专利名称：形状记忆合金差动弹簧驱动的机械手的制作方法
技术领域：
形状记忆合金差动弹簧驱动的机械手属于机械工程类的机器人技术领域。
背景技术：
机械手是机器人中的执行部分，对机器人的应用起着重要的作用。机械手安装在机械臂的末端，一般称为末端执行器，是机器人握持工具、工件或物品等操作任务的机械部分。根据使用场合的不同，末端执行器可以根据工作需要进行更换。国内外的小型机械手一般采用微小型伺服电机经传动系统后驱动，从模拟人手功能的角度存在明显不足，如传统的伺服电机功率-重量比低，电机高速运行后需有减速装置降低速度，导致其结构和传动系统复杂；结构和驱动是刚性的，缺少柔顺性。
为解决上述不足，人们利用功能材料构成新型电机，其中形状记忆合金(简称SMA)材料具有很高的功率重量比和较大的致动力，可用来构成直接驱动装置。华中科技大学采用在机械手指中嵌入SMA丝，开发了SMA驱动的柔性机械手(杨凯，辜承林，严新荣.基于内嵌式SMA电机的柔性机械手研制.中国电机工程学报，2002，22(12)74-79)。德国学者采用SMA薄片，开发了一种微机械手爪(Kohl M，Just E，Pfleging W，Miyazaki S.带有双向驱动的SMA微手爪.传感器与驱动器，2000，83208-213)，该手爪是由一片SMA薄片加工而成的微手爪。上述采用SMA驱动器的机械手属于微型机械手，适合于细微操作，其动作范围很小，两指端的张合距离在微米或毫米级，抓取物体尺寸变化范围较小，其结构形式不适合尺度较大的小型机械手；另外，在装置中也没有考虑冷却措施。从对国内外检索的资料看，SMA弹簧作为驱动器应用于机械臂和微型机械手的资料较多，但利用SMA驱动器作为小型机械手驱动装置的研究很少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用形状记忆合金差动弹簧驱动器的机械手，该装置利用形状记忆合金随温度变化具有变形和恢复变形效应的特点，通过所设计的SMA差动弹簧驱动器，实现机械手的张合动作。利用形状记忆合金驱动器具有柔顺性的特点，易于实现对不同形状和尺寸大小的工件或物品的抓取。
本发明的特征在于它含有SMA差动弹簧驱动器，由机械手指、连杆、拉杆、滑块、机架组成的六杆机构；所述SMA差动弹簧驱动器含有两个SMA弹簧，两个SMA弹簧各自的一端分别固定在所述机架的顶板和底座，两个SMA弹簧各自的另一端共同连接在滑块上，并相互绝缘，构成SMA差动弹簧驱动器；所述六杆机构中，滑块与所述拉杆的一端铰接，而拉杆的另一端分别与一个手指和所述连杆的一端铰接，形成复合铰链，所述连杆的另一端与另一个手指铰接；所述两个手指均与所述机架的顶板铰接；当所述滑块上下移动时，将依次通过所述拉杆、连杆带动铰接在顶板上的两个手指张开和闭合。
在所述机架上还固定有一个导杆，该导杆穿过所述滑块的轴心，与所述滑块构成移动副，滑块可沿导杆移动；所述导杆的一端固定在底座或顶板上，或所述导杆的两端分别固定在底座和顶板上。
在所述机架的顶板和底座上分别装有一个风扇，用于为所述SMA差动弹簧驱动器的两个SMA弹簧降温。
在所述机架的两个侧板之间装有一个隔板，该隔板位于所述两个风扇之间，防止其中一个风扇的风吹到另一个SMA弹簧，在该隔板上开有一个供SMA弹簧和滑块通过的孔。
通过实验证明，本发明所提出的采用形状记忆合金差动弹簧驱动器的机械手，能够在形状记忆合金差动弹簧驱动器的驱动下，实现张开与闭合的动作，达到了预期的目的。
图1是本发明的主视图；图2是图1的A向剖视图。
具体实施例方式
结合
本发明的具体实施方式
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见图1，其中机架由底座1、侧板2、顶板5构成。侧板2上开设有散热孔和风道。该机械手通过底座1与外部(如机械臂)相连接。拇指6和食指7与顶板5铰接，拇指6和食指7还分别与连杆8铰接，拇指6、食指7、连杆8、拉杆9、滑块11和机架构成六杆机构。拇指6、连杆8和拉杆9相铰接。在顶板5上有开孔，拉杆9穿过开孔与滑块11铰接。导杆14通过滑块11的轴心，对滑块11的运动起导向作用，导杆14穿过滑块的位置见图2，其中导杆可以仅一端与顶板或底座固定，也可以两端分别固定在顶板和底座上，本实施例采用一端固定在底座上的方式。滑块11上下表面粘有绝缘片(绝缘片很薄，图中未标出)，采用固定件(如螺栓和螺母)，分别通过压板15d和15b将SMA弹簧10和12固定在滑块11上，弹簧10和12的另一端分别通过压板15c和15a固定在表面粘有绝缘片的顶板和底座上。SMA弹簧10和弹簧12的中心轴线重合。SMA弹簧10和12、滑块11构成SMA差动弹簧驱动器。两个风扇4和13分别固定在机架的顶板5和底座1上。
风扇4和13分别用于为SMA弹簧10和12降温。在工作时，为了避免风扇4的风吹到SMA弹簧12上，以及避免风扇13的风吹到SMA弹簧10上，在两个风扇之间加了隔板3，隔板3的两端固定在机架的两个侧板上，隔板上开有孔，供滑块11和SMA弹簧通过。
如图2所示，食指7为在底端刚性连成一体的两根手指(有利于抓取物件时紧握)，食指7通过销轴16a与连杆8铰接，通过销轴16b与顶板铰接；拇指6、连杆8和拉杆9通过销轴16c铰接，构成复合铰链；拉杆9的另一端通过销轴16d与滑块11铰接。
本发明的工作原理如下通过电流通断控制SMA弹簧驱动器的伸缩变形，带动滑块11沿导杆14移动，滑块11通过拉杆9带动拇指6和连杆8运动，连杆8带动食指7运动，实现拇指6和食指7的张开和闭合动作。对机械手进行控制，实际上是对SMA差动弹簧驱动器的控制，SMA差动弹簧驱动器的动作过程是在一定温度范围内对SMA弹簧的冷热循环过程的控制。对SMA差动弹簧驱动器的控制是其中一个SMA弹簧通电加热时，另一个弹簧处于断电冷却状态。具体过程是，当给SMA弹簧10通直流电流时，风扇4关闭，SMA弹簧10内有电流流过，其温度升高，此时SMA弹簧10收缩变短；同时SMA弹簧12处于断电状态，风扇13启动运行，为弹簧12冷却，使其伸长；从而带动滑块11和拉杆9向上移动，拇指6和食指7张开。反之，若弹簧10断电，风扇4打开，为弹簧10降温，弹簧12通电，风扇13关闭，则弹簧12缩短，弹簧10伸长，滑块11向下移动，通过拉杆9和连杆8带动拇指6和食指7实现闭合抓取动作。
本发明克服了传统机械手驱动器体积大、重量大、柔顺性差的缺点。其优点是采用SMA弹簧驱动器直接驱动，不需要复杂的减速或传动装置，结构简单，重量轻，输出功率大；由于SMA弹簧驱动器的柔性驱动，其机构动作具有良好的柔顺性，接近于人手的动作，这是因为SMA弹簧驱动器的控制量(电流)相对应的是力(形状恢复力)，其作用接近于人体肌肉；SMA弹簧驱动器的动作不受温度以外的环境影响，在真空条件下也可以照样使用，而且不象发动机或油缸、气缸那样需要密封；SMA的控制可以简化为对加热电流的控制，控制方式简单，易于小型化。本发明能够有效地实现机械手的握、放等动作，可制成各种类型与系列的机械手，并具有构型和结构简单、自重轻、尺寸小、制造成本低等优点，可应用于人造假手和小负载的工业机械手。
权利要求
1.形状记忆合金差动弹簧驱动的机械手，其特征在于，它含有SMA差动弹簧驱动器，由机械手指、连杆、拉杆、滑块、机架组成的六杆机构；所述SMA差动弹簧驱动器含有两个SMA弹簧，两个SMA弹簧各自的一端分别固定在所述机架的顶板和底座，两个SMA弹簧各自的另一端共同连接在滑块上，并相互绝缘，构成SMA差动弹簧驱动器；所述六杆机构中，滑块与所述拉杆的一端铰接，而拉杆的另一端分别与一个手指和所述连杆的一端铰接，形成复合铰链，所述连杆的另一端与另一个手指铰接；所述两个手指均与所述机架的顶板铰接；当所述滑块上下移动时，将依次通过所述拉杆、连杆带动铰接在顶板上的两个手指张开和闭合。
2.如权利要求1所述的形状记忆合金差动弹簧驱动的机械手，其特征在于，在所述机架上还固定有一个导杆，该导杆穿过所述滑块的轴心，与所述滑块构成移动副，滑块可沿导杆移动；所述导杆的一端固定在底座或顶板上，或所述导杆的两端分别固定在底座和顶板上。
3.如权利要求1所述的形状记忆合金差动弹簧驱动的机械手，其特征在于，在所述机架的顶板和底座上分别装有一个风扇，用于为所述SMA差动弹簧驱动器的两个SMA弹簧降温。
4.如权利要求3所述的形状记忆合金差动弹簧驱动的机械手，其特征在于，在所述机架的两个侧板之间装有一个隔板，该隔板位于所述两个风扇之间，防止其中一个风扇的风吹到另一个SMA弹簧，在该隔板上开有一个供SMA弹簧和滑块通过的孔。
全文摘要
形状记忆合金差动弹簧驱动的机械手属于机械工程类的机器人技术领域。其特征在于，它含有SMA差动弹簧驱动器，由机械手指、连杆、拉杆、滑块、机架组成的六杆机构；SMA差动弹簧驱动器含有两个SMA弹簧，两个SMA弹簧各自的一端分别固定在机架的顶板和底座，两个SMA弹簧各自的另一端共同连接在滑块上，并相互绝缘，构成SMA差动弹簧驱动器；六杆机构中，滑块与拉杆的一端铰接，而拉杆的另一端分别与一个手指和连杆的一端铰接，形成复合铰链，连杆的另一端与另一个手指铰接；两个手指均与所述机架的顶板铰接。本发明能够实现机械手的握、放等动作，具有构型和结构简单、自重轻、尺寸小、制造成本低等优点。
文档编号B25J11/00GK1557610SQ20041000072
公开日2004年12月29日 申请日期2004年1月16日 优先权日2004年1月16日
发明者阎绍泽, 徐峰, 刘夏杰, 王金辉, 温诗铸 申请人:清华大学