CN108051295B - 一种折纸可变形管道实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种折纸可变形管道实验装置，用于折纸可变形管道实验分析用。该实验装置包括加载实验平台、夹持装置和机械臂系统，其特征在于机械臂系统包括机械臂支架及机械臂，机械臂支架和夹持装置固定在加载实验平台上，夹持装置用于夹持折纸可变形管道，机械臂安装在机械臂支架上，并能够产生相对运动，机械臂上设有电磁铁，形成外部磁场，用于给折纸可变形管道产生变形提供驱动力，适用于不同的材料的折纸可变形管道的研究、适应不同尺寸、铺设角度、变形方向的双稳态复合材料，实验装置简单高效，稳定性好，易于拆装和维修，对于智能材料驱动折纸结构具有一定的借鉴意义。

Description

一种折纸可变形管道实验装置

技术领域

本发明属于折纸可变形结构以及复合材料研究领域，涉及到磁场力驱动带有反对称铺设复合材料圆柱壳的三通道折纸可变形管道的各方向打开和闭合的实验分析方法和装置。

背景技术

智能可变形结构是相同体积和质量下实现更多功能与任务的结构，由于有非常广阔的应用范围，因而是当下研究热点，如航空航天领域、机械液压装置等。Origami是一种折纸技术，通过峰谷折痕它能将二维的图形变化为三维立体结构。近年来，折纸技术大量的被研究者们利用在太阳能帆、柔性医疗支架、机翼、可折叠结构以及柔性电子方面，这不仅可以实现物体的折叠来节省空间，并且可以实现结构的变形。双稳态复合材料是一种同时具有两种不需要外载荷就能维持不同稳定状态特性的复合材料，并且可使用外部驱动或者在双稳态复合材料中添加智能材料来驱动其稳态转变。折纸可变形管道将折纸的可变形特性与双稳态材料的多稳态特性有机结合，具有良好的结构特性。鉴于目前此项技术处于探索阶段，该方向的实验研究比较稀少，实验设备更是十分匮乏。针对目前的现状，设计发明一种用于驱动折纸可变形管道变形的实验装置。

发明内容

本发明针对目前对于折纸可变形管道的实验研究稀少，实验装置匮乏的问题，设计了一种折纸可变形管道实验装置，它用于驱动折纸可变形管道产生稳态转变。

所述的一种折纸可变形管道实验装置，用于折纸可变形管道实验分析用，折纸可变形管道包括由连接板连接的6个立方体薄管，立方体薄管的相对两个角内侧上分别设有反对称双稳态圆柱壳，反对称双稳态圆柱壳的四边中部分别设置小磁体，所述实验装置包括加载实验平台、夹持装置和机械臂系统，其特征在于机械臂系统包括机械臂支架及机械臂，机械臂支架和夹持装置固定在加载实验平台上，夹持装置用于夹持折纸可变形管道，机械臂安装在机械臂支架上，并能够产生相对运动，机械臂上设有电磁铁，形成外部磁场，用于给折纸可变形管道产生变形提供驱动力。

所述的一种折纸可变形管道实验装置，其特征在于夹持装置包括丝杠电机机构、内夹持推进装置、推进块、外夹持支架及内夹持支架，内夹持推进装置固定在加载实验平台上，丝杠电机机构下端安装在内夹持推进装置底部，上端与外夹持支架联接；外夹持支架外壁与内夹持推进装置内壁相接触，并能够产生相对运动；推进块上下两端分别设置在外夹持支架和内夹持支架上；内夹持支架设有第一步进电机，转盘安装在第一步进电机上；第二步进电机通过电机支架安装在外夹持支架上；转盘、内夹持支架与内铰链杆机构相联接，齿环齿轮传动与所述的第二步进电机和外夹持支架通过外铰链杆机构相联接。

所述的一种折纸可变形管道实验装置，其特征在于内夹持支架每个面板内侧设有内导轨。

所述的一种折纸可变形管道实验装置，其特征在于内铰链杆机构为4个，内铰链杆机构一端均匀间隔设置在转盘上，另一端分别对应设置在内夹持支架的四个面板上，每个内铰链杆机构包括第一内铰链、第二内铰链、内铰链杆及内推杆，第一内铰链固定在转盘上，第二内铰链活动设置在内导轨上，第一内铰链和第二内铰链由内铰链杆连接，内推杆一端设置在第二内铰链上，另一端穿出内夹持支架的面板，内推杆外端头设有内夹片。

所述的一种折纸可变形管道实验装置，其特征在于第二步进电机的传动轴上设有锥齿轮，锥齿轮与齿环啮合连接，外夹持支架每个面板外侧设有外导轨。

所述的一种折纸可变形管道实验装置，其特征在于外铰链杆机构为4个，外铰链杆机构一端均匀间隔设置在齿环上，另一端分别对应设置在外夹持支架的四个面板上，每个外铰链杆机构包括第一外铰链、第二外铰链、外铰链杆及外推杆，第一外铰链固定在齿环上，第二外铰链活动设置在外导轨上，第一外铰链、第二外铰链由外铰链杆连接，外推杆一端设置在第二外铰链上，另一端穿出外夹持支架的面板，外推杆外端头设有外夹片。

所述的一种折纸可变形管道实验装置，其特征在于机械臂系统为三个，每个机械臂系统包括机械臂支架和机械臂，机械臂支架包括两根支架立杆和一根支架横杆，支架立杆设置在加载实验平台上，支架立杆和支架横杆上分别设置安装槽，支架横杆两端分别设置在两个支架立杆的安装槽上，并能上、下滑动；机械臂设置在支架横杆的安装槽上，并能左、右滑动。

所述的一种折纸可变形管道实验装置，其特征在于支架横杆两端设有与支架立杆上安装槽匹配的支架连接头。

所述的一种折纸可变形管道实验装置，其特征在于机械臂包括第一机械臂、第二机械臂及第三机械臂，第二机械臂内设有第四步进电机，第一机械臂通过第四步进电机上的第一传动轴与第二机械臂联接；第一机械臂内设有第三步进电机，第三机械臂通过第三步进电机上的第二传动轴与第一机械臂相联接，电磁铁安装在第三机械臂上，机械臂在两个步机电机的作用下，能在两个方向上转动，改变外磁场和驱动力的方向。

所述的一种折纸可变形管道实验装置，其特征在于第二机械臂的上表面设有与支架横杆上的安装槽匹配的机械臂接头。

本发明的有益效果是：适用于折纸可变形管道变形过程中驱动力的产生，研究其在稳态转变过程中的结构特性，包括其最大的转变力、第一稳态向第二稳态过渡、第二稳态返回第一稳态的力和位移等关键性信息；适用于不同的材料的折纸可变形管道的研究、适应不同尺寸、铺设角度、变形方向的双稳态复合材料，实验装置简单高效，稳定性好，易于拆装和维修，对于智能材料驱动折纸结构具有一定的借鉴意义。

附图说明

图1是本发明的整体装置的主视图；

图2是本发明的整体装置的俯视图；

图3是本发明的夹持装置的主视图；

图4是本发明的夹持装置的俯视图；

图5是本发明的铰链杆机构的主视图；

图6是本发明的机械臂系统的主视图；

图7是本发明的机械臂的主视图；

图8是本发明的折纸可变形管道结构示意图；

图9是本发明的折纸可变形管道的反对称双稳态圆柱壳示意图。

图中：1-加载实验平台，2-夹持装置，21-丝杠电机机构，22-内夹持推进装置，23-推进块，24-外夹持支架，2401-外导轨，25-内夹持支架，2501-内导轨，26-第一步进电机，27-转盘，28-齿环，29-锥齿轮，210-第二步进电机，211-内铰链杆机构，2111-第一内铰链，2112-内铰链杆，2113-第二内铰链，2114-内推杆，2114a-外夹片，212-电机支架，213-外铰链杆机构，2131-第一外铰链， 2132-外铰链杆，2133-第二外铰链，2134-外推杆，2134a-内夹片，3-折纸可变形管道，301-立方体薄管，302-反对称双稳态圆柱壳，303-连接板，4-机械臂系统，41-机械臂支架，411-支架立杆，412-支架横杆，42-机械臂，421-第一机械臂，422-第三步进电机，423-第一传动轴，424-第二机械臂，424a-机械臂接头，425-第四步进电机，426-第二传动轴，427-第三机械臂。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不仅限于此：

如图1-9所示，本发明一种折纸可变形管道实验装置，用于折纸可变形管道3实验分析用，本发明用于实验的折纸可变形管道3包括由连接板303连接的6个立方体薄管301，立方体薄管301的相对两个角内侧上分别设有反对称双稳态圆柱壳302，反对称双稳态圆柱壳302的四边中部分别设置小磁体304，所述实验装置包括加载实验平台1、夹持装置2和机械臂系统4，机械臂系统4包括机械臂支架41及机械臂42，机械臂支架41和夹持装置2固定在加载实验平台1上，夹持装置2用于夹持折纸可变形管道3，机械臂42安装在机械臂支架41上，并能够产生相对运动，机械臂42上设有电磁铁，形成外部磁场，用于给折纸可变形管道3产生变形提供驱动力。

如图1-4所示，本发明的夹持装置2包括丝杠电机机构21、内夹持推进装置22、推进块23、外夹持支架24及内夹持支架25，内夹持推进装置22固定在加载实验平台1上，丝杠电机机构21下端安装在内夹持推进装置22底部，上端与外夹持支架24联接；外夹持支架24外壁与内夹持推进装置22内壁相接触，并能够产生相对运动；推进块23上下两端分别设置在外夹持支架24和内夹持支架25上，通过所述的丝杠电机机构21实现升降的功能；内夹持支架25设有第一步进电机26，转盘27安装在第一步进电机26上；第二步进电机210通过电机支架212安装在外夹持支架24上；转盘27、内夹持支架25与内铰链杆机构211相联接，齿环齿轮传动与所述的第二步进电机210和外夹持支架24通过外铰链杆机构213相联接，第二步进电机210的传动轴上设有锥齿轮29，锥齿轮29与齿环28啮合连接。

内夹持支架25每个面板内侧设有内导轨2501，外夹持支架24每个面板外侧设有外导轨2401。

如图5所示，所述的内铰链杆机构211为4个，内铰链杆机构211一端均匀间隔设置在转盘27上，另一端分别对应设置在内夹持支架25的四个面板上，每个内铰链杆机构211包括第一内铰链2111、第二内铰链2113、内铰链杆2112及内推杆2114，第一内铰链2111固定在转盘27上，第二内铰链2113活动设置在内导轨2501上，第一内铰链2111和第二内铰链2113由内铰链杆2112连接，内推杆2114一端设置在第二内铰链2113上，另一端穿出内夹持支架25的面板；所述的外铰链杆机构213为4个，外铰链杆机构213一端均匀间隔设置在齿环28上，另一端分别对应设置在外夹持支架24的四个面板上，每个外铰链杆机构213包括第一外铰链2131、第二外铰链2133、外铰链杆2132及外推杆2134，第一外铰链2131固定在齿环28上，第二外铰链2133活动设置在外导轨2401上，第一外铰链2131、第二外铰链2133由外铰链杆2132连接，外推杆2134一端设置在第二外铰链2133上，另一端穿出外夹持支架24的面板。

如图所示，由于内推杆2114和外推杆2134用于夹持折纸可变形管道3的立方体薄管301，为了保护立方体薄管301防止夹持过程中受损，本发明在内推杆2114的外端头设有内夹片2114a，外推杆2134的外端头设有外夹片2134a。

如图1、图2、图6及图7所示，本发明的机械臂系统4为三个，每个机械臂系统4包括机械臂支架41和机械臂42，机械臂支架41包括两根支架立杆411和一根支架横杆412，支架立杆411设置在加载实验平台1上，支架立杆411和支架横杆412上分别设置安装槽，支架横杆412两端分别设置在两个支架立杆411的安装槽上，并能上、下滑动，支架立杆411上有插孔，支架横杆412的支架连接头上也设有对应的孔，高度调节完成后可以通过插销的方式连接；机械臂42设置在支架横杆412的安装槽上，并能左、右滑动；机械臂42包括第一机械臂421、第二机械臂424及第三机械臂427，第二机械臂424内设有第四步进电机425，第一机械臂421通过第四步进电机425上的第一传动轴423与第二机械臂424联接；第一机械臂421内设有第三步进电机422，第三机械臂427通过第三步进电机422上的第二传动轴426与第一机械臂421相联接，电磁铁安装在第三机械臂427上，机械臂42在两个步机电机的作用下，能在两个方向上转动，具体为，第一机械臂421在第四步进电机425上的第一传动轴423的作用下，以第一传动轴423为转轴，能在水平方向转动，第三机械臂427在第三步进电机422上的第二传动轴426的作用下，以第二传动轴426为转轴，能在竖直方向上转动，由于第三机械臂427上安装有电磁铁，作为反对称双稳态圆柱壳302的四边中部分别设置小磁体304的驱动力，机械臂42转动时，其外磁场方向改变，从而改变驱动力方向，使折纸可变形管道3变形。

为了连接安装方便，本发明在支架横杆412两端设有与支架立杆411上安装槽匹配的支架连接头，第二机械臂424的上表面设有与支架横杆412上的安装槽匹配的机械臂接头424a，本发明实施例中安装槽、支架连接头及机械臂接头424a均为T型结构。

本发明实施例中齿环28上设计有四个安装位置，用于与4个铰链杆机构211的联接；转盘27上设计有四个安装位置，用于与4个铰链杆机构211的联接；机械臂支架41个数为3个，分别安装在加载试验平台1上；械臂42个数为3个，各自安装在所述的机械臂支架41上，并且能够上下左右移动，第三机械臂427可安装电磁铁，以产生折纸可变形管道变形的驱动力。

如图所示，本发明的工作过程如下：

1）实验前，将三套可调节的机械臂系统4分别安装在加载实验平台1上，然后将产生实验驱动力的电磁铁分别安装在对应的第三机械臂427上，构成了本实验基本的平台；

2）本实验研究对象-折纸可变形管道3在加载实验平台1上的定位，初始的折纸可变形管道3处于三通道全部打开的状态，将折纸可变形管道3的六个立方体薄管301中其中一个放置到内夹持支架25与外夹持支架24中间的空隙中，在该空隙中有成对的内推杆2114和外推杆2134，用于加紧折纸可变形管道3上的立方体薄管301的管壁，通过改变齿环28的相对位置能够调节外夹持装置24的外推杆2134与立方体薄管301外管壁之间的间隙，通过旋转转盘27的相对位置能够调节内夹持装置25的内推杆2114与立方体薄管301外管壁之间的间隙；通过以上两者的调节能够实现折纸可变形管道3在试验平台上的定位；实验开始时，通过调节三个机械臂42在机械臂支架41上的位置，来调整电磁铁相对于折纸可变形管道3的位置，管道内部附有反对称双稳态圆柱壳302，反对称双稳态圆柱壳302由双稳态复合材料制得，反对称双稳态圆柱壳302四边中部分别设置小磁体304，用于产生稳态转变的驱动力，调整到适当的位置后，通过施加外部电场（第三机械臂427上的电磁铁）的作用，使电磁铁产生驱动力，反对称双稳态圆柱壳302从第一稳态转变至第二稳态，从而实现折纸可变形管道3某一个方向的闭合；当需要打开该方向的立方体薄管301时，通过改变电场施加的方向，将产生方向相反的磁场力，反对称双稳态圆柱壳302圆柱壳从第二稳态向第一稳态转变。当需要对折纸可变形管道3其他方向进行操作时，只需调整机械臂42对折纸管道的相对位置即可。

本说明书所述的内容仅仅对发明构思的实现形式进行了列举，本发明的保护范围不应当被仅仅视为所述的具体形式，本发明的保护范围应当涉及本领域技术人员根据本发明构思想到的同等技术手段。

Claims (8)

1.一种折纸可变形管道实验装置，用于折纸可变形管道（3）实验分析用，折纸可变形管道（3）包括由连接板（303）连接的6个立方体薄管（301），立方体薄管（301）的相对两个角内侧上分别设有反对称双稳态圆柱壳（302），反对称双稳态圆柱壳（302）的四边中部分别设置小磁体（304），所述实验装置包括加载实验平台（1）、夹持装置（2）和机械臂系统（4），其特征在于机械臂系统（4）包括机械臂支架（41）及机械臂（42），机械臂支架（41）和夹持装置（2）固定在加载实验平台（1）上，夹持装置（2）用于夹持折纸可变形管道（3），机械臂（42）安装在机械臂支架（41）上，并能够产生相对运动，机械臂（42）上设有电磁铁，形成外部磁场，用于给折纸可变形管道（3）产生变形提供驱动力；夹持装置（2）包括丝杠电机机构（21）、内夹持推进装置（22）、推进块（23）、外夹持支架（24）及内夹持支架（25），内夹持推进装置（22）固定在加载实验平台（1）上，丝杠电机机构（21）下端安装在内夹持推进装置（22）底部，上端与外夹持支架（24）联接；外夹持支架（24）外壁与内夹持推进装置（22）内壁相接触，并能够产生相对运动；推进块（23）上下两端分别设置在外夹持支架（24）和内夹持支架（25）上；内夹持支架（25）设有第一步进电机（26），转盘（27）安装在第一步进电机（26）上；第二步进电机（210）通过电机支架（212）安装在外夹持支架（24）上；转盘（27）、内夹持支架（25）与内铰链杆机构（211）相联接，齿环齿轮传动与所述的第二步进电机（210）和外夹持支架（24）通过外铰链杆机构（213）相联接；

机械臂系统（4）为三个，每个机械臂系统（4）包括机械臂支架（41）和机械臂（42），机械臂支架（41）包括两根支架立杆（411）和一根支架横杆（412），支架立杆（411）设置在加载实验平台（1）上，支架立杆（411）和支架横杆（412）上分别设置安装槽，支架横杆（412）两端分别设置在两个支架立杆（411）的安装槽上，并能上、下滑动；机械臂（42）设置在支架横杆（412）的安装槽上，并能左、右滑动。

2.根据权利要求1所述的一种折纸可变形管道实验装置，其特征在于内夹持支架（25）每个面板内侧设有内导轨（2501）。

3.根据权利要求1所述的一种折纸可变形管道实验装置，其特征在于内铰链杆机构（211）为4个，内铰链杆机构（211）一端均匀间隔设置在转盘（27）上，另一端分别对应设置在内夹持支架（25）的四个面板上，每个内铰链杆机构（211）包括第一内铰链（2111）、第二内铰链（2113）、内铰链杆（2112）及内推杆（2114），第一内铰链（2111）固定在转盘（27）上，第二内铰链（2113）活动设置在内导轨（2501）上，第一内铰链（2111）和第二内铰链（2113）由内铰链杆（2112）连接，内推杆（2114）一端设置在第二内铰链（2113）上，另一端穿出内夹持支架（25）的面板，内推杆（2114）外端头设有内夹片（2114a）。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种折纸可变形管道实验装置，其特征在于第二步进电机（210）的传动轴上设有锥齿轮（29），锥齿轮（29）与齿环（28）啮合连接，外夹持支架（24）每个面板外侧设有外导轨（2401）。

5.根据权利要求4所述的一种折纸可变形管道实验装置，其特征在于外铰链杆机构（213）为4个，外铰链杆机构（213）一端均匀间隔设置在齿环（28）上，另一端分别对应设置在外夹持支架（24）的四个面板上，每个外铰链杆机构（213）包括第一外铰链（2131）、第二外铰链（2133）、外铰链杆（2132）及外推杆（2134），第一外铰链（2131）固定在齿环（28）上，第二外铰链（2133）活动设置在外导轨（2401）上，第一外铰链（2131）、第二外铰链（2133）由外铰链杆（2132）连接，外推杆（2134）一端设置在第二外铰链（2133）上，另一端穿出外夹持支架（24）的面板，外推杆（2134）外端头设有外夹片（2134a）。

6.根据权利要求1所述的一种折纸可变形管道实验装置，其特征在于支架横杆（412）两端设有与支架立杆（411）上安装槽匹配的支架连接头。

7.根据权利要求1所述的一种折纸可变形管道实验装置，其特征在于机械臂（42）包括第一机械臂（421）、第二机械臂（424）及第三机械臂（427），第二机械臂（424）内设有第四步进电机（425），第一机械臂（421）通过第四步进电机（425）上的第一传动轴（423）与第二机械臂（424）联接；第一机械臂（421）内设有第三步进电机（422），第三机械臂（427）通过第三步进电机（422）上的第二传动轴（426）与第一机械臂（421）相联接，电磁铁安装在第三机械臂（427）上，机械臂（42）在两个步机电机的作用下，能在两个方向上转动，改变外磁场和驱动力的方向。

8.根据权利要求7所述的一种折纸可变形管道实验装置，其特征在于第二机械臂（424）的上表面设有与支架横杆（412）上的安装槽匹配的机械臂接头（424a）。