专利名称：形状记忆合金驱动的微型机械手的制作方法
技术领域：
形状记忆合金驱动的微型机械手用于微小机械零件自动化加工、装配过程中的夹持和搬送，是智能材料在机电一体化装置中的应用，属于机械技术领域。
背景技术：
普通的机械手，在结构方面一般采用齿轮、齿条、杠杆、销轴等机械零件和滑副、转副、球副等运动副。其缺点是(1)、体积大，不能胜任微小零件的抓取；不可避免地存在运动副间隙，传动精度低，尤其是微位移精度低，不能适应微小零件抓取时的精确定位。(2)、普通机械手的驱动方式，一般采用液压、气动、电机、电磁铁等驱动方式。由于结构尺寸大而不适应微小零件的抓取。此外，油渗漏会污染零件，磁场会使零件带磁性，在某些工作情况下是不允许的。
目前国外也有用形状记忆合金弹簧驱动的微型机械手，其实物如图5所示，这种微型机械手包括有机械手本体17、抓取指4、作为驱动元件的形状记忆合金弹簧19、及联接它们的柔性铰链和连接部件。当形状记忆合金弹簧接通电源时抓取指合拢，断开电源时，抓取指张开。这种结构的问题是(1)、由于弹簧装在机械手一侧，而不是在中间平面内，柔性铰链易发生扭曲至使两个抓取指不平行，以至于抓取微小零件时，一头抓得紧，一头抓得松，容易使零件偏斜；(2)、固定螺钉和形状记忆合金弹簧外露会与工作环境内的导体接触而发生短路；(3)、弹簧体积较大限制机械手进一步微型化。
发明内容
本实用新型的目的在于克服前述不足，为满足在狭小空间操作微小目标的需要，设计一种体积小，精度高，夹持力适中，调整简单，控制方便，并可根据抓取的零件尺寸范围要求、更换配置多个抓取指的、形状记忆合金驱动的微型机手。
本实用新型的技术方案见结构示意图1，它包括有机械手本体、抓取指、作为驱动元件的形状记忆合金部件、及固定和联接它们的连接部件；本实用新型的特征在于，机械手本体是由在一块整体材料上制成的机械手基体1、摆杆2、平动杆3以及联接它们的柔性铰链构成；抓取指(4)按常规技术嵌入摆杆(2)中、并与其形成配合联接；采用形状记忆合金丝5作为驱动元件，该合金丝由接线柱6开始，穿过机械手基体1和平动杆3再折回到接线柱7形成双股合金丝；外设电源经接线柱6、7接入。
这种形状记忆合金驱动的微型机械手，形状记忆合金丝安装结构特征在于，先将中心钻出台阶孔的两个空心螺钉14内装进与其配套的陶瓷管15，再将两个空心螺钉14拧入机械手基体底部，各自构成接线柱6和7，形状记忆合金丝5穿入其中一个空心螺钉内陶瓷管后，经过平动杆3再折回、从另一个开孔螺钉内陶瓷管穿出，分别从陶瓷管穿入和穿出的两股合金丝的露出部分熔成小球16与所在位置的接线柱固定；在平动杆3上设置了隔开形状记忆合金丝5的绝缘片8。
这种形状记忆合金驱动的微型机械手，特征在于一个机械手可配置多个抓取目标直径范围不同的抓取指4，当需要抓取不同尺寸范围的零件时，机械手的本体不需要更换，只须更换抓取指。
本实用新型的工作过程为当形状记忆合金通入电流后，温度升高，组织发生相变，使形状记忆合金丝收缩变短，拉动平动杆3，平动杆带动两个摆杆2相对摆动，带动抓取指4夹持目标。当形状记忆合金断电，机械手相反动作，放松目标。
本实用新型的微型机械手设计采取了一种整体式结构，所有零件(杆、运动副等)都是用同一块材料刻出，采用柔性铰链代替传统的运动副。运动副(柔性铰链)不仅具有理想的弹性，同时又避免了因装配引起的误差。由于柔性铰链依靠材料的微小弹性变形来传递位移，因而具有结构紧凑、无运动副间隙、无机械摩擦等优点，是精密机械中理想的微位移机构。
本实用新型中采用形状记忆合金丝作为驱动元件代替传统的驱动方式。形状记忆合金丝既是驱动元件同时又是电路的一部分，不仅体积小，而且易于控制。这种驱动方式的另一个特点是控制简单，形状记忆合金丝通电即收缩，断电即伸长。
本实用新型中采用双丝驱动。双丝驱动的优点是避免两个抓取指4动作不对称，同时增加夹持力。另外形状记忆合金丝5、在机械手本体上安装的结构特征，既保证形状记忆合金丝与机械手本体绝缘，又可以将形状记忆合金丝预先适当绷紧。这样不但可以消除间隙，有效利用形状记忆合金丝的伸缩量。同时可以配合抓取指更换，精确预调抓取尺寸范围。
图1本实用新型微型机械手结构示意图1、机械手基体2、摆杆3、平动杆4、抓取指5、形状记忆合金丝6、接线柱7、接线柱8、绝缘片9、安装孔10-13、柔性铰链铰节点；图2本实用新型形状记忆合金丝的安装结构示意图14、空心螺钉15、陶瓷管16、形状记忆合金溶化小球；图3本实用新型微型机械手的机构运动原理及驱动控制原理示意图；图4本实用新型柔性铰链形状示意图；图5国外研制的微型机械手实物结构示意图17、机械手本体18、固定螺钉19、形状记忆合金弹簧20、柔性铰链铰节点。
具体实施方式
本实用新型的实施设计方案参见图1-图4。
机械手的机械结构如图1所示，它是由本体1、摆杆2、平动杆3和抓取指4以及联接它们的柔性铰链组成。它们由一块弹簧钢板用数控电火花线切割机加工而成。抓取指4是由同样材料用同样工艺加工成的。柔性铰链的典型结构见图4。设计完成后的机械手外形尺寸52×36×5mm。
形状记忆合金丝5作为驱动元件，微型机械手采用双丝驱动。当接线柱6、7接入电路，合金丝中有电流通过，温度升高，收缩变短，拉动平动杆3向下运动，通过各柔性铰链(均相当于转动副)带动两侧摆杆2向内摆动，带动两个手指合拢夹持物体。两个手指是通过柔性铰链连接在一起的。基体和手指都是由弹簧钢制成的，柔性铰链具有很好的弹性，断电时依靠弹性使摆杆2复位，两个手指自动张开。接线柱6、7，绝缘片8及合金丝外面套装的热塑管保证形状记忆合金丝与机械手本体绝缘。
微型机械手的机构运动原理及驱动控制原理见图3。借助于机构运动原理图可以进行机构分析和原理设计，并在此基础上进行结构设计。
根据图3由机械手执行端(指尖)的张开量可以解出滑动杆平动的距离和铰节点10、11、12处杆件之间的交角变化量Δα10、Δα11和Δα12(称为柔性变形角)；利用下面公式可以求出产生一定的柔性变形角Δαx所需要的弯矩Mx。
Mx=2ΔαxEbt5/29πR1/2]]>式中R铰链圆弧半径；b材料厚度；t铰链最小厚度；E弹性模量；Δαx柔性变形角。
形状记忆合金丝的拉力一部分用来提供柔性变形角所需要的弯矩，一部分用来提供机械手夹持物体时所需要的拉力。已知需要的夹持力可以算出形状记忆合金应提供的拉力。同样也可以根据形状记忆合金丝的长度变形率和许用拉力算出机械手执行端的张开量和执行端的夹持力。
本实用新型采用的形状记忆合金丝是TiNi合金丝，合金丝的安装较为困难，本实用新型的解决方案见图2。安装形状记忆合金丝，首先把螺钉拧入微型机械手本体，装入陶瓷管，再把TiNi合金丝穿入陶瓷管，把合金丝露出的部分用电火花熔成一个小球，最后把螺钉旋出0.5～2圈左右把合金丝拉紧。同时解决了安装、拉紧和绝缘问题。
权利要求1.一种形状记忆合金驱动的微型机械手包括有机械手本体、抓取指、作为驱动元件的形状记忆合金部件、联接它们的柔性铰链和连接部件；本实用新型的特征在于，机械手本体是由在一块整体件上制成的机械手基体(1)、摆杆(2)、平动杆(3)以及联接它们的柔性铰链构成；抓取指(4)按常规技术嵌入摆杆(2)中、并与其形成配合联接；采用形状记忆合金丝(5)作为驱动元件，该合金丝由接线柱(6)开始，穿过机械手基体(1)和平动杆(3)再折回到接线柱(7)形成双股合金丝；外设电源经接线柱(6)、(7)接入。
2.根据权利要求1所示的形状记忆合金驱动的微型机械手，形状记忆合金丝安装结构特征在于，先将中心钻出台阶孔的两个空心螺钉(14)内装进与其配套的陶瓷管(15)，再将两个空心螺钉(14)拧入机械手基体底部，各自构成接线柱(6)和(7)，形状记忆合金丝(5)穿入其中一个空心螺钉内陶瓷管后，经过平动杆(3)再折回、从另一个开孔螺钉内陶瓷管穿出，分别从陶瓷管穿入和穿出的两股合金丝的露出部分熔成小球(16)与所在位置的接线柱固定；在平动杆(3)上设置了隔开形状记忆合金丝(5)的绝缘片(8)。
3.根据权利要求1所示的形状记忆合金驱动的微型机械手，其特征在于一个机械手可更换配置多个抓取目标直径范围不同的抓取指(4)。
专利摘要形状记忆合金驱动的微型机械手用于微小机械零件的夹持和搬送，它包括机械手本体、抓取指、驱动元件等；特征在于，机械手本体是由在一块整体件上制成的机械手基体1、摆杆2、平动杆3以及联接它们的柔性铰链构成；驱动元件采用形状记忆合金丝5，该合金丝由接线柱6开始，穿过机械手基体1和平动杆3再折回到接线柱7形成双股合金丝；外设电源经接线柱6、7接入。当形状记忆合金通入电流，形状记忆合金丝收缩变短，通过平动杆3、摆杆2，带动抓取指4夹持目标。当形状记忆合金断电，机械手相反动作。一个机械手可更换不同抓取指，以满足抓取多个直径范围不同物件的需要。本实用新型具有体积小，精度高，夹持力适中，调整简单，控制方便等特点。
文档编号B25J7/00GK2626684SQ0326147
公开日2004年7月21日 申请日期2003年5月24日 优先权日2003年5月24日
发明者刘德忠 申请人:北京工业大学