[发明专利]基于并联柔顺机构的压电无阀微泵吸盘

说明书

技术领域

本发明涉及一种能够用于微小型爬壁机器人的吸附装置，具体涉及一种基于并联柔顺机构的压电无阀微泵吸盘，属于特种机器人技术领域。

背景技术

压电陶瓷（Piezoelectric Ceramics），是一种能够将机械能与电能相互转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。对于某些各向异性的电介质晶体施加机械力时，晶体两端表面出现符号相反的束缚电荷的现象，被称为正压电效应；相反，在具有压电效应的电介质晶体上施加电场，引起电介质产生形变的现象被称为逆压电效应。利用压电材料的逆压电效应，压电陶瓷可用作振动驱动器，其主要包括有两种：一种是压电晶片驱动器，具有体积小、输出位移大、响应时间快的特点，但输出力小；另一种是压电叠堆驱动器，具有输出力大、响应速度快（微秒级）的特点，但输出位移小，封装体积大。

柔顺机构（Compliant Mechanisms），采用柔性铰链作为机构的运动副，靠材料的弹性变形来实现微小的等效运动。并联柔顺机构是并联机构和柔顺机构的结合体，兼具了这两种机构的优势——具有无误差累积、无反座力、无摩擦、无间隙、不用润滑、机构刚度高、承载能力强、定位精度好等优良的动态性能。

无阀薄膜微泵，是微流控系统中最常用的核心驱动元件和执行元件，其工作原理是依靠外部能量场使弹性薄膜往复振动，引起泵腔体积的改变从而推动流体物质传输，同时利用扩张管和收缩管的导向作用，控制流体运动方向，实现从入口到出口的定向流动。

传统的负压吸附式爬壁机器人，其吸附机构主要采用气泵驱动的方式使吸盘产生负压，或使用电机驱动吸盘腔体体积变化，进而产生负压以代替气泵抽气。上述方法都能产生较大的负压，但均存在着体积尺寸大、功效低、噪声大等缺点。

公开号为CN102562540A的专利，利用3V低电压薄膜压缩性无阀微泵传送液体，但其机构体积尺寸大，不易于将吸盘与微泵一体化。公开号为CN1908432A的专利是早期的基于压电陶瓷片驱动的无阀微泵，由于锥形沟道的几何特征，适合液态流体的定向传动。以上两项专利对于具有可压缩性的气体的传送，尚不能为吸盘提供足够的负压。

发明内容

本发明目的在于克服传统负压机构体积尺寸无法缩小、噪声大、功重比低的缺点，提供一种基于并联柔顺机构的压电无阀微泵吸盘，利用压电叠堆驱动器大输出力和柔顺机构大受力的特点，集吸盘与微泵为一体，通过柔顺机构驱动薄膜微泵工作，为吸盘提供足够的负压，具有体积小、结构可靠、无噪声和无需外接气源或电机的优点。

本发明解决其技术问题的技术方案是：

一种基于并联柔顺机构的压电无阀微泵吸盘，其包括单晶硅衬底、铜基复合薄膜、柔顺机构和压电叠堆驱动器；

所述柔顺机构上部的中央设有与所述压电叠堆驱动器紧密贴合的形变位移输入部，下部的中央设有形变位移输出部，该柔顺机构的底部设有定位槽；

所述压电叠堆驱动器固定夹持在所述形变位移输入部上方的镂空处，并且在通电后产生单向形变位移；

位于上层的铜基复合薄膜与位于下层的单晶硅衬底通过环氧结构粘结胶粘接组装成薄膜微泵，该薄膜微泵卡入并粘接密封于所述柔顺机构的定位槽内，该柔顺机构的形变位移输出部的下端面与所述铜基复合薄膜的上平面贴合并粘接，所述单晶硅衬底的下部设有吸附腔，该吸附腔周边的单晶硅衬底的底面为吸盘吸附接触面，该吸盘吸附接触面涂刷有有机硅涂层材料；

所述柔顺机构将所述压电叠堆驱动器产生的单向形变位移放大传动到所述铜基复合薄膜，驱动所述薄膜微泵工作，抽取所述吸附腔内的气体，形成所述吸盘的负压。

作为进一步改进，所述的柔顺机构为左右对称的构件，其包括圆形的底盘、连接于该底盘上部的支撑外框和连接于该支撑外框内壁的并联的两传动支链；所述两传动支链具有两级杠杆传动功能且结构对称相同，其各自包括6个柔性铰链，该两传动支链的上端分别与所述形变位移输入部连接，下端分别与所述形变位移输出部连接。

作为进一步改进，在所述的柔性铰链中，与所述支撑外框相连接的柔性铰链为传动杠杆的支点，其余的柔性铰链为位移传输的转动副。

作为进一步改进，所述的定位槽设置于所述底盘的底部，该定位槽为圆形凹槽，其槽底开设有贯通该底盘的圆形通孔，所述底盘的侧偏位置上设有出气孔；所述形变位移输出部为一圆柱体且位于所述柔顺机构的对称中心轴上，该圆柱体伸入所述底盘的圆形通孔中且下端面与所述定位槽的槽底平面齐平；所述形变位移输入部为一刚性质块且位于所述柔顺机构的对称中心轴上，与其相对的上方为夹持部，所述压电叠堆驱动器夹固于该夹持部与形变位移输入部之间的镂空处。