CN105416613A - 一种基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构及抓捕空间碎片方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构及抓捕空间碎片方法。本发明为了解决传统的航天机械、电动机驱动抓捕结构复杂，质量大的问题，进而提出一种基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构及抓捕空间碎片方法。基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构主要由形状记忆聚合物复合材料薄板片层的展开结构即三翼式展开梁与介电弹性体组成；其中形状记忆聚合物复合材料薄板片层组成的结构用于驱动和控制抓捕结构到指定位置，由形状记忆聚合物与介电弹性体组成的结构用于抓捕空间碎片。本发明结构简单，可靠性高，应用于可重复柔性抓捕结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构及抓捕空间碎片方法。
背景技术
近年来，智能聚合物材料与结构技术发展较快，尤其是航天领域的展开结构机构应用受到更加广泛的重视和认可，一些基于介电弹性体或形状记忆聚合物复合材料的智能主动变形结构已经完成原理性演示验证，并已获得型号上的应用。传统的机械臂都是以刚性的材料为组件。而基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构，通过材料的自身变形驱动，无需借用电机或机械，具有质量轻，可重复工作、能耗低等特点。利用介电弹性体和形状记忆聚合物两种智能驱动器材料替代目前传统的航天机械、电动机驱动结构，通过材料和结构自身的主动变形来实现柔性抓捕结构的可控展开和重复抓捕，具有无附加复杂的驱动机构、结构简单、重量轻、展开过程稳定和冲击较小等优点。
发明内容
本发明为了解决传统的航天机械、电动机驱动抓取结构复杂，质量大的问题，进而提出一种基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构及抓捕空间碎片方法。
一种基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构主要由基于形状记忆聚合物复合材料薄板片层的展开结构即三翼式展开梁Ⅰ与基于介电弹性体的柔性抓捕结构Ⅱ；其中三翼式展开梁结构Ⅰ由主轴Ⅲ、片层Ⅳ、片层连接件Ⅴ、片层连接件配件Ⅵ组成；介电弹性体柔性抓捕结构Ⅱ由介电弹性体卷形弯曲驱动器结构和介电弹性体柔性抓捕结构的支撑结构组成，其中介电弹性体卷形弯曲驱动器结构由弹簧Ⅶ、介电弹性体Ⅷ、碳涂层Ⅸ组成；
三翼式展开梁结构Ⅱ的一端采用螺栓紧固或铆接的固定方式连接在基于介电弹性体的柔性抓捕结构Ⅱ上，其中，三翼式可展开梁结构片层Ⅳ、片层连接件Ⅴ、片层连接件配件Ⅵ采用铆接的连接方式连接在主轴Ⅲ上，介电弹性体卷形弯曲驱动器结构和介电弹性体柔性抓捕结构的支撑结构采用紧定套固定的方式连接，介电弹性体卷形弯曲驱动器结构外圈的径向尺寸被压缩而夹紧在支撑结构上，固定单个爪的轴向，其中，介电弹性体卷形弯曲驱动器结构种弹簧Ⅶ连接在介电弹性体Ⅷ中，并且介电弹性体Ⅷ外涂有碳涂层Ⅸ。
本发明的一种基于可重复柔性抓捕结构的抓捕过程通过以下步骤实现：
步骤一、将形状记忆聚合物复合材料片层组装起来，得到基于形状记忆聚合物复合材料片层的展开结构即三翼式展开梁Ⅰ；制备基于介电弹性体的抓捕结构Ⅱ，于介电弹性体的抓捕结构Ⅱ外层以形状记忆聚合物包覆；
步骤二、采用电加热的方式，驱动和控制介电弹性体的抓捕结构Ⅱ到指定抓捕位置；
步骤三、采用电加热的方式对包覆于介电弹性体外侧的形状记忆聚合物加热至转变玻璃化温度以上，采用电驱动的方式驱动基于介电弹性体的抓捕结构Ⅱ，抓捕卫星或空间碎片；
步骤四、停止对介电弹性体包覆于外侧的形状记忆聚合物加热，抓取形状被包覆于外层的形状记忆聚合物所固定，完成抓取动作；
步骤五、解除介电弹性体内的电压，并再次对包覆于介电弹性体外侧的形状记忆聚合物加热，装置恢复原状；重复以上步骤完成第二次抓取动作。
发明效果：
1、本发明的展开结构由形状记忆聚合物设计构成，它与传统展开结构存在的重量大，机械结构复杂，展开过程不稳定，制造工业复杂相比，本发明基于形状记忆聚合物的展开结构具有以下优点：
(1)结构简单可靠，稳定性高，质量轻；
(2)结构展开所需驱动力较小，过程比较平稳，对系统的冲击小，尤其避免了展开开始瞬间和锁紧末期剧烈的冲击载荷；
(3)具有设计的灵活性。
2、本发明形状记忆聚合物利用其自身的性质完成其展开过程，只需要在其表面安装电热膜，直接加热，或者涂导电胶，而不需要复杂的机械结构，结构简单；由于形状记忆聚合物性质稳定，展开机理简单，其展开过程可靠性高，依靠材料的变形回复过程进行展开，展开过程回复力平稳；由于没有复杂的驱动原件，在冲击与震荡下只要承载结构不被破坏，机构就能正常展开与正常工作；本发明的抓取结构由介电弹性体与形状记忆聚合物的构成，驱动原理简单。
附图说明
图1为基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构示意图，该结构主要由基于形状记忆聚合物复合材料薄板片层的展开结构即三翼式可展开梁Ⅰ和基于介电弹性体的柔性抓捕结构Ⅱ组成；
图2为基于形状记忆聚合物三翼式可展开梁Ⅰ结构片层单元示意图；其中三翼式可展开梁Ⅰ结构片层单元由主轴Ⅲ、片层Ⅳ、片层连接件Ⅴ、片层连接件配件Ⅵ组成；
图3为基于介电弹性体柔性抓捕结构示意图；基于介电弹性体柔性抓捕结构Ⅱ由介电弹性体卷形弯曲驱动器结构如图3a中Ⅹ和介电弹性体柔性抓捕结构的支撑结构如图3b组成，图3a为介电弹性体卷形弯曲驱动器结构制备流程示意图；其中介电弹性体卷形弯曲驱动器结构由弹簧Ⅶ、介电弹性体Ⅷ、碳涂层Ⅸ组成；
图4为基于介电弹性体六爪式柔性抓捕结构示意图，其中图4a为基于介电弹性体六爪式柔性抓捕结构的展开状态，图4b为基于介电弹性体六爪式柔性抓捕结构抓取状态；
图5为基于介电弹性体三爪式柔性抓捕结构示意图；其中图5a为基于介电弹性体三爪式柔性抓捕结构的展开状态，图5b基于介电弹性体三爪式柔性抓捕结构抓取状态；
图6为基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构，驱动和控制抓捕结构到指定抓捕位置的过程的示意图；其中，图6a为为基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构折叠状态，图6b为基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构展开状态，图6c为基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构完全展开状态；
图7为基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构抓捕状态示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合图1-7和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
具体实施方式一、本实施方式基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构包括：
一种基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构主要由基于形状记忆聚合物复合材料薄板片层的展开结构即三翼式展开梁Ⅰ与基于介电弹性体的柔性抓捕结构Ⅱ；其中三翼式展开梁结构Ⅰ由主轴Ⅲ、片层Ⅳ、片层连接件Ⅴ、片层连接件配件Ⅵ组成；介电弹性体柔性抓捕结构Ⅱ由介电弹性体卷形弯曲驱动器结构和介电弹性体柔性抓捕结构的支撑结构组成，其中介电弹性体卷形弯曲驱动器结构由弹簧Ⅶ、介电弹性体Ⅷ、碳涂层Ⅸ组成；
三翼式展开梁结构Ⅱ的一端采用螺栓紧固或铆接的固定方式连接在基于介电弹性体的柔性抓捕结构Ⅱ上，其中，三翼式可展开梁结构片层Ⅳ、片层连接件Ⅴ、片层连接件配件Ⅵ采用铆接的连接方式连接在主轴Ⅲ上，介电弹性体卷形弯曲驱动器结构和介电弹性体柔性抓捕结构的支撑结构采用紧定套固定的方式连接，介电弹性体卷形弯曲驱动器结构外圈的径向尺寸被压缩而夹紧在支撑结构上，固定单个爪的轴向，其中，介电弹性体卷形弯曲驱动器结构种弹簧Ⅶ连接在介电弹性体Ⅷ中，并且介电弹性体Ⅷ外涂有碳涂层Ⅸ。
本实施方式的有益效果：
1、本发明的展开结构由形状记忆聚合物设计构成，它与传统展开结构存在的重量大，机械结构复杂，展开过程不稳定，制造工业复杂相比，本发明基于形状记忆聚合物的展开结构具有以下优点：
(1)结构简单可靠，稳定性高，质量轻；
(2)结构展开所需驱动力较小，过程比较平稳，对系统的冲击小，尤其避免了展开开始瞬间和锁紧末期剧烈的冲击载荷；
(3)具有设计的灵活性。
2、本发明形状记忆聚合物利用其自身的性质完成其展开过程，只需要在其表面安装电热膜，直接加热，或者涂导电胶，而不需要复杂的机械结构，结构简单；由于形状记忆聚合物性质稳定，展开机理简单，其展开过程可靠性高，依靠材料的变形回复过程进行展开，展开过程回复力平稳；由于没有复杂的驱动原件，在冲击与震荡下只要承载结构不被破坏，机构就能正常展开与正常工作；本发明的抓取结构由介电弹性体与形状记忆聚合物的构成，驱动原理简单。
具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一不同，实施方式所述的基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构，其特征在于基于介电弹性体抓捕结构其外层包覆形状记忆聚合物，其形状记忆聚合物含有增强相。
具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式一不同，本实施方式所述的基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构，其特征在于介电弹性体抓捕结构外层的形状记忆聚合物为环氧类的热塑性形状记忆聚合物、环氧类的热固性形状记忆聚合物、聚酰亚胺形状记忆聚合物、氰酸酯类形状记忆聚合物组成。
具体实施方式四、本实施方式与具体实施方式一不同，本实施方式所述的基于形状记忆聚合物复合材料薄板片层结构，在形状记忆聚合物薄板片层的凸面上覆盖电热膜，电热膜的导线放置到形状记忆聚合物复合材料薄板片层结构的凹面中。
具体实施方式五、本实施方式与具体实施方式一不同，本实施方式所述的基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构，其特征在于形状记忆聚合物复合材料薄板片层是由碳纤维平纹布作为纤维增强材料，由形状记忆聚合物作为基体，采用模具固化成型法制成。
具体实施方式六、本实施方式与具体实施方式五不同，本实施方式所述的基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构，其形状记忆聚合物复合材料薄板片层中的碳纤维平纹布为1-3层。
具体实施方式七、本实施方式与具体实施方式一不同，本实施方式所述的基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构，其特征在于基于介电弹性体抓捕结构的介电弹性体Ⅵ为丙烯酸和硅橡胶，以及电子型介电弹性体。
具体实施方式八、本实施方式所述的基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构，其特征在于介电弹性体的柔性抓捕结构为三爪式如图5或六爪式如图4。
具体实施方式九、本实施方式所述的可重复柔性抓捕结构抓捕空间碎片的方法通过以下步骤实现：
步骤一、将形状记忆聚合物复合材料片层组装起来，得到基于形状记忆聚合物复合材料片层的展开结构即三翼式展开梁Ⅰ；制备基于介电弹性体的抓捕结构Ⅱ，于介电弹性体的抓捕结构Ⅱ外层以形状记忆聚合物包覆；
步骤二、采用电加热的方式，驱动和控制介电弹性体的抓捕结构Ⅱ到指定抓捕位置；
步骤三、采用电加热的方式对包覆于介电弹性体外侧的形状记忆聚合物加热至转变玻璃化温度以上，采用电驱动的方式驱动基于介电弹性体的抓捕结构Ⅱ，抓捕卫星或空间碎片；
步骤四、停止对介电弹性体包覆于外侧的形状记忆聚合物加热，抓取形状被包覆于外层的形状记忆聚合物所固定，完成抓取动作；
步骤五、解除介电弹性体内的电压，并再次对包覆于介电弹性体外侧的形状记忆聚合物加热，装置恢复原状；重复以上步骤完成第二次抓取动作。
具体实施方式十、本实施方式与具体实施方式九不同，本实施方式其特征在于将加热元件—电阻膜粘贴于片层Ⅳ表面，通过控制输出电压使电流经过电阻膜产生热量，热量直接传导至片层内侧，使片层材料达到形状记忆聚合物复合材料玻璃态后转变温度，回复形状使驱动主轴Ⅲ伸长，实现整个框架结构的展开，驱动和控制抓捕结构到指定抓捕位置，其它组成、连接关系及实施方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式十一、本实施方式与具体实施方式九不同，本实施方式将加热元件—电阻丝埋入抓捕结构到指定抓捕位置，其它组成、连接关系及实施方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式十二、本实施方式与具体实施方式九不同，本实施方式在片层Ⅳ两端加电压，通过控制输出电压使电流通过碳纤维导电生热，进行驱动伸展，驱动和控制抓捕结构到指定抓捕位置，其它组成、连接关系及实施方式与具体实施方式一相同。
Claims (10)
1.一种基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构，其特征在于所述的基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构包括：
基于形状记忆聚合物复合材料薄板片层的展开结构即三翼式展开梁Ⅰ与基于介电弹性体的柔性抓捕结构Ⅱ；其中三翼式展开梁结构Ⅰ由主轴Ⅲ、片层Ⅳ、片层连接件Ⅴ、片层连接件配件Ⅵ组成；介电弹性体柔性抓捕结构Ⅱ由介电弹性体卷形弯曲驱动器结构和介电弹性体柔性抓捕结构的支撑结构组成，其中介电弹性体卷形弯曲驱动器结构由弹簧Ⅶ、介电弹性体Ⅷ、碳涂层Ⅸ组成；
三翼式展开梁结构Ⅱ的一端采用螺栓紧固或铆接的固定方式连接在基于介电弹性体的柔性抓捕结构Ⅱ上，其中，三翼式可展开梁结构片层Ⅳ、片层连接件Ⅴ、片层连接件配件Ⅵ采用铆接的连接方式连接在主轴Ⅲ上，介电弹性体卷形弯曲驱动器结构和介电弹性体柔性抓捕结构的支撑结构采用紧定套固定的方式连接，介电弹性体卷形弯曲驱动器结构外圈的径向尺寸被压缩而夹紧在支撑结构上，固定单个爪的轴向，其中，介电弹性体卷形弯曲驱动器结构种弹簧Ⅶ连接在介电弹性体Ⅷ中，并且介电弹性体Ⅷ外涂有碳涂层Ⅸ。
2.根据权利要求1所述的基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构，其特征在于基于介电弹性体抓捕结构其外层包覆形状记忆聚合物，其形状记忆聚合物含有增强相。
3.根据权利要求1所述的基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构，其特征在于介电弹性体抓捕结构外层的形状记忆聚合物为环氧类的热塑性形状记忆聚合物、环氧类的热固性形状记忆聚合物、聚酰亚胺形状记忆聚合物、氰酸酯类形状记忆聚合物组成。
4.根据权利要求1所述的基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构，其特征在于所述的基于形状记忆聚合物复合材料薄板片层结构Ⅰ，在形状记忆聚合物薄板片层的凸面上覆盖电热膜，电热膜的导线放置到形状记忆聚合物复合材料薄板片层结构的凹面中。
5.根据权利要求1所述的基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构，其特征在于形状记忆聚合物复合材料薄板片层Ⅰ是由碳纤维平纹布作为纤维增强材料，由形状记忆聚合物作为基体，采用模具固化成型法制成。
6.根据权利要求5所述的基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构，形状记忆聚合物复合材料薄板片层中的碳纤维平纹布为1-3层。
7.根据权利要求1所述的基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构，其特征在于基于介电弹性体抓捕结构的介电弹性体Ⅵ为丙烯酸和硅橡胶，以及电子型介电弹性体。
8.根据权利要求1所述的基于介电弹性体和形状记忆聚合物的可重复柔性抓捕结构，其特征在于介电弹性体的柔性抓捕结构为三爪式或六爪式。
9.利用权利要求1所述的可重复柔性抓捕结构抓捕空间碎片的方法，其特征在于所述的抓捕空间碎片的方法通过以下步骤实现：
步骤一、将形状记忆聚合物复合材料片层组装起来，得到基于形状记忆聚合物复合材料片层的展开结构即三翼式展开梁Ⅰ；制备基于介电弹性体的抓捕结构Ⅱ，于介电弹性体的抓捕结构Ⅱ外层以形状记忆聚合物包覆；
步骤二、采用电加热的方式，驱动和控制介电弹性体的抓捕结构Ⅱ到指定抓捕位置；
步骤三、采用电加热的方式对包覆于介电弹性体外侧的形状记忆聚合物加热至转变玻璃化温度以上，采用电驱动的方式驱动基于介电弹性体的抓捕结构Ⅱ，抓捕卫星或空间碎片；
步骤四、停止对介电弹性体包覆于外侧的形状记忆聚合物加热，抓取形状被包覆于外层的形状记忆聚合物所固定，完成抓取动作；
步骤五、解除介电弹性体内的电压，并再次对包覆于介电弹性体外侧的形状记忆聚合物加热，装置恢复原状；重复以上步骤完成第二次抓取动作。
10.根据权利要求9所述的抓捕空间碎片的方法，其特征在于所述的步骤二采用电加热的方式将电加热元件—电阻丝埋入抓捕结构到指定抓捕位置；在片层Ⅳ两端加电压，通过控制输出电压使电流通过碳纤维导电生热，进行驱动伸展，驱动和控制抓捕结构到指定抓捕位置；
所述的步骤三采用电加热的方式对包覆于介电弹性体外侧的形状记忆聚合物加热至转变玻璃化温度以上将电加热元件—电阻膜粘贴于片层Ⅳ表面，通过控制输出电压使电流经过电阻膜产生热量，热量直接传导至片层Ⅳ内侧，使片层材料达到形状记忆聚合物复合材料玻璃态后转变温度，回复形状使驱动主轴Ⅲ伸长，实现整个框架结构的展开，驱动和控制抓捕结构到指定抓捕位置。
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