CN110238830B - 一种基于形状记忆聚合物的零泊松比多稳态伸展臂 - Google Patents

Abstract

一种基于形状记忆聚合物的零泊松比多稳态伸展臂，涉及一种伸展臂结构。复合型负刚度单胞包括曲梁结构及三个支撑结构，曲梁结构两侧对称设置有两个刚性块以改变横截面尺寸，每四个复合型负刚度单胞组合固定成复合型负刚度蜂窝结构，每相对的两个复合型负刚度单胞的曲梁结构中间固定有弹簧，每八个复合型负刚度蜂窝结构组成支臂单体，多个支臂单体固定组成多稳态支臂，多稳态抓手与多稳态支臂一端通过黏合剂固定连接，手指与多稳态支臂结构相同并缩小，通过温度控制实现伸展或弯折。具有形状记忆功能，通过温度控制实现伸展或弯折，具有零泊松比效应，质量轻、变形能力强、更能够适应狭小空间条件下的作业。

Description

一种基于形状记忆聚合物的零泊松比多稳态伸展臂

技术领域

本发明涉及一种伸展臂结构，尤其是一种基于形状记忆聚合物的零泊松比多稳态伸展臂。

背景技术

传统的伸展臂一般是采用刚性材料制成的机械臂，而刚性材料不仅体积庞大、自身质量较重，而且弹性变形能力有限，机械臂轴向方向不能进行伸缩，因此难以在一些狭小的空间条件下开展作业。

负刚度多孔结构是近年来引起国内外广泛关注的一种新型轻质多功能结构，由于具备负刚度效应、多稳态效应、可重复特性等性质或功能，使其在冲击吸能、形态转换超材料、可展开结构等领域具有较为广泛的应用前景。负刚度结构是一种具有较高的初始刚度和可恢复性的机械超结构，它利用梁屈曲模式的跳变来实现负刚度效应。负刚度结构具有多稳态特性，梁在屈曲过程中会发生不可逆变形，卸载后无法恢复到初始状态，这样就出现了一种类似自锁的现象，从而将一部分变形能储存在结构中。

形状记忆聚合物是一种高分子聚合物，具有在一定热、电、磁、光条件刺激下主动回复变形并保持形状的特点，增加碳纤维增强相后，其强度也会增大很多。

因此，负刚度多孔结构结合形状记忆聚合物对伸展臂的性能提升具有实际意义，能够解决传统机械臂存在的上述弊端。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于形状记忆聚合物的零泊松比多稳态伸展臂，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种基于形状记忆聚合物的零泊松比多稳态伸展臂，包括多稳态支臂及多稳态抓手，所述多稳态支臂包括若干复合型负刚度单胞，所述复合型负刚度单胞包括曲梁结构及三个支撑结构，所述曲梁结构采用含增强纤维的形状记忆聚合物，所述支撑结构采用尼龙，三个支撑结构分别与曲梁结构中间及两端垂直固定为一体，位于两端的两个支撑结构位于同侧并与位于中间的支撑结构对向设置，曲梁结构两侧对称设置有两个刚性块以改变横截面尺寸，每四个复合型负刚度单胞组合固定成复合型负刚度蜂窝结构，所述复合型负刚度蜂窝结构的四个复合型负刚度单胞两两相对之后单侧贴靠固定形成横竖双向对称的日字形结构，每相对的两个复合型负刚度单胞的曲梁结构中间固定有弹簧，每八个复合型负刚度蜂窝结构环向单侧首尾依次固定围合为正八边形组成支臂单体，多个所述支臂单体沿轴向依次固定组成多稳态支臂，所述多稳态抓手包括安装座及多根手指，所述安装座与多稳态支臂一端通过黏合剂固定连接，安装座外侧表面环向固定有多根手指，每根所述手指与多稳态支臂结构相同并缩小，多稳态支臂及多根手指均通过温度控制实现伸展或弯折。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的复合型负刚度单胞具有形状记忆功能，通过温度控制能够实现多个稳态，多稳态支臂通过温度调控即可实现伸展或弯折，而且可任意方向弯折无死角，单侧方向弯折最大弯折角度为180°，多稳态抓手的手指与多稳态支臂结构相同并缩小，控制弯折即可进行抓取任务，具有零泊松比效应，截面尺寸不变，在伸展或弯折的过程中横截面始终和初始形状一样不会发生椭圆化，曲梁结构有多个稳定状态，温度不变即可进行自锁，质量轻、变形能力强、更能够适应狭小空间条件下的作业，对伸展臂的研究与应用具有现实意义。

附图说明

图1是本发明的复合型负刚度单胞由展开状态至压缩状态的示意图；

图2是本发明的复合型负刚度蜂窝结构在压缩状态的示意图；

图3是本发明的复合型负刚度蜂窝结构在展开状态的示意图；

图4是本发明的支臂单体的轴测图；

图5是本发明的多稳态支臂进行弯折时的示意图；

图6是本发明的多稳态支臂弯折后的轴测图；

图7是本发明的多稳态支臂弯折后其弯曲外侧的轴测图；

图8是本发明的多稳态支臂弯折后其弯曲内侧的轴测图；

图9是本发明的基于形状记忆聚合物的零泊松比多稳态伸展臂的示意图；

图10是本发明的多稳态抓手的手指进行弯折时的示意图；

图11是本发明的多稳态支臂向任意方向弯折的示意图；

图12是本发明的多稳态支臂向单侧方向弯折的示意图；

图13是本发明的曲梁结构的两种变种结构的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一：如图1～图10所示，本发明公开了一种基于形状记忆聚合物的零泊松比多稳态伸展臂，包括多稳态支臂11及多稳态抓手12，所述多稳态支臂11包括若干复合型负刚度单胞1，所述复合型负刚度单胞1包括曲梁结构1-1及三个支撑结构1-2，所述曲梁结构1-1采用含增强纤维的形状记忆聚合物，所述支撑结构1-2采用尼龙，三个支撑结构1-2分别与曲梁结构1-1中间及两端垂直固定为一体，位于两端的两个支撑结构1-2位于同侧并与位于中间的支撑结构1-2对向设置，曲梁结构1-1两侧对称设置有两个刚性块1-3以改变横截面尺寸，每四个复合型负刚度单胞1组合固定成复合型负刚度蜂窝结构2，所述复合型负刚度蜂窝结构2的四个复合型负刚度单胞1两两相对之后单侧贴靠固定形成横竖双向对称的日字形结构，每相对的两个复合型负刚度单胞1的曲梁结构1-1中间固定有弹簧2-1，每八个复合型负刚度蜂窝结构2环向单侧首尾依次固定围合为正八边形组成支臂单体3，多个所述支臂单体3沿轴向依次固定组成多稳态支臂11，所述多稳态抓手12包括安装座4及多根手指5，所述安装座4与多稳态支臂11一端通过黏合剂固定连接，安装座4外侧表面环向固定有多根手指5，每根所述手指5与多稳态支臂11结构相同并缩小，多稳态支臂11及多根手指5均通过温度控制实现伸展或弯折。

具体实施方式二：如图1、5、9、10所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述若干复合型负刚度单胞1处于展开状态并在高于所述曲梁结构1-1的材料的玻璃化转变温度的情况下，在外载驱动下进行压缩，产生弯曲变形进行塑造，形状塑造完成后自然冷却并固定组成所述多稳态支臂11，当对多稳态支臂11的全部曲梁结构1-1同时升温至相同温度，全部曲梁结构1-1回复至展开状态释放预应力使多稳态支臂11直线伸展，当对多稳态支臂11弯曲外侧的曲梁结构1-1升温时长大于弯曲内侧的曲梁结构1-1升温时长，弯曲外侧的曲梁结构1-1展开大于弯曲内侧的曲梁结构1-1使多稳态支臂11产生弯折，所述手指5的弯折与多稳态支臂11弯折形式相同。

具体实施方式三：如图1所示，本实施方式是对具体实施方式二作出的进一步说明，所述曲梁结构1-1的两侧利用聚酰亚胺粘合剂将电加热片粘贴在初始展开状态下的含增强纤维的形状记忆聚合物的内侧表面，通过温度控制器对所述电加热片进行温度调控，从而改变曲梁结构1-1的温度。

具体实施方式四：如图4所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述复合型负刚度蜂窝结构2之间通过高温固化进行无缝连接，为进行无缝连接，复合型负刚度蜂窝结构2接口处设置为坡面。

具体实施方式五：如图5所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述多稳态支臂11为根部粗头部细的结构，在不影响强度的情况下节省材料。

具体实施方式六：如图1、13所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述曲梁结构1-1可替换为两种变种结构，包括曲梁变种结构一1-11和曲梁变种结构二1-12，所述曲梁变种结构一1-11的横截面尺寸为中间窄两端宽的形式，所述曲梁变种结构二1-12的横截面尺寸为中间宽两端窄的形式。

参照图1～3所示，在曲梁结构1-1上增加刚性块1-3以增大曲梁结构1-1该处的横截面尺寸，如果在不同的部位增加更多的刚性块1-3，或改变不同部位曲梁结构1-1的横截面积，参照图13所示，对曲梁结构1-1进行变种，如中间窄两端宽的曲梁变种结构一1-11和中间宽两端窄的曲梁变种结构二1-12，在横截面尺寸相对较小的位置则容易发生屈曲，可以实现多稳态功能，有利于结构稳定在弯曲时的构型，复合型负刚度蜂窝结构2增加弹簧2-1使得其在压缩和展开的时候，在弹簧2-1内部存储有预应力，更易复合型负刚度蜂窝结构2的压缩和展开。

参照图1～5所示，将由尼龙制成的支撑结构1-2和由含增强纤维的形状记忆聚合物制成的曲梁结构1-1固定组合成多稳态支臂11，其中，曲梁结构1-1可采用环氧树脂形状记忆聚合物并在表面设置纤维进行增强，在初始展开状态下放入温度箱中在90℃条件下进行高温固化2小时，在120℃条件下再进行高温固化1小时，然后，取出多稳态支臂11对曲梁结构1-1粘贴电加热片，将贴有电加热片的多稳态支臂11放入100～120℃的温度箱，具体温度根据曲梁结构1-1材料的玻璃化转变温度Tg来确定，一般比Tg高0～20℃，在温度箱中放置10分钟，材料达到Tg变软后从温度箱取出，通过压缩机器或外力对多稳态支臂11进行压缩，材料恢复常温并保持形状不动，参照图9、10所示，将多稳态抓手12通过黏合剂安装到多稳态支臂11的头部，多稳态抓手12的手指5结构与多稳态支臂11相同并缩小，同样贴有电加热片和多稳态支臂11协调配合实现抓取任务，电加热片均通过电线与温度控制器电性连接，电线布置在多稳态支臂11与手指5的内部，通电后通过温度控制器对电加热片进行温度调控，电加热片对曲梁结构1-1加热，曲梁结构1-1将逐渐回复到展开的状态，如若想让其停止在某一状态，在达到该状态时停止升温并保持温度即可，若只需要多稳态支臂11进行直线伸展，则只需控制相同环向位置的电加热片加热时间及温度相同即可，让相同环向位置的曲梁结构1-1处于同一稳态，参照图5～7所示，若需要多稳态支臂11进行弯折，则只需控制相同环向位置的电加热片加热时弯曲外侧升温时长较大，使得越往弯曲内侧的曲梁结构1-1展开越小，越处于压缩状态，弯曲内侧的压缩较大，弯曲外侧的压缩较小，中间部位处于二者的中间稳定状态进行过渡，多稳态支臂11可实现参照图11所示的任意方向无死角弯折和参照图12所示的单侧方向最大180°弯折。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种基于形状记忆聚合物的零泊松比多稳态伸展臂，其特征在于：包括多稳态支臂(11)及多稳态抓手(12)，所述多稳态支臂(11)包括若干复合型负刚度单胞(1)，所述复合型负刚度单胞(1)包括曲梁结构(1-1)及三个支撑结构(1-2)，所述曲梁结构(1-1)采用含增强纤维的形状记忆聚合物，所述支撑结构(1-2)采用尼龙，三个支撑结构(1-2)分别与曲梁结构(1-1)中间及两端垂直固定为一体，位于两端的两个支撑结构(1-2)位于同侧并与位于中间的支撑结构(1-2)对向设置，曲梁结构(1-1)两侧对称设置有两个刚性块(1-3)以改变横截面尺寸，每四个复合型负刚度单胞(1)组合固定成复合型负刚度蜂窝结构(2)，所述复合型负刚度蜂窝结构(2)的四个复合型负刚度单胞(1)两两相对之后单侧贴靠固定形成横竖双向对称的日字形结构，每相对的两个复合型负刚度单胞(1)的曲梁结构(1-1)中间固定有弹簧(2-1)，每八个复合型负刚度蜂窝结构(2)环向单侧首尾依次固定围合为正八边形组成支臂单体(3)，多个所述支臂单体(3)沿轴向依次固定组成多稳态支臂(11)，所述多稳态抓手(12)包括安装座(4)及多根手指(5)，所述安装座(4)与多稳态支臂(11)一端通过黏合剂固定连接，安装座(4)外侧表面环向固定有多根手指(5)，每根所述手指(5)与多稳态支臂(11)结构相同并缩小，多稳态支臂(11)及多根手指(5)均通过温度控制实现伸展或弯折。

2.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆聚合物的零泊松比多稳态伸展臂，其特征在于：所述若干复合型负刚度单胞(1)处于展开状态并在高于所述曲梁结构(1-1)的材料的玻璃化转变温度的情况下，在外载驱动下进行压缩，产生弯曲变形进行塑造，形状塑造完成后自然冷却并固定组成所述多稳态支臂(11)，当对多稳态支臂(11)的全部曲梁结构(1-1)同时升温至相同温度，全部曲梁结构(1-1)回复至展开状态释放预应力使多稳态支臂(11)直线伸展，当对多稳态支臂(11)弯曲外侧的曲梁结构(1-1)升温时长大于弯曲内侧的曲梁结构(1-1)升温时长，弯曲外侧的曲梁结构(1-1)展开大于弯曲内侧的曲梁结构(1-1)使多稳态支臂(11)产生弯折，所述手指(5)的弯折与多稳态支臂(11)弯折形式相同。

3.根据权利要求2所述的一种基于形状记忆聚合物的零泊松比多稳态伸展臂，其特征在于：所述曲梁结构(1-1)的两侧利用聚酰亚胺粘合剂将电加热片粘贴在初始展开状态下的含增强纤维的形状记忆聚合物的内侧表面，通过温度控制器对所述电加热片进行温度调控，从而改变曲梁结构(1-1)的温度。

4.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆聚合物的零泊松比多稳态伸展臂，其特征在于：所述复合型负刚度蜂窝结构(2)之间通过高温固化进行无缝连接，为进行无缝连接，复合型负刚度蜂窝结构(2)接口处设置为坡面。

5.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆聚合物的零泊松比多稳态伸展臂，其特征在于：所述多稳态支臂(11)为根部粗头部细的结构，在不影响强度的情况下节省材料。

6.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆聚合物的零泊松比多稳态伸展臂，其特征在于：所述曲梁结构(1-1)可替换为两种变种结构，包括曲梁变种结构一(1-11)和曲梁变种结构二(1-12)，所述曲梁变种结构一(1-11)的横截面尺寸为中间窄两端宽的形式，所述曲梁变种结构二(1-12)的横截面尺寸为中间宽两端窄的形式。

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