CN109878762B

CN109878762B - 一种变角度拍摄装置及其拍摄方法

Info

Publication number: CN109878762B
Application number: CN201910025876.4A
Authority: CN
Inventors: 杜海洋; 赵亚军; 郭士军; 周小利; 许杨健
Original assignee: Hebei University of Engineering
Current assignee: Hebei University of Engineering
Priority date: 2019-01-11
Filing date: 2019-01-11
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2039-01-11
Also published as: CN109878762A

Abstract

本发明公开了一种变角度拍摄装置及其拍摄方法，它应用于智能高分子材料应用技术领域，该拍摄装置包括主动变形杆件、基座和拍摄设备，所述主动变形杆件的底端通过连接部位与基座固定连接，主动变形杆件的顶端通过连接部位与拍摄设备固定连接，所述主动变形杆件上设有与供电设备连接的能量释放装置，该拍摄方法包括以下步骤：（1）将主动变形杆件进行预变形处理；（2）装置的连接；（3）将主动变形杆件进行有序变形；（4）实现变角度拍摄；本发明结构简单，制作成本低，利用材料本身的特性实现变角度拍摄的目的，该拍摄方法设计新颖、思维超前，由外界驱动实现变角度拍摄，其控制精度高，有大力推广的必要。

Description

一种变角度拍摄装置及其拍摄方法

技术领域

本发明涉及智能高分子材料应用技术领域，具体的说一种基于功能梯度形状聚合物的有序变形、自动调控拍摄角度的变角度拍摄装置及其拍摄方法。

背景技术

航天飞行器或探测器中通常带有摄像设备，用于拍摄自身设备正常工作情况和太空周边环境状况。

用于空间环境的探测器，传统的拍摄设备及其拍摄杆件多为金属材料或复合材料制备，依靠探测器电力控制拍摄杆件关节部位传动机构，从而实现多角度拍摄。工作过程中，一旦探测器控制拍摄杆件的传动机构失灵，就会导致拍摄设备无法转动角度，影响设备对太空环境多角度的观察和拍摄。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种变角度拍摄装置及其拍摄方法，通过改变拍摄杆件的材料热力学特性来实现拍摄角度的改变，从而克服传统拍摄杆件传动机构失灵而导致无法进行多角度拍摄的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种变角度拍摄装置，包括主动变形杆件、基座和拍摄设备，所述主动变形杆件的底端通过连接部位与基座固定连接，主动变形杆件的顶端通过连接部位与拍摄设备固定连接，所述主动变形杆件上设有若干与供电设备连接、用于驱动主动变形杆件发生有序变形的能量释放装置。

本装置的进一步改进在于：所述主动变形杆件为功能梯度形状记忆聚合物材料制成，所述功能梯度形状记忆聚合物材料在厚度方向采用层合形式或连续梯度形式。

本装置的进一步改进在于：所述功能梯度形状记忆聚合物材料为聚氨酯基SMP、苯乙烯基SMP、环氧基SMP、氰酸酯基SMP的一种或者几种组合。

本装置的进一步改进在于：所述功能梯度形状记忆聚合物材料中添加碳纳米颗粒、短纤维、纳米橡胶、石墨烯或柔性织物。

本装置的进一步改进在于：所述能量释放装置为产热装置，多个产热装置自上而下均匀粘贴在主动变形杆件的表面。

本装置的进一步改进在于：所述产热装置嵌入在主动变形杆件的内部。

本装置的进一步改进在于：所述产热装置为导电柔性材料制成。

本发明还提供一种变角度拍摄装置的拍摄方法，包括以下步骤：

（1）将主动变形杆件进行预变形处理；

（2）将步骤（1）的主动变形杆件的底端通过连接部位与基座固定连接，主动变形杆件的顶端通过连接部位与拍摄设备固定连接；

（3）在主动变形杆件上安装驱动主动变形杆件有序变形的能量释放装置；

（4）将主动变形杆件在厚度方向从右侧到左侧表面的玻璃化转变温度梯度递增，能量释放装置释放能量使主动变形杆件温度发生变化，进一步驱动主动变形杆件发生不同程度的主动变形，带动顶端通过连接部位连接拍摄设备的多角度变化，完成多角度拍摄的要求。

本方法的进一步改进在于：所述步骤（3）驱动主动变形杆件有序变形的能量释放装置为产热装置。

本方法的进一步改进在于：所述产热装置为柔性电热膜或导电颗粒。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的有益效果是：

本发明结构简单、成本低廉，实用价值高。与现有航空变角度拍摄技术相比无需驱动拍摄杆件传动机构就能改变拍摄角度的优势，可有效避免由于传动机构失灵导致拍摄失败的风险。

本发明的主动变形杆件由功能梯度形状记忆材料制成，该制备材料在厚度方向采用层合形式或连续梯度形式，该主动变形杆件制作成本低，利用材料本身的特性实现主动变形，根据外界驱动响应调控主动变形杆件的拍摄角度，进而实现主动变形杆件自驱动、变角度智能拍摄的要求，其控制精度高，设计新颖、思维超前，该功能梯度形状记忆材料首次成功应用于拍摄领域，取得了巨大的经济效益和社会效益，有大力推广的必要。

附图说明

图1是轴向预变形后本发明的侧视结构示意图；

图2是轴向预变形后本发明的主视结构示意图；

图3是本发明在不同温度控制下变角度拍摄示意图。

其中，1、主动变形杆件；2、基座；3、连接部位； 4、拍摄设备；5、能量释放装置。

具体实施方式

结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本发明的保护范围不限于具体实例，在不违背本发明技术方案的前提下，对本领域普通技术人员针对进行容易实现的任何改动或改变都将落入本发明的权利要求保护范围之内。

一种变角度拍摄装置，如图1-3所示，其包括主动变形杆件1、基座2、和拍摄设备4，所述基座2为刚性塑料或金属材料制成，起支撑和固定主动变形杆件1的作用。所述主动变形杆件1的底端通过连接部位3与基座2固定连接，主动变形杆件1的顶端通过连接部位3与拍摄设备4固定连接，所述拍摄设备可实现拍摄的功能。

所述主动变形杆件1为功能梯度形状记忆聚合物材料制成，所述功能梯度形状记忆聚合物材料在厚度方向采用层合形式分布，所述功能梯度聚合物材料在厚度方向从一侧到另一侧表面的玻璃化转变温度梯度递增或递减。这样，主动变形杆件1在厚度方向从右侧到左侧表面的玻璃化转变温度梯度递增或递减。且主动变形杆件1每层功能梯度形状记忆聚合物材料都具有良好的形状固定率和回复率，均高于（>90%），且主动变形杆件1在不同温度下可以稳定不同的变形状态，从而实现温度响应的自调控变角度拍摄。所述功能梯度形状记忆聚合物材料为聚氨酯基SMP、苯乙烯基SMP、环氧基SMP、氰酸酯基SMP的一种或者几种组合，所述主动变形杆件1粘贴产热装置5一侧的SMP材料产生回复变形，使主动变形杆件1向粘贴产热装置5的一侧变形。

所述功能梯度形状记忆聚合物材料中添加碳纳米颗粒、短纤维、纳米橡胶、石墨烯或柔性织物，可增加结构的力学性能如强度、刚度或韧性；而且以上添加的材料多为导电材料，加入功能梯度形状记忆聚合物材料以后可使原本绝缘的结构变成导体，通电后自身就可达到升温的效果。

所述主动变形杆件1上设有若干与供电设备连接、用于驱动主动变形杆件1发生有序变形的能量释放装置5，所述能量释放装置5为产热装置，所述产热装置均匀粘贴在主动变形杆件1的表面或嵌入在主动变形杆件1的内部，并与供电设备连接，所述供电设备可以为探测器供电设备。所述探测器供电设备与产热装置连接病为其供电，产热装置为导电柔性材料制成，通电后释放热量温度升高，与产热装置连接的主动变形杆件1吸收产热装置放出的热量温度升高而变形，满足主动变形杆件1的变角度控制。

（1）将主动变形杆件1进行预变形处理：以主动变形杆件采用4层材料组成梯度分布的苯乙烯基SMPs制备为例进行说明，其玻璃化转变温度从右到左依次为T_r1=40～45℃;T_r2=60～65℃; T_r3=80～85℃; T_r4=100～105℃。将主动变形杆件1的表面均匀粘贴产热装置5，并将产热装置5与供电设备连接，升高温度至120℃使主动变形杆件1整体处于橡胶柔软状态，此时，主动变形杆件1在轴向拉伸变形为10%～100%；之后降温冷却至20℃，主动变形杆件1处于玻璃刚性状态，此时，释放轴向施加荷载，预变形后的主动变形杆件1不再发生回复，从而完成主动变形杆件1的轴向拉伸和弯曲状态的预变形处理。

（2）将步骤（1）预变形处理后的主动变形杆件1的底端通过连接部位3与基座2固定连接，主动变形杆件1的顶端通过连接部位3与拍摄设备4固定连接，这样，在主动变形杆件1发生变角度后，带动拍摄设备4完成变角度的拍摄。

（3）在主动变形杆件1上安装驱动主动变形杆件1有序变形的能量释放装置5，该能量释放装置5可以为产热装置，后面以产热装置为柔性电热膜为例详细叙述。

（4）将主动变形杆件1在厚度方向从右侧到左侧表面的玻璃化转变温度梯度递增，能量释放装置5释放能量温度升高，能量释放装置5的驱动条件可以为：温度、电热膜或磁场，温度、电热膜或磁场驱动能量释放装置5的温度发生变化，同时使得主动变形杆件1的温度发生相应变化，进一步变化的温度驱动主动变形杆件1发生不同程度的主动变形，带动顶端通过连接部位3连接拍摄设备4的多角度变化，完成多角度拍摄的要求。

如图3所示，制备主动变形杆件1的4层苯乙烯基功能梯度形状记忆聚合物材料，每层苯乙烯基功能梯度形状记忆聚合物材料都具有良好的形状变形率，在厚度方向从右侧到左侧表面的玻璃化转变温度梯度递增，不同的温度下可以稳定不同的变形状态。设定主动变形杆件1整体处于玻璃态时温度为T_L=20℃，整体处于橡胶态时温度为T_H=120℃，在两者之间设置一些温度值T₁，T₂，T₃，T₄，并满足T_L=20℃<T₁<T₂<T₃<T₄<T_H=120℃。假设T₁=50℃,T₂=70℃,T₃=90℃,T₄=110℃，则主动变形杆件1会随着温度的升高而发生不同程度的主动变形，与主动变形杆件1顶端通过连接部位3固定连接的拍摄设备4也会随之发生变化，实现拍摄角度的变化。

产热装置采用额定电阻20欧姆的聚酰亚胺基柔性电热膜，当施加18V的直流电压后通电10s，并保持5s，可以升温至T₁=50℃，误差±2℃，此时，主动变形杆件1最右侧层SMP材料产生形状变形，导致主动变形杆件1向右变形，主动变形杆件1变形状态为形状1，并能稳定保持该形状，拍摄设备4的拍摄角度如图3中形状1所示；继续通电15s，并保持10s，可以升温至T₂=70℃，误差±2℃，主动变形杆件1的变形状态为形状2，并能稳定保持该形状，此时拍摄设备4的拍摄角度如图3中形状2所示；同理，继续通电，直至温度升至T₃=90℃，误差±2℃，主动变形杆件1的变形状态为形状3，并能稳定保持该形状，此时，拍摄设备4的拍摄角度如图3中形状3所示。主动变形杆件1为形状1、形状2和形状3时，与主动变形杆件1顶端连接的拍摄设备4分别完成形状1拍摄角度、形状2拍摄角度和形状3拍摄角度的拍摄。拍摄角度的大小可根据温度的高低来控制，温度的高低可根据聚酰亚胺基柔性电热膜通电时间的长短来控制。可见，不同的温度下主动变形杆件1可以稳定不同的变形状态，通过控制柔性电热膜通电时间的长短控制主动变形杆件1的不同的主动变形，进而满足精确控制拍摄设备拍摄角度的要求。

Claims

1.一种变角度拍摄装置，其特征在于：包括主动变形杆件（1）、基座（2）和拍摄设备（4），所述主动变形杆件（1）的底端通过连接部位（3）与基座（2）固定连接，主动变形杆件（1）的顶端通过连接部位（3）与拍摄设备（4）固定连接，所述主动变形杆件（1）为功能梯度形状记忆聚合物材料制成，所述功能梯度形状记忆聚合物材料为聚氨酯基SMP、苯乙烯基SMP、环氧基SMP、氰酸酯基SMP的一种或者几种组合，所述主动变形杆件（1）上设有若干与供电设备连接、用于驱动主动变形杆件（1）发生有序变形的能量释放装置（5）。

2.根据权利要求1所述的一种变角度拍摄装置，其特征在于：所述功能梯度形状记忆聚合物材料在厚度方向采用层合形式分布，所述功能梯度聚合物材料在厚度方向从一侧到另一侧表面的玻璃化转变温度梯度递增或递减。

3.根据权利要求2所述的一种变角度拍摄装置，其特征在于：所述功能梯度形状记忆聚合物材料中添加碳纳米颗粒、短纤维、纳米橡胶、石墨烯或柔性织物。

4.根据权利要求1所述的一种变角度拍摄装置，其特征在于：所述能量释放装置（5）为产热装置，多个产热装置自上而下均匀粘贴在主动变形杆件（1）的表面。

5.根据权利要求4所述的一种变角度拍摄装置，其特征在于：所述产热装置嵌入在主动变形杆件（1）的内部。

6.根据权利要求5所述的一种变角度拍摄装置，其特征在于：所述产热装置为导电柔性材料制成。

7.如权利要求1-6所述的一种变角度拍摄装置的拍摄方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将主动变形杆件（1）进行预变形处理；

（2）将步骤（1）的主动变形杆件（1）的底端通过连接部位（3）与基座（2）固定连接，主动变形杆件（1）的顶端通过连接部位（3）与拍摄设备（4）固定连接；

（3）在主动变形杆件（1）上安装驱动主动变形杆件（1）有序变形的能量释放装置（5）；

（4）将主动变形杆件（1）在厚度方向从右侧到左侧表面的玻璃化转变温度梯度递增，能量释放装置（5）释放能量使主动变形杆件（1）温度发生变化，进一步驱动主动变形杆件（1）发生不同程度的主动变形，带动顶端通过连接部位（3）连接拍摄设备（4）的多角度变化，完成多角度拍摄的要求。

8.根据权利要求7所述的一种变角度拍摄装置的拍摄方法，其特征在于：所述步骤（3）驱动主动变形杆件（1）有序变形的能量释放装置（5）为产热装置。

9.根据权利要求8所述的一种变角度拍摄装置的拍摄方法，其特征在于：所述产热装置为柔性电热膜或导电颗粒。