專利名稱：形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)械手的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)械手用于微小機(jī)械零件自動(dòng)化加工、裝配過(guò)程中的夾持和搬送，是智能材料在機(jī)電一體化裝置中的應(yīng)用，屬于機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
普通的機(jī)械手，在結(jié)構(gòu)方面一般采用齒輪、齒條、杠桿、銷軸等機(jī)械零件和滑副、轉(zhuǎn)副、球副等運(yùn)動(dòng)副。其缺點(diǎn)是(1)、體積大，不能勝任微小零件的抓??；不可避免地存在運(yùn)動(dòng)副間隙，傳動(dòng)精度低，尤其是微位移精度低，不能適應(yīng)微小零件抓取時(shí)的精確定位。(2)、普通機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式，一般采用液壓、氣動(dòng)、電機(jī)、電磁鐵等驅(qū)動(dòng)方式。由于結(jié)構(gòu)尺寸大而不適應(yīng)微小零件的抓取。此外，油滲漏會(huì)污染零件，磁場(chǎng)會(huì)使零件帶磁性，在某些工作情況下是不允許的。
目前國(guó)外也有用形狀記憶合金彈簧驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)械手，其實(shí)物如圖5所示，這種微型機(jī)械手包括有機(jī)械手本體17、抓取指4、作為驅(qū)動(dòng)元件的形狀記憶合金彈簧19、及聯(lián)接它們的柔性鉸鏈和連接部件。當(dāng)形狀記憶合金彈簧接通電源時(shí)抓取指合攏，斷開(kāi)電源時(shí)，抓取指張開(kāi)。這種結(jié)構(gòu)的問(wèn)題是(1)、由于彈簧裝在機(jī)械手一側(cè)，而不是在中間平面內(nèi)，柔性鉸鏈易發(fā)生扭曲至使兩個(gè)抓取指不平行，以至于抓取微小零件時(shí)，一頭抓得緊，一頭抓得松，容易使零件偏斜；(2)、固定螺釘和形狀記憶合金彈簧外露會(huì)與工作環(huán)境內(nèi)的導(dǎo)體接觸而發(fā)生短路；(3)、彈簧體積較大限制機(jī)械手進(jìn)一步微型化。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服前述不足，為滿足在狹小空間操作微小目標(biāo)的需要，設(shè)計(jì)一種體積小，精度高，夾持力適中，調(diào)整簡(jiǎn)單，控制方便，并可根據(jù)抓取的零件尺寸范圍要求、更換配置多個(gè)抓取指的、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)手。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案見(jiàn)結(jié)構(gòu)示意圖1，它包括有機(jī)械手本體、抓取指、作為驅(qū)動(dòng)元件的形狀記憶合金部件、及固定和聯(lián)接它們的連接部件；本實(shí)用新型的特征在于，機(jī)械手本體是由在一塊整體材料上制成的機(jī)械手基體1、擺桿2、平動(dòng)桿3以及聯(lián)接它們的柔性鉸鏈構(gòu)成；抓取指(4)按常規(guī)技術(shù)嵌入擺桿(2)中、并與其形成配合聯(lián)接；采用形狀記憶合金絲5作為驅(qū)動(dòng)元件，該合金絲由接線柱6開(kāi)始，穿過(guò)機(jī)械手基體1和平動(dòng)桿3再折回到接線柱7形成雙股合金絲；外設(shè)電源經(jīng)接線柱6、7接入。
這種形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)械手，形狀記憶合金絲安裝結(jié)構(gòu)特征在于，先將中心鉆出臺(tái)階孔的兩個(gè)空心螺釘14內(nèi)裝進(jìn)與其配套的陶瓷管15，再將兩個(gè)空心螺釘14擰入機(jī)械手基體底部，各自構(gòu)成接線柱6和7，形狀記憶合金絲5穿入其中一個(gè)空心螺釘內(nèi)陶瓷管后，經(jīng)過(guò)平動(dòng)桿3再折回、從另一個(gè)開(kāi)孔螺釘內(nèi)陶瓷管穿出，分別從陶瓷管穿入和穿出的兩股合金絲的露出部分熔成小球16與所在位置的接線柱固定；在平動(dòng)桿3上設(shè)置了隔開(kāi)形狀記憶合金絲5的絕緣片8。
這種形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)械手，特征在于一個(gè)機(jī)械手可配置多個(gè)抓取目標(biāo)直徑范圍不同的抓取指4，當(dāng)需要抓取不同尺寸范圍的零件時(shí)，機(jī)械手的本體不需要更換，只須更換抓取指。
本實(shí)用新型的工作過(guò)程為當(dāng)形狀記憶合金通入電流后，溫度升高，組織發(fā)生相變，使形狀記憶合金絲收縮變短，拉動(dòng)平動(dòng)桿3，平動(dòng)桿帶動(dòng)兩個(gè)擺桿2相對(duì)擺動(dòng)，帶動(dòng)抓取指4夾持目標(biāo)。當(dāng)形狀記憶合金斷電，機(jī)械手相反動(dòng)作，放松目標(biāo)。
本實(shí)用新型的微型機(jī)械手設(shè)計(jì)采取了一種整體式結(jié)構(gòu)，所有零件(桿、運(yùn)動(dòng)副等)都是用同一塊材料刻出，采用柔性鉸鏈代替?zhèn)鹘y(tǒng)的運(yùn)動(dòng)副。運(yùn)動(dòng)副(柔性鉸鏈)不僅具有理想的彈性，同時(shí)又避免了因裝配引起的誤差。由于柔性鉸鏈依靠材料的微小彈性變形來(lái)傳遞位移，因而具有結(jié)構(gòu)緊湊、無(wú)運(yùn)動(dòng)副間隙、無(wú)機(jī)械摩擦等優(yōu)點(diǎn)，是精密機(jī)械中理想的微位移機(jī)構(gòu)。
本實(shí)用新型中采用形狀記憶合金絲作為驅(qū)動(dòng)元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式。形狀記憶合金絲既是驅(qū)動(dòng)元件同時(shí)又是電路的一部分，不僅體積小，而且易于控制。這種驅(qū)動(dòng)方式的另一個(gè)特點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，形狀記憶合金絲通電即收縮，斷電即伸長(zhǎng)。
本實(shí)用新型中采用雙絲驅(qū)動(dòng)。雙絲驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是避免兩個(gè)抓取指4動(dòng)作不對(duì)稱，同時(shí)增加夾持力。另外形狀記憶合金絲5、在機(jī)械手本體上安裝的結(jié)構(gòu)特征，既保證形狀記憶合金絲與機(jī)械手本體絕緣，又可以將形狀記憶合金絲預(yù)先適當(dāng)繃緊。這樣不但可以消除間隙，有效利用形狀記憶合金絲的伸縮量。同時(shí)可以配合抓取指更換，精確預(yù)調(diào)抓取尺寸范圍。


圖1本實(shí)用新型微型機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖1、機(jī)械手基體2、擺桿3、平動(dòng)桿4、抓取指5、形狀記憶合金絲6、接線柱7、接線柱8、絕緣片9、安裝孔10-13、柔性鉸鏈鉸節(jié)點(diǎn)；圖2本實(shí)用新型形狀記憶合金絲的安裝結(jié)構(gòu)示意圖14、空心螺釘15、陶瓷管16、形狀記憶合金溶化小球；圖3本實(shí)用新型微型機(jī)械手的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理及驅(qū)動(dòng)控制原理示意圖；圖4本實(shí)用新型柔性鉸鏈形狀示意圖；圖5國(guó)外研制的微型機(jī)械手實(shí)物結(jié)構(gòu)示意圖17、機(jī)械手本體18、固定螺釘19、形狀記憶合金彈簧20、柔性鉸鏈鉸節(jié)點(diǎn)。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的實(shí)施設(shè)計(jì)方案參見(jiàn)圖1-圖4。
機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是由本體1、擺桿2、平動(dòng)桿3和抓取指4以及聯(lián)接它們的柔性鉸鏈組成。它們由一塊彈簧鋼板用數(shù)控電火花線切割機(jī)加工而成。抓取指4是由同樣材料用同樣工藝加工成的。柔性鉸鏈的典型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。設(shè)計(jì)完成后的機(jī)械手外形尺寸52×36×5mm。
形狀記憶合金絲5作為驅(qū)動(dòng)元件，微型機(jī)械手采用雙絲驅(qū)動(dòng)。當(dāng)接線柱6、7接入電路，合金絲中有電流通過(guò)，溫度升高，收縮變短，拉動(dòng)平動(dòng)桿3向下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)各柔性鉸鏈(均相當(dāng)于轉(zhuǎn)動(dòng)副)帶動(dòng)兩側(cè)擺桿2向內(nèi)擺動(dòng)，帶動(dòng)兩個(gè)手指合攏夾持物體。兩個(gè)手指是通過(guò)柔性鉸鏈連接在一起的?；w和手指都是由彈簧鋼制成的，柔性鉸鏈具有很好的彈性，斷電時(shí)依靠彈性使擺桿2復(fù)位，兩個(gè)手指自動(dòng)張開(kāi)。接線柱6、7，絕緣片8及合金絲外面套裝的熱塑管保證形狀記憶合金絲與機(jī)械手本體絕緣。
微型機(jī)械手的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理及驅(qū)動(dòng)控制原理見(jiàn)圖3。借助于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理圖可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析和原理設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
根據(jù)圖3由機(jī)械手執(zhí)行端(指尖)的張開(kāi)量可以解出滑動(dòng)桿平動(dòng)的距離和鉸節(jié)點(diǎn)10、11、12處桿件之間的交角變化量Δα10、Δα11和Δα12(稱為柔性變形角)；利用下面公式可以求出產(chǎn)生一定的柔性變形角Δαx所需要的彎矩Mx。
Mx=2ΔαxEbt5/29πR1/2]]>式中R鉸鏈圓弧半徑；b材料厚度；t鉸鏈最小厚度；E彈性模量；Δαx柔性變形角。
形狀記憶合金絲的拉力一部分用來(lái)提供柔性變形角所需要的彎矩，一部分用來(lái)提供機(jī)械手夾持物體時(shí)所需要的拉力。已知需要的夾持力可以算出形狀記憶合金應(yīng)提供的拉力。同樣也可以根據(jù)形狀記憶合金絲的長(zhǎng)度變形率和許用拉力算出機(jī)械手執(zhí)行端的張開(kāi)量和執(zhí)行端的夾持力。
本實(shí)用新型采用的形狀記憶合金絲是TiNi合金絲，合金絲的安裝較為困難，本實(shí)用新型的解決方案見(jiàn)圖2。安裝形狀記憶合金絲，首先把螺釘擰入微型機(jī)械手本體，裝入陶瓷管，再把TiNi合金絲穿入陶瓷管，把合金絲露出的部分用電火花熔成一個(gè)小球，最后把螺釘旋出0.5～2圈左右把合金絲拉緊。同時(shí)解決了安裝、拉緊和絕緣問(wèn)題。
權(quán)利要求1.一種形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)械手包括有機(jī)械手本體、抓取指、作為驅(qū)動(dòng)元件的形狀記憶合金部件、聯(lián)接它們的柔性鉸鏈和連接部件；本實(shí)用新型的特征在于，機(jī)械手本體是由在一塊整體件上制成的機(jī)械手基體(1)、擺桿(2)、平動(dòng)桿(3)以及聯(lián)接它們的柔性鉸鏈構(gòu)成；抓取指(4)按常規(guī)技術(shù)嵌入擺桿(2)中、并與其形成配合聯(lián)接；采用形狀記憶合金絲(5)作為驅(qū)動(dòng)元件，該合金絲由接線柱(6)開(kāi)始，穿過(guò)機(jī)械手基體(1)和平動(dòng)桿(3)再折回到接線柱(7)形成雙股合金絲；外設(shè)電源經(jīng)接線柱(6)、(7)接入。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所示的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)械手，形狀記憶合金絲安裝結(jié)構(gòu)特征在于，先將中心鉆出臺(tái)階孔的兩個(gè)空心螺釘(14)內(nèi)裝進(jìn)與其配套的陶瓷管(15)，再將兩個(gè)空心螺釘(14)擰入機(jī)械手基體底部，各自構(gòu)成接線柱(6)和(7)，形狀記憶合金絲(5)穿入其中一個(gè)空心螺釘內(nèi)陶瓷管后，經(jīng)過(guò)平動(dòng)桿(3)再折回、從另一個(gè)開(kāi)孔螺釘內(nèi)陶瓷管穿出，分別從陶瓷管穿入和穿出的兩股合金絲的露出部分熔成小球(16)與所在位置的接線柱固定；在平動(dòng)桿(3)上設(shè)置了隔開(kāi)形狀記憶合金絲(5)的絕緣片(8)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所示的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)械手，其特征在于一個(gè)機(jī)械手可更換配置多個(gè)抓取目標(biāo)直徑范圍不同的抓取指(4)。
專利摘要形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)械手用于微小機(jī)械零件的夾持和搬送，它包括機(jī)械手本體、抓取指、驅(qū)動(dòng)元件等；特征在于，機(jī)械手本體是由在一塊整體件上制成的機(jī)械手基體1、擺桿2、平動(dòng)桿3以及聯(lián)接它們的柔性鉸鏈構(gòu)成；驅(qū)動(dòng)元件采用形狀記憶合金絲5，該合金絲由接線柱6開(kāi)始，穿過(guò)機(jī)械手基體1和平動(dòng)桿3再折回到接線柱7形成雙股合金絲；外設(shè)電源經(jīng)接線柱6、7接入。當(dāng)形狀記憶合金通入電流，形狀記憶合金絲收縮變短，通過(guò)平動(dòng)桿3、擺桿2，帶動(dòng)抓取指4夾持目標(biāo)。當(dāng)形狀記憶合金斷電，機(jī)械手相反動(dòng)作。一個(gè)機(jī)械手可更換不同抓取指，以滿足抓取多個(gè)直徑范圍不同物件的需要。本實(shí)用新型具有體積小，精度高，夾持力適中，調(diào)整簡(jiǎn)單，控制方便等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B25J7/00GK2626684SQ0326147
公開(kāi)日2004年7月21日 申請(qǐng)日期2003年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月24日
發(fā)明者劉德忠 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)