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致动器及用于改进致动器的方法.pdf

摘要
申请专利号:

CN201480022926.9

申请日:

2014.02.18

公开号:

CN105164413A

公开日:

2015.12.16

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):F03G 7/06申请日:20140218|||公开
IPC分类号: F03G7/06; A61B17/66; A61B17/72 主分类号: F03G7/06
申请人: 希努斯帝有限公司
发明人: H·哈里拉; J·哈亚; A·利特万宁
地址: 芬兰赫尔辛基
优先权: 20135175 2013.02.22 FI
专利代理机构: 北京三友知识产权代理有限公司11127 代理人: 王小东
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法律状态
申请(专利)号:

CN201480022926.9

授权太阳城集团号:

||||||

法律状态太阳城集团日:

2018.04.10|||2016.02.24|||2015.12.16

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明太阳城集团一种致动器,其包括壳体中的至少一个基于形状记忆合金的转换器并包括至少一个预加载弹簧。所述致动器被配置为导致至少一个可移动构件的运动。用于改进致动器的最佳结构连同相应方法在独立权利要求中要求保护。优选实施方式呈现在从属权利要求中。

权利要求书

权利要求书
1.  一种致动器(10;110;120;130;180;190),
该致动器包括壳体(14;197)中的至少一个基于形状记忆合金的转换器(11;1811;100,101,102,103)并包括至少一个预加载弹簧(12;3);并且
该致动器被配置为导致至少一个可移动构件(13;198)在以下方向上运动:
ο第一方向,在所述至少一个转换器(11;1811;100,101,102,103)经历使之收缩的热致相变时,以及
ο与所述第一方向相反的第二方向,在所述至少一个转换器(11;1811;100,101,102,103)经历由温度改变导致且由所述预加载弹簧(12;3)增强的相变时,这使所述转换器(11;1811;100,101,102,103)伸长;
所述致动器进一步包括至少一个限制器(14;111;121;182;183),所述至少一个限制器(14;111;121;182;183)被配置为限制由所述预加载弹簧(12;3)导致的所述至少一个转换器(11;1811;100,101,102,103)的应变;
并且其中:所述至少一个预加载弹簧(12;3)在初始状态下被预加载有预加载力,并且被配置为导致所述至少一个转换器(11;1811;100,101,102,103)在其静止状态下产生拉力,所述拉力被所述至少一个限制器(14;111;121;182;183)限制,使得由所述至少一个转换器(11;1811;100,101,102,103)中的拉伸产生的所述拉力小于在相变期间由所述至少一个预加载弹簧(12;3)施加到所述转换器(11;1811;100、101、102、103)的力。

2.  根据权利要求1所述的致动器(10;110;120;130;180;190),所述致动器进一步包括至少一个预加载压缩到拉伸转变器连接器(184,185,4,7,13),用于将由所述至少一个预加载弹簧(12;3)施加的力传递给所述转换器(11;1811;100,101,102,103)。

3.  根据权利要求1或2所述的致动器(180;190),其中:所述至少一个转换器(11;1811;100,101,102,103)包括由形状记忆合金制成或组成的各个线材或杆构成的至少一个束(1811;100,101,102,103),使得在所述束(1811;100,101,102,103)中各个线材被彼此并联地电连接以及机械地并行布置,并且任选地,在存在不止一个束(1811;100,101,102,103)时,这些束(1811;100,101,102, 103)被串联或并联地彼此电连接并且优选地机械地并行连接。

4.  根据权利要求3所述的致动器(180;190),所述致动器进一步包括至少两个连接器(186;195),所述至少两个连接器(186;195)被电连接到所述束(1811;100,101,102,103),用于将从电源诸如从可无线切换的电池或经由所述致动器(180;190)中的至少一个感应线圈(23)接收的电能馈送到所述束(1811;100,101,102,103)。

5.  根据权利要求3或4所述的致动器(180;190),其中:所述束(1811;100,101,102,103)的各个线材之间的电连接以及机械连接被实施在至少一个连接单元(1818,1819)内,并且其中所述限制器(182;111)被配置为通过限制所述连接单元(1818,1819)和/或连接部(198)在所述至少一个预加载弹簧(12;3)的工作方向上到力传递装置的移动来限制所述束(1811;100,101,102,103)的拉力。

6.  根据前述权利要求中的任一项所述的致动器(10;110;120;130;180;190),其中:所述预加载弹簧(12;3)围绕所述转换器(11;1811;100,101,102,103)布置,使得所述转换器(11;1811;100,101,102,103)的收缩拉动所述可移动构件(13;198)而压缩所述预加载弹簧(12;3)。

7.  根据前述权利要求中的任一项所述的致动器(10;110;120;130;180;190),其中:所述致动器(10;130110;120;130;180;190)的壳体(14;197)被封装在生物相容性材料中或者由生物相容性材料组成。

8.  根据前述权利要求中的任一项所述的致动器(10;110;120;130;180;190),其中:所述致动器(10;110;120;130;180;190)被结合至转变器,所述转变器将所述可移动构件(13;198)的往复运动转变为单向运动。

9.  根据前述权利要求中的任一项所述的致动器(10;130110;120;130;180;190),其中:所述致动器(10;130110;120;130;180;190)适合用作固定或互连至骨的可植入治疗装置中的致动器。

10.  根据权利要求1至9中的任一项所述的致动器(180),其中:所述致动器(180)优选为脊柱侧弯治疗装置或内部骨牵引装置的致动器,所述致动器包括在所述壳体(14)中彼此相邻地组装的多个致动器。

11.  根据权利要求1至9中的任一项所述的致动器(190),其中:所述致动器(190)优选为内部骨牵引装置的骨牵引致动器,该致动器包括围绕轴线布置的多个转换器 (11;1811;100,101,102,103)。

12.  一种致动器(10;110;120;130;180;190),该致动器包括:
-至少一个基于形状记忆合金的转换器(11;1811;100,101,102,103),所述基于形状记忆合金的转换器(11;1811;100,101,102,103)被配置为导致至少一个可移动构件(13;198)运动并且位于壳体(14;197)中;以及
-至少一个预加载弹簧(12;3),所述至少一个预加载弹簧(12;3)被配置为预加载所述至少一个基于形状记忆合金的转换器(11;1811;100,101,102,103);
其中改进之处包括至少一个限制器(14;111;121;182;183),所述至少一个限制器(14;111;121;182;183)被配置为优选地通过限制所述至少一个转换器(11;1811;100,101,102,103)的伸长来限制由所述预加载弹簧(12;3)导致的所述至少一个转换器(11;1811;100,101,102,103)的应变。

13.  一种用于改进致动器的方法,所述致动器包括至少一个基于形状记忆合金的转换器(11;1811;100,101,102,103)和至少一个预加载弹簧(12;3),所述至少一个基于形状记忆合金的转换器(11;1811;100,101,102,103)被配置为导致至少一个可移动构件(13;198)运动并且所述至少一个基于形状记忆合金的转换器位于壳体(14;197)中,所述预加载弹簧(12;3)被配置为预加载所述至少一个基于形状记忆合金的转换器(11;1811;100,101,102,103),其特征在于,优选地通过限制所述至少一个转换器(11;1811;100,101,102,103)的伸长而经至少一个限制器(14;111;121;182;183)限制由所述预加载弹簧(12;3)导致的所述至少一个转换器(11;1811;100,101,102,103)的应变。

14.  一种致动器(10;110;120;130;180;190;3000):
该致动器包括壳体(14;197;3004)中的至少一个基于形状记忆合金的转换器(11;1811;100,101,102,103)并包括至少一个预加载弹簧(12;3;3009);并且
该致动器被配置为导致至少一个可移动构件(13;198;3002)在以下方向上的运动:
ο第一方向,在所述至少一个转换器(11;1811;100,101,102,103)经历使之收缩的热致相变时,以及
ο与所述第一方向相反的第二方向,在所述至少一个转换器(11;1811;100, 101,102,103)经历由温度改变导致且由所述预加载弹簧(12;3;3009)增强的相变时,这使所述转换器(11;1811;100、101、102、103)伸长;
所述致动器进一步包括连接到所述可移动构件(3002)并连接到弹簧的杆(3007),其中所述弹簧是围绕所述杆(3007)放置的压缩弹簧堆叠(3009)以及连接到所述杆的端部的拉伸弹簧中的一者;
并且其中所述杆(3007)被拉到所述转换器的最佳预应力,使得能增设固定部分(3008)。

15.  根据权利要求14所述的致动器(180;190),其中:所述至少一个转换器(11;1811;100,101,102,103)包括由形状记忆合金制成或组成的各个线材或杆构成的至少一个束(1811;100,101,102,103),使得在所述束(1811;100,101,102,103)中,各个线材被彼此并联地电连接以及机械地并行布置;并且任选地,在存在不止一个束(1811;100,101,102,103)时,这些束(1811;100,101,102,103)被串联或并联地彼此电连接并且优选地机械地并行连接。

16.  根据权利要求15所述的致动器(180;190),所述致动器进一步包括至少两个连接器(186;195),所述至少两个连接器(186;195)被电连接到所述束(1811;100,101,102,103),用于将从电源诸如从可无线切换的电池或经由所述致动器(180;190)中的至少一个感应线圈(23)接收的电能馈送到所述束(1811;100,101,102,103)。

17.  根据权利要求15或16所述的致动器(180;190),其中:所述束(1811;100,101,102,103)的各个线材之间的电连接以及机械连接被实施在至少一个连接单元(1818,1819)内。

18.  根据权利要求14所述的致动器(180;190;3000),其中:至少一个可移动构件的运动借助固定的支撑结构(3003)、壳体管(3004)、弹簧支撑板(3005)以及任选地借助支撑管(3006)实现。

19.  根据权利要求14所述的致动器(180;190;3000),其中:所述转换器基于经一系列连接板(3014;3016;3141)连接的NiTi元件(3111;3112;3113;3114)。

20.  一种用于改进致动器的方法,所述致动器包括至少一个基于形状记忆合金的转换器(11;1811;100,101,102,103)和至少一个预加载弹簧(12;3),所述至少一个基于形状记忆合金的转换器(11;1811;100,101,102,103)被配置为导致 至少一个可移动构件(13;198)运动并且所述至少一个基于形状记忆合金的转换器位于壳体(14;197)中,所述预加载弹簧(12;3)被配置为预加载所述至少一个基于形状记忆合金的转换器(11;1811;100,101,102,103),其特征在于,将连接到所述可移动构件(3002)并连接到弹簧的杆(3007)拉到所述转换器的最佳预应力,使得能增设固定部分(3008)。

说明书

说明书致动器及用于改进致动器的方法
公共资助声明
本文件可能包含由Tekes(芬兰国家技术创新局)、阿尔托大学和奥顿基金会资助的工作成果。
技术领域
本发明涉及基于形状记忆合金的致动器的构造和使用。
背景技术
从已公开的专利申请WO2009/115645A1和WO2011/148047A1已知利用形状记忆合金或磁致伸缩材料的形状改变的致动器。
发明目的
目的是改进利用形状记忆合金的形状改变的致动器。
可以用根据第1或第12方面的致动器以及根据第13方面的方法来实现该目的。
其它方面描述致动器的各种有利方面。
本发明的优点
根据本发明的致动器包括壳体中的至少一个基于形状记忆合金的转换器并包括至少一个预加载弹簧。所述致动器被配置为导致至少一个可移动构件在以下方向上的运动:
ο第一方向,在所述至少一个转换器经历使之收缩的热致相变时,以及
ο与所述第一方向相反的第二方向,在所述至少一个转换器经历由温度改变导致且由所述预加载弹簧增强的相变时,这使所述转换器伸长。
此外,所述致动器包括至少一个限制器,所述至少一个限制器被配置为限制由所述预加载弹簧导致的所述至少一个转换器的应变。在所述致动器中,所述至少一个预加载弹簧在其初始状态下预加载有预加载力,并且被配置为导致所述至少一个转换器 在其静止状态下产生拉力,所述拉力被所述至少一个限制器限制,使得由所述至少一个转换器中的拉伸产生的所述拉力小于在相变期间由所述至少一个预加载弹簧施加到所述转换器的力。
根据本发明的另一方面,一种致动器包括至少一个基于形状记忆合金的转换器,所述基于形状记忆合金的转换器被配置为导致至少一个可移动构件运动并且位于壳体中。此外,所述致动器包括至少一个预加载弹簧,所述至少一个预加载弹簧被配置为预加载所述至少一个基于形状记忆合金的转换器。改进包括至少一个限制器,所述至少一个限制器被配置为限制由所述预加载弹簧导致的所述至少一个转换器的应变。
利用所建议的致动器,与能由未预加载的所述致动器获得的力比较,可以在其沿所述第二方向移动期间由所述可移动构件施加的力可以显著增加。更确切地说,利用本致动器,在沿所述第二方向移动期间,可以由所述可移动构件施加的力不再是所述至少一个基于形状记忆合金的转换器的力,而是所述至少一个预加载弹簧的力。
本致动器可获得的优点在于,如图6所示的结果建议的,与其中采用了至少一个基于形状记忆合金的转换器和预加载弹簧但不限制由所述预加载弹簧施加的预加载力的致动器相比,可以在工作阶段期间由所述致动器导致的移动量可以是更可预测的。与由AzfalKhan等人提出的在其宣传上题为“SHAPEMEMORYALLOYWIRESFORACTUATINGPOSITIONINGSYSTEMSWITHELASTICBEARINGS”(写入http://www.aspe.net/publications/Annual2005/POSTERS/2EQUIP/3DTEST/1815.PDF可电子检索)的一个自由度定位系统比较,这获得了更简单得多的构造。
认为可能与某些用途非常相关的进一步优点在于,在失效之前,本致动器可拥有更多循环。所述限制器的主要目的是避免这样的高预加载力损坏所述至少一个基于形状记忆合金的转换器。
如果所述致动器进一步包括至少一个预加载压缩到拉伸转变器连接器将由所述至少一个预加载弹簧施加的力传递给所述转换器,则所述致动器的配置可以由相对简单的机械结构实施。
在所述致动器中,所述至少一个转换器包括由形状记忆合金制成或组成的各个线材或杆构成的至少一个束,使得在所述束中,各个线材被彼此串联或并联地电连接并且机械地并行布置,可以确保能从至少一个转换器经由其相变获得的收缩力足够高,因为并行布置的线材或杆将每个各个线材或杆的收缩力集合在一起。可选地,如果存 在不止一个束,则这些束可彼此串联地电连接。以这种方式,例如,可以确保加热束中的所有线材或杆可以同时进行,以便避免因可以致使所述致动器弯曲的非均匀变形而损坏所述致动器。此外,所述束可优选地并联连接,以增加力或实现期望的移动形式。
如果所述致动器进一步包括至少两个连接器,所述至少两个连接器被电连接到所述束,用于将从动力源、诸如从可无线切换的电池或经由所述致动器中的至少一个感应线圈接收的电能馈送到所述束,则所述致动器可以以无线的方式使用。当致动器被设计为实施在持续治疗数天、数周或甚至数月的患者中的矫形治疗装置的致动器时,在这样的致动器应用情况下这是尤为重要的,因为由于能无线使用,能量可以以无线的方式供给到致动器,并且因此可去除在治疗期间使患者具有开放性伤口的需要。
如果在包括线材或杆的至少一个束的所述致动器中,所述束的各个线材之间的电连接以及机械连接被实施在至少一个连接单元内,并且其中所述限制器被配置为通过限制所述至少一个连接单元或者连接部在所述至少一个预加载弹簧的工作方向上到力传递装置的移动来限制所述束的拉力,则所述至少一个连接单元可以用于吸收很多甚至所有的差异,以将所述预加载弹簧的较高预加载应力削减为用作所述至少一个转换器上的拉力的较小力。
如果在所述致动器中,所述预加载弹簧围绕所述转换器布置,使得所述转换器的收缩拉动所述可移动构件而压缩所述预加载弹簧,则所述致动器可以更小。除此之外,或者作为替代,可以以相对简单的方式确保所述预加载弹簧和转换器相互之间的相对空间位置在操作致动器期间实际上保持不变。
如果所述致动器的壳体被封装在生物相容性材料中或者由生物相容性材料组成,则所述致动器可以用作医疗器械中的致动器或可与体液或身体组织连接的类似致动器。
优选地,所述致动器被结合至转变器,所述转变器将所述可移动构件的往复运动转变为单向运动。以这种方式,所述致动器可以用作将致动器的移动转换为牵引移动(通过延伸移动或向外移动)或收缩移动(通过缩短移动或向外移动)的装置的致动器。产生牵引或收缩移动的装置被广泛用在医药领域中,特别用在矫形外科中。
优选地,所述基于形状记忆合金的转换器是或包括一个或多个NiTi元件。特别有利地,由所述预加载力施加在一些或所有NiTi元件上的应力在致动期间介于250 MPa-450MPa的范围内,并且所述NiTi元件在其马氏体状态下导致的张应力为20MPa-90MPa。以这种方式,可以确保,可以由所述致动器产生的力对于许多实际目的是足够高的,特别在矫形外科的领域中,特别是对于骨牵引或脊柱侧弯治疗装置,诸如但不限于结合下颌骨、掌骨、跖骨、颅顶、面部中央、长管状骨或其它骨使用的装置。在所述预加载力和张应力的呈现范围内,所述NiTi元件的应变对更好可预测有很高的可能性。此外,所述致动器可具有延长的寿命,即所述致动器可以用于在负载下经历更多的循环。
优选地,所述致动器适合用作固定或互连至骨的可植入治疗装置中的致动器。
所述致动器可特别包括在所述壳体中彼此相邻组装的多个(即至少两个)致动器。这种配置特别适合脊柱侧弯治疗装置或内部骨牵引装置。
替代地,所述致动器可包括围绕轴线布置的多个转换器。这种配置特别适合内部骨牵引装置的骨牵引致动器。
根据本发明的另一致动器包括壳体中的至少一个基于形状记忆合金的转换器并包括至少一个预加载弹簧。所述致动器被配置为导致至少一个可移动构件在以下方向上的运动:
ο第一方向,在所述至少一个转换器经历使之收缩的热致相变时,以及
ο与所述第一方向相反的第二方向,在所述至少一个转换器经历由温度改变导致且由所述预加载弹簧增强的相变时,这使所述转换器伸长。
此外,所述致动器包括连接到所述可移动构件以及弹簧的杆。所述弹簧可以是围绕弹簧压缩杆放置的压缩弹簧堆叠。所述弹簧也可以是连接到所述杆的端部的拉伸弹簧。在所述致动器中,所述杆被拉到所述转换器的最佳预应力,使得可以增设固定部分。增设的所述固定部分保持所述最佳预应力。
与前述致动器相同的实施方式可以用于另一致动器。
附图说明
在下文中,参考在图1至图28的附图中示出的示例更详细地描述致动器,其中:
图1图示了基于所呈现的测试系统的致动器概念;
图2图示了致动器的理论应力–应变特性;
图3是测试系统和所使用样本的示意图;
图4的(a)和(b)图示了测试系统中的NiTi线材的应力-应变特性,(a)示出了30MPa下的测试,而(b)为69MPa下的测试,每条曲线记录了加热期间的更高应力水平以及冷却期间的更低水平;
图5图示了在69MPa预应力和250MPa应力水平下致动期间NiTi的应变特性,实线为测试的致动循环的平均,而虚线代表测试的标准偏差;
图6图示了300Mpa的负载下的应变对循环次数;
图7的(a)和(b)图示了不同负载条件下的NiTi元件的应变特性:(a)示出了30MPa预应力下的性能,而(b)示出了69MPa预应力下的性能;
图8的(a)和(b)中的(a)是作为应变的函数图示的所获得的净应力,而(b)是作为针对所有被测试的应力–预应力组合获得的疲劳寿命示出的所获得的净应力:黑色符号表示69MPa的预应力,而空心符号为30MPa的预应力;
图9是所呈现的致动器的第二实施方式的示意图;
图10是图1中所呈现的致动器的第一实施方式的示意图;
图11是根据第二实施方式的第一致动器的截面;
图12是根据第二实施方式的第二致动器的截面;
图13是处于收缩状态下的根据第二实施方式的第二致动器的截面;
图14是根据图1和图10所示的第一实施方式的致动器的截面;
图15至图17图示了根据第二实施方式的致动器的循环,从致动器的初始阶段起,通过在第一方向上移动而到达收缩阶段,并且通过在第二方向上移动而回到初始阶段;
图18图示了根据第三实施方式的致动器的某些部件,该致动器包括在壳体中彼此相邻组装的至少两个致动器;
图19图示了根据第四实施方式的致动器的某些部件,该致动器包括围绕轴线布置的多个转换器;
图20、图23和图24图示了骨牵引致动器;
图21是骨牵引致动器的截面A-A;
图22是如图23中图示的骨牵引致动器的弹簧堆叠端的缩放视图C;
图25图示了位于图24中图示的位置处的截面D-D和E-E;
图26图示了致动器的各部分;
图27(a)图示了致动器的概略图;
图27(b)和图27(c)图示了图27(a)的致动器的关键点的截面图。
图28图示了致动器各部分的位置。
在所有图中,相同的附图标记表示相同的技术特征。
具体实施方式
1、简介
已经发明了形状记忆合金(SMA)致动器,该致动器产生可预测的输出性能并已对其进行测试。
对于SMA致动器,存在具有狭小的空间限制的若干应用领域,其中通过利用传感器来控制致动器是难以实现的。
用于致动器构思的测试系统允许NiTi抵抗具有不同预应力的恒定负载的性能评估。市售的NiTi元件(Dynalloy公司的商标)线材在该系统下测试,抵抗两个不同预应力值30MPa和69MPa下的高恒定负载水平250、300、350和400MPa。测量NiTi线材在这些条件下的应变输出和疲劳寿命。不出所料,发现应力水平的增加会降低疲劳寿命。此外,预应力从30MPa增加到69MPa提高了所有应力水平下的应变输出。发现不同的应力–预应力组合可以导致材料相同的净输出力,但它们的最大应变输出和疲劳寿命是不同的。根据该结果,该致动器构思是可行的,并且能以可预测的输出性能实现。
形状记忆合金用于从医疗装置和植入物(Aalsma1997,1999)到航空航天应用(Chau2006)和机器人(Kheirikhah2011)范围内的各种各样的应用。这些应用中的大多数利用二元镍钛合金,这是因为它们优异的机械及形状记忆性能。一般而言,在典型的致动器应用中,镍钛(NiTi)元件被设计为持续数十万次循环,这又将应力水平限制到200MPa以下(Dynalloy2012,Mertmann2009)。
Fumagalli等人(2009)提供了用在SMA致动器应用中的常见复位机构。在所有这些复位机构中,NiTi元件直接抵抗外部负载。其他人已经提出类似的设计(Aalsma1998,Elwaleed2007,Kim2008)。然而,NiTi的应变和疲劳寿命性能已经显示在很大程度上取决于施加在其上的应力(Lagoudas2009,Mammano及Dragoni2012,Bertacchini2009)。这导致不可预测的致动行为,并且准确控制需要传感器和反馈回 路。
由于NiTi合金所建立的生物相容性(1999,Shabalovskaya2002)和高功率密度(Reynaerts1998),NiTi合金用在医疗植入物中是特别有利的。在许多这些应用中,例如在骨科领域中,需要较大的力,但空间受限。空间限制还限制了使用传感器进行致动控制的可能性。因此,如果能以在各种负载条件下以可预测的方式进行表现来构造致动器,则这将是很大的优点。此外,骨科应用中需要的致动循环量通常相当低。这允许利用并未广泛研究的高应力水平的SMA。
在Dahlgren2009中也引入了形状记忆合金。在此应用中,NiTi元件能在每个脉冲上移动,并且改变其在植入物中的位置。这意味着,施加在NiTi元件上的外部负载并非熟知的,并将根据元件的位置而改变。
此外,在Soubeiran2003中提供了用于使两个主体相对于彼此移动的装置。此应用利用弹簧。随着弹簧的压缩减少,通过增加致动数量而减少装置的功率。在实践中,这将导致此装置被卡住。太阳城集团利用形状记忆合金或任何其它智能材料没有给出任何暗示。
HelsinkiUniversityofTechnology2009介绍了形状记忆合金,但并介绍其应用。在此应用中,弹簧仅是磁致伸缩材料的预加载弹簧,并且并不适用任何外部工作。
进一步,公报OlympusCorp.2012介绍了一种致动器,该致动器是形状记忆合金线材,它在加热时收缩且在冷却时膨胀。该装置由中空构件、可移动元件、弹性构件和绝缘构件组成。防止形状记忆合金线材与弹性构件电接触。由此,NiTi元件与预加载弹簧隔离。然而,隔离构件还承载负载,这在实践中将导致问题,因为典型的材料不够强。
在该交流中,提供了一种利用NiTi来产生可预测应变和力输出的致动器构思。使用测试系统来评估此构思,该测试系统模拟NiTi在负载条件下的行为,类似于所提出的致动器。在具有两个不同预应力值的各种高应力水平下评估NiTi致动器线材的性能。特别研究了马氏体和奥氏体相的应变演变以及材料的疲劳寿命。可以利用这些结果来实现所提出的致动器构思并且针对各种应力水平优化它。
本致动器构思的另一优点在于,NiTi元件停留在植入物内侧的一个位置中,由此,因为知晓确切位置可以用于引导负载,例如远离该区域进行弯曲,所以可以最小化外部负载。通过稳定此装置的外部工作,通过利用无负载的小型隔离构件,得到所述优 点。
Horst等人(2013)讨论的医疗装置包括人工收缩结构,该人工收缩结构具有适于使器官收缩的至少两个收缩元件。该公开的NiTi元件用于挤压管状体部分。太阳城集团分离NiTi元件的两端,该公开并未给出任何暗示,使得压缩NiTi元件将导致装置各部分彼此岔开。
Belson2013讨论了用于内窥镜结肠切除的设备和方法。对于利用预加载弹簧或者将其负载转移给NiTi元件,该公开并未给出任何暗示。NiTi元件用于围绕装置的内窥镜端转动。对于使装置各部分彼此岔开,并未给出任何暗示。
本发明的另一致动器的优点在于,NiTi元件可以用于使装置各部分彼此分离或岔开。
2、材料和方法
2.1、致动器构思
抵抗恒定且已知的负载致动的致动器10的示意图呈现在图1中。该致动器包括NiTi元件、弹簧和壳体(例如是管)。弹簧被预加载至致动器预期要产生的应力水平。NiTi元件应以使其在马氏体相中的伸长导致在其上施加期望的预应力这样的方式装配到管中。现在当NiTi元件开始伸长时,它将起作用抵抗预定的弹簧负载。当允许NiTi冷却时,弹簧返回到其原始位置,同时产生净力输出。净力输出可以定义为:
F净=(σs–σp)A(1)
其中σs是当致动时由弹簧施加在NiTi上的应力,σp是作用在马氏体相中的NiTi上的应力,并且A是NiTi元件的面积。
在NiTi元件中导致期望预应力所需要的马氏体应变可以通过使用胡克定律确定:
εM=σp/E(2)
其中εM是导致预应力所需要的应变,并且E是NiTi在马氏体相中的杨氏模量。致动器的形状记忆应变根据马氏体应变εM和奥氏体应变εA计算。形状记忆应变为:
εSME=εM-εA(3)
致动器10的理论应力–应变输出示出在图2中。当组装致动器10时,马氏体相中的应变由等式(2)确定。当致动器10开始致动时,应力直跳至应力水平σS。在这一点上,致动器10开始产生应变输出,并且至少一个NiTi元件11抵抗的最大应力σm由预加载弹簧12的预加载应力及其弹簧因子k确定:
σm=σS+kεSME/A(4)
一旦允许至少一个NiTi元件11冷却,则在加热期间存储在预加载弹簧12中的能量被释放,并且配置为可移动构件13(比照图14)和/或可以通过用于可移动构件的开口1113传送的致动器输出产生了应变及力。
致动器10的优点在于,至少一个NiTi元件11总是抵抗已知负载致动。只要没有超过由所选择的预加载弹簧12限定的负载,则致动器10以可预测的方式执行。然而,因为施加在至少一个NiTi元件11上的预应力由至少一个NiTi元件11在致动器10中的附连决定,所以重要的是知晓塑性应变在马氏体相中的演变。如果过量的塑性应变量累积,则施加在元件上的预应力会发生改变并且引起性能改变。
2.2、致动器构思的评估
为了评估致动器构思的可行性,设计并建造了测试系统30。所使用的NiTi线材302为从Dynalloy公司获得的商用级NiTi线材302的公称直径为0.381mm。NiTi线材302的端部压装配有不锈钢桶形压接部301,以允许容易安装到测试系统。NiTi线材302在压接部301之间的长度被设定为20.0±0.1mm。样本300的示意图示出于图3的下部中。
图3示出了测试系统30。右侧示出了具有较小弹簧常数的预加载弹簧12,位于壳体14(优选地实施为不锈钢管)内。如图3左侧所示,杆31穿过预加载弹簧12并且附接至样本300。杆31的另一端附接至钢块17,钢块17将弹簧压缩在壳体14的左侧。在将样本300附接至测试系统30之前,通过使用材料测试机(858台面系统,配备有控制器和MTSTestSuiteTM多功能Elite软件,MTSSystems公司的所有商标)将预加载弹簧12紧至期望水平。在期望的应力水平,预加载弹簧12的锁定夹34被拧紧到位,以保持预加载弹簧12处于该负载下。以这种方式,只要NiTi线材302如提出的致动器构思那样开始致动,NiTi线材302就会经受全部应力。
在预加载弹簧之后,NiTi线材302被附接至预加载弹簧12的压缩杆31。此时,示出在图3左侧的样本300的保持块39被附接至材料测试机的负载传感器连接部32,并且负载传感器的值被归零。在负载传感器的零位调整之后,样本300被附接至样本的保持块39,并且延伸计37被固定到位以记录应变。
电流用于电阻加热NiTi线材302。在激活电流之前,通过经由至液压机的连接部 35来使用材料测试机的液压致动器使NiTi线材302的预应力达到期望预应力值,以拉动NiTi线材302。在实现期望预应力值之后,以位移控制模式将液压致动器保持到位,同时施加电流,NiTi线材302开始致动以抵抗预加载弹簧12的负载。
通过在2.25秒到5秒的持续太阳城集团内将2.25A到3.5A的电流供给到NiTi线材302而实现了致动。这使用限流电压控制模式的电源来实现,其经由固态继电器联接到NiTi线材302。该继电器的操作受控于为材料测试机而构建的程序。选择最佳电流和致动太阳城集团,以便尽可能完整地实现向奥氏体相的转变。这通过观察NiTi线材302的应变特性来完成;并且只要应变开始校平到饱和,则电流被切断。没有进行NiTi线材302的温度的直接测量。在致动之后,样本300通过使用强制空气对流被冷却下来。使预应力-致动-冷却的这种循环重复,直到样本失效。
每十个循环在1024Hz下记录全部的力和应变数据。从剩余循环中收集力和应变的最大值和最小值。未对应力或热膨胀导致的应变进行校正,由于它们的影响与形状记忆影响效应比较是有限的。
3、结果
图4示出了不同应力和预应力水平下的NiTi线材302样本的应力应变曲线。显而易见的是,测试装置按照期望表现,并且在开始致动时NiTi线材302样本几乎立即经受全部应力。然而,如图2所示的理论性能示出的,应力的提高不是瞬间的。这是由于弹簧锁定夹34还用作弹簧,但是具有非常高的弹簧系数。如所预料的,如等式4中描述的,在致动期间,应力水平不是完全恒定的,而是根据负载弹簧的弹簧常数而增加。图4的(a)顶部的应力应变回路内侧的区域示出的是,在测试系统中存在一些摩擦,这导致应力水平在加热和冷却期间略有不同。
然而,在进行的大多数测试中,由测试系统本身导致的摩擦是最小的。结果显示,在一般情况下,较低的应力水平导致实现更高的应变。在所有的应力水平下,在69MPa预应力下,NiTi线材302能够实现更高的应变。
图5示出了致动之下NiTi线材302的典型应变特性。图5示出了95%置信水平下的平均致动循环和标准偏差。标准偏差的宽度是由于随着材料的循环而使应变衰减。
在致动开始时应变迅速累积,但在完全转变逼近时减慢。在2.5秒致动的第一个0.7秒期间实现80%的最大应变。致动太阳城集团的接下来的1.8秒(或72%)仅导致额外 20%的应变。因此,材料的能量效率可以通过牺牲一些最大应变得以提高。在多个研究中还已确认,如果材料仅部分地转变,则SMA合金的寿命增加(Lagoudas等人2009)。
图6示出了在300MPa应力水平之下作为循环次数的函数的样本应变。名义预应力从30MPa增加到69MPa显著增加了应变。类似的行为能在所有的被测试应力水平下观察到。然而,似乎在失效之前,增加预应力会减少最大循环量。将需要更多的测试以便确认该行为,因为在本研究中没有执行重复的测试运行。由于需要更大部分的力来克服预应力,所以在更高的预应力下净力输出更小。
图7的(a)和(b)示出了提高应力水平的影响,材料必须起作用,同时保持预应力恒定。似乎增加NiTi线材302的应力水平必须起作用,以抵抗获得的形状记忆应变的减小。这在图7的(b)中更加清晰可见。事实上,在图7的(a)所示的测试中,250MPa应力给出比310MPa下的测试更小的应变。材料在失效之前可以展示的致动循环量看起来还随着应力的增加而降低。在69MPa预应力下的350MPa测试不同于这一趋势。需要其它测试来断定增加应力会如何影响疲劳寿命。
显而易见的是,在第一致动循环期间,可获得的最大应变迅速减弱。该效果在更高的应力水平下更显著。然而,在1000和2000次循环之间,可得到的应变得以稳定,并且使应变能力丧失的速度得以减小。从这点上,材料展示了稳定但缓慢降低的应变,直至失效。
表1总结了本研究中的所有结果。已经根据图7中的符号标出的点计算出表1中的值。每条曲线上的第一点和第二点代表了在致动循环开始时计算形状记忆应变衰减所使用的点。点三和点四用于计算稳定区域中的应变的衰减dεsme,而最后一点也是失效时的应变。再次,看起来材料可经受的循环次数随着应力水平的增加而减少。增加预应力具有类似的影响。类似地,可以看到致动循环开始时应变的快速下降及其在更高应力水平下的增加。在所有应力水平下,当从30MPa到69MPa预应力时,应变增加。在2000次循环下获得稳定应变区域之后应变损失的速率是可忽略不计的,并且材料的行为保持可预测,直到失效。
表1:NiTi样本的性能数据

图8的(a)示出了针对不同的应力和预应力水平得到的应变和净应力。净输出应力和应变之间的相关性是不直接的。它在很大程度上取决于应力和预应力的组合,该组合导致净输出。例如,近似320MPa的净输出可以通过使用所进行测试的两种组合来实现。当使用27MPa的预应力和349MPa的应力水平时,所产生的应变为2.7%。几乎相同的输出应力可以用67MPa的预应力和379MPa的应力水平获得,但在这种情况下,产生3%的应变。
当与产生大约200MPa的净应力输出的两种组合比较时,正确组合的影响甚至更显著。与较低预应力的组合产生3%以下的应变,而与69MPa预应力的组合产生近4%的应变。然后,同样在270MPa的净应力水平下,在与较低预应力的组合和与较高预应力的组合之间可能没有显著不同。另一方面,图8的(b)示出的是,更高的应力-预应力组合导致较低的疲劳寿命。
4、讨论
在这项工作中提供的测试系统描绘了在恒定负载下测试NiTi线材302性能的可行方式,同时允许以预应力调节作为独立变量。因此,测试系统30可以用于在各种可能配置下模拟早先提出的致动器构思的性能。可对测试系统30进一步改进,以最小化负载弹簧组件中摩擦的产生。在NiTi线材302的自由长度处以断裂失效的所有样本300表明,样本固定如预期的那样起作用,并且在压接部位处没有产生过大的应力。
用测试系统30获得的结果可以与已发表的研究比较,在恒定负载下评估NiTi的疲劳寿命。即使Lagoudas等人(2009)研究的合金是NiTiCu而非二元NiTi,该比较仍可以进行。其结果显示出材料循环时的类似应变演变。尤其,在循环开始时应变的锐减明显。其结果还显示,提高应力水平导致样本的疲劳寿命减小。
将此结果与各种负载条件下研究NiTi的功能性疲劳的Mammano和Dragoni(2012)的结果比较,其恒定应力循环测试并未展现出测试开始时的锐减。然而,其结果证实增大NiTi元件的应力要经受样本疲劳寿命的减少。在200MPa的应力水平下,Mammano和Dragoni观察到了3509至4940次循环的疲劳寿命,这类似于400MPa的应力水平下的本结果。然而,在Mammano和Dragoni的情况下,200MPa的满应力还用作材料的预应力,并且在本研究中,预应力被单独调整。这支持以下假设:增大NiTi的预应力要经受疲劳寿命的减少。
这项研究的结果对于实现在下文中更详细讨论的致动器具有若干寓意。在加热效率重要的应用中,例如在医疗植入物装置中,使用部分转变是优选的。加热材料直到实现完全转变是低效的,因为当逼近完全转变点时,应变的累积大大放缓。这导致产生过量的热,同时实现最大应变的微小改变。如前面指出的,部分转变也已发现会增加材料的疲劳寿命。
在致动循环开始期间新NiTi元件上的应变的快速降低将导致致动器行为的可预测性变差,除非将其考虑在内。当构建致动器时,尤其在采用高应力水平的情况下,有利的是通过在使用之前循环使元件老化。在得到的应变的初始锐减之后,能预测材料行为。这对根据所提供的构思构造致动器是尤其重要的,因为塑性马氏体应变的累积将导致NiTi所经受的预应力改变。如果该塑性应变的累积足够大,则致动器将被卡住而不能工作。
存在许多组合可以获得与NiTi相同的力输出的预应力和应力水平。显然,组合的选择会影响所获得的性能。根据所测试的69Mpa和30Mpa的预应力值,69Mpa的预应力在所有应力水平下致使更高的应变输出。可以在某些输出力水平下通过利用更高的应力和预应力达到更高的应变。然而,同时,必须牺牲材料的最大循环寿命。
为了在不同的应力和预应力值下测试NiTi的性能,进一步研究可能是必要的,以便针对不同应用找到最佳应力–预应力组合。
5、结论
发明人已经实施了测试系统30,其允许在恒定应力下测试NiTi线材302,以预应力的自由调整作为独立变量。然后,在两个不同预应力值30Mpa和69Mpa下使用测试系统30来研究在从250Mpa到400Mpa的高应力水平下的NiTi线材302的性能。根据结果,断定与30Mpa的预应力比较,69MPa预应力在所有应力水平下导致 更高应变。此外,可以证明如果可以牺牲一些最大应变,则利用部分转变可提高材料的能量效率。还发现为了从材料中产生预定的力输出,可以使用若干不同的应力–预应力组合。组合的选择对实现的最大应变和疲劳寿命具有深远的意义。可进行进一步研究以找到针对不同应变和疲劳寿命要求的最佳组合。
所提供的致动器构思在许多应用中是有益的,其中需要高的力输出和可预测的应变输出。测试结果显示,可以以该构思所描述的方式利用NiTi。然而,为了充分评估该构思,致动器应该单独实现并测试。这主要是由于以下事实:不同于这项工作所使用的测试系统,所提出的构思不允许在测试期间调整预应力。
本致动器的示例性实施方式
1)第一实施方式(图1、图10和图14):
在图1和图14中以截面图示出且在图10中示意性地示出的致动器10的某些细节已经在上文讨论过。在其两端处包括压接部161、162的NiTi元件11被布置成延伸穿过预加载弹簧12。压接部161、162可按压在NiTi元件11周围,或者可以一体地形成,尤其通过合适的处理,例如通过车削或研磨或者通过使用合适的芯片去除工艺而形成。
预加载弹簧12用作应力到拉力转变器18。预加载弹簧12和NiTi元件11被限制在壳体14中,该壳体具有作为致动器输出的一个或至少一个可移动构件13。在图1中,仅示出了用于可移动构件13的开口1113,在图14中可移动构件13已到位。
相反,NiTi元件11优选地由制成,但在一般情况下可替换为展示形状记忆合金性能的材料制成的一个或多个转换器,但是为清楚起见,在此借助示例性NiTi元件11来讨论本致动器10。
NiTi元件11被配置为在NiTi元件11经历从马氏体到奥氏体状态的热致相变(这使之收缩)时致使至少一个可移动构件13在第一方向上运动,并且在NiTi元件11经历由温度改变导致并由预加载弹簧12增强的从奥氏体到马氏体状态的相变(这使NiTi元件11伸长)时致使至少一个可移动构件13在与第一方向相反的第二方向上移动。
必须理解的是,致动器10的壳体14用作限制器,其已被配置为限制NiTi元件11的移动。
在致动期间处于其初始状态的预加载弹簧12被预加载有预加载力,该预加载力 优选地位于250MPa到450Mpa的范围内(特别位于300MPa到350MPa之间的范围内),并且NiTi元件在其马氏体状态下导致的拉应力处于从20MPa到90Mpa的范围内(特别位于67Mpa到71MPa之间的范围内),并且由壳体14(更一般而言,任何限制装置都可以使用)限制,这样由NiTi元件11中的拉力产生的拉伸小于预加载弹簧12的预加载力。
2)第二实施方式(图9、图11、图12、图13以及图15至图17):
图9是根据本致动器的第二实施方式的致动器110、120的示意图。
图11示出了根据第二实施方式的第一致动器110的截面,而图12示出了根据第二实施方式的第二致动器120的截面。图13示出了另一致动器130的截面,并且图示了限制器如何可以定位成使之限制弹簧的移动而非NiTi元件11的移动。
图15至图17图示了以下循环:从致动器120的初始阶段起,经第一方向上的移动至收缩阶段,并且经第二方向上的移动回到初始阶段。应该理解的是,致动器110的移动循环与致动器120相同。
在图11中,看到致动器110包括NiTi元件11,NiTi元件11被限制在壳体14中。应该理解的是,壳体14延续超出第一压接部161,但壳体14的一部分已被省略以改进清晰度。
致动器110已位于壳体14中,围绕NiTi元件11的是预拉伸管112,预拉伸管112连接到作为抑制单元的限制器111。
致动器110进一步包括可移动构件13,可移动构件13被配置为作为预加载压缩到拉伸转变器,该转变器被布置为将预加载弹簧12的预加载力转变成NiTi元件11的拉力。作为可移动构件13,使用延伸穿过预加载弹簧12的杆。
在图11和图12中看到,虽然在根据第一实施方式的致动器10中,预加载弹簧12被配置为将预加载弹簧12的预加载力转变成NiTi元件11的拉力,但是在致动器110、120中,由连接预加载弹簧12和NiTi元件11的压接部162的预加载压缩到拉伸转变器(可移动构件13)实施所述转变。
在图11和图12中还看到,虽然在根据第一实施方式的致动器10中,壳体14被配置为限制NiTi元件11的伸长并且以这种方式限制由拉力导致的拉伸,在致动器110、120中,该限制由限制器111或者由作为中间壁的限制器121实施。
图13图示了致动器130。现在代替使用中间壁1319作为限制器,壳体14的端 部用作限制器19。换句话说,限制器19定位成使之限制弹簧12的移动而非NiTi元件11的移动。
在图15中,致动器120被示出为处于其初始状态。这意味着,预加载弹簧12也处于其初始状态。
图16图示了在NiTi元件11的第一相变之后、即在可移动构件13已在第一方向上被拉动之后的致动器120。在图15和图16之间,NiTi元件11的相变已发生:NiTi元件11已被加热,这导致从马氏体到奥氏体状态的热致相变,这使NiTi元件11收缩。
NiTi元件11已收缩距离Δk,并且可移动构件13已移位距离Δm。通常,Δk=Δm,但这并非必然。如果Δk≠Δm,这与可移动构件13可能暴露的致动器120的负载条件相关。
在图17中,致动器120已从图16图示的状态返回到其初始状态。这意味着,可移动构件13已在与第一方向相反的第二方向上被推动。NiTi元件11已经历从奥氏体到马氏体状态的相变,这由温度改变导致并由预加载弹簧12增强,使NiTi元件11伸长。
我们看到,在第二相变(即图16和图17之间)中经可移动构件13由致动器120完成的工作在负载条件下由可移动构件13完成,所施加的力在开始实际上为预加载弹簧12的预加载力减去NiTi元件11的拉伸力。在相变期间,预加载力略微减少(取决于每个实例的Δm),并且拉伸力也略微减少(取决于每个实例的Δk)。
通过合适地选择预加载力和拉伸力,基本上可获得任何来自致动器10、110、120的期望的力输出。
然而,已发现NiTi元件11的个别行为。另外,已经使用的预加载弹簧12材料似乎在其弹性方面展示大的变化,因此观察到甚至在致动器10、110、120的各个单元之间预加载弹簧12的弹簧常数变化强烈,已试图串联制造。
于是本发明人发明了一种方法用于补偿致动器10、110、120的制造或材料公差,并且改进本致动器10、110、120,使得制造或材料公差能在组装单元中得到补偿。
可以利用限制器121、111平衡或补偿制造公差。
如致动器120中所示的限制器121可以在预加载弹簧12和/或NiTi元件11的特征已被测量之后被组装在壳体14中。最简单地,限制器121由焊接点实施,该焊接点以适当的距离被焊接在壳体中,以产生预加载弹簧12的预加载力和NiTi元件11上的拉力的适合组合。如果预加载应力太小,点121从基准点向致动器120的端部放 置,这增加了预加载应力,而在相反的情况下,点从基准点向相反方向放置。
组件110甚至更容易制造。可以实施为抑制单元(诸如板)的限制器111被带到位并且附接至预拉伸管112。可以给预拉伸管112提供螺纹。如果限制器111带螺纹,则可以通过旋转来调整预加载应力(同时调整拉力)。螺纹确保通过形状锁定机构将限制器111保持到位。
通过布置可移动构件13使得在开始第二次转变(即根据图16的情况)时可移动构件13缩回到壳体14中,可以延迟通过致动器10、110、120施加推动力。在转变期间,可移动构件13从壳体突出距离Δl。差Δm-Δl可通过改变可移动构件13到壳体14尺寸的长度或定位来进行调整。
对于根据第一实施方式和第二实施方式的致动器10、110、120、130共通的是,NiTi元件11还从壳体14的与可移动构件13那一侧相反的端部固定到壳体14,或者以与NiTi元件11收缩时相反的方式加以限制,NiTi元件11与可移动构件13那一侧相反的一侧基本上无法移动。
固定或限制的目的是确保当NiTi元件11收缩时,NiTi元件11将基本上仅从可移动构件13一侧移动。所述固定可以通过将NiTi元件11和/或压接部161焊接到壳体14进行,或者替代焊接或除焊接之外通过胶接、楔入、压缩或任何其它适合手段进行。例如,除固定之外或代替固定而可就位的限制可以用限制器183进行。
在第一实施方式和第二实施方式中,代替使用一个NiTi元件11,也可以使用一束NiTi元件。然后,压接部161、162最优选地布置在连接单元1818、1819内,其结构在下面讨论。
3)第三实施方式(图18):
图18图示了致动器180的某些部件,致动器180包括在壳体中彼此相邻组装的两个独立致动器。一般而言,独立致动器的数量还可能多于两个。
图18所示的致动器180通过使用前面讨论的致动器130实施。然而,仅以小的修改,致动器130就可以用任何致动器10、110、120替换。
致动器180可特别用作脊柱侧弯治疗装置的致动器。
代替一个NiTi元件11,现在优选地具有由形状记忆合金制成或组成的一束1811线材或杆,比如大于一个NiTi元件的任何数量。在实践中,上面种类或已经讨论的其它选择的NiTi元件11可以用作束中的元件。
束1811中的各个元件彼此串联或并联地电连接,并且机械地并行成束1811布置。这正是与前面讨论的第一实施方式和第二实施方式的变型的选择相同的途径,其中使用包括多个NiTi元件11的束。
利用束1811,可以施加比利用单个元件大得多的机械收缩力。在此提到的“各个元件”当然可涵盖机械并行且电并联的多个NiTi线材。束1811最优选地串联电连接,替代地,束1811可以并联电连接。
束1811中的元件之间的电连接由位于各自压接部162、161中的连接单元1818、1819实施。限制器121被配置为通过限制连接单元1818、1819在预加载弹簧12的工作方向上的移动而限制束1811的拉力。限制器121可以成对,使得可移动构件13可以在各个限制器182之间延伸。限制器183将束1811保持到位。
致动器180中的各个致动器130经由交叉连接构件181被彼此电交叉连接,交叉连接构件181最优选地由生物相容性材料构成。以这种方式,束1811可以串联电连接,或者根据期望并联电连接。
此外,致动器180包括至少两个连接端子186,这两个连接端子186被电连接到束1811,用于将由致动器180中的至少一个感应线圈接收的电能馈送到束1811。于是,当线圈(图18中未示出)被激励时,如已经解释的,两束1811中的所有元件升温并且发生相变。
优选地,限制器121成对实施,这样可移动构件13被限制在限制器182之间。杯184、185优选地实施为通过基部1899将它们有利地结合的一个部件。
4)第四实施方式(图19至图25):
图19图示了致动器190,致动器190包括围绕轴线的多个转换器。另外在此,转换器已通过使用前面讨论的致动器130实施。然而,仅以小的修改,致动器130可以替换为任何致动器10、110、120。
致动器190特别有利的用作骨牵引致动器的致动器,即内部骨牵引装置。
致动器190可包括任何数量的转换器,最优选地存在2至8个之间这样的转换器。
除了现在各个上致动器和下致动器的束之间的连接由传导板2013、2014和一系列连接器2018、2019(最优选地由生物相容性材料构成)电交叉连接,束1811以参考致动器180解释的方式同样被交叉连接。
限制器111优选地在中间具有至少一个开口,使得可移动构件13可以穿过该开 口来回移动。
感应线圈(如参考图18已经解释的)的连接线缆最优选地经由线缆凹部1992馈送。线缆凹部1992可以位于致动器190的部分199中,部分199被连接到植入物的外壳197。外壳197在目前的实施中是需要的,因为限制器111是其一部分。然而,可以用任何其它前面实施的方式替换该构造来移动限制器。
致动器190可经由连接部198(特别经由螺纹)连接到力传递装置以传递力,并且从其另一端经由连接螺纹1991连接。
图20、图23和图24图示了骨牵引致动器190,而图21图示了其截面A-A。图22是牵引致动器190的弹簧堆叠3的端部的缩放视图C。图25图示了图24图示的位置处的截面D-D和E-E。
当组装骨牵引致动器190时,下NiTi保持器6以使之彼此电隔离这样的方式附接至端块5。端块5附接至外壳197,外壳197可以是采用使之形成不可分离体这样的方式的管。一个或多个隔离部分8、9、10被附接至下NiTi保持器6。隔离部分8、9、10的功能是将NiTi束102、103与NiTi保持器6隔离。两个传导板2013、2014与下NiTi保持器6接触。传导板2013、2014的功能是将NiTi束100、101连接到保持器6,这样电流可以在NiTi束100、101和NiTi保持器6之间流动。
NiTi束102、103被附接至线圈连接器2011、2012,线圈连接器2011、2012用于将NiTi束102、103连接到接收线圈组件2。接收线圈组件2包括线圈壳体21、线圈线材23和铁素体22或集中外部磁场的任何其它适合材料。然而,接收线圈组件2不必包含所有这些部分,并且在最基本的情况下仅需要线圈线材23。例如,接收线圈组件2可用电池和远程可控开关替换。
NiTi束100、101、102、103的另一端被连接到上NiTi保持器7。在NiTi束100、101、102、103两端之间是一系列连接器2018、2019(例如连接板),其形成相邻各束之间的电连接。在一系列连接器2018、2019下方同样存在使上NiTi保持器7与NiTi束100、101、102、103电隔离的绝缘部2015、2016。出于该目的还使用了隔离部分17。
电连接实施如下:线圈线材23从一端连接到线圈连接器2011。线圈连接器2011连接到NiTi束103。NiTi束103连接到一系列连接器2019。一系列连接器2019连接到NiTi束100。NiTi束100连接到传导板2013。传导板2013连接到下NiTi保持器6。 下NiTi保持器6连接到传导板2014。传导板2014连接到NiTi束101。NiTi束101连接到一系列连接器2018。一系列连接器2018连接到NiTi束102。NiTi束102连接到线圈连接器2012。线圈连接器2012连接到线圈线材23的另一端,并且完成NiTi束100、101、102、103的全系列连接的连接路径。
上NiTi保持器7经由适合的手段(例如螺纹或焊接)被连接到弹簧引导件4,以便实现刚性构造,或者更优选地实现形状锁定构造。弹簧引导件4的未被连接到下NiTi保持器7的端部将弹簧堆叠3压缩在外壳197上。弹簧堆叠3可由碟形弹簧组成,或者弹簧堆叠3可以是压缩弹簧或提供与弹簧类似功能的任何其它构造、组件或材料。
当组装骨牵引致动器190时,当NiTi束100、101、102、103处于无拉伸下时,在限制器111(优选地实施为外壳197的中间壁,尤其在外壳197实施为管或管状结构的情况下)和上NiTi保持器7之间存在小的间隙。当通过将弹簧堆叠3放置到骨牵引致动器190中并且使弹簧堆叠3拉伸而使NiTi束100、101、102、103拉伸时,NiTi束100、101、102、103根据胡克定律开始拉伸。在非拉伸状态下的间隙长度因此确定了在组装骨牵引致动器190时每个NiTi束100、101、102、103将处于的应力(拉伸)量。
应该注意到,无论什么负载使弹簧堆叠3拉伸,NiTi束100、101、102、103将仅拉伸到由间隙限定的量。因此,可以设计骨牵引致动器190,使得NiTi束100、101、102、103在致动之前总是处于最佳拉伸下(或者至少接近最佳拉伸),并且一旦开始致动(下NiTi保持器7从限制器111分离),将开始产生一些其它预定的优选更大的力。
骨牵引致动器190的致动循环进行如下:外部磁场使线圈线材23感生电压,或者替代地,如果未使用接收线圈组件2,则接通电池。
该电压被施加在如前面描述的电连接通路中的NiTi束100、101、102、103上。该电压根据欧姆定律产生电流,电流将运行通过NiTi束100、101、102、103。消散在NiTi束100、101、102、103中的功率然后以电阻的方式加热NiTi束100、101、102、103。加热导致NiTi束100、101、102、103中的从马氏体相到奥氏体相的相变。相变导致NiTi束100、101、102、103收缩(它们的长度变短)。当这发生时,NiTi束100、101、102、103将上NiTi保持器7拉向下NiTi保持器6,并且上保持器7从限制器111分离。这又将弹簧引导件4拉向下NiTi保持器6。这将导致弹簧堆叠3 压缩(其长度变短),因为外壳197和弹簧引导件4之间的间隙缩短。
现在,当切断外部磁场(或者替代地,切断电池)时,没有电流在NiTi束100、101、102、103中流动。这允许NiTi束100、101、102、103冷却并且由弹簧堆叠3辅助从奥氏体相转变回到马氏体相。同时,弹簧引导件4移动回到其原始位置,并且弹簧堆叠3压缩返回到原始水平。同时,如果从图20中弹簧引导件4的左手端测量(即在连接部198处)则骨牵引致动器190提供输出力至力传递装置。弹簧引导件4可以用适合的动力传递方法从连接部198连接到力传递装置,以便从功率传输机构的重复收缩脉冲产生移动。特别地,这可以是2009/115645A1和WO2011/148047A1中公开的任何这类功率传输机构。尤其在此意指在任何参考文件中描述的用于将往复移动转换为一个方向上的延伸移动的机构。
根据书面描述,本发明的许多特征和优点是明显的。进一步,因为许多修改和改变对本领域技术人员将是显而易见的,本发明不应该限制于如图示和描述的确切构造和操作。由此,所有适合的修改和等同物可诉诸为落入本发明的范围内。
5)致动器的替代构造(图26至图28):
图26和图27示出了致动器的替代构造。该致动器包含四束NiTi线材(3001),所述NiTi线材(3001)与接收功率传输线缆(3017)串联地电连接,所述接收功率传输线缆(3017)可以是经由线缆的接收线圈。所述致动器的电路用下面描述的若干元件完成。
感应功率传输线缆(3017)连接到感应功率传输线圈(未示出)。
所述线缆(3017)的另一端连接到NiTi元件(3111)。可通过压接完成接触。还可通过钎焊完成接触。进一步,可通过焊接完成接触。所述NiTi元件(3111)抵靠在提升板(3015)上,所述提升板(3015)的功能是使所述NiTi元件(3111-3114)停留在相同高度上,使得所述NiTi元件(3111-3114)将负载更均匀地分布在底层绝缘的小压接部上。
所述NiTi元件(3111)经由一系列连接板(3014)连接到所述NiTi元件(3112)。
所述NiTi元件(3112)进一步经由一系列连接板(3016)连接到所述NiTi元件(3113)。
所述NiTi元件(3113)进一步经由一系列连接板(3141)连接到所述NiTi元件(3114)。
所述NiTi元件(3114)进一步经由与所述功率传输线缆(3017)相同的线材连接到所述感应功率传输线圈的另一极。
部分(3010)、(3011)、(3012)和(3013)用作使动力源的金属部分与电路隔离的绝缘件。它们还用于防止短路。所述绝缘件可由任何电隔离材料制成。所述绝缘件可例如由聚合物或陶瓷材料制成。所述绝缘件(3013)进一步用作热屏障件,所述热屏障件减缓热量从动力源内侧向动力源壳体管(3004)的力传递。
所述NiTi元件(3111-3114)被放置在可移动构件(3002)和固定的支撑结构(3003)之间。所述支撑结构(3003)的固定经由所述致动器的壳体管(3004)、弹簧支撑板(3005)和致动器支撑管(3006)实现。所述支撑管(3006)的自由端(图26的左侧)被固定到位。还能被更一般地称为杆的弹簧压缩杆(3007)连接到所述可移动构件(3002)。这些还可以被制造为单个部件。压缩弹簧堆叠(3009)围绕所述弹簧压缩杆(3007)放置,使之抵靠在所述弹簧支撑板(3005)上。所述弹簧压缩杆(3007)被拉到所述NiTi元件的最佳预应力,并且增设了固定部分(3008)。增设的所述固定部分(3008)于是优选地保持所述最佳预应力。这可以通过任何手段紧固,例如通过螺纹或焊接等紧固。
替代地,代替将所述支撑管(3006)固定在其合适的位置,可以排除所述支撑管3006。在这种情况下,所述致动器应该用所述支撑结构(3003)、壳体管(3004)或弹簧支撑板(3005)固定。
随着所述压缩弹簧堆叠(3009)试图伸长并且被所述固定部分(3008)阻挡,力经所述弹簧压缩杆(3007)传递到所述可移动构件(3002)。所述可移动构件(3002)进一步试图向图26的左侧移动,导致力被传递到所述NiTi元件(3111-3114)。所述NiTi元件(3111-3114)的另一端抵靠在所述支撑结构(3003)上,所述支撑结构(3003)承载负载并且将负载经所述管(3004,3006)和所述弹簧支撑板(3005)传递到图26的所述部分(3006)的左端处的固定点。
替代地,代替压缩弹簧堆叠(3009),可以使用正常的压缩弹簧。替代地,代替压缩弹簧堆叠(3009)或压缩弹簧,可以使用拉伸弹簧。当使用拉伸弹簧时,所述拉伸弹簧被连接到杆(3007)的端部。当从另一端拉动所述拉伸弹簧时,所述弹簧导致杆(3009)移动并且在所述NiTi元件(3111-3114)上施加应力。当所述拉伸弹簧被拉到最佳预应力时,所述拉伸弹簧可以使用任何种类的固定手段固定到所述部分 (3006)。
图28解释了所述致动器的操作循环。在静止状态下,测量值L1可例如是19.70-19.90cm,优选为19.80cm;测量值L2可例如是19.90-20.10cm,优选为20.00cm;而测量值L3可例如为22.90-23.10cm,优选为23.00cm。
当激活外部磁场时,在所述感应功率传输线圈中感生电压。所述功率传输线圈进一步导致电流经过感应功率传输线缆(3017)和包含NiTi元件(3111-3114)的所述致动器的一系列电路。所述NiTi元件经电阻加热被进一步加热。这导致所述NiTi元件经历从马氏体到奥氏体相的相变。这导致所述NiTi元件收缩。该收缩将所述可移动构件(3002)向右侧移动一定收缩量。收缩可通过结构中的任何弹性变形被减去。该收缩还导致所述弹簧压缩杆(3007)向右侧移动相同量。这又导致压缩弹簧堆叠(9)进一步压缩。
现在,所述致动器已完成其致动步骤。现在,测量值L1可例如是18.70-18.90cm,优选为18.80cm;测量值L2可例如是18.90-19.10cm,优选为19.00cm;而测量值L3可例如是23.90-24.10cm,优选为24.00cm。
由于所述支撑管(3006)的左侧被固定,所述致动器能够经所述可移动构件(3002)的右端产生位移和力输出。随后,磁场被关断,并且所述NiTi元件(3111-3114)冷却下来。结果,所述压缩弹簧堆叠(3009)将所述NiTi元件拉向原始位置。另外,所述可移动构件(3002)移动回到所述原始位置。所述致动器准备新的致动循环。
通过将所述致动器以一种方式连接到移动允许元件,可以实现能借助磁场延伸的牵引成骨装置。
所用附图标记的列表
2接收线圈组件
3弹簧堆叠
4弹簧引导件(用作可移动构件13)
5端块
6NiTi保持器
7NiTi保持器
8、9、10隔离部分
10致动器
11NiTi元件
12预加载弹簧
13可移动构件
14壳体
16空容积
17隔离部分
18预加载力-拉伸转变器
19限制器(端壁)
21线圈壳体
22铁素体
23线圈线材
30测试系统
31压缩杆
32至负载传感器的连接部
33电连接部
34弹簧锁定夹
35到液压致动器的连接部
37用于应变测量的延伸计
100、101、102、103NiTi束
110致动器
111限制器(抑制单元)
112预拉伸管
120致动器
121限制器(中间壁)
130致动器
161压接部
162压接部
180脊柱侧弯治疗致动器
181交叉连接构件
183限制器
184、185在组装期间设定压接部的杯
186连接端子
190骨牵引致动器
195连接器
197植入物的外壳,致动器190的可选部分
198力传递装置的连接部
199致动器的连接到植入物外壳的部分
300测试样本
301压接部
302NiTi线材
1113用于可移动构件的开口
1811束
1818连接单元
1819连接单元
1840机械连接件
1899基部
1991连接螺纹
1992线缆凹部
2011、2012线圈连接器
2013、2014传导板
2015、2016绝缘件
2018一系列连接器
2019一系列连接器
3000致动器
3001NiTi线材
3002可移动构件
3003支撑结构
3004壳体管
3005弹簧支撑板
3006致动器支撑管
3007杆
3008固定部分
3009压缩弹簧堆叠
3010、3011、3012、3013隔离部分
3014、3016一系列连接板
3015提升板
3017功率传输线缆
3111、3112、3113、3114NiTi元件
3141一系列连接板
L1弹簧堆叠的长度
L2压缩杆的错位参数
L3可移动构件的错位参数
引用文献
AalsmaAMM,HekmanEEG,Stapert,JWJL,GrootenboerHJ1997;TheDesignofATiNiactuatorinanintramedullaryleglengtheningdeviceJ.PHYS.IVFRANCE7C5627-631
AalsmaAMM,HekmanEEG,StaperJ,GrootenboerH1998;AcompletelyintramedullaryleglengtheningdeviceProc.ofthe20thAnn。Int.Conf.oftheIEEEEngineeringinMedicineandBiologySociety20-52710-2713
BelsonA2013;专利公报US8361090B2,Apparatusandmethodforendoscopiccolectomy
BertacchiniOW,LagoudsDC,PatoorE2009;ThermomechanicaltransformationfatigueofTiNiCuSMAactuatorsunderacorrosiveenvironment-PartI:ExperimentalresultsIntJFatigue1571-1578
ChauETF,FriendCM,AllenDM,HoraJ,WebsterJR2006;AtechnicalandeconomicappraisalofshapememoryalloysforaerospaceapplicationsMater.Sci.Eng.,A438-440589-592
DynalloyInc.2012;Technicalcharactreristicsofactuatorwiresmanufacturersdatasheet,从http://www.dynalloy.com/pdfs/TCF1140.pdf在线检索2012-10-12
DahlgrenJM2009;专利申请公报US2009076597A1,Systemformechanicaladjustmentofmedicalimplants
ElwaleedAK,MohamedNA,NorMJ,MustafaMM2007;AnewconceptofalinearsmartactuatorSens.Actuators,A135244-249
FumagalliL,ButeraF,CodaA2009;SmartFlexNiTiwiresforshapememoryactuatorsJ.Mater.Eng.Perform.18691-695
HelsinkiUniversityofTechnology2009;专利申请公报WO2009115645A1,Internalosteodistractiondevice
HorstM,HayozD,BorghiE,TozziP2013;专利申请公报US20130096586A1,Medicaldevicecomprisinganartificialcontractilestructure
KheirikhahMM,RabieeS,EdalataME2011;AReviewofshapememoryalloyactuatorsinroboticsLectureNotesinComputerScience6556206-217
KimH,YooY,LeeJ2008;DevelopmentofaNiTiactuatorusingatwo-wayshapememoryeffectinducedbycompressiveloadingcyclesSens。Actuators,A148437-442
LagoudasDC,MillerDA,RongL,KumarPK2009;ThermomechanicalfatigueofshapememoryalloysSmartMater.Struct.18
MammanoGS,DragoniE2012;FunctionalfatigueofNi-TishapememorywiresundervariousloadingconditionsIntJFatiguehttp://dx.doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2012.03.004
MertmannM,VerganiG2008;DesignandapplicationofshapememoryactuatorsEur.Phys.J.SpecialTopics158221-230
OlympusCorp.2012;专利申请公报EP2133566A2,Shapememoryalloyactuator
J1999;Biocompatibilityevaluationofnickel-titaniumshapememoryalloyDissertationforUniversityofOuluISBN951-42-5221-7
SoubeiranAA2003;专利申请公报US2003032958A1,Deviceforrelativedisplacementoftwobodies

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