助于在约束环与屈曲环之间传递力和/或运动。

其他实施例可以包括固定点，所述固定点可以在一个或多个固定点处将约束环结合到屈曲环。此类固定点可以例如有效地允许使用环-带装置来产生横向运动，所述横向运动例如可以用于诸如但不限于机械臂关节式运动的应用。

在本发明的再一个实施例中，屈曲环可以设置有可以单独地激活或成组地激活的一个或多个离散的力产生元件。这些力产生元件可以是诸如但不限于陶瓷或聚合物压电元件的材料。

本领域的一般技术人员将了解，尽管本文主要在向屈曲环施加应力以产生运动的方面描述环-带装置，但所述实施例中的很多还可以用于另一或替代模式，其中环-带装置或其元件经受运动，并且施加到环-带装置的与合成运动相关的应力可以生成电力，因为其屈曲环或其元件改变形状或呈现变化的屈曲模式。因此，本发明的环-带装置还可以用于以下应用：诸如但不限于，从诸如但不限于风或波动或其组合的运动源进行能量收集。

附图说明

图1示出了环-带装置的示意截面。

图2示出了由用于产生激活力的器件驱动的环-带装置的示意截面。

图3示出了具有固定点的单屈曲部式环-带装置的示意截面。

图4示出了具有接合和定位元件的双屈曲部式环-带装置的示意截面。

图5示出了具有固定点的双屈曲部式环-带装置的示意截面。

图6示出了具有双层屈曲环的环-带装置的示意截面。

图7示出了具有集成到屈曲环中或集成到其上的用于产生激活力的器件的环-带装置的示意等距视图。

图8示出了被配置成用于旋转运动的环-带装置的示意截面。

具体实施方式

现在将参考附图描述用于实施本发明的最佳模式。附图中的相同元件用相同附图标记来标识。

现在将详细参考本发明的各种实施例。通过解释本发明来提供此类实施例，本发明不限于此。事实上，本领域的一般技术人员在阅读本说明书和查看附图后可以了解，可以对其进行各种修改和变化。

图1示出了本发明的一个实施例的环-带装置的示意截面。

环-带装置105可以包括约束环110和屈曲环115。屈曲环可以被约束在约束环内，以这样的方式使得它呈现或形成具有一个或多个屈曲部120的屈曲形状或屈曲模式。屈曲部120中的每一者可以具有第一拐点135和第二拐点136。用于产生激活力的器件可以将应力引入屈曲环115中，所述应力可以导致屈曲环改变其形状并且在这样做时引起运动。屈曲环改变形状的运动可以例如引起环-带装置105在它可以搁置的表面上平移。

在屈曲部中的一者的拐点中的一者处或附近产生激活力可以是将施加的激活力转变成环-带装置的运动的最有效方法。然而，可以存在在其他地点处施加激活力的优点。激活力可以例如引起屈曲部的大小的变化、弯曲力矩或屈曲环的一部分的角度变化或者屈曲环的一部分的曲率变化，或者是这些变化的结果。在屈曲环和约束环开始分开以形成屈曲部的地方附近施加这样的激活力可以例如是环-带装置的移动可以被最精确地控制的位置。

约束环优选地是没有端点并且可以具有均匀厚度和均匀宽度的连续条带。约束环的宽度优选地比其厚度大5倍，并且约束环优选地具有同质成分。

激活力可以例如是引起屈曲环中的应力变化的任何力。取决于屈曲环的成分，可以经由用于产生激活力的器件产生该应力，诸如但不限于，热、光、电流或电压、磁场或者它们的组合。应力的结果可以是屈曲环的配置变化，使得存在约束环的移动或相对于约束环的移动。

在更优选的实施例中，可以在屈曲部中的一者或多者的拐点处或附近施加激活力，因为这可以引起激活力有效地转变成环-带装置运动。

屈曲环优选地是没有端点并且可以具有均匀厚度和均匀宽度的连续条带。屈曲环的宽度优选地比屈曲环的厚度大5倍。尽管屈曲环可以具有同质成分，但一些实施例可以包括具有不同成分的图案的屈曲环。例如，屈曲环可以将可激活元件的条带或带***在更惰性的元件之间。

约束环和屈曲环两者优选地具有无缝构造，但可以允许接合处的制造公差。

图2示出了由用于产生激活力的器件驱动的环-带装置的示意截面。

图2所示的被驱动的环-带装置可以例如包括屈曲环115，所述屈曲环由可以具有适当高的线性热膨胀系数的适当薄、相对柔性但有弹力的材料制成，诸如但不限于，适当薄的金属或金属合金。尽管在理论上，可以使用具有正线性膨胀系数的任何材料，但在本发明的优选实施例中，所使用的材料可以具有大于5×10^-6m/m/℃的线性膨胀系数。在更优选的实施例中，可以要求材料具有大于15×10^-6m/m/℃的线性膨胀系数。合适的金属和金属合金包括但不限于铝青铜、铍铜、锰青铜、镍基合金、S31000不锈钢，或者它们的某一组合。

与图2的环-带装置相关联的用于产生激活力的器件可以例如是温度变化源151，其可以是热源或制冷源。环-带装置还可以包括约束环110和携载平台145，所述携载平台可以具有支撑辊155。携载平台145可以位于屈曲环115内并且可以携载用于产生激活力的器件131，该器件131可以是温度变化源151。温度变化源151可以定位成使得可以在第一拐点135处或附近生成环-带装置的温度变化。将温度变化源151应用到屈曲环115可以在第一拐点135附近导致局部扩展或收缩和因此应力。这个应力可以引起屈曲环115变形，并且在这样做时导致环-带装置沿着环-带装置可以搁置的基本上平坦表面165在第一横向方向160上移动。

温度变化源151可以例如是热源，所述热源可以是任何合适的热源，诸如但不限于，火焰、电阻加热器、灯泡、LED光源或聚焦光源，或者它们的某一组合。

温度变化源151可以例如是冷却源，诸如但不限于，制冷剂供应、液氮喷雾、珀尔帖装置，或者它们的某一组合。

约束环110可以由任何适当薄的相对不能伸展但柔性的材料制成，诸如但不限于，织物增强硅树脂、织物增强聚氨酯、钛合金、不锈钢合金、铜合金或铝合金，或者它们的组合。特别合适的材料可以包括钛合金，诸如但不限于，所谓的β型钛合金，即，以不同量与以下一者或多者成合金的钛：钼、钒、铌、钽、锆、锰、铁、铬、钴、镍和铜。这种类型的合金可以具有18-8奥氏体不锈钢的几乎两倍的强度/弹性模量比，从而允许弹簧的更大弹性挠曲以及每单位位移减小的力。合适的合金可以包括但不限于“BETA III”(Ti-11.5Mo-6.5Zr-4.6Sn)、Transage 129(Ti-2Al-11.5V-2Sn-11.3Zr)或Ti-6Al-4V，或者它们的某一组合。

然而，本领域的一般技术人员将了解，尽管图2示出了由温度变化源151驱动的环-带装置，但屈曲环115可以反而由合适的电活性聚合物(EAP)制成，并且温度变化源然后可以由合适的电流或电压源代替，从而引起由电磁源驱动的环-带装置。

图2所示的温度变化源151然后可以例如由两个单独的导电接触辊供应的电流或电压代替。用于这种电活性屈曲环的合适材料可以例如是电活性聚合物(EAP)或具有大于1×10^-3V/mN/m²的压电电压常数的任何电致伸缩材料。特别合适的聚合物包括但不限于聚偏二氟乙烯(PVDF)和碘掺杂聚乙炔。

类似地，屈曲环可以由适当的磁致伸缩材料制成的屈曲环代替，并且热源可以由磁通量源代替，以产生磁驱动的环-带装置。合适的磁致伸缩材料可以是具有大于50微观应变的磁致伸缩系数的材料，诸如但不限于，Terfenol-D或Galfenol。Terfenol-D代表：Ter是铽，Fe是铁，NOL是海军器械实验室并且D是镝。这是在室温下在2kOe(160kA/m)的场中可以呈现约2000微观应变的材料。合适的磁通量源可以是磁体，诸如但不限于，适当强的稀土永磁体或电磁体或者它们的组合。

图3示出了具有固定点的单屈曲部式环-带装置的示意截面。

图3所示的具有固定点180的单屈曲部式环-带装置可以包括在固定点170处固持在一起的约束环110和屈曲环115。屈曲环115被示为具有带有第一拐点135的屈曲部。激活应力可以在第一拐点135处产生。这个激活应力可以引起屈曲环变形以呈现如图3中的运动后的屈曲环190所示的形状。在由于第一拐点135处引起的应力而呈现形状变化时，整个环-带装置可以被迫以运动弧175移动，所述运动弧可以在固定点170上居中。这个运动的结果可以是旋转的环-带装置，如由运动后的屈曲环190和运动后的约束环185表示。

当环-带装置处于旋转后位置时，如由图3所示的运动后的约束环185和运动后的屈曲环190表示，可以对第二拐点136产生另一激活应力。施加这个激活力或应力可以导致环-带装置通过围绕固定点170以运动弧175旋转而返回到其初始取向。

图4示出了具有接合和定位元件的双屈曲部式环-带装置220的示意截面。

约束环110可以例如具有一个或多个接合元件205，所述一个或多个接合元件在位置上可以对应于屈曲环115的一个或多个定位元件195。接合元件205可以例如是齿，并且定位元件195可以是齿可以接合到其中的孔或空间。具有对应的接合元件和定位元件的优点可以是允许屈曲环115呈现和维持具有两个或更多个屈曲部的屈曲模式或配置。具有多个屈曲部的此类屈曲模式可以被称为更高的本征模式屈曲配置。

图5示出了具有固定点的双屈曲部式环-带装置265的示意截面。

如图5所示，环-带装置最初可以具有由约束环110和屈曲环115所示的形式，所述约束环和屈曲环可以被约束为形成具有两个屈曲部的屈曲模式。约束环110和屈曲环115还可以在固定点170处固定在一起，所述固定点可以位于屈曲环的屈曲的区域之外。

用于产生激活力的器件可以在第一屈曲部的第一拐点225处或附近产生激活力。这样的激活力可以导致屈曲环改变形状并且在这样做时导致环-带装置在第一旋转方向230上移动，所述第一旋转方向可以是在固定点上居中的弧。移动的结果可以由在第一旋转方向上运动之后的约束环235和在第一旋转方向上运动之后的屈曲环240表示。

激活力反而可以在第二屈曲部的第一拐点260处或附近产生。这样的力可以导致屈曲环改变形状并且在这样做时导致环-带装置在第二旋转方向245上移动，所述第二旋转方向可以是在固定点上居中的弧。移动的结果可以由在第二旋转方向上运动之后的约束环250和在第二旋转方向上运动之后的屈曲环255表示。

图6示出了具有双层屈曲环的环-带装置305的示意截面。

双层屈曲环285可以由基底层290和活性材料层295组成。

双层屈曲环基底层可以例如由诸如但不限于以下项的材料制成：织物增强硅树脂、织物增强聚氨酯、钛合金、不锈钢合金、铜合金或铝合金，或者它们的组合。

双层屈曲环活性材料层可以由诸如但不限于以下项的材料制成：选自具有大于1×10^-3Vm/N的压电电压常数的电活性材料、具有大于50微观应变的磁致伸缩系数的磁致伸缩材料或它们的组合的电活性聚合物(EAP)；或者具有大于5×10^-6m/m/℃的线性热膨胀系数的金属或金属合金。

图7示出了具有集成到屈曲环115力产生元件中或集成到其上的用于产生激活力的器件131的环-带装置280的示意等距视图。

用于产生激活力的器件131可以例如是设置在屈曲环115的内表面或外表面上或者结合到屈曲环的主体中的力产生元件270。力产生元件270可以本身是柔性的，或者它们可以是刚性或半刚性瓦片，因此允许使用例如陶瓷压电元件作为力产生元件。因此，屈曲环115的形状变化可以通过激活力产生元件270中的一者或多者来实现，所述力产生元件可以定位在屈曲环115的拐点处或附近。屈曲环115的这个形状变化然后可以引起屈曲环关于约束环的相对运动和/或整个环-带装置相对于支撑表面的运动。

用于力产生元件270的适合材料包括电活性聚合物(EAP)，诸如但不限于，聚偏二氟乙烯(PVDF)和碘掺杂聚乙炔，或者它们的某一组合。被称为驰豫铁电体的陶瓷电致伸缩，诸如但不限于，铌镁酸铅(PMN)、铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)和锆钛酸镧铅(PLZT)，具有相当高的电致伸缩常数，并且因此也可以适合用作力产生元件270。

对于具有可以通过磁致伸缩起作用的力产生元件280的带-环装置，合适的材料包括但不限于Terfenol-D^TM、Galfenol^TM、Metglas^TM，或它们的某一组合。

由于力产生元件270可以是固体，因此诸如但不限于石英、锆钛酸铅(PZT)和钛酸钡的压电材料也可以用作聚合物，诸如但不限于，聚乙烯基碳酸酯(PVC)、尼龙11和聚偏二氟乙烯(PVDF)。

图8示出了被配置成用于旋转运动的环-带装置310的示意截面。

在图8所示的实施例中，约束环可以被配置成外圆形刚性支撑结构320，因为这可以为屈曲环提供明确限定的旋转轴线。

在另一个实施例中，被配置成用于旋转运动的环-带装置310可以包括具有旋转轴线325的内圆形刚性支撑结构315，所述旋转轴线与外圆形刚性支撑结构320的轴线一致。这样的布置可以例如用于提供屈曲环的更高本征模式屈曲。

在这样的结构中，在例如屈曲环的第一拐点135处施加激活力130可以引起外圆形刚性支撑结构320相对于内圆形刚性支撑结构315围绕旋转轴线325的旋转运动。

尽管已经在某种特定程度上描述了本发明，但应当理解，本公开仅以说明的方式进行，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以采取对部件的构造和布置的细节的许多变化。

工业适用性

本发明可应用于在例如机器人机构中提供受控运动，如在例如制造工业中使用。另外，本发明可以应用于从运动源收集能量，所述运动源诸如但不限于风或流水，如在例如电力发电工业中使用。