嵌入式形状记忆合金丝驱动器驱动的微小多腔负压吸盘

摘要

本发明涉及一种特种机器人技术领域的嵌入式形状记忆合金丝驱动器驱动的微小多腔负压吸盘，包括嵌入式形状记忆合金丝驱动器、弹性基体材料、弹性体圆环、刚性体支撑层及多腔弹性体底座，它们依次粘接在一起形成多层结构。当给嵌入式形状记忆合金丝驱动器通电加热时，带动弹性基体材料发生变形，使由弹性基体材料、刚性体支撑层和弹性体圆环所构成的空腔内气体体积变大形成负压，由于刚性体支撑层上有扩散口与多腔弹性体底座上的小腔相连通，于是在多腔弹性体底座上的小腔内也产生负压。本发明避免现有负压吸盘吸附装置不易微小型化，噪音大，功重比低的缺点，给微小型爬壁机器人提供一种小型、高效、可靠且壁面适应性能优良的吸附装置。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种机器人技术领域的吸附装置，特别是一种嵌入式形状记忆合金丝驱动器驱动的微小多腔负压吸盘。

背景技术

形状记忆合金(SMA)在发生塑性变形后，经过加热到某一温度之上能够回复到变形前的形状，利用形状记忆合金的这个特点做成了SMA驱动器，它具有功重比大、驱动电压低、形变量大的优点。常见的有SMA丝驱动器、弹簧驱动器和薄膜驱动器等，它们在微小型机器人中得到了广泛应用。传统的负压吸附式爬壁机器人，其吸附机构主要采用基于气泵的驱动方式使吸盘产生负压，近年来已经开始有研究使用电机转动产生直线位移，形成吸盘腔体体积变化，进而产生负压的方法代替气泵抽气。上述方法都能产生较大的负压，但无论是气泵还是用于改变吸盘腔体体积的电机，都存在功重比低，吸附装置不易微小型化且有噪音的缺点。由于爬壁机器人作业表面往往都不是光滑连续的，还常有沟槽，现有的吸盘一般采用单腔结构，一旦碰到沟槽就会迅速漏气而失效。

经对现有技术的文献检索发现，中国实用新型专利ZL01210421.4设计了一种网格结构吸盘，它含有吸盘和吸盘盖，吸盘的盘面有网格结构，网格的每个网目内有凹槽形成微小吸盘，每个微小吸盘中心有小孔连通吸盘盖上的进出气口。该专利虽然采用了多腔结构，但需外接气源，不利于吸附装置的微小型化。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种嵌入式形状记忆合金丝驱动器驱动的微小多腔负压吸盘，使其利用SMA优良的驱动性能，解决现有负压吸盘在爬壁机器人吸附装置应用中存在的不足，该吸盘不仅可用于爬壁机器人吸附机构，还可推广应用于其他类型负压吸盘应用上。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：形状记忆合金丝驱动器、弹性基体材料、弹性体圆环、多腔弹性体底座及刚性体支撑层。形状记忆合金丝驱动器埋入到弹性基体材料中，弹性体圆环一面与弹性基体材料用胶粘接，另外一面与刚性体支撑层用胶粘接，刚性体支撑层的另外一面与多腔弹性体底座用胶粘接，多腔弹性体底座一端粘接在刚性体支撑层上，另外一端与被吸附面接触。

所述形状记忆合金丝驱动器，可是丝或者薄膜。采用SMA丝经热处理后制成，在常温下呈直线状态，当通电加热后形状记忆合金丝驱动器朝一个方向弯曲呈弧形。相对于SMA弹簧驱动器，形状记忆合金丝驱动器响应速度快，驱动电流低。形状记忆合金丝驱动器直接埋入到弹性基体材料内部，当给形状记忆合金丝驱动器通电加热后，形状记忆合金丝驱动器朝特定方向弯曲，由于SMA丝与弹性基体材料复合在一起，形状记忆合金丝驱动器的变形将带动弹性基体材料变形。

所述弹性体圆环可以采用硅橡胶材料制作，弹性体圆环可与刚性体支撑层以及弹性基体材料形成一层空气膜，依靠该空气膜内气体体积变化产生负压。

所述刚性体支撑层，其上面有很多个微小的扩散口通道连接多腔弹性体底座上的小腔和弹性体圆环形成的空气腔，一旦空气腔内形成负压，通过这些通道可在小腔内迅速的建立负压，同时利用流阻随气体流过扩散口的方向变化而变化的特点，可有效防止小腔漏气对大腔内负压的影响。

所述多腔弹性体底座，由易于变形且密封性能良好的弹性材料制成，多腔弹性体底座上有很多圆形小腔，呈放射状排列，形成多腔吸附的结构。

本发明的工作原理是：当给形状记忆合金丝驱动器通电加热时，形状记忆合金丝驱动器变形带动弹性基体材料发生变形，使弹性基体材料和弹性体圆环所构成的空腔内气体体积变大形成负压，由于刚性体支撑层上有扩散口与多腔弹性体底座上的小腔相连通，于是在多腔弹性体底座上的小腔内也产生负压。当停止加热后，在弹性基体材料的弹性回复力的作用下，空腔气体体积回到原来的状态，负压消失。

与现有技术相比，本发明采用形状记忆合金驱动器加热后产生的相变回复力使弹性基体材料发生变形使吸盘底部的小腔产生负压。该负压吸盘产生的吸附力足够大，经实验验证，其产生的负压可达10kPa以上，可负载500g的垂直负载，且其体积非常小(直径50mm，高不足10mm)，可以作为微小型爬壁机器人吸附装置。本发明相对于现有的爬壁机器人负压吸附装置，具有无噪音、无需外接气源和电机、成本低的特点。同时由于采用了多腔吸附的结构，能有效提高吸盘的壁面适应性能。

附图说明

图1是本发明总体结构图。

图1中，形状记忆合金丝驱动器1、弹性基体材料2、弹性体圆环3、刚性体支撑层4、多腔弹性体底座5。

图2是本发明各组成部件连接结构示意图

图2中，6为弹性基体材料2、弹性体圆环3和刚性体支撑层4形成的空腔，7为刚性体支撑层4上的扩散口、8为多腔弹性体底座5上的小腔。

图3是本发明刚性体支撑层结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-3所示，本实施例包括形状记忆合金丝驱动器1、弹性基体材料2、弹性体圆环3、刚性体支撑层4、多腔弹性体底座5。形状记忆合金丝驱动器1埋入到弹性基体材料2中，弹性体圆环3一面与弹性基体材料2用胶粘接，另外一面与刚性体支撑层4用胶粘接，刚性体支撑层4的另外一面与多腔弹性体底座5用胶粘接，多腔弹性体底座5一端粘接在刚性体支撑层4上，另外一端与被吸附面接触。

所述形状记忆合金丝驱动器1采用SMA丝经热处理后制成，在常温下呈直线状态，当通电加热后形状记忆合金丝驱动器1朝一个方向弯曲呈弧形。

所述形状记忆合金丝驱动器1直接埋入到弹性基体材料2内部，在此实例中，形状记忆合金丝驱动器1采用NiTi合金制造，长40mm，丝径1.5mm，通电加热后能够弯曲成半圆。

所述弹性基体材料2采用硅橡胶用模具加工成需要的形状，硅橡胶材料非常软，很容易变形，弹性模量为1.5Mpa。

所述形状记忆合金丝驱动器1埋入弹性基体材料2，弹性基体材料2直径50mm，厚3mm。通电加热后，形状记忆合金丝驱动器的变形很容易引起弹性基体材料2的变形。

所述弹性体圆环3的一面与弹性基体材料2的底面粘接，另外一面与刚性体支撑层4粘接，弹性基体材料2、弹性体圆环3和刚性体支撑层4形成一个大的空气腔6，刚性体支撑层4上有很多扩散口7。

所述刚性支撑层4采用有机玻璃加工，能够有效的减轻重量，其直径50mm，厚3mm。

所述多腔弹性体底座5采用硅橡胶板加工，其上有很多小腔8，呈放射状排列，这些小腔的直径为8mm，一共12个。其中每个小腔8通过扩散口7与空气腔6相连通，形成多腔吸附的结构。

当给形状记忆合金丝驱动器1通电加热时，形状记忆合金丝驱动器1发生形变朝一个方向弯曲，从而带动弹性基体材料2也发生形变使的空气腔6的体积变大，产生负压，由于刚性体支撑层4上有扩散口与多腔弹性体底座5上的小腔7相连通，于是在多腔弹性体底座5上的小腔7内也产生负压，使吸盘吸附在被吸附平面上。当停止加热后，形状记忆合金丝驱动器1变软，在弹性基体材料2的弹性回复力的作用下，形状记忆合金丝驱动器1和空气腔6内的气体体积回到原来的状态，小腔8内的负压也消失，吸盘不能吸附在被吸附面上。当吸附面与小腔8之间漏气时，由于扩散口7的作用，气流从小腔8流入空气腔6时流阻大，扩散口7阻止气流的流动，因此，可有效的维持空气腔6内负压的大小。

本实施例的优点体现在几个方面：一是采用加热后SMA驱动器使吸盘空气腔体积变大产生负压，不需要在吸盘外接气源或电机，由于SMA驱动器的高功重比，使的该吸盘体积小，无噪音，吸附力大。该吸盘的直径50mm，高不足10mm，重仅80g。二是由于多腔弹性体底座采用弹性材料制成，具有多腔结构，使得在被吸附面上存在微小缝隙时，能有效减小漏气对腔体内负压的影响，可靠的提高吸盘的壁面适应性。三是刚性体支撑层上有多个微小的扩散口通道，利用流阻随气体流过扩散口的方向变化而变化的特点，可有效防止小腔漏气对大腔内负压的影响。本发明在形状记忆合金丝驱动器通电电流4A时，其产生的负压可达10kPa以上，可负载500g的垂直负载达50s。