專(zhuān)利名稱(chēng)：雙程形狀記憶合金彈簧驅(qū)動(dòng)的負(fù)壓吸盤(pán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的吸附裝置，具體是一種雙程形狀記憶 合金彈簧驅(qū)動(dòng)的負(fù)壓吸盤(pán)。
背景技術(shù)：
形狀記憶合金(SMA)是一種能夠經(jīng)過(guò)某種熱效應(yīng)完全消除其在較低溫度下 發(fā)生的塑性形變，回復(fù)到形變前的原始形狀的一種合金材料?？梢酝ㄟ^(guò)電流加熱 的方式使其產(chǎn)生形變，它具有功重比大、驅(qū)動(dòng)電壓低、形變量大的優(yōu)點(diǎn)。SMA的 形狀記憶效應(yīng)有單程和雙程之分，單程記憶效應(yīng)的SMA在加熱發(fā)生變形后不能回 復(fù)到未加熱前的狀態(tài)，而必須依靠外力回復(fù)，而雙程SMA則能自由回復(fù)。傳統(tǒng)的 負(fù)壓吸附式爬壁機(jī)器人，其吸附機(jī)構(gòu)主要采用基于氣泵的驅(qū)動(dòng)方式使吸盤(pán)產(chǎn)生負(fù) 壓，近年來(lái)已經(jīng)開(kāi)始有研究使用電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生直線位移，形成吸盤(pán)腔體體積變化， 進(jìn)而產(chǎn)生負(fù)壓的方法代替氣泵抽氣。上述方法都能產(chǎn)生較大的負(fù)壓，但無(wú)論是氣 泵還是用于改變吸盤(pán)腔體體積的電機(jī)，都存在如下一些主要問(wèn)題1)自身重量大， 吸附裝置不易微小型化，2)功重比低，浪費(fèi)能源，3)有噪音。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Tao Zhu等在Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (2006年國(guó)際機(jī)器 人與仿生機(jī)械會(huì)議)上發(fā)表的《Principle and Application of Vibrating SuctionMethod》(振動(dòng)式吸盤(pán)的原理與應(yīng)用)文中提出采用電機(jī)產(chǎn)生一定頻率的 振動(dòng)使吸盤(pán)變形產(chǎn)生負(fù)壓，其不足在于需要外接電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器，使吸附裝置的 體積變大，浪費(fèi)能量且有噪音。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種雙程形狀記憶合金彈簧驅(qū)動(dòng) 的負(fù)壓吸盤(pán)，使其可以利用SMA驅(qū)動(dòng)性能上的優(yōu)點(diǎn)，解決負(fù)壓吸盤(pán)在爬壁機(jī)器人 吸附裝置應(yīng)用中存在的不足，它具有體積小，吸附可靠，無(wú)噪音，不需外接氣源
或用電機(jī)使吸盤(pán)變形，而僅依靠SMA形變使吸盤(pán)體積變化來(lái)產(chǎn)生負(fù)壓的特點(diǎn)，避 免現(xiàn)有負(fù)壓吸盤(pán)吸附裝置不易微小型化，噪音大，功重比低的缺點(diǎn)，給微小型爬 壁機(jī)器人提供一種小型、高效、可靠的吸附裝置。該吸盤(pán)不僅可用于爬壁機(jī)器人 吸附機(jī)構(gòu)，還可推廣應(yīng)用于其他類(lèi)型負(fù)壓吸盤(pán)應(yīng)用上。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括內(nèi)缸、外缸、雙程SMA彈簧、 內(nèi)缸彈簧固定片、動(dòng)密封圈、外缸彈簧固定條、彈性底座。外缸和彈性底座粘接 在一起，外缸彈簧固定條卡在外缸和彈性底座之間，雙程SMA彈簧的下端用外缸 彈簧固定條卡在外缸和彈性底座之間，用于固定雙程SMA彈簧的下端，雙程SMA 彈簧上端卡在內(nèi)缸彈簧固定片，內(nèi)缸彈簧固定片固定在內(nèi)缸上端。內(nèi)缸和外缸之 間通過(guò)動(dòng)密封圈密封。
本發(fā)明中，所述的內(nèi)外缸采用密度小、導(dǎo)熱性能優(yōu)良的鋁合金加工，減小吸 盤(pán)重量同時(shí)便于雙程SMA彈簧冷卻時(shí)的散熱，加快吸盤(pán)響應(yīng)速度。
所述外缸下端設(shè)有一個(gè)孔，彈性底座塞入該孔內(nèi)。
所述外缸上端設(shè)有比外缸直徑小的圓孔，內(nèi)缸從此孔中穿入，內(nèi)缸、外缸之 間的縫隙用動(dòng)密封圈密封，在內(nèi)缸、外缸之間形成一個(gè)密封的空氣腔。在雙程 S區(qū)彈簧的作用下，內(nèi)缸能沿外缸運(yùn)動(dòng)，使內(nèi)缸和外缸內(nèi)的空氣腔的氣壓降低形 成負(fù)壓。
所述外缸彈簧固定條上設(shè)有弧形槽，雙程SMA彈簧卡在彈性底座和外缸彈簧 固定條之間，同時(shí)外缸彈簧固定條有一端圓柱形突起，能對(duì)雙程SMA彈簧起導(dǎo)向 的作用。
所述外缸頂端設(shè)有凹形槽，動(dòng)密封圈設(shè)在該凹形槽中。
所述外缸上設(shè)有通 L，導(dǎo)線通過(guò)該通孔接到雙程SMA彈簧兩端給其供電，且 該通孔用密封膠密封。
本發(fā)明中，所述的雙程SMA彈簧，由于SMA彈簧相對(duì)與S區(qū)絲具有較大的位 移，采用Niti合金的雙程形狀記憶合金彈簧，由于雙程S區(qū)彈簧加熱后伸長(zhǎng)， 冷卻時(shí)縮短，在加熱發(fā)生相變后不需外力即可回到初始狀態(tài)，相對(duì)與單程SMA 彈簧驅(qū)動(dòng)器，可以不用偏置彈簧提供回復(fù)力，極大的節(jié)省了空間。
本發(fā)明中，所述的動(dòng)密封圈采用結(jié)構(gòu)緊湊、所占空間小、動(dòng)摩擦阻力小、拆
卸方便、成本低的擠壓型o形圈密封。
本發(fā)明中，所述的彈性底座為彈性高分子材料制作，采用多腔結(jié)構(gòu)以提高吸 盤(pán)的壁面適應(yīng)性，彈性底座的底面被加工分割成多腔結(jié)構(gòu)，每個(gè)子腔通過(guò)直徑很 小的通孔與內(nèi)外缸形成的空腔相連通，構(gòu)成兩級(jí)多腔結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明雙程S區(qū)彈簧在通電加熱后產(chǎn)生的伸長(zhǎng)，其相變回復(fù)力將使內(nèi)缸克服 其與動(dòng)密封圈的摩擦力產(chǎn)生相對(duì)外缸的位移，從而使吸盤(pán)空腔內(nèi)氣體的體積變大 產(chǎn)生負(fù)壓。當(dāng)SMA驅(qū)動(dòng)器兩端的電壓取消后，雙程SMA彈簧逐漸冷卻，其長(zhǎng)度將 收縮，在外界大氣壓和雙程SMA彈簧變形力的作用下，內(nèi)缸回到初始位置，負(fù)壓 取消。
本發(fā)明采用雙程形狀記憶合金彈簧加熱后產(chǎn)生的相變回復(fù)力使內(nèi)缸相對(duì)于 外缸運(yùn)動(dòng)，從而使吸盤(pán)內(nèi)氣體體積變大產(chǎn)生負(fù)壓，當(dāng)給雙程SMA彈簧的電壓取消 時(shí)，雙程SMA彈簧能夠自動(dòng)的回復(fù)到初始位置，取消負(fù)壓。該負(fù)壓吸盤(pán)產(chǎn)生的吸 附力足夠大，可以作為微小型爬壁機(jī)器人吸附裝置。本發(fā)明呈圓柱形，底面直徑 40mm，高35鵬，僅重152克，在SMA驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電流為3A時(shí)，產(chǎn)生的負(fù)壓為 11000Pa，在垂直壁面上的載荷可達(dá)500g以上，相對(duì)于現(xiàn)有的爬壁機(jī)器人負(fù)壓吸 附裝置，具有體積小、無(wú)噪音、無(wú)需外接氣源和電機(jī)、成本低的特點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1中，內(nèi)缸l、圓柱螺釘2、 0形密封圈3、內(nèi)缸彈簧固定片4、 SMA彈簧 5、外缸6、外缸彈簧固定條7、彈性底座8。 圖2是本發(fā)明彈性底座的仰視圖。 圖2中子腔9、肋10、通孔ll。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實(shí)施例。
如圖1所顯示，本實(shí)施例包括內(nèi)缸1、動(dòng)密封圈3、內(nèi)缸彈簧固定片4、 雙程SMA彈簧5、外缸6、外缸彈簧固定條7、彈性底座8。本實(shí)施例中，動(dòng)密封
圈3為0形密封圈。外缸6和彈性底座8粘接在一起，外缸彈簧固定條7卡在外 缸6和彈性底座8之間，雙程SMA彈簧5的下端用外缸彈簧固定條7卡在外缸6 和彈性底座8之間，用于固定雙程SMA彈簧5的下端，雙程SMA彈簧5上端卡在 內(nèi)缸彈簧固定片4，內(nèi)缸彈簧固定片4通過(guò)圓柱螺釘2固定在內(nèi)缸1上，內(nèi)缸l 套在外缸6中，內(nèi)缸1和外缸6之間通過(guò)0形密封圈3密封。
所述外缸6下端設(shè)有一個(gè)孔，彈性底座8塞入該孔內(nèi)。
所述外缸6上端設(shè)有比外缸直徑小的圓孔，內(nèi)缸l從此孔中穿入，內(nèi)缸l、 外缸6之間的縫隙用0形密封圈3密封，在內(nèi)缸l、外缸6之間形成一個(gè)密封的 空氣腔。在雙程S區(qū)彈簧5的作用下，內(nèi)缸1能沿外缸6運(yùn)動(dòng)，使內(nèi)缸1和外缸 6內(nèi)的空氣腔的氣壓降低形成負(fù)壓。
所述外缸彈簧固定條7上設(shè)有弧形槽，雙程SMA彈簧5卡在彈性底座8和外 缸彈簧固定條7之間，同時(shí)外缸彈簧固定條7有一端圓柱形突起，能對(duì)雙程SMA 彈簧5起導(dǎo)向的作用。
所述外缸6，其頂端設(shè)有凹形槽，0形密封圈3設(shè)在該凹形槽中。
所述外缸6，其上設(shè)有通孔，導(dǎo)線通過(guò)該通孔接到雙程SMA彈簧5兩端給其 供電，且該通孔用密封膠密封。
所述雙程S區(qū)彈簧5為NiTi合金制造，經(jīng)訓(xùn)練具有雙程形狀記憶功能，加 熱后伸長(zhǎng)，冷卻后縮短，其直徑9mm，簧徑1. 3mm，長(zhǎng)14咖，伸長(zhǎng)后推力可達(dá)ION， 縮短時(shí)拉力達(dá)4N。
所述內(nèi)缸1和外缸6采用鋁合金制造，呈圓柱形，具有質(zhì)量輕，散熱性能好 的優(yōu)點(diǎn)。
所述0形密封圈3采用了氟橡膠材料，具有摩擦系數(shù)低的優(yōu)點(diǎn)。 所述彈性底座8采用硅橡膠材料，它具有極低的彈性模量，僅為1. 5MPa，
當(dāng)彈性底座8與被吸附面接觸時(shí)，容易變形，可以保證吸盤(pán)與壁面接觸時(shí)的密封性。
如圖2所示，彈性底座8上有子腔9、肋10、通孔11，肋9將彈性底座8 的底面劃分成含有多個(gè)子腔9的多腔結(jié)構(gòu)。通孔11的作用是將子腔9與內(nèi)缸1 和外缸6形成的空腔連通，當(dāng)內(nèi)缸1和外缸6形成的空腔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)，子腔9
內(nèi)也產(chǎn)生負(fù)壓；當(dāng)吸盤(pán)吸附在壁面上時(shí)，若壁面上有縫隙，由于彈性底座8上有 多個(gè)類(lèi)似于子腔9的小腔，縫隙只會(huì)使單個(gè)或幾個(gè)小腔漏氣，可以減小縫隙對(duì)其 他小腔內(nèi)負(fù)壓的影響，提高吸盤(pán)的壁面適應(yīng)性。
當(dāng)吸盤(pán)放置在被吸附面上時(shí)，首先雙程S區(qū)彈簧5通電加熱，當(dāng)溫度足夠高 時(shí)，雙程SMA彈簧5發(fā)生相變開(kāi)始伸長(zhǎng)推動(dòng)內(nèi)缸1相對(duì)外缸6運(yùn)動(dòng)，內(nèi)缸1和外 缸6內(nèi)空腔的體積變大，氣壓降低產(chǎn)生負(fù)壓，內(nèi)缸1和外缸6內(nèi)空腔通過(guò)彈性底 座8上的通孔與彈性底座8底端的子腔相連通，這時(shí)將在彈性底座8底端的子腔 內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，使吸盤(pán)吸附在被吸附平面上。當(dāng)雙程S區(qū)彈簧5斷電后，由于內(nèi)缸 1和外缸6由鋁合金材料制成，具有優(yōu)良的散熱特性，雙程SMA彈簧5迅速冷卻， 由于雙程SMA彈簧采用雙程記憶效應(yīng)的SMA制成，雙程SMA彈簧5自動(dòng)回到未加 熱前的狀態(tài)，同時(shí)在外界大氣壓的作用下，內(nèi)缸l逐漸回到原始位置，吸盤(pán)內(nèi)的 負(fù)壓消失。
本實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在幾個(gè)方面 一是采用雙程SMA彈簧的變形使吸盤(pán)空氣 腔變形產(chǎn)生負(fù)壓，不需要在吸盤(pán)外接氣源或用電機(jī)使吸盤(pán)發(fā)生變形產(chǎn)生負(fù)壓，由 于雙程SMA彈簧的高功重比，使的該吸盤(pán)體積小，無(wú)噪音，吸附力大。底面直徑 40mm，高35腿，僅重152克，在雙程SMA彈簧驅(qū)動(dòng)電流為3A時(shí)，產(chǎn)生的負(fù)壓為 11000Pa，在垂直壁面上的載荷可達(dá)500g以上。二是由于彈性底座采用彈性材料 制成，具有多腔結(jié)構(gòu)，使得在被吸附面上存在微小縫隙時(shí)，能有效減小漏氣對(duì)腔 體內(nèi)負(fù)壓的影響，可靠的提高吸盤(pán)的壁面適應(yīng)性。本發(fā)明在負(fù)載500g時(shí)，可吸 附在壁面上達(dá)40秒。
權(quán)利要求
1、一種雙程形狀記憶合金彈簧驅(qū)動(dòng)的負(fù)壓吸盤(pán)，其特征在于，包括內(nèi)缸、外缸、雙程形狀記憶合金彈簧、內(nèi)缸彈簧固定片、動(dòng)密封圈、外缸彈簧固定條、彈性底座，外缸和彈性底座粘接在一起，外缸彈簧固定條卡在外缸和彈性底座之間，雙程形狀記憶合金彈簧的下端用外缸彈簧固定條卡在外缸和彈性底座之間，固定雙程形狀記憶合金彈簧的下端，雙程形狀記憶合金彈簧上端卡在內(nèi)缸彈簧固定片，內(nèi)缸彈簧固定片固定在內(nèi)缸上端，內(nèi)缸和外缸之間通過(guò)動(dòng)密封圈密封。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙程形狀記憶合金彈簧驅(qū)動(dòng)的負(fù)壓吸盤(pán)，其特征 是，所述外缸上端設(shè)有比外缸直徑小的圓孔，內(nèi)缸從此孔中穿入，內(nèi)缸、外缸之 間的縫隙用動(dòng)密封圈密封，在內(nèi)缸、外缸之間形成一個(gè)密封的空氣腔，在雙程形 狀記憶合金彈簧的作用下，內(nèi)缸能沿外缸運(yùn)動(dòng)，使內(nèi)缸和外缸內(nèi)的空氣腔的氣壓 降低形成負(fù)壓。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙程形狀記憶合金彈簧驅(qū)動(dòng)的負(fù)壓吸盤(pán)，其 特征是，所述外缸下端設(shè)有一個(gè)孔，彈性底座塞入該孔內(nèi)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙程形狀記憶合金彈簧驅(qū)動(dòng)的負(fù)壓吸盤(pán)，其 特征是，所述外缸頂端設(shè)有凹形槽，動(dòng)密封圈設(shè)在該凹形槽中。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙程形狀記憶合金彈簧驅(qū)動(dòng)的負(fù)壓吸盤(pán)，其 特征是，所述外缸上設(shè)有通孔，導(dǎo)線通過(guò)該通孔接到雙程形狀記憶合金彈簧兩端 給其供電，且該通孔用密封膠密封。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙程形狀記憶合金彈簧驅(qū)動(dòng)的負(fù)壓吸盤(pán)，其特征 是，所述彈性底座上設(shè)有子腔、肋、通孔，肋將彈性底座的底面劃分成含有多個(gè) 子腔的多腔結(jié)構(gòu)，子腔通過(guò)彈性底座上的通孔與內(nèi)缸、外缸之間形成的空腔連通。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙程形狀記憶合金彈簧驅(qū)動(dòng)的負(fù)壓吸盤(pán)，其特征 是，所述外缸彈簧固定條上設(shè)有弧形槽，雙程形狀記憶合金彈簧卡在彈性底座和 外缸彈簧固定條之間。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的雙程形狀記憶合金彈簧驅(qū)動(dòng)的負(fù)壓吸盤(pán)，其 特征是，所述外缸彈簧固定條有一端圓柱形突起，對(duì)雙程形狀記憶合金彈簧起導(dǎo) 向作用。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙程形狀記憶合金彈簧驅(qū)動(dòng)的負(fù)壓吸盤(pán)，其特征是，所述的動(dòng)密封圈為o形密封圈。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙程形狀記憶合金彈簧驅(qū)動(dòng)的負(fù)壓吸盤(pán)，其 特征是，所述內(nèi)缸和外缸為圓柱形。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種特種機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的雙程形狀記憶合金彈簧驅(qū)動(dòng)的負(fù)壓吸盤(pán)，包括內(nèi)缸、外缸、雙程SMA彈簧、內(nèi)缸彈簧固定片、動(dòng)密封圈、外缸彈簧固定條、彈性底座。外缸和彈性底座粘接在一起，外缸彈簧固定條卡在外缸和彈性底座之間，雙程SMA彈簧的下端用外缸彈簧固定條卡在外缸和彈性底座之間，用于固定雙程SMA彈簧的下端，雙程SMA彈簧上端卡在內(nèi)缸彈簧固定片，內(nèi)缸彈簧固定片固定在內(nèi)缸上端，內(nèi)缸和外缸之間通過(guò)動(dòng)密封圈密封。本發(fā)明避免現(xiàn)有負(fù)壓吸盤(pán)吸附裝置不易微小型化，噪音大，功重比低的缺點(diǎn)，給微小型爬壁機(jī)器人提供一種小型、高效、可靠的吸附裝置。
文檔編號(hào)F16B47/00GK101178091SQ20071017076
公開(kāi)日2008年5月14日 申請(qǐng)日期2007年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月22日
發(fā)明者莊 付, 博 張, 胡冰山, 智 董, 趙言正 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)