CN106770279B - 磁场驱动仿捕蝇智能结构实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了磁场驱动仿捕蝇智能结构实验装置及实验方法，它包括框架，所述框架内部配合设置移动板，所述移动板上固定设置机械臂固定夹具，所述机械臂固定夹具底部固定设置机械臂结构，所述机械臂结构包括第一步进电机、与第一步进电机传动连接的第一机械臂、设置在第一机械臂内的第二步进电机及与第二步进电机传动连接的第二机械臂，所述第二机械臂末端设有磁力装置，所述磁力装置下方设有底座，所述底座配合设置旋转拍摄机构。本发明的有益效果是，通过机械臂结构、磁力装置、旋转拍摄机构等装置能适应不同型号的仿捕蝇草结构实验测试分析，经实验验证，能够很好的完成双稳态智能材料性能分析工作。

Description

磁场驱动仿捕蝇智能结构实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及智能层合型复合材料研究技术领域，具体涉及磁场驱动仿捕蝇草智能结构实验装置及实验方法。

背景技术

仿捕蝇草结构是一种新型双稳态复合材料仿生结构，双稳态复合材料具有轻质、高强度和空间利用率高等综合性能，更由于其同时具有延展和卷拢两种稳定状态，保持稳态时不需要外力维持的双稳态特性，在航天飞行器（如太阳能电池板阵列、天线及各种杆状结构）、可变形机翼和风机叶片等领域具有广泛的应用前景，因此近年来成为国内外学者研究的热点问题之一。但目前对于双稳态复合材料的仿生结构的实验研究均较匮乏，实验测试装置较简单，尤其是针对于仿捕蝇草结构双稳态性能的研究，仅有的针对双稳态复合材料结构的实验也是着眼于研究壳体的力学弯曲性能。基于此，设计、发明一种用于实现仿捕蝇草结构双稳态转换并对其稳态转变过程进行观察、研究的实验测试装置。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了磁场驱动仿捕蝇草智能结构实验装置及实验方法。

本发明的技术方案如下：

磁场驱动仿捕蝇智能结构实验装置，其特征在于，包括框架，所述框架内部配合设置移动板，所述移动板上固定设置机械臂固定夹具，所述机械臂固定夹具底部固定设置机械臂结构，所述机械臂结构包括第一步进电机、与第一步进电机传动连接的第一机械臂、设置在第一机械臂内的第二步进电机及与第二步进电机传动连接的第二机械臂，所述第二机械臂末端设有磁力装置，所述磁力装置下方设有底座，所述底座下端配合设置旋转拍摄机构。

所述的磁场驱动仿捕蝇智能结构实验装置，其特征在于，所述机械臂固定夹具上平面设有第一连接块，所述机械臂固定夹具设有一对，且一对机械臂固定夹具通过第一连接块固定设置在移动板两侧上，所述机械臂固定夹具采用半包围结构，且其底部设有空槽。

所述的磁场驱动仿捕蝇智能结构实验装置，其特征在于，所述第一步进电机外侧设有第一电机框体，第一步进电机固定设置在第一电机框体内，所述第一步进电机通过第一电机框体与机械臂固定夹具固定连接；所述第二步进电机外侧设有第二电机框体，所述第二步进电机固定设置在第二电机框体内，所述第二电机框体固定设置在第一机械臂内；所述第一步进电机的电机轴末端设有第一联轴器，所述第一步进电机一端与电机轴传动连接，另一端传动连接设置第一传动轴，所述第一传动轴与第一机械臂配合设置，所述第二步进电机的电机轴末端设有第二联轴器，所述第二步进电机一端与电机轴传动连接，另一端传动连接设置第二传动轴，所述第二传动轴与第二机械臂配合设置。

所述的磁场驱动仿捕蝇智能结构实验装置，其特征在于，所述旋转拍摄机构包括旋转中心圆套、连接杆及轮胎，所述旋转中心圆套与轮胎之间通过连接杆传动连接，所述连接杆内部设有微型直流减速电机，所述微型直流减速电机的电机轴末端设有第三联轴器，所述第三联轴器一端与电机轴传动连接，另一端传动连接设置动力轴，所述动力轴与轮胎配合设置；所述连接杆上设有旋转中心平台，所述旋转中心平台下端设有用于其高度调节的自锁螺母，所述旋转中心平台上设有小型摄像头。

所述的磁场驱动仿捕蝇智能结构实验装置，其特征在于，所述第一电机框体上设有第二连接块，所述第二连接块与机械臂固定夹具底部的空槽配合设置，所述空槽内设有用于固定第二连接块的固定挡板。

所述的磁场驱动仿捕蝇智能结构实验装置，其特征在于，所述磁力装置采用电磁铁。

所述的磁场驱动仿捕蝇智能结构实验装置的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）实验装置的安装：将磁力装置安装到第二机械臂的末端，在仿捕蝇草试件末端的相应位置安装设置永磁铁；在将机械臂结构安装在机械臂固定夹具上，然后将机械臂夹具固定在移动板上，最后将旋转拍摄机构安装到底座上，构成了实验的基本平台；

2）实验前准备：将仿捕蝇草试件放置于底座相应位置处；在将旋转中心平台调节至合适的拍摄位置；最后对第一步进电机及第二步进电机的进行参数设定；

3）开始实验：接通电源，第一步进电机开始工作，带动第一机械臂按照预设的运动轨迹转动，同时第二步进电机开始工作带动第二机械臂按照预设的运动轨迹转动；第二机械臂末端的磁力装置与仿捕蝇草试件末端的永磁铁之间相互作用，提供驱动力使仿捕蝇草试件由初始状态慢慢向第二稳态转变；

4）实验数据的获取：在仿捕蝇草试件转变的过程中，旋转拍摄机构绕底座作相应的转动，从不同角度实时记录试件的变形，得到仿捕蝇草结构的变形照片；通过照片成像技术，加工形成最终的三维模型，从模型中获得各项数据。

所述的磁场驱动仿捕蝇智能结构实验装置的实验方法，其特征在于，所述步骤2）中第一步进电机及第二步进电机的参数设定采用事先测定或模拟仿捕蝇草试件单个固定点的运动轨迹，在通过作图法来计算第一机械臂、第二机械臂以及磁力装置在该固定点各个位置时的相对位置，来对电机参数设定。

所述的磁场驱动仿捕蝇智能结构实验装置的实验方法，其特征在于，所述步骤3）中仿捕蝇草试件由初始状态慢慢向第二稳态转变过程中磁力装置与永磁铁之间保持合适的距离不相互接触，试件按照相应的运动轨迹随动，实现试件的第二稳态。

所述的磁场驱动仿捕蝇智能结构实验装置的实验方法，其特征在于，所述步骤3）第二机械臂末端的磁力装置与仿捕蝇草试件末端的永磁铁之间相互作用的驱动力始终处于竖直方向上。

本发明的有益效果是，本发明适用于仿捕蝇草结构的稳态间变测试、实验，可获取对应的仿捕蝇结构形状、位置等多种信息，建立仿捕蝇结构稳态转变的三维模型；通过机械臂结构、磁力装置、旋转拍摄机构等装置能适应不同型号的仿捕蝇草结构实验测试分析，经实验验证，能够很好的完成双稳态智能材料性能分析工作；旋转拍摄机构能够实现从实物到模型的转变，使实验者能够较轻松的获得所需的实验数据，这种建模方式也可适用于其他类似的有三维重建需求的设计；实验测试装置简单、稳定性高，易于装卸、维修和调试，对于采用智能材料驱动的研究具有重要的借鉴意义。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明A-A面剖面图；

图3为本发明机械臂结构的结构示意图；

图4为本发明旋转拍摄机构结构示意图；

图中：1-框架，2-移动板，3-固定挡板，4-第二连接块，5-磁力装置，6-底座，7-旋转拍摄机构，71-旋转中心平台，72-连接杆，73-旋转中心圆套，74-第三联轴器，75-轮胎，76-动力轴，77-微型直流减速电机，78-自锁螺母，8-机械臂结构，801-第一电机框体，802-第一步进电机，803-第二机械臂，804-第一联轴器，805-第一传动轴，806-第一机械臂，807-第二电机框体，808-第二步进电机，809-第二联轴器，810-第二传动轴，9-机械臂固定夹具，91-第一连接块。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本发明作进一步描述。

如图1-4所示，本发明的磁场驱动仿捕蝇草智能结构实验装置包括框架1、移动板2、固定挡板3、第二连接块4、磁力装置5、底座6、旋转拍摄机构7、机械臂结构8及机械臂固定夹具9，具体包括旋转中心平台71、连接杆72、旋转中心圆套73、第三联轴器74、轮胎75、动力轴76、微型直流减速电机77、自锁螺母78、第一电机框体801、第一步进电机802、第二机械臂803、第一联轴器804、第一传动轴805、第一机械臂806、第二电机框体807、第二步进电机808、第二联轴器809、第二传动轴810及第一连接块91。第一机械臂806通过第二连接块4与机械臂固定夹具9底部的空槽配合，使其安装在机械臂固定夹具9上；第二连接块4通过带螺纹孔的固定挡板3用螺钉固定在机械臂固定夹具9内，采用带有螺纹孔的第一连接块91将机械臂固定夹具9连接固定在移动板2上；第一步进电机802通过螺栓固定在第一电机框体801内部，第一步进电机802通过第一联轴器804带动第一传动轴805转动，第一传动轴805通过键连接带动第一机械臂806转动，实现对第一机械臂806的位置控制，第二步进电机808通过螺栓固定在第二电机框体807内部，第二步进电机808通过第二联轴器809带动第二传动轴810转动，第二传动轴810通过键连接带动第二机械臂803转动，实现对第二机械臂803的位置控制，磁力装置5通过圆孔安装在第二机械臂803末端，从而实现对磁力装置5的位置控制，第二机械臂803末端的磁力装置5采用电磁铁，仿捕蝇草结构末端设有永磁铁，通过仿捕蝇草结构末端的永磁铁与第二机械臂803末端的磁力装置5相互作用，提供仿捕蝇草结构变形所需的力。另外，针对于不同尺寸的仿捕蝇草结构试件，移动板2的上下位移量还可通过调节其固定所用的螺栓来改变。根据事先测量或模拟的仿捕蝇草结构的运动轨迹，通过作图法可计算第一机械臂806、第二机械臂803以及磁力装置5在各个位置的相对位置，进而对第一步进电机802及第二步进电机808的输出进行控制，协调机械臂各部分的运动以达到预期的实验要求，完成仿捕蝇草结构的稳态转变。旋转中心圆套73安装在实验室原有平台的底座6上，旋转中心圆套73与轮胎75通过连接杆72联接，微型直流减速电机77安装在连接杆72内，通过微型直流减速电机77带动动力轴76转动，实现对轮胎75转动的控制，旋转中心平台71与连接杆72通过螺纹连接，中间安装有自锁螺母78，小型摄像头可安置在旋转中心平台71上，从而实现对仿捕蝇草结构360°水平面多角度的拍摄，另外，可通过自锁螺母78调节旋转中心平台71的上下位置选择合适的角度拍摄。

本发明采用机械臂固定夹具9、机械臂结构8、磁力装置5、旋转拍摄机构7等，搭建了针对于仿捕蝇草结构的实验装置，结合现有的压力测试平台组成了仿捕蝇草结构的实验研究平台。实践证明，机械臂固定夹具9、机械臂结构8、磁力装置5、旋转拍摄机构7等以及压力测试平台搭建的仿捕蝇草结构的实验研究平台能够顺利实现不同规格尺寸的仿捕蝇草试件的稳态转变，并能够对双稳态试件的变形过程进行观察和捕捉，获得试件稳态转变过程不同角度的照片，建立相应的模型。根据本发明对机械臂结构8和旋转拍摄机构7的设计，搭建的实验平台适用于初始横截面半径70mm和纵向长度140mm以内的仿捕蝇草结构试件的实验研究。当然，通过重新设计机械臂结构8和旋转拍摄机构7的调节范围，可相应增大该实验装置对不同尺寸仿捕蝇草结构试件的适用范围。通过对仿捕蝇草结构双稳态特性的实验研究，可为相关可变形复合材料结构的研制和生产提供理论和技术依据，对具有双稳态特性的自适应复合材料器件的设计与制备提供指导。因此，本发明有着重要的学术价值和很好的应用前景。

基于本发明所述的磁场驱动仿捕蝇智能结构实验装置的实验方法，具体如下：

1）实验装置的安装：先将磁力装置5安装到第二机械臂803的末端，在仿捕蝇草试件的末端相应位置安装永磁铁；在将机械臂结构8安装到机械臂固定夹具9上，然后将机械臂夹具9通过第一连接块91固定在移动板2上，最后将旋转拍摄机构7安装到底座6上，构成了实验的基本平台；

2）实验前准备：将仿捕蝇草试件放置于底座6相应位置上；将旋转中心平台71调节至合适的拍摄位置；最后根据事先测量的仿捕蝇草试件运动轨迹，对第一步进电机802及第二步进电机808的参数进行相应设定；

3）开始实验：接通电源，第一步进电机802工作，带动第一机械臂806运动，同时第二步进电机808工作，带动第二机械臂803运动，第二机械臂803末端的磁力装置5与仿捕蝇草试件末端的永磁铁，提供驱动力使仿捕蝇草试件由初始状态慢慢向第二稳态转变；此时，磁力装置5之间不会相互接触，保持合适的距离，试件按照相应的运动轨迹随动，实现试件的第二稳态；

4）实验数据的获取：在仿捕蝇草试件转变的过程中，旋转拍摄机构7绕底座6作相应转动，从不同角度实时记录试件的变形，实现对仿捕蝇草结构双稳态转变过程进行观察，拍摄到仿捕蝇草结构的变形照片；通过照片成像技术，加工形成最终的三维模型，从模型中获得各项数据。

实验过程中，第一步进电机802及第二步进电机808带动第一机械臂806及第二机械臂803旋转运动，通过两个机械臂的相对运动，机械臂末端能够按照规定的轨迹路线运动。在机械臂末端安装磁力装置-电磁铁，仿捕蝇草结构末端安置了合适的永磁铁，依靠磁铁之间的吸引力作为外力使仿捕蝇草结构变形。力随着试件的变形始终保持在竖直方向上，通过预设不同机械臂的运动轨迹以满足不同尺寸仿捕蝇草结构试件的实验要求。

Claims (8)

1.磁场驱动仿捕蝇智能结构实验装置，其特征在于，包括框架（1），所述框架（1）内部配合设置移动板（2），所述移动板（2）上固定设置机械臂固定夹具（9），所述机械臂固定夹具（9）底部固定设置机械臂结构（8），所述机械臂结构（8）包括第一步进电机（802）、与第一步进电机（802）传动连接的第一机械臂（806）、设置在第一机械臂（806）内的第二步进电机（808）及与第二步进电机（808）传动连接的第二机械臂（803），所述第二机械臂（803）末端设有磁力装置（5），所述磁力装置（5）下方设有底座（6），所述底座（6）下端配合设置旋转拍摄机构（7）；所述机械臂固定夹具（9）设有一对，且一对机械臂固定夹具（9）通过第一连接块（91）固定设置在移动板（2）两侧上，所述机械臂固定夹具（9）采用半包围结构，且其底部设有空槽；所述第一步进电机（802）外侧设有第一电机框体（801），第一步进电机（802）固定设置在第一电机框体（801）内，所述第一步进电机（802）通过第一电机框体（801）与机械臂固定夹具（9）固定连接；所述第二步进电机（808）外侧设有第二电机框体（807），所述第二步进电机（808）固定设置在第二电机框体（807）内，所述第二电机框体（807）固定设置在第一机械臂（806）内；所述第一步进电机（802）的电机轴末端设有第一联轴器（804），所述第一步进电机（802）一端与电机轴传动连接，另一端传动连接设置第一传动轴（805），所述第一传动轴（805）与第一机械臂（806）配合设置，所述第二步进电机（808）的电机轴末端设有第二联轴器（809），所述第二步进电机（808）一端与电机轴传动连接，另一端传动连接设置第二传动轴（810），所述第二传动轴（810）与第二机械臂（803）配合设置。

2.根据权利要求1所述的磁场驱动仿捕蝇智能结构实验装置，其特征在于，所述旋转拍摄机构（7）包括旋转中心圆套（73）、连接杆（72）及轮胎（75），所述旋转中心圆套（73）与轮胎（75）之间通过连接杆（72）传动连接，所述连接杆（72）内部设有微型直流减速电机（77），所述微型直流减速电机（77）的电机轴末端设有第三联轴器（74），所述第三联轴器（74）一端与电机轴传动连接，另一端传动连接设置动力轴（76），所述动力轴（76）与轮胎（75）配合设置；所述连接杆（72）上设有旋转中心平台（71），所述旋转中心平台（71）下端设有用于其高度调节的自锁螺母（78），所述旋转中心平台（71）上设有小型摄像头。

3.根据权利要求1所述的磁场驱动仿捕蝇智能结构实验装置，其特征在于，所述第一电机框体（801）上设有第二连接块（4），所述第二连接块（4）与机械臂固定夹具（9）底部的空槽配合设置，所述空槽内设有用于固定第二连接块（4）的固定挡板（3）。

4.根据权利要求1所述的磁场驱动仿捕蝇智能结构实验装置，其特征在于，所述磁力装置（5）采用电磁铁。

5.一种基于权利要求1所述的磁场驱动仿捕蝇智能结构实验装置的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）实验装置的安装：将磁力装置（5）安装到第二机械臂（803）的末端，在仿捕蝇草试件末端的相应位置安装设置永磁铁；在将机械臂结构（8）安装在机械臂固定夹具（9）上，然后将机械臂夹具（9）固定在移动板（2）上，最后将旋转拍摄机构（7）安装到底座（6）上，构成了实验的基本平台；

2）实验前准备：将仿捕蝇草试件放置于底座（6）相应位置处；在将旋转中心平台（71）调节至合适的拍摄位置；最后对第一步进电机（802）及第二步进电机（808）进行参数设定；

3）开始实验：接通电源，第一步进电机（802）开始工作，带动第一机械臂（806）按照预设的运动轨迹转动，同时第二步进电机（808）开始工作带动第二机械臂（803）按照预设的运动轨迹转动；第二机械臂（803）末端的磁力装置（5）与仿捕蝇草试件末端的永磁铁之间相互作用，提供驱动力使仿捕蝇草试件由初始状态慢慢向第二稳态转变；

4）实验数据的获取：在仿捕蝇草试件转变的过程中，旋转拍摄机构（7）绕底座（6）作相应的转动，从不同角度实时记录试件的变形，得到仿捕蝇草结构的变形照片；通过照片成像技术，加工形成最终的三维模型，从模型中获得各项数据。

6.根据权利要求5所述的磁场驱动仿捕蝇智能结构实验装置的实验方法，其特征在于，所述步骤2）中第一步进电机（802）及第二步进电机（808）参数设定采用先测定或模拟的仿捕蝇草试件上单个固定点的运动轨迹，在通过作图法来计算第一机械臂（806）、第二机械臂（803）以及磁力装置（5）在该固定点各个位置时的相对位置，来对电机参数设定。

7.根据权利要求5所述的磁场驱动仿捕蝇智能结构实验装置的实验方法，其特征在于，所述步骤3）中仿捕蝇草试件由初始状态慢慢向第二稳态转变过程中磁力装置（5）与永磁铁之间保持合适的距离不相互接触，试件按照相应的运动轨迹随动，实现试件的第二稳态。

8.根据权利要求5所述的磁场驱动仿捕蝇智能结构实验装置的实验方法，其特征在于，所述步骤3）第二机械臂（803）末端的磁力装置（5）与仿捕蝇草试件末端的永磁铁之间相互作用的驱动力始终处于竖直方向上。