专利名称：双程形状记忆合金弹簧驱动的负压吸盘的制作方法
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，具体是一种双程形状记忆 合金弹簧驱动的负压吸盘。
背景技术：
形状记忆合金(SMA)是一种能够经过某种热效应完全消除其在较低温度下 发生的塑性形变，回复到形变前的原始形状的一种合金材料。可以通过电流加热 的方式使其产生形变，它具有功重比大、驱动电压低、形变量大的优点。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。传统的 负压吸附式爬壁机器人，其吸附机构主要采用基于气泵的驱动方式使吸盘产生负 压，近年来已经开始有研究使用电机转动产生直线位移，形成吸盘腔体体积变化， 进而产生负压的方法代替气泵抽气。上述方法都能产生较大的负压，但无论是气 泵还是用于改变吸盘腔体体积的电机，都存在如下一些主要问题1)自身重量大， 吸附装置不易微小型化，2)功重比低，浪费能源，3)有噪音。
经对现有技术的文献检索发现，Tao Zhu等在Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (2006年国际机器 人与仿生机械会议)上发表的《Principle and Application of Vibrating SuctionMethod》(振动式吸盘的原理与应用)文中提出采用电机产生一定频率的 振动使吸盘变形产生负压，其不足在于需要外接电机及其驱动器，使吸附装置的 体积变大，浪费能量且有噪音。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种双程形状记忆合金弹簧驱动 的负压吸盘，使其可以利用SMA驱动性能上的优点，解决负压吸盘在爬壁机器人 吸附装置应用中存在的不足，它具有体积小，吸附可靠，无噪音，不需外接气源
或用电机使吸盘变形，而仅依靠SMA形变使吸盘体积变化来产生负压的特点，避 免现有负压吸盘吸附装置不易微小型化，噪音大，功重比低的缺点，给微小型爬 壁机器人提供一种小型、高效、可靠的吸附装置。该吸盘不仅可用于爬壁机器人 吸附机构，还可推广应用于其他类型负压吸盘应用上。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括内缸、外缸、双程SMA弹簧、 内缸弹簧固定片、动密封圈、外缸弹簧固定条、弹性底座。外缸和弹性底座粘接 在一起，外缸弹簧固定条卡在外缸和弹性底座之间，双程SMA弹簧的下端用外缸 弹簧固定条卡在外缸和弹性底座之间，用于固定双程SMA弹簧的下端，双程SMA 弹簧上端卡在内缸弹簧固定片，内缸弹簧固定片固定在内缸上端。内缸和外缸之 间通过动密封圈密封。
本发明中，所述的内外缸采用密度小、导热性能优良的铝合金加工，减小吸 盘重量同时便于双程SMA弹簧冷却时的散热，加快吸盘响应速度。
所述外缸下端设有一个孔，弹性底座塞入该孔内。
所述外缸上端设有比外缸直径小的圆孔，内缸从此孔中穿入，内缸、外缸之 间的缝隙用动密封圈密封，在内缸、外缸之间形成一个密封的空气腔。在双程 S區弹簧的作用下，内缸能沿外缸运动，使内缸和外缸内的空气腔的气压降低形 成负压。
所述外缸弹簧固定条上设有弧形槽，双程SMA弹簧卡在弹性底座和外缸弹簧 固定条之间，同时外缸弹簧固定条有一端圆柱形突起，能对双程SMA弹簧起导向 的作用。
所述外缸顶端设有凹形槽，动密封圈设在该凹形槽中。
所述外缸上设有通 L，导线通过该通孔接到双程SMA弹簧两端给其供电，且 该通孔用密封胶密封。
本发明中，所述的双程SMA弹簧，由于SMA弹簧相对与S區丝具有较大的位 移，采用Niti合金的双程形状记忆合金弹簧，由于双程S區弹簧加热后伸长， 冷却时縮短，在加热发生相变后不需外力即可回到初始状态，相对与单程SMA 弹簧驱动器，可以不用偏置弹簧提供回复力，极大的节省了空间。
本发明中，所述的动密封圈采用结构紧凑、所占空间小、动摩擦阻力小、拆
卸方便、成本低的挤压型o形圈密封。
本发明中，所述的弹性底座为弹性高分子材料制作，采用多腔结构以提高吸 盘的壁面适应性，弹性底座的底面被加工分割成多腔结构，每个子腔通过直径很 小的通孔与内外缸形成的空腔相连通，构成两级多腔结构。
本发明双程S區弹簧在通电加热后产生的伸长，其相变回复力将使内缸克服 其与动密封圈的摩擦力产生相对外缸的位移，从而使吸盘空腔内气体的体积变大 产生负压。当SMA驱动器两端的电压取消后，双程SMA弹簧逐渐冷却，其长度将 收缩，在外界大气压和双程SMA弹簧变形力的作用下，内缸回到初始位置，负压 取消。
本发明采用双程形状记忆合金弹簧加热后产生的相变回复力使内缸相对于 外缸运动，从而使吸盘内气体体积变大产生负压，当给双程SMA弹簧的电压取消 时，双程SMA弹簧能够自动的回复到初始位置，取消负压。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吸附装置。本发明呈圆柱形，底面直径 40mm，高35鹏，仅重152克，在SMA驱动器驱动电流为3A时，产生的负压为 11000Pa，在垂直壁面上的载荷可达500g以上，相对于现有的爬壁机器人负压吸 附装置，具有体积小、无噪音、无需外接气源和电机、成本低的特点。
图1是本发明的总体结构示意图。
图1中，内缸l、圆柱螺钉2、 0形密封圈3、内缸弹簧固定片4、 SMA弹簧 5、外缸6、外缸弹簧固定条7、弹性底座8。 图2是本发明弹性底座的仰视图。 图2中子腔9、肋10、通孔ll。
具体实施例方式
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所显示，本实施例包括内缸1、动密封圈3、内缸弹簧固定片4、 双程SMA弹簧5、外缸6、外缸弹簧固定条7、弹性底座8。本实施例中，动密封
圈3为0形密封圈。外缸6和弹性底座8粘接在一起，外缸弹簧固定条7卡在外 缸6和弹性底座8之间，双程SMA弹簧5的下端用外缸弹簧固定条7卡在外缸6 和弹性底座8之间，用于固定双程SMA弹簧5的下端，双程SMA弹簧5上端卡在 内缸弹簧固定片4，内缸弹簧固定片4通过圆柱螺钉2固定在内缸1上，内缸l 套在外缸6中，内缸1和外缸6之间通过0形密封圈3密封。
所述外缸6下端设有一个孔，弹性底座8塞入该孔内。
所述外缸6上端设有比外缸直径小的圆孔，内缸l从此孔中穿入，内缸l、 外缸6之间的缝隙用0形密封圈3密封，在内缸l、外缸6之间形成一个密封的 空气腔。在双程S區弹簧5的作用下，内缸1能沿外缸6运动，使内缸1和外缸 6内的空气腔的气压降低形成负压。
所述外缸弹簧固定条7上设有弧形槽，双程SMA弹簧5卡在弹性底座8和外 缸弹簧固定条7之间，同时外缸弹簧固定条7有一端圆柱形突起，能对双程SMA 弹簧5起导向的作用。
所述外缸6，其顶端设有凹形槽，0形密封圈3设在该凹形槽中。
所述外缸6，其上设有通孔，导线通过该通孔接到双程SMA弹簧5两端给其 供电，且该通孔用密封胶密封。
所述双程S區弹簧5为NiTi合金制造，经训练具有双程形状记忆功能，加 热后伸长，冷却后縮短，其直径9mm，簧径1. 3mm，长14咖，伸长后推力可达ION， 縮短时拉力达4N。
所述内缸1和外缸6采用铝合金制造，呈圆柱形，具有质量轻，散热性能好 的优点。
所述0形密封圈3采用了氟橡胶材料，具有摩擦系数低的优点。 所述弹性底座8采用硅橡胶材料，它具有极低的弹性模量，仅为1. 5MPa，
当弹性底座8与被吸附面接触时，容易变形，可以保证吸盘与壁面接触时的密封性。
如图2所示，弹性底座8上有子腔9、肋10、通孔11，肋9将弹性底座8 的底面划分成含有多个子腔9的多腔结构。通孔11的作用是将子腔9与内缸1 和外缸6形成的空腔连通，当内缸1和外缸6形成的空腔内产生负压时，子腔9
内也产生负压；当吸盘吸附在壁面上时，若壁面上有缝隙，由于弹性底座8上有 多个类似于子腔9的小腔，缝隙只会使单个或几个小腔漏气，可以减小缝隙对其 他小腔内负压的影响，提高吸盘的壁面适应性。
当吸盘放置在被吸附面上时，首先双程S區弹簧5通电加热，当温度足够高 时，双程SMA弹簧5发生相变开始伸长推动内缸1相对外缸6运动，内缸1和外 缸6内空腔的体积变大，气压降低产生负压，内缸1和外缸6内空腔通过弹性底 座8上的通孔与弹性底座8底端的子腔相连通，这时将在弹性底座8底端的子腔 内产生负压，使吸盘吸附在被吸附平面上。当双程S區弹簧5断电后，由于内缸 1和外缸6由铝合金材料制成，具有优良的散热特性，双程SMA弹簧5迅速冷却， 由于双程SMA弹簧采用双程记忆效应的SMA制成，双程SMA弹簧5自动回到未加 热前的状态，同时在外界大气压的作用下，内缸l逐渐回到原始位置，吸盘内的 负压消失。
本实施例的优点体现在几个方面 一是采用双程SMA弹簧的变形使吸盘空气 腔变形产生负压，不需要在吸盘外接气源或用电机使吸盘发生变形产生负压，由 于双程SMA弹簧的高功重比，使的该吸盘体积小，无噪音，吸附力大。底面直径 40mm，高35腿，仅重152克，在双程SMA弹簧驱动电流为3A时，产生的负压为 11000Pa，在垂直壁面上的载荷可达500g以上。二是由于弹性底座采用弹性材料 制成，具有多腔结构，使得在被吸附面上存在微小缝隙时，能有效减小漏气对腔 体内负压的影响，可靠的提高吸盘的壁面适应性。本发明在负载500g时，可吸 附在壁面上达40秒。
权利要求
1、一种双程形状记忆合金弹簧驱动的负压吸盘，其特征在于，包括内缸、外缸、双程形状记忆合金弹簧、内缸弹簧固定片、动密封圈、外缸弹簧固定条、弹性底座，外缸和弹性底座粘接在一起，外缸弹簧固定条卡在外缸和弹性底座之间，双程形状记忆合金弹簧的下端用外缸弹簧固定条卡在外缸和弹性底座之间，固定双程形状记忆合金弹簧的下端，双程形状记忆合金弹簧上端卡在内缸弹簧固定片，内缸弹簧固定片固定在内缸上端，内缸和外缸之间通过动密封圈密封。
2、 根据权利要求1所述的双程形状记忆合金弹簧驱动的负压吸盘，其特征 是，所述外缸上端设有比外缸直径小的圆孔，内缸从此孔中穿入，内缸、外缸之 间的缝隙用动密封圈密封，在内缸、外缸之间形成一个密封的空气腔，在双程形 状记忆合金弹簧的作用下，内缸能沿外缸运动，使内缸和外缸内的空气腔的气压 降低形成负压。
3、 根据权利要求1或2所述的双程形状记忆合金弹簧驱动的负压吸盘，其 特征是，所述外缸下端设有一个孔，弹性底座塞入该孔内。
4、 根据权利要求1或2所述的双程形状记忆合金弹簧驱动的负压吸盘，其 特征是，所述外缸顶端设有凹形槽，动密封圈设在该凹形槽中。
5、 根据权利要求1或2所述的双程形状记忆合金弹簧驱动的负压吸盘，其 特征是，所述外缸上设有通孔，导线通过该通孔接到双程形状记忆合金弹簧两端 给其供电，且该通孔用密封胶密封。
6、 根据权利要求1所述的双程形状记忆合金弹簧驱动的负压吸盘，其特征 是，所述弹性底座上设有子腔、肋、通孔，肋将弹性底座的底面划分成含有多个 子腔的多腔结构，子腔通过弹性底座上的通孔与内缸、外缸之间形成的空腔连通。
7、 根据权利要求1所述的双程形状记忆合金弹簧驱动的负压吸盘，其特征 是，所述外缸弹簧固定条上设有弧形槽，双程形状记忆合金弹簧卡在弹性底座和 外缸弹簧固定条之间。
8、 根据权利要求1或7所述的双程形状记忆合金弹簧驱动的负压吸盘，其 特征是，所述外缸弹簧固定条有一端圆柱形突起，对双程形状记忆合金弹簧起导 向作用。
9、 根据权利要求1所述的双程形状记忆合金弹簧驱动的负压吸盘，其特征是，所述的动密封圈为o形密封圈。
10、 根据权利要求1或2所述的双程形状记忆合金弹簧驱动的负压吸盘，其 特征是，所述内缸和外缸为圆柱形。
全文摘要
本发明涉及一种特种机器人技术领域的双程形状记忆合金弹簧驱动的负压吸盘，包括内缸、外缸、双程SMA弹簧、内缸弹簧固定片、动密封圈、外缸弹簧固定条、弹性底座。外缸和弹性底座粘接在一起，外缸弹簧固定条卡在外缸和弹性底座之间，双程SMA弹簧的下端用外缸弹簧固定条卡在外缸和弹性底座之间，用于固定双程SMA弹簧的下端，双程SMA弹簧上端卡在内缸弹簧固定片，内缸弹簧固定片固定在内缸上端，内缸和外缸之间通过动密封圈密封。本发明避免现有负压吸盘吸附装置不易微小型化，噪音大，功重比低的缺点，给微小型爬壁机器人提供一种小型、高效、可靠的吸附装置。
文档编号F16B47/00GK101178091SQ20071017076
公开日2008年5月14日 申请日期2007年11月22日 优先权日2007年11月22日
发明者庄 付, 博 张, 胡冰山, 智 董, 赵言正 申请人:上海交通大学