專利名稱：嵌入式形狀記憶合金絲驅動器驅動的微小多腔負壓吸盤的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種機器人技術領域的吸附裝置，特別是一種嵌入式形狀記 憶合金絲驅動器驅動的微小多腔負壓吸盤。
背景技術：
形狀記憶合金(SMA)在發(fā)生塑性變形后，經過加熱到某一溫度之上能夠回 復到變形前的形狀，利用形狀記憶合金的這個特點做成了S區(qū)驅動器，它具有功 重比大、驅動電壓低、形變量大的優(yōu)點。常見的有SMA絲驅動器、彈簧驅動器和 薄膜驅動器等，它們在微小型機器人中得到了廣泛應用。傳統(tǒng)的負壓吸附式爬壁 機器人，其吸附機構主要采用基于氣泵的驅動方式使吸盤產生負壓，近年來已經
開始有研究使用電機轉動產生直線位移，形成吸盤腔體體積變化，進而產生負壓 的方法代替氣泵抽氣。上述方法都能產生較大的負壓，但無論是氣泵還是用于改 變吸盤腔體體積的電機，都存在功重比低，吸附裝置不易微小型化且有噪音的缺 點。由于爬壁機器人作業(yè)表面往往都不是光滑連續(xù)的，還常有溝槽，現(xiàn)有的吸盤 一般采用單腔結構， 一旦碰到溝槽就會迅速漏氣而失效。
經對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國實用新型專利ZL01210421. 4設計了一 種網格結構吸盤，它含有吸盤和吸盤蓋，吸盤的盤面有網格結構，網格的每個網 目內有凹槽形成微小吸盤，每個微小吸盤中心有小孔連通吸盤蓋上的進出氣口。 該專利雖然采用了多腔結構，但需外接氣源，不利于吸附裝置的微小型化。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種嵌入式形狀記憶合金絲驅動 器驅動的微小多腔負壓吸盤，使其利用SMA優(yōu)良的驅動性能，解決現(xiàn)有負壓吸盤 在爬壁機器人吸附裝置應用中存在的不足，該吸盤不僅可用于爬壁機器人吸附機 構，還可推廣應用于其他類型負壓吸盤應用上。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括形狀記憶合金絲驅動器、
彈性基體材料、彈性體圓環(huán)、多腔彈性體底座及剛性體支撐層。形狀記憶合金絲 驅動器埋入到彈性基體材料中，彈性體圓環(huán)一面與彈性基體材料用膠粘接，另外 一面與剛性體支撐層用膠粘接，剛性體支撐層的另外一面與多腔彈性體底座用膠 粘接，多腔彈性體底座一端粘接在剛性體支撐層上，另外一端與被吸附面接觸。
所述形狀記憶合金絲驅動器，可是絲或者薄膜。采用SMA絲經熱處理后制成， 在常溫下呈直線狀態(tài)，當通電加熱后形狀記憶合金絲驅動器朝一個方向彎曲呈弧 形。相對于S區(qū)彈簧驅動器，形狀記憶合金絲驅動器響應速度快，驅動電流低。 形狀記憶合金絲驅動器直接埋入到彈性基體材料內部，當給形狀記憶合金絲驅動 器通電加熱后，形狀記憶合金絲驅動器朝特定方向彎曲，由于SMA絲與彈性基體 材料復合在一起，形狀記憶合金絲驅動器的變形將帶動彈性基體材料變形。
所述彈性體圓環(huán)可以采用硅橡膠材料制作，彈性體圓環(huán)可與剛性體支撐層以 及彈性基體材料形成一層空氣膜，依靠該空氣膜內氣體體積變化產生負壓。
所述剛性體支撐層，其上面有很多個微小的擴散口通道連接多腔彈性體底座 上的小腔和彈性體圓環(huán)形成的空氣腔， 一旦空氣腔內形成負壓，通過這些通道可 在小腔內迅速的建立負壓，同時利用流阻隨氣體流過擴散口的方向變化而變化的 特點，可有效防止小腔漏氣對大腔內負壓的影響。
所述多腔彈性體底座，由易于變形且密封性能良好的彈性材料制成，多腔 彈性體底座上有很多圓形小腔，呈放射狀排列，形成多腔吸附的結構。
本發(fā)明的工作原理是當給形狀記憶合金絲驅動器通電加熱時，形狀記憶合
金絲驅動器變形帶動彈性基體材料發(fā)生變形，使彈性基體材料和彈性體圓環(huán)所構 成的空腔內氣體體積變大形成負壓，由于剛性體支撐層上有擴散口與多腔彈性體 底座上的小腔相連通，于是在多腔彈性體底座上的小腔內也產生負壓。當停止加 熱后，在彈性基體材料的彈性回復力的作用下，空腔氣體體積回到原來的狀態(tài)， 負壓消失。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明采用形狀記憶合金驅動器加熱后產生的相變回復力 使彈性基體材料發(fā)生變形使吸盤底部的小腔產生負壓。該負壓吸盤產生的吸附力
足夠大，經實驗驗證，其產生的負壓可達10kPa以上，可負載500g的垂直負載， 且其體積非常小(直徑50mm，高不足10mm)，可以作為微小型爬壁機器人吸附裝 置。本發(fā)明相對于現(xiàn)有的爬壁機器人負壓吸附裝置，具有無噪音、無需外接氣源
和電機、成本低的特點。同時由于采用了多腔吸附的結構，能有效提高吸盤的壁 面適應性能。


圖l是本發(fā)明總體結構圖。
圖1中，形狀記憶合金絲驅動器l、彈性基體材料2、彈性體圓環(huán)3、剛性 體支撐層4、多腔彈性體底座5。
圖2是本發(fā)明各組成部件連接結構示意圖
圖2中，6為彈性基體材料2、彈性體圓環(huán)3和剛性體支撐層4形成的空腔， 7為剛性體支撐層4上的擴散口、 8為多腔彈性體底座5上的小腔。 圖3是本發(fā)明剛性體支撐層結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護 范圍不限于下述的實施例。
如圖1-3所示，本實施例包括形狀記憶合金絲驅動器1、彈性基體材料2、 彈性體圓環(huán)3、剛性體支撐層4、多腔彈性體底座5。形狀記憶合金絲驅動器1 埋入到彈性基體材料2中，彈性體圓環(huán)3 —面與彈性基體材料2用膠粘接，另外 一面與剛性體支撐層4用膠粘接，剛性體支撐層4的另外一面與多腔彈性體底座 5用膠粘接，多腔彈性體底座5—端粘接在剛性體支撐層4上，另外一端與被吸 附面接觸。
所述形狀記憶合金絲驅動器1采用SMA絲經熱處理后制成，在常溫下呈直線 狀態(tài)，當通電加熱后形狀記憶合金絲驅動器1朝一個方向彎曲呈弧形。
所述形狀記憶合金絲驅動器1直接埋入到彈性基體材料2內部，在此實例中， 形狀記憶合金絲驅動器1采用NiTi合金制造，長40mm，絲徑1. 5mm，通電加熱 后能夠彎曲成半圓。
所述彈性基體材料2采用硅橡膠用模具加工成需要的形狀，硅橡膠材料非常 軟，很容易變形，彈性模量為1.5Mpa。
所述形狀記憶合金絲驅動器l埋入彈性基體材料2，彈性基體材料2直徑 50mm，厚3mm。通電加熱后，形狀記憶合金絲驅動器的變形很容易引起彈性基體材料2的變形。
所述彈性體圓環(huán)3的一面與彈性基體材料2的底面粘接，另外一面與剛性體 支撐層4粘接，彈性基體材料2、彈性體圓環(huán)3和剛性體支撐層4形成一個大的 空氣腔6，剛性體支撐層4上有很多擴散口 7。
所述剛性支撐層4采用有機玻璃加工，能夠有效的減輕重量，其直徑50mm， 厚3mm。
所述多腔彈性體底座5采用硅橡膠板加工，其上有很多小腔8，呈放射狀排 歹U，這些小腔的直徑為8mm， 一共12個。其中每個小腔8通過擴散口 7與空氣 腔6相連通，形成多腔吸附的結構。
當給形狀記憶合金絲驅動器1通電加熱時，形狀記憶合金絲驅動器1發(fā)生形 變朝一個方向彎曲，從而帶動彈性基體材料2也發(fā)生形變使的空氣腔6的體積變 大，產生負壓，由于剛性體支撐層4上有擴散口與多腔彈性體底座5上的小腔7 相連通，于是在多腔彈性體底座5上的小腔7內也產生負壓，使吸盤吸附在被吸 附平面上。當停止加熱后，形狀記憶合金絲驅動器1變軟，在彈性基體材料2 的彈性回復力的作用下，形狀記憶合金絲驅動器1和空氣腔6內的氣體體積回到 原來的狀態(tài)，小腔8內的負壓也消失，吸盤不能吸附在被吸附面上。當吸附面與 小腔8之間漏氣時，由于擴散口 7的作用，氣流從小腔8流入空氣腔6時流阻大， 擴散口7阻止氣流的流動，因此，可有效的維持空氣腔6內負壓的大小。
本實施例的優(yōu)點體現(xiàn)在幾個方面 一是采用加熱后SMA驅動器使吸盤空氣 腔體積變大產生負壓，不需要在吸盤外接氣源或電機，由于SMA驅動器的高功 重比，使的該吸盤體積小，無噪音，吸附力大。該吸盤的直徑50mm，高不足10mm， 重僅80g。 二是由于多腔彈性體底座采用彈性材料制成，具有多腔結構，使得在 被吸附面上存在微小縫隙時，能有效減小漏氣對腔體內負壓的影響，可靠的提高 吸盤的壁面適應性。三是剛性體支撐層上有多個微小的擴散口通道，利用流阻隨 氣體流過擴散口的方向變化而變化的特點，可有效防止小腔漏氣對大腔內負壓的 影響。本發(fā)明在形狀記憶合金絲驅動器通電電流4A時，其產生的負壓可達10kPa 以上，可負載500g的垂直負載達50s。
權利要求
1、一種嵌入式形狀記憶合金絲驅動器驅動的微小多腔負壓吸盤，其特征在于，包括形狀記憶合金絲驅動器、彈性基體材料、彈性體圓環(huán)、多腔彈性體底座及剛性體支撐層，形狀記憶合金絲驅動器埋入到彈性基體材料中，彈性體圓環(huán)一面與彈性基體材料用膠粘接，另外一面與剛性體支撐層用膠粘接，剛性體支撐層的另外一面與多腔彈性體底座用膠粘接，多腔彈性體底座一端粘接在剛性體支撐層上，另外一端與被吸附面接觸。
2、 根據(jù)權利要求1所述的嵌入式形狀記憶合金絲驅動器驅動的微小多腔負 壓吸盤，其特征是，所述彈性基體材料、彈性體圓環(huán)和剛性體支撐層形成一個大 的空氣腔。
3、 根據(jù)權利要求1或2所述的嵌入式形狀記憶合金絲驅動器驅動的微小多腔負壓吸盤，其特征是，所述剛性體支撐層，其上面有很多個擴散口。
4、 根據(jù)權利要求1所述的嵌入式形狀記憶合金絲驅動器驅動的微小多腔負 壓吸盤，其特征是，所述多腔彈性體底座，其上有很多圓形小腔，呈放射狀排列， 形成多腔吸附的結構。
5、 根據(jù)權利要求4所述的嵌入式形狀記憶合金絲驅動器驅動的微小多腔負 壓吸盤，其特征是，所述小腔的直徑為8mm， 一共12個。
6、 根據(jù)權利要求1或4所述的嵌入式形狀記憶合金絲驅動器驅動的微小多 腔負壓吸盤，其特征是，所述多腔彈性體底座，其每個小腔通過剛性體支撐層的 擴散口與彈性基體材料、彈性體圓環(huán)、剛性體支撐層形成的空氣腔相連通，形成 多腔吸附的結構。
7、 根據(jù)權利要求1所述的嵌入式形狀記憶合金絲驅動器驅動的微小多腔負 壓吸盤，其特征是，所述形狀記憶合金絲驅動器是絲或者薄膜。
8、 根據(jù)權利要求1所述的嵌入式形狀記憶合金絲驅動器驅動的微小多腔負 壓吸盤，其特征是，所述形狀記憶合金絲驅動器，在常溫下呈直線狀態(tài)，當通電 加熱后形狀記憶合金絲驅動器朝一個方向彎曲呈弧形。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種特種機器人技術領域的嵌入式形狀記憶合金絲驅動器驅動的微小多腔負壓吸盤，包括嵌入式形狀記憶合金絲驅動器、彈性基體材料、彈性體圓環(huán)、剛性體支撐層及多腔彈性體底座，它們依次粘接在一起形成多層結構。當給嵌入式形狀記憶合金絲驅動器通電加熱時，帶動彈性基體材料發(fā)生變形，使由彈性基體材料、剛性體支撐層和彈性體圓環(huán)所構成的空腔內氣體體積變大形成負壓，由于剛性體支撐層上有擴散口與多腔彈性體底座上的小腔相連通，于是在多腔彈性體底座上的小腔內也產生負壓。本發(fā)明避免現(xiàn)有負壓吸盤吸附裝置不易微小型化，噪音大，功重比低的缺點，給微小型爬壁機器人提供一種小型、高效、可靠且壁面適應性能優(yōu)良的吸附裝置。
文檔編號F16B47/00GK101178090SQ20071017076
公開日2008年5月14日 申請日期2007年11月22日 優(yōu)先權日2007年11月22日
發(fā)明者莊 付, 博 張, 胡冰山, 智 董, 趙言正 申請人:上海交通大學