CN104989940A

CN104989940A - 一种主动位姿控制四面体单元张拉整体结构

Info

Publication number: CN104989940A
Application number: CN201510253809.XA
Authority: CN
Inventors: 张大旭; 陈务军; 陈明明; 许子璇
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2015-05-18
Filing date: 2015-05-18
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2035-05-18
Also published as: CN104989940B

Abstract

本发明公开了一种主动位姿控制四面体单元张拉整体结构，包括N个四面体刚性单元，刚性单元之间通过形状记忆合金和弹簧组成张拉整体单元，每个四面体刚性单元主要由一个刚性球体和与刚性球体连接的四个刚性杆件组成，相邻刚性杆件之间成一定夹角，相邻两个刚性单元的对应节点之间通过所述形状记忆合金连接，第二个四面体刚性单元的刚性杆件II-2、II-3末端分别与第一个四面体刚性单元的刚性杆件I-4、I-5末端通过所述弹簧连接，第三个四面体刚性单元的刚性杆件III-2，III-3末端分别与第二个四面体刚性单元的刚性杆件II-4，II-5末端通过所述弹簧连接，依次类推。本发明具有结构简单、易于控制、可靠性高、收拢体积小等特点，适用于仿生结构、空间结构、机械、航天及建筑领域中的应用。

Description

一种主动位姿控制四面体单元张拉整体结构

技术领域

本发明涉及本发明涉及主动控制空间结构位姿的技术领域，具体是一种可应用于航天、机械、建筑、仿生等领域的主动位姿控制四面体单元张拉整体结构。

背景技术

张拉整体结构是利用张拉一只析原理设计的，由N个节点组成的一组不连续的受压杆件与一组连续的受拉弹性单元组成的自支承、自应力的空间结构，可以充分利用材料和截面的特性，尽量减少空间结构的质量和尺寸。在机械、航天及建筑领域具有较好的应用前景。由于含有连续的弹性单元，张拉整体结构在空间内的位姿具有多种多样的形式，可根据不同的形状需求进行设计，因此变位姿是张拉整体结构一个显著特征。

目前已有的张拉整体结构从位姿变换角度都属于被动结构，即需要人为施加末端的载荷改变末端刚性单元的位姿，进而改变受拉弹性单元的内力，维持基本的平衡的稳定状态，但在某些领域的应用中，需要对结构进行主动位姿控制，这就需要对张拉整体结构进行相应的改进，在不增加整体结构复杂度和实现难度的情况下，增加主动控制单元。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的不足，提供一种主动位姿控制四面体单元张拉整体结构，完成张拉整体结构的末端位姿控制问题，并可在多个领域进行应用。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种主动位姿控制四面体单元张拉整体结构，包括N个四面体刚性单元，刚性单元之间通过形状记忆合金和弹簧组成张拉整体单元，每个四面体刚性单元主要由一个刚性球体和与刚性球体连接的四个刚性杆件组成，相邻刚性杆件之间成一定夹角，相邻两个刚性单元的对应节点之间通过所述形状记忆合金连接，第二个四面体刚性单元的刚性杆件II-2、II-3末端分别与第一个四面体刚性单元的刚性杆件I-4、I-5末端通过所述弹簧连接，第三个四面体刚性单元的刚性杆件III-2，III-3末端分别与第二个四面体刚性单元的刚性杆件II-4，II-5末端通过所述弹簧连接，依次类推。

相邻两个四面体刚性单元对应节点之间的形状记忆合金与节点之间为球副连接，在整体结构位姿变化过程中，形状记忆合金与节点之间始终保持连接。

所述形状记忆合金能够在一定范围内伸长或缩短，控制其所连接的两个节点之间的距离，从而控制相邻两个刚性单元的位姿关系，进而实现控制第N个刚性单元的末端位姿。在变化过程中弹簧有可能处于不受力状态，但不影响整体稳定性。

所述形状记忆合金通过电流大小控制其长短。

所述四面体刚性单元中，刚性杆件I-2、I-3所在的平面与刚性杆件I-4、I-5所在的平面垂直，刚性杆件I-2与I-3之间的夹角被刚性杆件I-4、I-5所在的平面平分；刚性杆件I-4与I-5之间的夹角被刚性杆件I-2、I-3所在的平面平分。

所述夹角90°≤θ≤130°。

相邻两个四面体刚性单元之间的弹簧为单向弹簧，在整体结构位姿变化过程中只承受拉力，而不承受压力，弹簧长度受四面体刚性单元相对位置的变化影响，属于被动变化件。

在考虑重力影响下，第二个四面体刚性单元的刚性杆件II-2、II-3的末端节点要比第一个四面体刚性单元的刚性杆件I-4、I-5的末端节点低，这四个节点之间的弹簧处于拉伸状态，承受第二个及以上四面体刚性单元的重力及负载；第三个四面体刚性单元的刚性杆件III-2、III-3的末端节点要比第二个四面体刚性单元的刚性杆件II-4、II-5的末端节点低，这四个节点之间的弹簧处于拉伸状态，承受第三个及以上四面体刚性单元的重力及负载，依次类推，使整体结构处于平衡稳定状态。

所述四面体刚性单元数量根据需要进行增减。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术方案相比，具有以下的优点和积极效果：本发明的主动位姿控制四面体单元张拉整体结构，充分利用刚性杆件的材料和截面特性，发挥刚性杆件抗压性能和弹性单元抗拉性能好的优点，将其组合成张拉整体结构，利用形状记忆合金替代了部分弹性单元，可通过电流大小或温度高低方便的控制形状记忆合金的长短，进而控制相邻刚性单元的位姿关系，满足某些特定领域的位姿主动控制需求。其控制原理简单易行，位姿关系计算方式简单，可通过两个单元之间的相对位置关系，方便的计算出相连四个形状记忆合金的长度，计算所需的电流或温度，发挥主动控制功能。本发明采用的刚性基本单元和弹性连续单元扩展性良好，可方便的进行数量的扩展，用于满足较大空间内的建造和负载需求。本发明的张拉整体结构是一种高次超静定的柔性结构，在一定的负载范围内，弹性单元可灵活调整内力，适应负载的变化，使结构稳定可靠。

附图说明

图1是本发明所提供的张拉整体结构立体图；

图2是图1的正视图；

图3是图1的侧视图；

图4是图1的俯视图；

图5是图1的四面体刚性单元示意图；

图6是图1的弯曲状态示意图；

图7(a)～图7(c)是图1在拉伸和压缩状态时的示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明技术方案做一详细的描述。

图1～图5所示，本发明所提供的主动位姿控制四面体单元张拉整体结构一实施例，包括N个四面体刚性单元I、II、III……N，如图1所示，四面体刚性单元I与II之间通过形状记忆合金I-6～I-9和弹簧I-10～I-13组成张拉整体单元，四面体刚性单元II与III之间通过形状记忆合金II-6～II-9和弹簧II-10～II-13b组成张拉整体单元，依次类推。每个四面体刚性单元均是由一个刚性球体和四个刚性杆件组成，如图所示，四面体刚性单元I由一个刚性球体I-1和四个刚性杆件I-2～I-5组成，四面体刚性单元II由一个刚性球体II-1和四个刚性杆件II-2～II-5组成，依次类推。刚性杆件之间成一定夹角θ。相邻两个四面体刚性单元对应节点之间通过形状记忆合金球铰连接。第二个四面体刚性单元的刚性杆件II-2、II-3末端分别与第一个四面体刚性单元的刚性杆件I-4、I-5末端通过弹簧I-10和I-12连接，第三个四面体刚性单元的III-2、III-3末端分别与第二个四面体刚性单元的II-4、II-5末端通过弹簧II-10和II-12连接，依次类推。

本实施例中，相邻两个四面体刚性单元对应节点之间的形状记忆合金与刚性杆件的末端节点之间为球副连接，在整体结构位姿变化过程中，形状记忆合金与节点之间始终以节点为圆心的保持连接，形状记忆合金可以通过电流大小调整两个节点之间的距离。

图4所示，张拉整体单元中的弹簧(N-1)-10～(N-1)-13属于四面体刚性单元N-1与N之间的，刚性杆件N-2～N-5、刚性球体N-1组成四面体刚性单元N。

图5所示，本实施例中，四面体刚性单元I的四个节点连线组成一个四面体单元，刚性杆件I-2、I-3所在的平面与刚性杆件I-4、I-5所在的平面垂直，刚性杆件I-2与I-3之间夹角成一定角度θ(90°-130°)，且被刚性杆件I-4、I-5所在的平面平分；刚性杆件I-4与I-5之间成一定夹角，且被刚性杆件I-2、I-3所在的平面平分。

本实施例中，相邻两个四面体刚性单元之间的弹簧为单向弹簧，在整体结构位姿变化过程中只承受拉力，而不承受压力，弹簧长度受单元相对位置的变化影响，属于被动变化件。

在图2和图3所示，本实施例中，考虑重力影响下，第二个四面体刚性单元的刚性杆件II-2、II-3的末端节点要比第一个四面体刚性单元的刚性杆件I-4、I-5的末端节点低，这四个节点之间的弹簧处于拉伸状态，承受第二个及以上四面体刚性单元的重力及负载，第三个四面体刚性单元的相应刚性杆件的末端节点要比第二个四面体刚性单元的刚性杆件II-4、II-5的末端节点低，这四个节点之间的弹簧处于拉伸状态，承受第三个及以上四面体刚性单元的重力及负载，依次类推，使整体结构处于平衡稳定状态。

在图5和图6所示，本实施例中，其中的形状记忆合金可在一定范围内伸长或缩短，控制相邻两个四面体刚性单元的位姿关系，从而控制第N个四面体刚性单元的末端位姿，在变化过程中弹簧有可能处于不受力状态，但不影响整体稳定性。

本发明提供的主动位姿控制四面体单元张拉整体结构的位姿控制状态包括但不限于一下几种：

1)当两个四面体刚性单元之间的四个形状记忆合金长度发生变化，如图6所示，形状记忆合金I-8缩短，形状记忆合金I-9伸长，另外两根I-6、I-7长度不变，此时第二个四面体刚性单元相对于第一个四面体刚性单元向左转动，张拉整体结构表现为整体的向左弯曲。

2)当两个四面体刚性单元之间的四个形状记忆合金长度发生变化，如图7(a)～图7(c)所示，四个形状记忆合金I-6、I-7、I-8、I-9的长度同时伸长，张拉整体结构由原来的图7(a)状态变为图7(b)状态，高度增加H₁；四个形状记忆合金I-6、I-7、I-8、I-9的长度同时缩短，张拉整体结构由原来的图7(a)状态变为图7(c)状态，高度降低H₂；

综上所述，本发明提供的主动位姿控制四面体单元张拉整体结构，主要解决张拉整体结构的位姿控制问题。本结构由刚性球体、刚性杆件、形状记忆合金和弹簧组成。每刚性球体与四个刚性杆件固结，组成一个四面体刚性单元，两个刚性单元之间连接四个形状记忆合金和四个弹簧，单元数量可根据需求增减。形状记忆合金可根据电流的大小控制伸长和缩短，从而控制刚性单元之间的位姿关系，进而控制张拉整体结构的末端位姿。本发明具有结构简单、易于控制、可靠性高、收拢体积小等特点。

上述实施例仅用于说明本发明技术方案，但其并不是用来限定本发明。任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的内容对本发明所提出的方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明的技术内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种主动位姿控制四面体单元张拉整体结构，其特征在于，包括N个四面体刚性单元，刚性单元之间通过形状记忆合金和弹簧组成张拉整体单元，每个四面体刚性单元主要由一个刚性球体和与刚性球体连接的四个刚性杆件组成，相邻刚性杆件之间成一定夹角，相邻两个刚性单元的对应节点之间通过所述形状记忆合金连接，第二个四面体刚性单元的刚性杆件II-2、II-3末端分别与第一个四面体刚性单元的刚性杆件I-4、I-5末端通过所述弹簧连接，第三个四面体刚性单元的刚性杆件III-2，III-3末端分别与第二个四面体刚性单元的刚性杆件II-4，II-5末端通过所述弹簧连接，依次类推。

2.根据权利要求1所述的主动位姿控制四面体单元张拉整体结构，其特征在于，相邻两个四面体刚性单元对应节点之间的形状记忆合金与节点之间为球副连接，在整体结构位姿变化过程中，形状记忆合金与节点之间始终保持连接。

3.根据权利要求2所述的主动位姿控制四面体单元张拉整体结构，其特征在于，所述形状记忆合金能够在一定范围内伸长或缩短，控制其所连接的两个节点之间的距离，从而控制相邻两个刚性单元的位姿关系，进而实现控制第N个刚性单元的末端位姿。

4.根据权利要求3所述的主动位姿控制四面体单元张拉整体结构，其特征在于，所述形状记忆合金通过电流大小控制其长短。

5.根据权利要求1所述的主动位姿控制四面体单元张拉整体结构，其特征在于，所述四面体刚性单元中，刚性杆件I-2、I-3所在的平面与刚性杆件I-4、I-5所在的平面垂直，刚性杆件I-2与I-3之间的夹角被刚性杆件I-4、I-5所在的平面平分；刚性杆件I-4与I-5之间的夹角被刚性杆件I-2、I-3所在的平面平分。

6.根据权利要求5所述的主动位姿控制四面体单元张拉整体结构，其特征在于，所述夹角90°≤θ≤130°。

7.根据权利要求1所述的主动位姿控制四面体单元张拉整体结构，其特征在于，相邻两个四面体刚性单元之间的弹簧为单向弹簧，在整体结构位姿变化过程中只承受拉力，而不承受压力，弹簧长度受四面体刚性单元相对位置的变化影响，属于被动变化件。

8.根据权利要求1所述的主动位姿控制四面体单元张拉整体结构，其特征在于，在考虑重力影响下，第二个四面体刚性单元的刚性杆件II-2、II-3的末端节点要比第一个四面体刚性单元的刚性杆件I-4、I-5的末端节点低，这四个节点之间的弹簧处于拉伸状态，承受第二个及以上四面体刚性单元的重力及负载；第三个四面体刚性单元的刚性杆件III-2、III-3的末端节点要比第二个四面体刚性单元的刚性杆件II-4、II-5的末端节点低，这四个节点之间的弹簧处于拉伸状态，承受第三个及以上四面体刚性单元的重力及负载，依次类推，使整体结构处于平衡稳定状态。

9.根据权利要求1所述的主动位姿控制四面体单元张拉整体结构，其特征在于，所述四面体刚性单元数量根据需要进行增减。