CN105856271B - 一种基于形状记忆聚合物与介电弹性体的航空机械臂及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种基于形状记忆聚合物与介电弹性体的航空机械臂及其制作方法，它涉及一种航空机械臂及其制作方法，具体涉及一种基于形状记忆聚合物与介电弹性体的航空机械臂及其制作方法。本发明为了解决现有宇航用机械臂结构复杂，对运输与工作环境要求较高，易损坏，以及自身重量大浪费运力的问题。本发明所述航空机械臂的每个所述拉伸组件是由四个形状记忆聚合物平板组成的长方体，第一底座通过一个所述拉伸组件与第二底座连接，第二底座通过介电弹性体圆柱与第三底座连接，第三底座通过一个所述拉伸组件与第四底座连接，介电弹性体圆柱每个端面的四个方向上均涂有电极。本发明属于航空机械领域。

Description

一种基于形状记忆聚合物与介电弹性体的航空机械臂及其制 作方法

技术领域

本发明涉及一种航空机械臂及其制作方法，具体涉及一种基于形状记忆聚合物与介电弹性体的航空机械臂及其制作方法，属于航空机械领域。

背景技术

加拿大机械臂早在1981年的STS-2任务中就正式登场，航天飞机曾在50多次飞行任务使用加拿大机械臂。加拿大机械臂作为空间机械臂的开路先锋，显示了机械臂广阔的使用范围和巨大的发展潜力，极大促进了空间机械臂的发展，此后的美苏空间站设计都带有空间站机械臂，其中尤其著名的就是国际空间站上的空间站遥控机械臂系统(SSRMS),在通过航天飞机部署到国际空间站后，在空间站的建设、维护、补给和使用的过程中中发挥了不可缺少的作用，加拿大航天局也因此获得了国际空间站3％的使用权。加拿大机械臂2性能强大，但同样花费不菲，从1984年自由号空间站提出到它运抵国际空间站开始工作，加拿大航天局在该项目上投资高达10亿美元。

空间机械臂可以用来实现对于空间静止或移动目标的观察、监视，即通过精度定位或运动，使得机械臂上所安置的视觉系统能够准确地捕获、跟踪需要观察或监视的目标，对其进行照相或摄像。或者利用机械臂的定位功能，通过不同形势手爪的使用，完成对于航天器舱内和舱外不同目标的拾取、搬运、定位和释放。通过在轨自主操作与遥操作相结合的技术，实现空间站或其它轨道器内部的无人情况下的复杂试验动作；由航天员进行舱内外的抓取、搬运、维修等操作，或者作为航天员或大型构件的支撑，协助航天员完成在轨建设或维修项目。

空间机械臂是月球及深空探测所必须的支撑性技术。月球及深空探测只要在目标上着陆，就会有一项重要的任务———取样。完成这项任务，往往需要机械臂对取样目标进行近距离的观察、分析、选择；之后,对其进行清理、拾取、搬运和装载。此外,有时候还需要对观察或探测目标进行研磨、钻探等，这些工作是离开机械臂所无法完成的。

空间机械臂最直接的用途是通过捕捉运输飞船进行自动化精密对接，这样就比以前的人工对接或自动对接快速得多、效率高得多。截至2014年，中国采用的基本是自动对接和手控对接两种方式，但在快速对接上远落后于俄罗斯和美国，恰恰这一块就是由空间机械臂实现的。因此，中国新研制的空间机械臂将大有作为。

发明内容

本发明为解决现有宇航用机械臂结构复杂，对运输与工作环境要求较高，易损坏，以及自身重量大浪费运力的问题，进而提出一种基于形状记忆聚合物与介电弹性体的航空机械臂及其制作方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明所述航空机械臂包括第一底座、第二底座、第三底座、第四底座、介电弹性体圆柱和两个拉伸组件，每个所述拉伸组件是由四个形状记忆聚合物平板组成的长方体，第一底座通过一个所述拉伸组件与第二底座连接，第二底座通过介电弹性体圆柱与第三底座连接，第三底座通过一个所述拉伸组件与第四底座连接，介电弹性体圆柱每个端面的四个方向上均涂有电极。

本发明所述航空机械臂制作方法的步骤为：

步骤一、将形状记忆聚合物添加增强材料制成形状记忆聚合物复合材料平板，在所述平板上两面覆盖电热膜，使用尺寸小于形状记忆聚合物复合材料的介电弹性体薄膜，在膜的两侧覆盖金属或石墨电极，将介电弹性体薄膜贴合在所述平板的两面形成形状记忆聚合物平板，使介电弹性体薄膜的边缘与所述形状记忆聚合物平板贴合；

步骤二、将四个形状记忆聚合物平板依次排列组成拉伸组件，第一底座通过一个所述拉伸组件与第二底座连接，第三底座通过一个所述拉伸组件与第四底座连接，第二底座通过介电弹性体圆柱与第三底座连接，在介电弹性体圆柱每个端面的四个方向上涂布电极；

步骤三、在第四底座的外侧面上放置工作载荷；

步骤四、将每个形状记忆聚合物平板上的电热膜加热，待到聚合物变软之后压缩拉伸组件，使形状记忆聚合物平板被压缩弯曲，机械臂长度缩短，切断加热电源，保持形状固定直到聚合物冷却固化，完成机械臂制作。

进一步的，步骤一中所述形状记忆聚合物是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、苯乙烯类形状记忆聚合物、氰酸酯类形状记忆聚合物的一种或多种。

进一步的，步骤一中所述增强材料是石墨纤维、碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维、硼纤维、碳化硅纤维、碳粉、炭黑、碳纳米管和镍粉中的一种或多种，所述增强材料的含量为0～50％。

本发明的有益效果是：本发明所述的基于形状记忆聚合物与介电弹性体的航空用机械臂不依赖于复杂的机械结构，展开主要依赖于形状记忆聚合物的形状记忆效应以及介电弹性体受电压自我拉伸的性质。由于所采用的是聚合物材料，密度小并且可以承受较大变形。可以在发射前进行压缩收纳，减小发射时占据的空间和有效载荷。且展开后工作状态稳定可靠，不易出现机械问题。

附图说明

图1是本发明收缩后的主视图，图2是本发明收缩后的俯视图，图3是本发明收缩后的俯视图，图4是本发明一个拉伸组件收缩一个拉伸组件伸展时的俯视图，图5是本发明弯曲过程示意图，图6是本发明弯曲过程示意图，图7是本发明的介电弹性体圆柱结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述一种基于形状记忆聚合物与介电弹性体的航空机械臂包括第一底座1、第二底座2、第三底座3、第四底座4、介电弹性体圆柱5和两个拉伸组件，每个所述拉伸组件是由四个形状记忆聚合物平板6组成的长方体，第一底座1通过一个所述拉伸组件与第二底座2连接，第二底座2通过介电弹性体圆柱5与第三底座3连接，第三底座3通过一个所述拉伸组件与第四底座4连接，介电弹性体圆柱5每个端面的四个方向上均涂有电极7。

本实施方式中不同处的介电弹性体电压由额外的控制装置提供，对介电弹性体电极施加不同的电压，使得介电弹性体薄膜在不同电压下形变率不同，在机械臂的终端有效工作位置确定过程中，由介电弹性体圆柱受电作用产生的角度确定机械臂的角度，由与形状记忆聚合物平板贴合的介电弹性体受电压作用扩张产生的应变确定机械臂的长度，而形状记忆聚合物平板一直处于加热软化状态不产生回复力。

本实施方式中不同处的形状记忆聚合物由不同的加热单元控制，不同的加热单元的功率不同，形状记忆平板产生的回复力不同，以此在机械臂的不同处产生不同的形变，在机械臂的终端有效工作位置确定过程中，由介电弹性体圆柱受电作用产生的角度确定机械臂的角度，由上部的形状记忆聚合物平板受热产生对称的回复力确定机械臂的长度。而形状记忆聚合物平板上的介电弹性体薄膜保持不通电扩张的初始状态。

本实施方式中机械臂的终端有效工作位置确定过程中，由介电弹性体圆柱受电作用产生的角度确定机械臂的角度，由上部的形状记忆聚合物平板受热产生对称的回复力确定机械臂的长度。机械臂的终端有效工作位置确定过程中，由介电弹性体圆柱受电作用产生的角度确定机械臂的角度，由与形状记忆聚合物平板贴合的介电弹性体受电压作用扩张产生的应变确定机械臂的长度。

具体实施方式二：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述一种基于形状记忆聚合物与介电弹性体的航空机械臂制作方法是通过如下步骤实现的：

步骤一、将形状记忆聚合物添加增强材料制成形状记忆聚合物复合材料平板，在所述平板上两面覆盖电热膜，使用尺寸小于形状记忆聚合物复合材料的介电弹性体薄膜，在膜的两侧覆盖金属或石墨电极，将介电弹性体薄膜贴合在所述平板的两面形成形状记忆聚合物平板6，使介电弹性体薄膜的边缘与所述形状记忆聚合物平板贴合；

步骤二、将四个形状记忆聚合物平板6依次排列组成拉伸组件，第一底座1通过一个所述拉伸组件与第二底座2连接，第三底座3通过一个所述拉伸组件与第四底座4连接，第二底座2通过介电弹性体圆柱5与第三底座3连接，在介电弹性体圆柱5每个端面的四个方向上涂布电极7；

步骤三、在第四底座4的外侧面上放置工作载荷；

步骤四、将每个形状记忆聚合物平板6上的电热膜加热，待到聚合物变软之后压缩拉伸组件，使形状记忆聚合物平板6被压缩弯曲，机械臂长度缩短，切断加热电源，保持形状固定直到聚合物冷却固化，完成机械臂制作。

具体实施方式三：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述一种基于形状记忆聚合物与介电弹性体的航空机械臂制作方法的步骤一中所述形状记忆聚合物是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、苯乙烯类形状记忆聚合物、氰酸酯类形状记忆聚合物的一种或多种。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述一种基于形状记忆聚合物与介电弹性体的航空机械臂制作方法的步骤一中所述增强材料是石墨纤维、碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维、硼纤维、碳化硅纤维、碳粉、炭黑、碳纳米管和镍粉中的一种或多种，所述增强材料的含量为0～50％。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

工作原理

步骤1、在需要使用机械臂时，首先为离有效载荷较远的连接底部的形状记忆聚合物平板6加热，为电热膜通电。同时对其上覆盖的介电弹性体薄膜的电极通高压电。由于形状记忆效应与介电弹性体在电场作用下扩张的特性，底部的形状记忆聚合物平板6由弯曲状恢复为平面；

步骤2、对介电弹性体圆柱5在四个方向上的涂覆电极施加不同的电压；不同的电压作用导致了圆柱不同方向的变形率不同，使得介电弹性体圆柱5所连接的两个底座由原本的相互平行变为成一定的夹角；该夹角由机械臂所预定的到达位置决定，并且不同电极上施加的电压改变可以调节底座间的夹角；

步骤3、调节完夹角后，加热上层的形状记忆聚合物平板6，同时对其上覆盖的介电弹性体薄膜的电极施加一定的电压；在形状记忆聚合物和介电弹性体的扩张伸长达到了一定程度时停止。伸长长度取决于机械臂所预定的到达位置并且由施加在电热膜上与施加在介电弹性体膜上的电压共同决定；

步骤4、工作载荷开始进行工作。工作完成后，撤销施加在所有介电弹性体电极上的电压，同时加热形状记忆聚合物平板6，恢复原状之后取消加热，冷却固化形状记忆聚合物平板，完成压缩以待下次使用。

本发明所述的基于形状记忆聚合物与介电弹性体的航空用机械臂不依赖于复杂的机械结构，展开主要依赖于形状记忆聚合物的形状记忆效应以及介电弹性体受电压自我拉伸的性质。由于所采用的是聚合物材料，密度小并且可以承受较大变形。可以在发射前进行压缩收纳，减小发射时占据的空间和有效载荷。且展开后工作状态稳定可靠，不易出现机械问题。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于形状记忆聚合物与介电弹性体的航空机械臂，其特征在于：所述一种基于形状记忆聚合物与介电弹性体的航空机械臂包括第一底座(1)、第二底座(2)、第三底座(3)、第四底座(4)、介电弹性体圆柱(5)和两个拉伸组件，每个所述拉伸组件是由四个形状记忆聚合物平板(6)组成的长方体，第一底座(1)通过一个所述拉伸组件与第二底座(2)连接，第二底座(2)通过介电弹性体圆柱(5)与第三底座(3)连接，第三底座(3)通过一个所述拉伸组件与第四底座(4)连接，介电弹性体圆柱(5)每个端面的四个方向上均涂有电极(7)。

2.一种权利要求1所述的基于形状记忆聚合物与介电弹性体的航空机械臂的制作方法：所述一种基于形状记忆聚合物与介电弹性体的航空机械臂制作方法是通过如下步骤实现的：

步骤一、将形状记忆聚合物添加增强材料制成形状记忆聚合物复合材料平板，在所述平板上两面覆盖电热膜，使用尺寸小于形状记忆聚合物复合材料的介电弹性体薄膜，在膜的两侧覆盖金属或石墨电极，将介电弹性体薄膜贴合在所述平板的两面形成形状记忆聚合物平板(6)，使介电弹性体薄膜的边缘与所述形状记忆聚合物平板贴合；

步骤二、将四个形状记忆聚合物平板(6)依次排列组成拉伸组件，第一底座(1)通过一个所述拉伸组件与第二底座(2)连接，第三底座(3)通过一个所述拉伸组件与第四底座(4)连接，第二底座(2)通过介电弹性体圆柱(5)与第三底座(3)连接，在介电弹性体圆柱(5)每个端面的四个方向上涂布电极(7)；

步骤三、在第四底座(4)的外侧面上放置工作载荷；

步骤四、将每个形状记忆聚合物平板(6)上的电热膜加热，待到聚合物变软之后压缩拉伸组件，使形状记忆聚合物平板(6)被压缩弯曲，机械臂长度缩短，切断加热电源，保持形状固定直到聚合物冷却固化，完成机械臂制作。

3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于：步骤一中所述形状记忆聚合物是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、苯乙烯类形状记忆聚合物、氰酸酯类形状记忆聚合物的一种或多种。

4.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于：步骤一中所述增强材料是石墨纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维、硼纤维、碳化硅纤维、碳粉、炭黑、碳纳米管和镍粉中的一种或多种，所述增强材料的质量含量为0～50％。