CN103350424B - 基于形状记忆聚合物的耐蚀轻质无需给油机械臂 - Google Patents

Abstract

一种基于形状记忆聚合物的耐蚀轻质无需给油机械臂，其特征是它由变形部件、紧固件、基座等组成，全部组成零件均采用聚合物材料制成，可在强酸、强碱等恶劣环境中应用，具有结构简单、质量轻、无给油和可折叠等优点，拓展了机械臂的使用范围，可大幅减轻操作人员的劳动强度、保障操作人员的人身健康、实现安全高效的生产。

Description

基于形状记忆聚合物的耐蚀轻质无需给油机械臂

技术领域

本发明涉及一种搬运机械装置部件，尤其是一种用于特种行业的机械臂，具体说是一种耐腐蚀性能优良的基于形状记忆聚合物的耐蚀轻质无需给油的机械臂。

背景技术

在高温、高压、有放射性以及毒性污染等的恶劣环境中，应用搬运机械可以部分或全部地代替操作人员进行生产，从而减轻操作人员的劳动强度、保障操作人员的人身健康、实现安全高效的生产。然而，目前市场上的搬运机械大多为金属材质，虽然强度高﹑动作准确而且迅速，但是其耐腐蚀能力有限，并不能适于某些特种环境（如强酸、强碱环境）下使用。

机械臂是搬运机械中的一个重要部件，其大大延伸了机械手的操作范围。换言之，机械臂在搬运机械工作过程中和机械手一样，均会直接接触腐蚀介质甚至是强酸、强碱等介质。显然，这种情况下金属材质的机械臂是无法胜任。目前，解决该问题的一般思路是在金属材质机械臂表层增加耐腐蚀涂层。然而，一方面，增加耐腐蚀涂层无疑会增加机械臂的成本；另一方面，耐腐蚀涂层一般均较薄，机械臂在搬运物料过程该涂层极易损耗。此外，现有金属材质的机械臂，还存在结构复杂、质量重、需使用润滑油及震动衰减性差等诸多不足。

聚合物具有极强的耐腐蚀性能，已成为一种重要的新型工程材料。而且，很多聚合物材料具有显著的形状记忆效应，能够感知环境的变化，并以形变的方式做出响应，具有大变形和高恢复的特性。形状记忆聚合物，不仅力学性能可调整范围大，而且其驱动方式有多种，如温度变化、磁场变化、光场变化、电场变化或浸泡溶液浓度变化等。可见，形状记忆聚合物这些特点使其成为制作机械臂的极为理想的选择。

然而，据申请人所知，目前尚未有一种基于形状记忆聚合物的耐蚀轻质且无给油的机械臂可供使用，一定程度上限制了机械手的使用范围。

发明内容

本发明的目的在于针对现有金属材质的机械臂不适于强酸、强碱等环境下工作且存在结构复杂、质量重、需供给润滑油及震动衰减性差等不足，发明一种基于形状记忆聚合物的耐蚀轻质且无给油的机械臂装置。

本发明的技术方案之一是：

一种基于形状记忆聚合物的耐蚀轻质无需给油机械臂，其特征是它包括由单向形状记忆聚合物材料制作的辅助变形部件3和主体变形部件4、由常规聚合物制作的第一紧固件2、用于连接机械手的第一基座1和用于固定在搬运机械主体上的第二基座5，所述的主体变形部件4对称布置于辅助变形部件3的两侧，辅助变形部件3和主体变形部件4的两端由第一紧固件2分别固定在对应的第一基座1和第二基座5上。

所述辅助变形部件3和主体变形部件4中，至少有一个已经经过预变形处理。

所述的预变形为拉伸、弯曲、扭曲、卷曲或者压缩中的一种或多种组合。

本发明的技术方案之二是：

一种基于形状记忆聚合物的耐蚀轻质无需给油机械臂，其特征在于：它包括由双向形状记忆聚合物材料制作的变形部件6、由常规聚合物制作的第二紧固件7、用于连接机械手的第三基座8和用于固定在搬运机械主体上的第四基座9；变形部件6的两端均通过对应的第二紧固件7固定在第三基座8和第四基座9上。

所述的各个零件之间除了能采用聚合物紧固件进行连接外，还能采用聚合物螺钉/螺栓、粘结剂或者激光焊中的一种或者多种方式进行组合来进行连接。

所述的第一基座1、第二基座5、第三基座8、第四基座9采用形状记忆聚合物或常规聚合物制作。

所述的单向或双向形状记忆聚合物为纯聚合物、聚合物泡沫或者聚合物复合材料中的一种或者多种的组合。

所述的聚合物复合材料是由粉体或者纤维与纯聚合物共混复合所形成的复合材料，或者是聚合物与弹性材料分层复合而形成的复合材料。

所述的辅助变形部件3、主体变形部件4、变形部件6的形状恢复率的范围为5~99%。

所述的辅助变形部件3、主体变形部件4、变形部件6所使用的形状记忆聚合物的驱动方式为为度变化、磁场变化、光场变化、电场变化或浸泡溶液浓度变化中的一种或多种组合；采用温度变化驱动方式时，采用电驱动方式，辅助变形部件3、主体变形部件4、变形部件6的变形率和形状恢复率能通过控制其内置电阻丝的加热温度来控制。

本发明的有益效果是：

（1）本发明所述的基于形状记忆聚合物的耐蚀轻质无需给油机械臂，具有很好的耐腐蚀性，可用于强酸、强碱等高腐蚀性环境，拓展了搬运机械的使用范围，可大幅减轻操作人员的劳动强度、保障操作人员的人身健康、实现安全高效的生产。

（2）本发明所述的基于形状记忆聚合物的耐蚀轻质无需给油机械臂，具有结构简单，可折叠封装、质量轻的优点；聚合物材料的密度一般约为2，钢质材料约为8，相同体积下其重量减轻了3倍。

（3）本发明所述的基于形状记忆聚合物的耐蚀轻质无需给油机械臂，具有耐磨损、无需润滑油、减震效果好，使用寿命长，其综合技术经济性突出等特点；同时，该机械臂也可用于其他需要收缩、伸展、扭转等装置。

附图说明

图1基于单向形状记忆聚合物机械臂的伸展状态示意图之一。

图2基于单向形状记忆聚合物机械臂的收缩状态示意图之一。

图3基于双向形状记忆聚合物机械臂的伸展状态示意图之二。

图4基于双向形状记忆聚合物机械臂的收缩状态示意图之二。

1-第一基座，2-第一紧固件2，3-辅助变形部件，4-主体变形部件，5-第二基座，6-变形部件，7-第二紧固件，8-第三基座，9-第四基座。

具体实施方案

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。本发明的保护范围不受具体的实施例所限制，以权利要求书为准。另外，以不违背本发明技术方案的前提下，对本发明所作的本领域普通技术人员容易实现的任何改动或改变都将落入本发明的权利要求范围之内。

实施例一。

如图1、2。

一种基于形状记忆聚合物的耐蚀轻质无需给油机械臂，包括由单向形状记忆聚合物材料制作的辅助变形部件3和主体变形部件4、由常规聚合物制作的紧固件2、用于连接机械手的基座1和用于固定在搬运机械主体上的基座5，如图1所示；辅助变形部件3使用苯乙烯形状记忆聚合物泡沫材料制作、主体变形部件4采用环氧/碳纤维复合材料制作、基座1和5使用碳粉/环氧形状记忆复合材料制作，紧固件2采用环氧聚合物制作。主体变形部件4对称布置于辅助变形部件3的两侧，辅助变形部件3和主体变形部件4的两端由紧固件2固定在基座1和5上。辅助变形部件3、主体变形部件4与基座1和5内部埋有电阻丝，四者均与电源相连。所述辅助变形部件3和主体变形部件4中，至少有一个已经经过拉伸、弯曲、扭曲、卷曲或者压缩中的一种或多种组合的预变形处理。具体实施时，各个零件之间除了能采用聚合物紧固件进行连接外，还能采用聚合物螺钉/螺栓、粘结剂或者激光焊中的一种或者多种方式进行组合来进行连接。所述的第一基座1、第二座5既可采用形状记忆聚合物制作，也可采用常规聚合物制作。单向或双向形状记忆聚合物可采用纯聚合物、聚合物泡沫或者聚合物复合材料中的一种或者多种的组合。采用聚合物复合材料时可以是由粉体或者纤维与纯聚合物共混复合所形成的复合材料，也可以是聚合物与弹性材料分层复合而形成的复合材料。其中的辅助变形部件3、主体变形部件4的形状恢复率的范围应控制在5~99%之间。所述的辅助变形部件3、主体变形部件4所使用的形状记忆聚合物的驱动方式除了前述的电加热温度驱动外，还可采用磁场变化、光场变化、电场变化或浸泡溶液浓度变化中的一种或多种组合进行驱动；采用电驱动方式，主体变形部件3、辅助变形部件4的变形率和形状恢复率能通过控制其内置电阻丝的加热温度来控制。

本发明的工作原理是：

机械臂体开始工作前，主体变形部件4为初始形状，辅助变形部件3已经经过拉伸预变形处理，如图2所示。电阻丝通电后，其电阻热效应使主体变形部件4和辅助变形部件3受热，辅助变形部件3发生形状恢复而缩短，其恢复力推动主体变形部件4发生预变形而处于弯曲状态。断开电流，冷却后，臂体固定为收缩状态，如图1所示。当电阻丝再次通电后，其电阻热效应使主体变形部件4和辅助变形部件3受热，主体变形部件4发生形状恢复而伸长，其恢复力使辅助变形部件3再次产生拉伸预变形。冷却后，臂体固定为展开状态，如图2所示。

实施例二。

 如图3、4。

一种基于形状记忆聚合物的耐蚀轻质无需给油机械臂，包括由双向形状记忆聚合物材料制作的变形部件6、由常规聚合物制作的紧固件7、用于连接机械手的基座8和用于固定在搬运机械主体上的基座9，变形部件6其内部埋有电阻丝，可与电源相连；采用碳纤维/多相共聚酯-氨基甲酸乙酯共聚物双向形状记忆复合材料制作变形部件6，其玻璃化转变温度分别为35℃和65℃；采用环氧聚合物制作紧固件7、基座8和9；变形部件6的两端由紧固件7固定在基座8和9上。

具体实施时，各个零件之间除了能采用聚合物紧固件进行连接外，还能采用聚合物螺钉/螺栓、粘结剂或者激光焊中的一种或者多种方式进行组合来进行连接。所述的第三基座8、第四基座9既可采用形状记忆聚合物制作，也可采用常规聚合物制作。单向或双向形状记忆聚合物可采用纯聚合物、聚合物泡沫或者聚合物复合材料中的一种或者多种的组合。采用聚合物复合材料时可以是由粉体或者纤维与纯聚合物共混复合所形成的复合材料，也可以是聚合物与弹性材料分层复合而形成的复合材料。其中的变形部件6的形状恢复率的范围应控制在5~99%之间。所述的变形部件6所使用的形状记忆聚合物的驱动方式除了电加热温度驱动外，还可采用磁场变化、光场变化、电场变化或浸泡溶液浓度变化中的一种或多种组合进行驱动；采用电驱动方式，变形部件6的变形率和形状恢复率能通过控制其内置电阻丝的加热温度来控制。

变形部件6其内部埋有电阻丝，可与电源相连，通电时电阻丝的热效应可使聚合物受热。通电加热至55℃时，机械臂的变形部件6形状为A，臂体处于收缩状态，如图3所示；冷却至25℃，机械臂的变形部件6表现为形状B，臂体处于伸长状态，如图4所示。温度在55℃和25℃之间重复变化时，变形部件6在A和B之间发生重复的可逆变化，从而实现臂体的收缩与伸展。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种基于形状记忆聚合物的耐蚀轻质无需给油机械臂，其特征是它包括由单向形状记忆聚合物材料制作的辅助变形部件（3）和主体变形部件（4）、由常规聚合物制作的第一紧固件（2）、用于连接机械手的第一基座（1）和用于固定在搬运机械主体上的第二基座（5），所述的主体变形部件（4）对称布置于辅助变形部件（3）的两侧，辅助变形部件（3）和主体变形部件（4）的两端由第一紧固件（2）分别固定在对应的第一基座（1）和第二基座（5）上, 所述的第一基座（1）和第二基座（5）采用形状记忆聚合物或常规聚合物制作；所述辅助变形部件（3）和主体变形部件（4）中，至少有一个已经经过预变形处理。

2.根据权利要求1所述的基于形状记忆聚合物的耐蚀轻质无需给油机械臂，其特征是所述的预变形为拉伸、弯曲、扭曲、卷曲或者压缩中的一种或多种组合。

3.一种基于形状记忆聚合物的耐蚀轻质无需给油机械臂，其特征在于：它包括由双向形状记忆聚合物材料制作的变形部件（6）、由常规聚合物制作的第二紧固件（7）、用于连接机械手的第三基座（8）和用于固定在搬运机械主体上的第四基座（9）；变形部件（6）的两端均通过对应的第二紧固件（7）固定在第三基座（8）和第四基座（9）上；所述的第三基座（8）、第四基座（9）采用形状记忆聚合物或常规聚合物制作。

4.根据权利要求1或3所述的基于形状记忆聚合物的耐蚀轻质无需给油机械臂，其特征是所述的各个零件之间除了能采用聚合物紧固件进行连接外，还能采用聚合物螺钉/螺栓、粘结剂或者激光焊中的一种或者多种方式进行组合来进行连接。

5.根据权利要求1或3所述的基于形状记忆聚合物的耐蚀轻质无需给油机械臂，其特征是所述的单向或双向形状记忆聚合物为纯聚合物、聚合物泡沫或者聚合物复合材料中的一种或者多种的组合。

6.根据权利要求5所述的基于形状记忆聚合物的耐蚀轻质无需给油机械臂，其特征是所述的聚合物复合材料是由粉体或者纤维与纯聚合物共混复合所形成的复合材料，或者是聚合物与弹性材料分层复合而形成的复合材料。

7.根据权利要求1或3所述的基于形状记忆聚合物的耐蚀轻质无需给油机械臂，其特征是所述的辅助变形部件（3）、主体变形部件（4）、变形部件（6）的形状恢复率的范围为5~99%。

8.根据权利要求1或3所述的基于形状记忆聚合物的耐蚀轻质无需给油机械臂，其特征是所述的辅助变形部件（3）、主体变形部件（4）、变形部件（6）所使用的形状记忆聚合物的驱动方式为温度变化、磁场变化、光场变化、电场变化或浸泡溶液浓度变化中的一种或多种组合；采用温度变化驱动方式时，采用电驱动方式，辅助变形部件（3）、主体变形部件（4）、变形部件（6）的变形率和形状恢复率能通过控制其内置电阻丝的加热温度来控制。