[实用新型]并联偏动式形状记忆合金蠕动机构

说明书

一种并联偏动式形状记忆合金蠕动机构，用于微型管内机器人，属于机械工程类机器人技术领域。

蠕动式管内机器人需要蠕动机构。现有技术中，蠕动机构通常由电机或气缸驱动，电机、气缸驱动的蠕动机构需要减速和传动装置，它们增大了蠕动机构的体积和重量，给管内机器人的微小型化带来很大困难。

本实用新型的目的在于设计开发一种新的用于微型管内机器人的蠕动机构，使之结构紧凑、轻巧，使管内机器人的微小形化成为可能，能适应于各个新技术领域的应用需求。

为实现这样的目的，本实用新型利用了智能型功能材料--形状记忆合金(SMA)的形状记忆效应和处于低温马氏体态时柔弱，高温奥氏体态时强硬的机械特性，采用一根普通螺旋弹簧、一根形状记忆合金(SMA)螺旋弹簧、两个一端凸出呈台阶状的圆柱套筒和两个弹性夹装配而成。具体结构如下：蠕动机构有两个圆柱套筒，圆柱套筒的一端凸出呈台阶状，蠕动机构的两端各有一个弹性夹，在两个圆柱套筒内穿有一根SMA螺旋弹簧，SMA螺旋弹簧的两端用弹性夹子夹住，在圆柱套筒的外面套有一根普通螺旋弹簧，其两端顶在圆柱套筒的台阶处。弹性夹是电的良导体，工作时将两个弹性夹分别通过导线与电源的正负极相连。圆柱套筒有三个作用：一是防止SMA螺旋弹簧与普通螺旋弹簧电接触，二是防止普通螺旋弹簧被压缩后失稳，三是保证蠕动元件可承受一定的径向力，允许产生一定弯曲变形。普通螺旋弹簧、SMA螺旋弹簧和圆柱套筒在结构上并联，使得整个机构更显结构紧凑。

为更好地理解本实用新型的技术解决方案，下面结合附图作进一步详细描述。

附图1为本实用新型的结构示意图。

图中，蠕动机构两端各有一个弹性夹4，两个圆柱套筒2的一端为凸出呈台阶状，在两个圆柱套筒2内穿有一根SMA螺旋弹簧3，SMA螺旋弹簧3的两端用弹性夹子4夹住，在圆柱套筒2的外面套有一根普通螺旋弹簧1，其两端顶在圆柱套筒2的台阶处。两个弹性夹4为良导电体，可接电源。

附图2为图1中A向视图结构示意图。

图中可见，在圆柱套筒2内有SMA螺旋弹簧3，圆柱套筒2的的端部有弹性夹4夹住SMA螺旋弹簧3。

圆柱套筒2可防止SMA螺旋弹簧3与普通螺旋弹簧1电接触，防止普通螺旋弹簧1被压缩后失稳以及保证蠕动元件可承受一定的径向力，允许产生一定弯曲变形。普通螺旋弹簧1、SMA螺旋弹簧3和圆柱套筒2在结构上并联，使得整个机构更显轻巧紧凑。

在通电加热之前，形状记忆合金SMA螺旋弹簧3处于马氏体态，被普通螺旋弹簧1拉伸产生一拉伸变形，普通螺旋弹簧1被SMA螺旋弹簧3压缩产生一压缩变形，二者的变形力平衡。对SMA螺旋弹簧3通电加热使之发生逆相变变为强硬的奥氏体后，生成一较大的相变回复力，该回复力克服普通螺旋弹簧的偏置使蠕动机构收缩，输出力和位移；切断电源，停止加热后，SMA螺旋弹簧冷却到室温发生相变，恢复为柔弱的马氏体，相变回复力消失，SMA螺旋弹簧输出一较小的变形力，这时普通螺旋弹簧克服SMA螺旋弹簧的偏置使蠕动机构舒张，输出力和位移。通过控制电流来控制通过SMA的热量，进而控制蠕动机构的收缩和舒张及其输出力和输出位移。

本实用新型巧妙利用了形状记忆合金集传动、驱动功能于一身的特性，减省了机构的零部件；采用形状记忆合金螺旋弹簧和普通螺旋弹簧分别作主动和偏动元件，保证了有较大的输出位移；主动元件形状记忆合金螺旋弹簧内置于普通螺旋弹簧中，使整个蠕动机构结构紧凑、轻巧。

在本实用新型的一个实施例中，用于驱动一种2英寸管内蠕动机器人的微型蠕动机构，采用的普通螺旋弹簧中径为3.8mm，丝径为0.4mm，有效圈数15圈，材料为普通碳素钢；采用的SMA螺旋弹簧中径为1.5mm，丝径为0.35mm，有效圈数20圈，材料为TiNiCu；蠕动机构舒张尺寸为φ5×27mm，收缩时尺寸为φ5×20mm，零载荷下输出位移为7mm。蠕动机构处于舒张状态时，普通螺旋弹簧由初始状态时的29mm被压缩至25mm，SMA螺旋弹簧由初始状态时的12mm被拉伸至25mm；蠕动机构处于收缩状态时，普通螺旋弹簧由舒张状态时的25mm进一步被压缩至18mm，SMA螺旋弹簧由舒张状态时的25mm收缩为18mm。