CN103671462B - 基于并联柔顺机构的压电无阀微泵吸盘 - Google Patents

Abstract

一种基于并联柔顺机构的压电无阀微泵吸盘，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；柔顺机构设有形变位移输入部、形变位移输出部和定位槽；压电叠堆驱动器固定夹持在形变位移输入部上方的镂空处，并且与形变位移输入部紧密贴合；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，该薄膜微泵卡入柔顺机构的定位槽内并粘接密封，形变位移输出部的下端面与铜基复合薄膜的上平面贴合并粘接；柔顺机构将压电叠堆驱动器通电后产生的单向形变位移放大传动到铜基复合薄膜，驱动薄膜微泵工作，抽取设于单晶硅衬底下部的吸附腔内的气体，形成吸盘的负压。本发明体积小、重量轻、无噪声，可作为爬壁机器人的吸附装置。

Description

基于并联柔顺机构的压电无阀微泵吸盘

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。

作为进一步改进，所述的夹持部的两侧设有U型槽。

作为进一步改进，在所述的铜基复合薄膜的侧偏位置上设有一与所述底盘出气孔位置相对应且相通的偏心圆孔。

作为进一步改进，所述的单晶硅衬底的上部设有圆槽形的泵腔，该泵腔的一侧通过出口锥形管连接一出气圆槽，该出气圆槽与所述铜基复合薄膜的偏心圆孔位置相对应且相通，该泵腔的另一侧通过入口锥形管连接一进气孔，该进气孔与所述单晶硅衬底下部的吸附腔相通。

作为进一步改进，所述的入口锥形管的大口通向所述泵腔，所述出口锥形管的大口通向所述出气圆槽，以控制气体作由所述吸附腔通过泵腔向所述出气孔的定向流动。

作为进一步改进，所述的吸附腔为圆形凹槽，其与所述泵腔同轴且半径尺寸大于该泵腔。

作为进一步改进，所述的铜基复合薄膜采用气相沉积法在表面光滑平整的圆形紫铜箔两面喷涂高分子聚合物派瑞林而制成。

本发明基于仿生学原理，模仿鱿鱼吸盘的吸附机理以及运动特点，集薄膜微泵与负压吸盘为一体，采用功能材料——叠堆压电陶瓷，并经并联柔性机构传动放大形变位移，驱动薄膜微泵工作，为吸盘提供负压。

与现有技术相比，本发明达到了如下有益效果：

采用叠堆压电陶瓷片，不需要外接气源或电机，因而能耗低，体积小，质量轻；通过柔顺机构放大传动形变位移，不使用螺钉装配，不需润滑，具有结构可靠、无噪声的优点；铜基复合薄膜具有很高的剪切强度，弹性好，动态周期长，高频小扰度振动时无噪声；采用单晶硅衬底，将薄膜微泵与吸盘集成一体，具有理想的机械强度，泵腔工作时单晶硅衬底不会发生形变，因此薄膜微泵响应频率高，工作性能稳定，动态寿命周期长；吸盘吸附接触面表面经涂层处理，具有较强的壁面适应能力；本发明主体为长方体，易于与微型机器人足部机构装配。

总之，本发明具有体积小、重量轻、无噪声、机械强度高、动态寿命长等优点，能够为吸盘提供足够的负压，适合作为微型爬壁机器人的负压吸附装置，结构进一步简化后还可应用于其它微流控技术应用装置。

附图说明

图1为本发明的立体图。

图2为本发明的主视图。

图3为图2中A处的局部放大图。

图4为本发明薄膜微泵的主视图。

图5为本发明柔顺机构的主视图。

图6为图5的仰视图。

图7为本发明单晶硅衬底的俯视图。

图8为图7的仰视图。

其中，

1单晶硅衬底，11吸附腔，12吸盘吸附接触面，13进气孔，14泵腔，15出气圆槽，16出口锥形管，17入口锥形管，2铜基复合薄膜，21偏心圆孔，3压电叠堆驱动器，4柔顺机构，40夹持部，41底盘，42支撑外框，43形变位移输入部，44形变位移输出部，45定位槽，46镂空处，47圆形通孔，48出气孔，49U型槽，a、b、c、d、e、f、a’、b’、c’、d’、e’和f’柔性铰链。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明,本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，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。

请结合参阅图1和图2，图示基于并联柔顺机构的压电无阀微泵吸盘包括单晶硅衬底1、铜基复合薄膜2、柔顺机构4和压电叠堆驱动器3。所述柔顺机构4上部的中央设有形变位移输入部43，下部的中央设有形变位移输出部44，该柔顺机构4的底部设有定位槽45；所述柔顺机构4通过预紧将压电叠堆驱动器3固定夹持在所述形变位移输入部43上方的镂空处46，并且与形变位移输入部43紧密贴合；采用环氧结构粘结胶将位于上层的铜基复合薄膜2与位于下层的单晶硅衬底1粘接在一起组装成薄膜微泵，再将该薄膜微泵卡入所述柔顺机构4的定位槽45内并粘接密封，该柔顺机构4的形变位移输出部44的下端面与所述铜基复合薄膜2的上平面贴合并粘接；所述压电叠堆驱动器3在通电后产生单向形变位移，所述柔顺机构4将该单向形变位移放大传动到所述铜基复合薄膜2，驱动所述薄膜微泵工作，抽取设于所述单晶硅衬底1下部的吸附腔11内的气体，形成所述吸盘的负压。

本实施例中，使用的环氧结构粘接胶耐机械振动、抗冲击，具有极高的剪切和剥离强度，适用于粘接金属、陶瓷、玻璃以及硬塑料等大部分材料。

所述的压电叠堆驱动器3为方形低压叠堆压电陶瓷片，采用PZT材料制作，其具有大负载力、线性形变位移输出、响应频率高、动态寿命周期长等优异性能，通电后有单向形变位移输出。

请结合参阅图5和图6，所述的柔顺机构4采用残余应力小、疲劳周期长的高性能材料，通过一体化加工方式制成，其内部结构紧凑，集微位移传动与支撑功能于一体。所述柔顺机构4为左右对称的构件，主体呈长方体并镂空，其包括圆形的底盘41、连接于该底盘41上部的支撑外框42和连接于该支撑外框42内壁的并联的两传动支链。

所述柔顺机构4的上部镂空，形成所述的形变位移输入部43和夹持部40，用于夹装压电叠堆驱动器3，并留有安装驱动电源线的空间。该形变位移输入部43为一刚性质块，并且位于所述柔顺机构4的对称中心轴上，该夹持部40位于与所述形变位移输入部43相对的上方的支撑外框42上，该夹持部40与形变位移输入部43之间为镂空处46，所述夹持部40的两侧的交接缝处设有U型槽49，以防止压电叠堆驱动器3因边缘应力集中而产生裂纹。

所述压电叠堆驱动器3固定夹持在所述形变位移输入部43上方的镂空处46，并且与形变位移输入部43紧密贴合，该形变位移输入部43承受力大，能将该压电叠堆驱动器3的微小位移线性放大10倍后输出。

所述底盘41的底部设有所述的定位槽45，该定位槽45为圆形凹槽，其槽底开设有贯通该底盘41的且位于对称中心轴上的圆形通孔47，该圆形通孔47与所述定位槽45构成阶梯通孔；所述底盘41的侧偏位置上设有出气孔48与外界连通，以排放由所述薄膜微泵出来的气体。

所述柔顺机构4下部的中央镂空形成一质块，所述形变位移输出部44为一小半径圆柱体，位于所述柔顺机构4的对称中心轴上且连接于该质块下方，该圆柱体伸入所述底盘41的圆形通孔47中且下端面与所述定位槽45的槽底平面451齐平，同时与所述铜基复合薄膜2的上平面贴合并粘接，从而将所述柔顺机构4放大的位移传动到微泵薄膜。

所述两传动支链具有运动方向平行的两级杠杆传动功能且结构对称相同，该两传动支链并联封闭，它们的上端分别与所述形变位移输入部43连接，下端分别与所述形变位移输出部44连接。所述两传动支链各自包括6个柔性铰链，一传动支链包括柔性铰链a、b、c、d、e和f，另一传动支链包括与之对称相同的柔性铰链a’、b’、c’、d’、e’和f’；其中，与所述支撑外框42直接相连接的柔性铰链b、e、b’和e’为传动杠杆的支点，其余的柔性铰链a、c、d、f、a’、c’、d’和f’为位移传输的功能性转动副，其中，a和a’为直梁型柔性铰链，其余为椭圆型柔性铰链。

所述的铜基复合薄膜2采用气相沉积法在表面光滑平整的圆形紫铜箔两面喷涂高分子聚合物——派瑞林而制成，该铜基复合薄膜2具有厚度小、不易疲劳、弹性形变近似理想、极高的抗剥离强度，气体分子低渗透性以及极佳的化学惰性等优点，能牢固通过环氧结构粘接胶水与柔顺机构4粘合。请结合参阅图3和图4，在所述的铜基复合薄膜2的侧偏位置上设有一偏心圆孔21，该偏心圆孔21与所述底盘41的出气孔48的位置相对应且相通。

请结合参阅图4、图7和图8，所述的单晶硅衬底1采用硬度高、无塑性形变、高化学惰性等单晶硅材料制成，其上部设有圆槽形的泵腔14，下部设有所述吸附腔11。该吸附腔11为圆形凹槽，其与所述泵腔14同轴且半径尺寸大于该泵腔14。该泵腔14的一侧通过出口锥形管16连接一出气圆槽15，该出气圆槽15与所述铜基复合薄膜2的偏心圆孔21位置相对应且相通，该泵腔14的另一侧通过入口锥形管17连接一进气孔13，该进气孔13将所述泵腔14与吸附腔11连接相通。

请参阅图7，所述的入口锥形管17的大口通向所述泵腔14，所述出口锥形管16的大口通向所述出气圆槽15，以对运动流体具有定向导流作用，控制气体作由所述吸附腔11通过泵腔14向所述出气孔48的定向流动，从而具有动态整流效应，响应频率高的优点。

所述吸附腔11周边的单晶硅衬底1的底面为吸盘吸附接触面12，该吸盘吸附接触面12涂刷有有机硅涂层材料；本实施例中，所述的有机硅涂层材料具有优异的绝缘、防尘、防污等特点，刷涂工艺方便，固化后能够保持气体密封性。

请参阅图4，所述的铜基复合薄膜2与单晶硅衬底1粘接在一起组装成薄膜微泵，且一并卡入和粘接密封在所述柔顺机构4的定位槽45内，装配时需将单晶硅衬底1的出气圆槽15、铜基复合薄膜2的偏心圆孔21与柔顺机构4的出气孔48重合对齐。如此的结构将薄膜微泵与吸盘集成一体，薄膜微泵振动工作时不会引起单晶硅衬底1形变。

本发明的工作原理是，当吸盘放置在吸附目标上时，首先给压电叠堆驱动器3通入正压交流电，压电叠堆驱动器3做单向往复形变，经柔顺机构4将压电叠堆驱动器3的微小形变位移放大传动，驱动铜基复合薄膜2做单向往复振动，进而改变单晶硅衬底1泵腔14的体积以产生流体运动，经单晶硅衬底1上平面锥形管16和17的单向整流作用，抽取吸附腔11内的气体，为吸盘提供足够大的负压。停止对压电叠堆驱动器3供电后，形变立即消失，铜基复合薄膜2停止振动回复原位，从而吸盘负压立即消失。由于吸盘尺寸较小，且吸盘吸附接触面12涂有具有弹性的有机硅涂层，因此对墙面的适应能力较强。

本发明具有寿命长、吸附性能稳定可靠、无噪音、不需使用螺钉紧固、不需外接气源或电机驱动的优点，同时易于与微型机器人足机构结合，从而为微型爬壁机器人提供了一种高效、稳定的微型吸附装置。所述基于并联柔顺机构的压电无阀微泵吸盘不仅可用作为爬壁机器人的吸附机构，而且可应用于其它微流控技术应用装置。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，所作出的任何修改、等同替换、变型和改进，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于并联柔顺机构的压电无阀微泵吸盘，其特征是：所述吸盘包括单晶硅衬底、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。

2.根据权利要求1所述的基于并联柔顺机构的压电无阀微泵吸盘，其特征是：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。

3.根据权利要求2所述的基于并联柔顺机构的压电无阀微泵吸盘，其特征是：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。

4.根据权利要求2所述的基于并联柔顺机构的压电无阀微泵吸盘，其特征是：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。

5.根据权利要求4所述的基于并联柔顺机构的压电无阀微泵吸盘，其特征是：所述的夹持部的两侧设有U型槽。

6.根据权利要求4所述的基于并联柔顺机构的压电无阀微泵吸盘，其特征是：在所述的铜基复合薄膜的侧偏位置上设有一与所述底盘出气孔位置相对应且相通的偏心圆孔。

7.根据权利要求6所述的基于并联柔顺机构的压电无阀微泵吸盘，其特征是：所述的单晶硅衬底的上部设有圆槽形的泵腔，该泵腔的一侧通过出口锥形管连接一出气圆槽，该出气圆槽与所述铜基复合薄膜的偏心圆孔位置相对应且相通，该泵腔的另一侧通过入口锥形管连接一进气孔，该进气孔与所述单晶硅衬底下部的吸附腔相通。

8.根据权利要求7所述的基于并联柔顺机构的压电无阀微泵吸盘，其特征是：所述的入口锥形管的大口通向所述泵腔，所述出口锥形管的大口通向所述出气圆槽，以控制气体作由所述吸附腔通过泵腔向所述出气孔的定向流动。

9.根据权利要求7所述的基于并联柔顺机构的压电无阀微泵吸盘，其特征是：所述的吸附腔为圆形凹槽，其与所述泵腔同轴且半径尺寸大于该泵腔。

10.根据权利要求1或6所述的基于并联柔顺机构的压电无阀微泵吸盘，其特征是：所述的铜基复合薄膜采用气相沉积法在表面光滑平整的圆形紫铜箔两面喷涂高分子聚合物派瑞林而制成。