单程形状记忆合金弹簧驱动的仿生多腔微小无源吸盘

摘要

本发明涉及一种特种机器人技术领域的单程形状记忆合金弹簧驱动的仿生多腔微小无源吸盘，包括压板、偏置弹簧套筒、SMA驱动弹簧、SMA弹簧芯轴、偏置弹簧、偏置弹簧导向轴、弹性材料底盘等。弹性材料底盘与压板直接用胶粘在一起，三根SMA弹簧芯轴穿过压板与弹性材料底盘固定在一起，SMA弹簧和偏置弹簧分别套在SMA弹簧芯轴和偏置弹簧导向轴上，偏置弹簧套筒一端和压板固定，另外一端套在SMA弹簧芯轴和偏置弹簧导向轴上。本发明具有体积小、适应环境广、无需外接气源和电机、成本低的特点。

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，具体是一种单程形状记忆合金弹簧驱动的仿生多腔微小无源吸盘。

背景技术

目前，爬壁机器人按照附着方式可以分为负压吸附式、磁吸附式以及气体推力吸附式三种，这三种吸附方式具有一个共同特点，即采用有源负压吸附方式。这样一来，要产生足够的负压，必须浪费巨大的能量。然而对生物来说，它们附于壁面或脱离壁面的方式却浪费极小的能量。本发明模仿吸盘足蝙蝠附壁机理，探讨仿生吸盘的设计方法，实现真正意义上的无源仿生负压吸盘。一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性变形，达到屈服点，就产生塑性变形，应力消除后留下永久变形。但有些材料，在发生了塑性变形后，经过合适的热过程，能够回复到变形前的形状，这种现象叫做形状记忆效应(SME)。具有形状记忆效应的金属一般是两种以上金属元素组成的合金，称为形状记忆合金(SMA)。SMA的形状记忆效应有单程和双程之分，单程记忆效应的SMA在加热发生变形后不能回复到未加热前的状态，而必须依靠外力回复，而双程SMA则能自由回复。因此，可以设计一种负压吸盘，它基于仿生学原理，模仿吸盘足蝙蝠的壁面吸附机理特性以及运动特点，采用当前发展迅猛的仿生智能材料——形状记忆合金，并基于拓扑机构学原理进行多腔体智能吸附机构进行结构设计，为爬壁机器人的壁面吸附机构设计提供一种新型机构设计方法，从而极大推进爬壁机器人的实用化和智能化。

经对现有技术的文献检索发现，吉林大学赵维福在其2006年的硕士学位论文《龙虱吸盘的仿生学特性及其真空吸盘组的仿真模拟研究》中，提出了根据龙虱吸盘结构设计仿生负压吸盘组，该吸盘组具有共盘基自封闭的结构。其不足在于需要外接气源提供负压，吸附装置不易微小型化。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种单程形状记忆合金弹簧驱动器驱动的仿生多腔微小无源吸盘，使其解决负压吸盘在爬壁机器人吸附装置应用中存在的不足，避免现有负压吸盘吸附装置不易微小型化，功重比低的缺点。本发明基于仿生学原理，采用当前发展迅猛的仿生智能材料——形状记忆合金，并基于拓扑机构学原理进行多腔体智能吸附机构结构设计，为爬壁机器人的壁面吸附机构设计提供一种方法。该吸盘不仅可以用于爬壁机器人吸附机构，还可以推广应用于其他类型负压吸盘的应用上。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：压板、偏置弹簧套筒、单程SMA驱动弹簧、SMA弹簧芯轴、偏置弹簧、偏置弹簧导向轴、弹性材料底盘。连接关系如下：弹性材料底盘与压板直接用胶粘在一起，SMA弹簧芯轴穿过压板与弹性材料底盘固定在一起，单程SMA驱动弹簧和偏置弹簧分别套在SMA弹簧芯轴和偏置弹簧导向轴上，偏置弹簧套筒一端和压板固定，另外一端套在SMA弹簧芯轴和偏置弹簧导向轴上。

本发明中，所述的压板采用密度小、加工精度高的有机玻璃材料加工，底面基于拓扑机构学原理进行多腔体智能吸附机构结构设计成三个独立的空腔，使弹性材料底盘形成多腔的结构，这样即使被吸附壁面上存在微小缝隙时，该吸盘能尽可能减小漏气对整个吸盘吸附效果的影响。

本发明中，所述的偏置弹簧套筒采用密度小、加工精度高的有机玻璃材料加工，减小吸盘重量的同时便于偏置弹簧导向轴与其相对滑动。

本发明中，所述的单程SMA驱动弹簧是利用SMA的单程形状记忆效应实现的，当单程SMA驱动弹簧加热发生形变并再次冷却时，它不能回到初始状态，而只有在外力干预下，才能恢复到初始状态，在这里采用偏置弹簧给单程SMA驱动弹簧供回复力，其优点是结构简单，可靠性好。由于在相同长度及直径下，单程SMA驱动弹簧输出的位移量比SMA丝大很多，所以采用Niti合金的单程SMA驱动弹簧，加热后使其伸长，产生形变，带动偏置弹簧套筒及SMA弹簧芯轴的滑动。

本发明中，所述的SMA弹簧芯轴，其上端设有定位螺母和弹簧垫圈，并通过定位螺母和弹簧垫圈与偏置弹簧套筒固定在一起。SMA弹簧芯轴采用加工精度高的合金钢加工，保证SMA弹簧芯轴与压板之间的滑动，同时，为了保证SMA驱动弹簧通电加热时绝缘的要求，应在SMA弹簧芯轴上添加绝缘物质。

本发明中，所述的偏置弹簧的弹性系数要比SMA驱动弹簧未加热时的弹性系数大，比SMA驱动弹簧加热后的弹性系数小。

本发明中，所述的偏置弹簧导向轴，其上端设有止动垫圈，偏置弹簧导向轴穿该止动垫圈后用定位螺母和弹簧垫圈与偏置弹簧套筒固定在一起。偏置弹簧导向轴采用加工精度高的合金钢加工，保证偏置弹簧导向轴与偏置弹簧套筒之间的滑动。

本发明中，所述的弹性材料底盘，其上用强力胶粘有位移控制垫圈，位移控制垫圈一端有螺纹，拧在SMA弹簧芯轴和偏置弹簧导向轴下端。弹性材料底盘采用分子间作用力小、表面张力低易于变形的硅橡胶，通过胶接的方式与树脂材料位移控制垫圈结合。

本发明的工作原理是：3根单程SMA驱动弹簧通电加热后伸长，伸长的SMA驱动弹簧推动偏置弹簧套筒向远离压板的方向移动，偏置弹簧被压缩，由于SMA弹簧芯轴与偏置弹簧套筒固定，所以SMA弹簧芯轴随偏置弹簧套筒同方向移动，弹性材料底盘在SMA弹簧芯轴的带动下产生同方向的形变，该形变使得弹性材料底盘与壁面之间形成空腔，产生负压，使得吸盘吸附在壁面上；当SMA驱动弹簧两端的电压取消后，单程SMA驱动弹簧对偏置弹簧套筒的推力消失，在偏置弹簧的作用下，单程SMA驱动弹簧逐渐伸长回到初始状态，同时推动偏置弹簧套筒向靠近压板的方向移动，SMA驱动弹簧的长度在偏置弹簧套筒的推力作用下恢复加热前的长度，SMA弹簧芯轴随偏置弹簧套筒同方向移动，弹性材料底盘与壁面之间的空腔被挤压消失，负压取消，吸盘与壁面分离。

本发明采用单程SMA驱动弹簧加热后产生的相变回复力使偏置弹簧套筒带动SMA弹簧芯轴产生远离压板方向的相对滑动，从而使弹性材料底盘内产生空腔形成负压，采用的单程SMA驱动弹簧长15mm，丝径1.5mm，簧径8mm，伸长量4mm时推力达10N。该负压吸盘产生的吸附力足够大，可以作为微小型爬壁机器人的吸附装置。经实验验证，本发明所能产生的负压可达16000Pa以上，在垂直壁面上的负载可达800g。本发明相对于现有的爬壁机器人负压吸附装置，具有体积小(底面直径50mm，高30cm)，无需外接气源和电机，具有无噪音特点。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图

图1中，定位螺母1、SMA弹簧芯轴2、弹簧垫圈3、偏置弹簧4、偏置弹簧导向轴5、止动垫圈6、单程SMA驱动弹簧7、偏置弹簧套筒8、压板9、弹性材料底盘10、紧固螺栓11、位移控制垫圈12。

图2是本发明压板的俯视图。

图2中，13为固定螺纹孔，14为SMA弹簧芯轴下端孔，15为偏置弹簧导向轴下端孔，16为吸附腔。

图3为偏置弹簧套筒俯视图。

图3中，17为SMA弹簧芯轴上端孔，18为偏置弹簧导向轴上端孔，19为偏置弹簧槽。

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所示，本实施例包括SMA弹簧芯轴2、偏置弹簧4、偏置弹簧导向轴5、单程SMA驱动弹簧7、偏置弹簧套筒8、压板9、弹性材料底盘10。弹性材料底盘10与压板9直接用胶粘在一起，SMA弹簧芯轴2穿过压板9与粘在弹性材料底盘10上的螺丝固定在一起，单程SMA驱动弹簧7和偏置弹簧4分别套在SMA弹簧芯轴2和偏置弹簧导向轴5上，偏置弹簧套筒8一端和压板9用螺丝固定，另外一端套在SMA弹簧芯轴2和偏置弹簧导向轴5上并用螺丝固定。

所述SMA弹簧芯轴2，其上端设有定位螺母1和弹簧垫圈3，并通过定位螺母1和弹簧垫圈3与偏置弹簧套筒8固定在一起。

所述弹性材料底盘10，其上用强力胶粘有位移控制垫圈12，位移控制垫圈12一端有螺纹，拧在SMA弹簧芯轴2和偏置弹簧导向轴5下端。

所述偏置弹簧导向轴5，其上端设有止动垫圈6，偏置弹簧导向轴5穿该止动垫圈6后用定位螺母1和弹簧垫圈3与偏置弹簧套筒8固定在一起。

图2所示的压板9上设有固定螺纹孔13、SMA弹簧芯轴下端孔14、偏置弹簧导向轴下端孔15；所述固定螺纹孔13用于吸盘与其他外部部件连接。所述SMA弹簧芯轴2和偏置弹簧导向轴5下端分别穿过压板9上的SMA弹簧芯轴下端孔14和偏置弹簧导向轴下端孔15，偏置弹簧导向轴5下端通过偏置弹簧导向轴下端孔15后用紧固螺栓11与压板9固定在一起。

所述压板9采用了有机玻璃材料加工，其一端有三个吸附腔16，形成多腔吸附的结构。

图3所示的偏置弹簧套筒8上设有SMA弹簧芯轴上端孔17、偏置弹簧导向轴上端孔18、偏置弹簧槽19。所述SMA弹簧芯轴2和偏置弹簧导向轴5上端分别穿过偏置弹簧套筒8上的SMA弹簧芯轴上端孔17和偏置弹簧导向轴上端孔18。三根SMA驱动弹簧7套在三根SMA弹簧芯轴2并夹在偏置弹簧套筒8和压板9之间，偏置弹簧4套在偏置弹簧导向轴5并夹在偏置弹簧套筒8和压板9之间，放在偏置弹簧槽19内。

所述弹性材料底盘10采用了硅橡胶，其直径50mm，厚1mm，弹性模量1.5MPa。

所述SMA弹簧芯轴2、偏置弹簧导向轴5采用了从MISUMI公司购买的高精度导向轴，用于SMA驱动弹簧7和偏置弹簧4的导向。

所述偏置弹簧4采用了压簧，SMA驱动弹簧7伸长时偏置弹簧4缩短，偏置弹簧4长16mm。

所述止动垫圈6用于固定住偏置弹簧4，使偏置弹簧4缩短后的弹力能作用在偏置弹簧套筒8上。

当吸盘放置在被吸附壁面上时，首先3根SMA驱动弹簧7通电加热，通电采用了数字PWM控制，通过调节PWM波的占空比来调节加在SMA驱动弹簧7上的电流大小。当电流足够大时，SMA驱动弹簧7温度升高，发生相变开始伸长推动偏置弹簧套筒8沿着偏置弹簧导向轴5向远离压板9的方向移动，同时带动SMA弹簧芯轴2同方向移动，偏置弹簧4缩短，弹性材料底盘10在SMA弹簧芯轴2的带动下产生同方向的形变，该形变使得弹性材料底盘10与壁面之间形成空腔，产生负压，使得吸盘吸附在壁面上，经测量，当驱动电流为5A时，产生的负压可达16000Pa；当SMA驱动弹簧7两端的电压取消后，SMA驱动弹簧7逐渐冷却，SMA驱动弹簧7开始边的柔软，对偏置弹簧套筒8的推力消失，偏置弹簧4开始恢复原长，推动偏置弹簧套筒8向靠近压板9的方向移动，SMA驱动弹簧7的长度在偏置弹簧套筒8的推力作用下恢复加热前的长度，SMA弹簧芯轴2随偏置弹簧套筒8同方向移动，弹性材料底盘10与壁面之间的空腔被挤压消失，负压取消，吸盘与壁面分离，经过测量，负压取消的过程大约为30s。

本实施例的优点体现在几个方面：一是采用单程SMA驱动弹簧的变形使吸盘的弹性材料底盘变形产生负压，不需要外接气源或电机使吸盘发生变形产生负压，同时，单程SMA驱动弹簧结构简单，可靠性好，在偏置弹簧所施加的恢复力的作用下就可以容易回复到原始长度，控制方式简单易操作。本实施例中采用的单程SMA驱动弹簧长15mm，丝径1.5mm，簧径8mm，伸长量4mm时推力达10N，可使弹性材料底盘最大挠度达2mm。二是压板、偏置弹簧套筒采用密度小，加工精度高的有机玻璃材料加工，在减轻吸盘整体质量的同时(仅重150克)，能够较好的保证吸盘吸附时SMA弹簧芯轴及偏置弹簧导向轴与其的相对滑动。三是压板与弹性材料底盘接触的表面具有多腔结构，使得即使被吸附壁面上存在微小缝隙时，该吸盘能尽可能减小漏气对整个吸盘吸附效果的影响。经实验验证，本实施例所能产生的负压可达16000Pa以上，在垂直壁面上的负载可达800g。