[发明专利]单程形状记忆合金弹簧驱动的仿生多腔微小无源吸盘

说明书

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，具体是一种单程形状记忆合金弹簧驱动的仿生多腔微小无源吸盘。

背景技术

目前，爬壁机器人按照附着方式可以分为负压吸附式、磁吸附式以及气体推力吸附式三种，这三种吸附方式具有一个共同特点，即采用有源负压吸附方式。这样一来，要产生足够的负压，必须浪费巨大的能量。然而对生物来说，它们附于壁面或脱离壁面的方式却浪费极小的能量。本发明模仿吸盘足蝙蝠附壁机理，探讨仿生吸盘的设计方法，实现真正意义上的无源仿生负压吸盘。一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性变形，达到屈服点，就产生塑性变形，应力消除后留下永久变形。但有些材料，在发生了塑性变形后，经过合适的热过程，能够回复到变形前的形状，这种现象叫做形状记忆效应(SME)。具有形状记忆效应的金属一般是两种以上金属元素组成的合金，称为形状记忆合金(SMA)。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。因此，可以设计一种负压吸盘，它基于仿生学原理，模仿吸盘足蝙蝠的壁面吸附机理特性以及运动特点，采用当前发展迅猛的仿生智能材料——形状记忆合金，并基于拓扑机构学原理进行多腔体智能吸附机构进行结构设计，为爬壁机器人的壁面吸附机构设计提供一种新型机构设计方法，从而极大推进爬壁机器人的实用化和智能化。

经对现有技术的文献检索发现，吉林大学赵维福在其2006年的硕士学位论文《龙虱吸盘的仿生学特性及其真空吸盘组的仿真模拟研究》中，提出了根据龙虱吸盘结构设计仿生负压吸盘组，该吸盘组具有共盘基自封闭的结构。其不足在于需要外接气源提供负压，吸附装置不易微小型化。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种单程形状记忆合金弹簧驱动器驱动的仿生多腔微小无源吸盘，使其解决负压吸盘在爬壁机器人吸附装置应用中存在的不足，避免现有负压吸盘吸附装置不易微小型化，功重比低的缺点。本发明基于仿生学原理，采用当前发展迅猛的仿生智能材料——形状记忆合金，并基于拓扑机构学原理进行多腔体智能吸附机构结构设计，为爬壁机器人的壁面吸附机构设计提供一种方法。该吸盘不仅可以用于爬壁机器人吸附机构，还可以推广应用于其他类型负压吸盘的应用上。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：压板、偏置弹簧套筒、单程SMA驱动弹簧、SMA弹簧芯轴、偏置弹簧、偏置弹簧导向轴、弹性材料底盘。连接关系如下：弹性材料底盘与压板直接用胶粘在一起，SMA弹簧芯轴穿过压板与弹性材料底盘固定在一起，单程SMA驱动弹簧和偏置弹簧分别套在SMA弹簧芯轴和偏置弹簧导向轴上，偏置弹簧套筒一端和压板固定，另外一端套在SMA弹簧芯轴和偏置弹簧导向轴上。

本发明中，所述的压板采用密度小、加工精度高的有机玻璃材料加工，底面基于拓扑机构学原理进行多腔体智能吸附机构结构设计成三个独立的空腔，使弹性材料底盘形成多腔的结构，这样即使被吸附壁面上存在微小缝隙时，该吸盘能尽可能减小漏气对整个吸盘吸附效果的影响。

本发明中，所述的偏置弹簧套筒采用密度小、加工精度高的有机玻璃材料加工，减小吸盘重量的同时便于偏置弹簧导向轴与其相对滑动。

本发明中，所述的单程SMA驱动弹簧是利用SMA的单程形状记忆效应实现的，当单程SMA驱动弹簧加热发生形变并再次冷却时，它不能回到初始状态，而只有在外力干预下，才能恢复到初始状态，在这里采用偏置弹簧给单程SMA驱动弹簧供回复力，其优点是结构简单，可靠性好。由于在相同长度及直径下，单程SMA驱动弹簧输出的位移量比SMA丝大很多，所以采用Niti合金的单程SMA驱动弹簧，加热后使其伸长，产生形变，带动偏置弹簧套筒及SMA弹簧芯轴的滑动。

本发明中，所述的SMA弹簧芯轴，其上端设有定位螺母和弹簧垫圈，并通过定位螺母和弹簧垫圈与偏置弹簧套筒固定在一起。SMA弹簧芯轴采用加工精度高的合金钢加工，保证SMA弹簧芯轴与压板之间的滑动，同时，为了保证SMA驱动弹簧通电加热时绝缘的要求，应在SMA弹簧芯轴上添加绝缘物质。

本发明中，所述的偏置弹簧的弹性系数要比SMA驱动弹簧未加热时的弹性系数大，比SMA驱动弹簧加热后的弹性系数小。

本发明中，所述的偏置弹簧导向轴，其上端设有止动垫圈，偏置弹簧导向轴穿该止动垫圈后用定位螺母和弹簧垫圈与偏置弹簧套筒固定在一起。偏置弹簧导向轴采用加工精度高的合金钢加工，保证偏置弹簧导向轴与偏置弹簧套筒之间的滑动。