CN110549804A - 基于4d打印技术的水陆两栖推进装置及制造方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于4D打印技术的水陆两栖推进装置，包括：轮毂单元，所述轮毂单元外轮廓呈圆形，内部具有中空结构，所述中空结构内对应所述圆形的圆心位置设置有转轴部；多个桨叶结构单元，所述多个桨叶结构单元一端连接于所述中空结构内的转轴部，并呈均匀分布，每个桨叶结构单元呈板状，包括：至少一个变形部，所述变形部具有热刺激变形响应性能，其受到热刺激后能够在平直状态与弯曲状态之间转换；至少一个非变形部，与所述变形部连接，所述非变形部能够在所述变形部带动下由所述中空结构内部伸出至所述中空结构外。通过输入热刺激使桨叶结构发生变形，即可实现水陆两栖推进功能转换，不需要复杂的结构设计和控制系统。

Description

基于4D打印技术的水陆两栖推进装置及制造方法

技术领域

本公开涉及机器人领域，尤其涉及一种基于4D打印技术的水陆两栖推进装置、机器人及制造方法。

背景技术

随着先进科学技术突飞猛进地发展，机器人在工业生产、航空航天、抗震救灾以及生活服务等领域得到了日益广泛的应用。然而，现实生活中复杂多变的应用场景要求机器人需要具有对多种环境的适应能力。鉴于此，可在两种或两种以上的环境中工作的多功能机器人应运而生，如水陆两栖机器人、水空两栖机器人、陆空两栖机器人等。这当中由于水陆两栖机器人关系到民生、军事活动，因此应用最为广泛。常见的水陆两栖机器人有多种推进形式，包括：足式水陆两栖机器人、仿生式水陆两栖机器人、轮式水陆两栖机器人。其中，轮式水陆两栖机器人设计思路简单、运动效率高，得到广泛的关注。然而，传统水陆两栖机器人通常都是将两套运动机构集成在一起，当应对不同的工作环境时，可以通过复杂的控制实现水陆两栖功能转换。这就导致了此类机器人具有复杂的机械结构，增大了控制的难度，进而限制了水陆两栖机器人的发展。因此，迫切需要使水陆两栖机器人在具备两栖运动能力的同时保有较低的结构复杂度。

近年来，4D打印技术因其具有良好的大变形、可控性等特点，为工程师们提供了设计、制备具有外界刺激变形响应结构的新方法。4D打印技术在机器人领域有着巨大的潜在优势，包括：利用热刺激变形响应性质，设计具有变刚度性能的智能结构，该结构可作为钳子或机械手实现抓取重物的功能；将4D打印技术与折纸术结合，设计了“自折叠飞机”等多种结构，通过施加预应力使得其结构发生变化，在温度刺激下，可实现多种构型的变化。利用3D打印技术制备具有磁场响应的弹性体结构，在磁场作用下弹性体结构可以表现出良好的操控性。在磁场作用下，表现出良好的操控性。如今，4D打印技术已经大量使用新型智能和功能材料制备具有外界刺激变形响应的三维复杂结构，以期实现具有多稳态、易变形等优异性能的智能结构。4D打印技术实现了结构和功能的一体化成型，简化了复杂结构的成型工艺并增加了结构的智能性，这对机器人领域的进一步发展是十分必要。

对于传统水陆两栖机器人来说，推进结构往往具有复杂的机械结构和控制系统。利用4D打印技术的优势有望降低水陆两栖机器人推进结构复杂的困扰。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种基于4D打印技术的水陆两栖推进装置、机器人及制造方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种基于4D打印技术的水陆两栖推进装置，包括：

轮毂单元，所述轮毂单元外轮廓呈圆形，内部具有中空结构，所述中空结构内对应所述圆形的圆心位置设置有转轴部；

多个桨叶结构单元，所述多个桨叶结构单元一端连接于所述中空结构内的转轴部，并呈均匀分布，每个桨叶结构单元呈板状，包括：

至少一个变形部，所述变形部具有热刺激变形响应性能，其受到热刺激后能够在平直状态与弯曲状态之间转换；

至少一个非变形部，与所述变形部连接，所述非变形部能够在所述变形部带动下由所述中空结构内部伸出至所述中空结构外。

在一些实施例中，所述变形部连接于所述非变形部与所述转轴部(103)之间，其在弯曲状态下受热刺激将恢复为平直状态，带动所述非变形部伸出所述中空结构外。

在一些实施例中，所述至少一个非变形部包括：

第一桨叶段，所述第一桨叶段第一端连接于所述转轴部，第二端连接于所述变形部的第一端；

第二桨叶段，所述第二桨叶段连接所述变形部的第二端，当所述变形部为平直状态时所述第二桨叶段伸出所述中空结构；

所述至少一个变形部包括：

铰链段，连接于所述第一桨叶段与所述第一桨叶段之间，其在弯曲状态下受热刺激将转换为平直状态。

在一些实施例中，所述变形部采用具有形状记忆特性光固化材料。

在一些实施例中，所述非变形部采用不具有形状记忆特性光固化材料。

在一些实施例中，所述变形部包括：

基体，具有热刺激变形响应性能，

通孔，设置于所述基体上，用于穿插提供热刺激的电阻丝。

在一些实施例中，所述电阻丝外接直流电源。

在一些实施例中，所述轮毂单元还包括：

圆盘状的第一面与第二面，所述转轴部连接于所述第一面的圆心与第二面的圆心之间。

根据本公开的另一个方面，提供了一种如前所述的基于4D打印技术的水陆两栖推进装置的制造方法，利用3D打印技术一体化地打印所述水陆两栖推进装置的轮毂单元及多个桨叶结构单元，包括：

由硬质树脂材料打印成所述轮毂单元；同时由硬质树脂材料打印成所述桨叶结构单元的非变形部，由形状记忆特性的树脂材料打印成桨叶结构单元的变形部；

打印时，所述推进装置的所有悬空部分由支撑材料填充，打印完成后通过高压水枪去除；

采用电阻丝穿插在变形部的所述通孔内部，用以提供热刺激。

根据本公开的另一个方面，提供了一种水陆两栖机器人，包括如前所述的基于4D打印技术的水陆两栖推进装置。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开基于4D打印技术的水陆两栖推进装置、机器人及制造方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)通过输入热刺激使桨叶结构发生变形，即可实现水陆两栖推进功能转换，而不需要复杂的结构设计和控制系统；

(2)通过4D打印技术实现水陆两栖推进装置的制造，并且基于该设计可以有效地降低水陆两栖机器人推进结构设计的复杂度。

附图说明

图1为本公开实施例基于4D打印技术的水陆两栖推进装置的结构示意图。

图2为本公开实施例桨叶结构单元的结构示意图。

图3为本公开实施例桨叶结构单元铰链段的结构示意图。

图4为本公开实施例桨叶结构单元变形的示意图。

图5为本公开实施例水陆两栖推进装置变形的示意图。

图6为本实施例水陆两栖机器人的结构示意图，其中，(a)为水陆两栖机器人在陆地阶段的结构示意图；(b)为水陆两栖机器人在水面阶段的结构示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1、轮毂单元；

101、第一面； 102、第二面

102、转轴部

2、桨叶结构单元

211、第一桨叶段； 212、铰链段

213、第二桨叶段； 2121、基体

2122、通孔。

具体实施方式

针对上述存在的问题，本发明提供了一种基于4D打印技术的水陆两栖机器人推进结构的设计方案，可实现水陆两栖推进功能的同时降低推进结构的复杂度。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以由许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种基于4D打印技术的水陆两栖推进装置。

图1为本公开实施例基于4D打印技术的水陆两栖推进装置的结构示意图。如图1所示，本公开基于4D打印技术的水陆两栖推进装置为轮桨复合推进结构，包括：一个轮毂单元1和多个桨叶结构单元2。

其中，所述轮毂单元1外轮廓呈圆形，内部具有中空结构，所述中空结构内对应所述圆形的圆心位置设置有转轴部103。所述多个桨叶结构单元2一端连接于所述中空结构内的转轴部103，并呈均匀分布，每个桨叶结构单元2呈板状。当所述水陆两栖推进装置应用于陆地时，所述桨叶结构单元2收回至所述轮毂单元内部，所述推进装置呈车轮形式，用于陆地前进；当所述水陆两栖推进装置应用于水面时，所述桨叶结构单元2伸出至所述轮毂单元外部，所述推进装置呈明轮形式，用于水面推进。

具体地，所述轮毂单元1包括圆盘状的第一面101与第二面102，第一面101与第二面102之间形成中空结构，所述转轴部设置于所述中空结构中，并连接于所述第一面101的圆心与第二面102的圆心之间。本实施例中，共采用了6个桨叶结构单元2，以转轴部103为中心呈辐射状均匀设置在所述轮毂单元1的第一面101与第二面102之间。该桨叶结构单元2由两种不同的材质组成。其中，每个桨叶结构单元2的不同区域所用材料不同。具体地，每个桨叶结构单元2包括变形部与非变形部，所述变形部具有热刺激变形响应性能，其受到热刺激后能够在平直状态与弯曲状态之间转换；所述非变形部与所述变形部连接，所述非变形部的一部分能够在所述变形部带动下伸出或回缩至所述中空结构。

图2为本公开实施例桨叶结构单元的结构示意图，如图2所示，所述包括第一桨叶段211、铰链段212和第二桨叶段213。其中，第一桨叶段211和第二桨叶段213为非变形部，使用不具备热刺激变形响应的光固化材料，作为水陆两栖推进装置的桨叶段；铰链段212作为变形部，使用具有热刺激变形响应的形状记忆光固化材料，并作为该水陆两栖推进装置的铰链段212，使桨叶结构单元2能够实现折叠和展开。

本实施例中，铰链段212采用电阻丝加热的方式施加热刺激，因此，铰链段212设计了用于穿插电阻丝的通孔。图3为本公开实施例桨叶结构单元铰链段的结构示意图，如图3所示，所述铰链段212包括基体2121及通孔2122，其中，基体2121采用形状记忆光固化材料，基体2121上均匀设置通孔2122。利用3D打印技术一体化打印具备多材料的轮桨复合推进结构时，打印时所有悬空部分由支撑材料填充，打印完成后可使用高压水枪去除。再使用电阻丝穿插在铰链段212的通孔2122内部，用以提供热刺激。再将电阻丝外接直流电源，利用电阻丝发热对桨叶结构单元2施加热刺激，并通过施加外界载荷将桨叶结构单元2进行预折叠。在此需要说明的是，施加热刺激的方式并不以上述方式为限，在其他一些实施例中，其他可行的热刺激的施加方式也可以被采用。

图4为本公开实施例桨叶结构单元变形的示意图，如图4所示，所述铰链段212弯曲时，所述第一桨叶段211与所述第二桨叶段213呈一预定夹角；当所述铰链段212受热刺激后，转换为平直状态，所述第一桨叶段211与所述第二桨叶段213平行。

图5为本公开实施例水陆两栖推进装置变形的示意图，如图5所示，初始状态时，桨叶结构单元2折叠在轮毂单元内部，推进结构呈车轮形式，可完成陆地运动；当再次接通电路施加热刺激时，桨叶结构单2由于形状记忆特性发生恢复变形，从轮毂单元1内部展开成初始平直状态，所述第二桨叶段213伸出轮毂单元1外，使推进装置转换成明轮形式，可实现水面推进功能。

轮毂单元1部分与桨叶单元2部分的结构尺寸可根据需求随时进行调整。一般来说，可根据具体的水陆两栖机器人尺寸确定桨叶结构单元尺寸。桨叶结构单元的厚度应在保证结构足够强度的条件下越薄越好，因为结构单元越薄越有利于实现结构单元的快速变形响应。

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种基于4D打印技术的水陆两栖推进装置的制造方法，该方法利用3D打印技术一体化打印所述水陆两栖推进装置的轮毂单元及多个桨叶结构单元，包括：

采用硬质树脂材料打印所述轮毂单元；

采用硬质树脂材料打印所述桨叶结构单元的非变形部，同时采用形状记忆特性的树脂材料打印桨叶结构单元的变形部，并将所述变形部材料的变形因素及数字化参数植入打印材料中；

打印所述桨叶结构单元的变形部时，所述变形部的所有通孔部分由支撑材料填充，打印完成后通过高压水枪去除；

采用电阻丝穿插在变形部的所述通孔内部，用以提供热刺激。

通过上述基于4D打印技术的水陆两栖推进装置的制造方法，可以有效地降低水陆两栖机器人推进结构复杂度。

在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种具有基于4D打印技术的水陆两栖推进装置的机器人。对于传统水陆两栖机器人来说，推进结构往往具有复杂的机械结构和控制系统。为改善这种现状，图6所示为本实施例水陆两栖机器人的结构示意图，其中，(a)为水陆两栖机器人在陆地阶段的结构；(b)为水陆两栖机器人在水面阶段的结构。所述水陆两栖机器人的推进装置基于4D打印技术一体化制备，在热刺激状态下引起结构发生恢复变形，实现从陆地运动状态到水上运动状态的功能转换。具体地，推进结构的轮毂部分采用硬质树脂材料，桨叶部分采用第一实施例的三段式设计，其中中间的铰链段使用具有形状记忆特性的树脂材料，两端的桨叶段使用硬质树脂材料。当电阻丝接通电源后向桨叶结构单元施加热刺激，结构单元发生恢复变形，实现水陆两栖机器人运动功能转换。

此上述推进结构的轮式水陆两栖机器人通过输入热刺激使桨叶结构发生变形，即可实现水陆两栖推进功能转换，而不需要复杂的结构设计和控制系统，并且基于该设计可以有效地降低水陆两栖机器人推进结构复杂度。

为了达到简要说明的目的，上述实施例1中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本公开也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本公开的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本公开的最佳实施方式。

本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本公开实施例的相关设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于4D打印技术的水陆两栖推进装置，其特征在于，包括：

轮毂单元(1)，所述轮毂单元(1)外轮廓呈圆形，内部具有中空结构，所述中空结构内对应所述圆形的圆心位置设置有转轴部(103)；

多个桨叶结构单元(2)，所述多个桨叶结构单元(2)一端连接于所述中空结构内的转轴部(103)，并呈均匀分布，每个桨叶结构单元(2)呈板状，包括：

至少一个变形部，所述变形部具有热刺激变形响应性能，其受到热刺激后能够在平直状态与弯曲状态之间转换；

至少一个非变形部，与所述变形部连接，所述非变形部能够在所述变形部带动下由所述中空结构内部伸出至所述中空结构外。

2.根据权利要求1所述的水陆两栖推进装置，其特征在于，所述变形部连接于所述非变形部与所述转轴部(103)之间，其在弯曲状态下受热刺激将恢复为平直状态，带动所述非变形部伸出所述中空结构外。

3.根据权利要求1所述的水陆两栖推进装置，其特征在于，所述至少一个非变形部包括：

第一桨叶段(211)，所述第一桨叶段(211)第一端连接于所述转轴部(103)，第二端连接于所述变形部的第一端；

第二桨叶段(213)，所述第二桨叶段(213)连接所述变形部的第二端，当所述变形部为平直状态时所述第二桨叶段(213)伸出所述中空结构；

所述至少一个变形部包括：

铰链段(212)，连接于所述第一桨叶段(211)与所述第一桨叶段(211)之间，其在弯曲状态下受热刺激将转换为平直状态。

4.根据权利要求1所述的水陆两栖推进装置，其特征在于，所述变形部采用具有形状记忆特性光固化材料。

5.根据权利要求1所述的水陆两栖推进装置，其特征在于，所述非变形部采用不具有形状记忆特性光固化材料。

6.根据权利要求1所述的水陆两栖推进装置，其特征在于，所述变形部包括：

基体(2121)，具有热刺激变形响应性能，

通孔(2122)，设置于所述基体(2121)上，用于穿插提供热刺激的电阻丝。

7.根据权利要求1所述的水陆两栖推进装置，其特征在于，所述电阻丝外接直流电源。

8.根据权利要求1所述的水陆两栖推进装置，其特征在于，所述轮毂单元(1)还包括：

圆盘状的第一面(101)与第二面(102)，所述转轴部(103)连接于所述第一面(101)的圆心与第二面(102)的圆心之间。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的基于4D打印技术的水陆两栖推进装置的制造方法，其特征在于，利用3D打印技术一体化地打印所述水陆两栖推进装置的轮毂单元及多个桨叶结构单元，包括：

由硬质树脂材料打印成所述轮毂单元；同时由硬质树脂材料打印成所述桨叶结构单元的非变形部，由形状记忆特性的树脂材料打印成桨叶结构单元的变形部；

打印时，所述推进装置的所有悬空部分由支撑材料填充，打印完成后通过高压水枪去除；

采用电阻丝穿插在变形部的所述通孔内部，用以提供热刺激。

10.一种水陆两栖机器人，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的基于4D打印技术的水陆两栖推进装置。