CN111392029B - 一种气动驱动的多稳态结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气动驱动的多稳态结构，包括至少一个稳态单元，每个稳态单元包括两层正交或反对称铺设的碳纤维预浸料，还包括气动软体驱动器，所述气动软体驱动器对应固定在每个稳态单元的表面，所述气体软体驱动器包括驱动器内胆和设置在驱动器内胆表面的径向限位件，所述驱动器内胆内部沿长度方向设有空腔，所述驱动器内胆上设有连通空腔的进气通道。本发明的多稳态结构具有多种不同形态的稳定状态且不需要外力维持，有较好的驱动响应能力，多个稳态之间能稳定地转变，其结构简单、控制方便、能源消耗低，该气动驱动的多稳态结构适用于航空航天、软体机器人等可变形领域。
Description
技术领域
本发明涉及智能可变形结构以及复合材料研究技术领域，尤其涉及一种气动驱动的多稳态结构。
背景技术
复合材料双稳态是指具有两个变形能力，且在变形后无需持续的能量输入即可保持稳定状态的结构。正是因为这种特性，使其在可变形机翼、展开结构、可展开太阳能板等领域具有巨大的应用潜力。随着航空、航天工业的发展，对可变形结构的变形能力提出了更高的要求，将多个稳态单元拼接形成的多稳态层合板，可以满足这一要求。多稳态结构的智能驱动方式目前主要使用形状记忆合金、压电材料等。但由于现有驱动方式的响应速度较慢且对其本身刚度、曲率会有一定的影响，因此有必要提出气动驱动的智能驱动方法。气动驱动具有成本低，动作可靠，不发热，无污染、快速响应、远程驱动等优点。将气动软体驱动器和多稳态材料有机结合起来，得到了可远程控制、快速变形的多形态结构，可应用于航空航天、软体机器人等可变形领域。
例如，一种在中国专利文献上公开的“一种MEMS微镜双稳态结构的制作方法及光开关”，其公开号CN102928977B，包括以下步骤：高阻态硅片正面沉积第一层电介质薄膜材料并刻蚀；蒸发第一层金属薄膜材料，并刻蚀形成金属层；溅射第二层金属薄膜并刻蚀形成微镜面；硅片背面深硅刻蚀，形成一空腔；高阻态硅片正面深硅刻蚀；刻蚀完成后，冷却至室温，形成双稳态结构的初始状态。一种具有由上述方法制作得到的MEMS微镜双稳态结构的光开关，包括双稳态结构及驱动结构，所述双稳态结构设置于驱动结构的上方。该制作工艺简单易行，且微镜面与直梁驱动臂、基座一体成型，制作精度更高；该光开关操作方便，利用电磁驱动实现两个状态之间的切换，响应速度快，可靠性高，能耗低。其不足之处是，电磁驱动方式成本较高、响应速度较慢且对其本身刚度、曲率会有一定的影响，因此有必要提出气动驱动的智能驱动方法。
发明内容
本发明是为了克服现有技术的成本较高、响应速度较慢且对其本身刚度、曲率会有一定的影响的问题，提供一种气动驱动的多稳态结构，具有成本低，动作可靠，不发热，无污染、快速响应、远程驱动等优点。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种气动驱动的多稳态结构，包括至少一个稳态单元，每个稳态单元包括两层正交或反对称铺设的碳纤维预浸料，还包括气动软体驱动器，所述气动软体驱动器对应固定在每个稳态单元的表面，所述气体软体驱动器包括驱动器内胆和设置在驱动器内胆表面的径向限位件，所述驱动器内胆内部沿长度方向设有空腔，所述驱动器内胆上设有连通空腔的进气通道。
本发明的特点在于通过气动驱动双稳态或多稳态层结构变形，从而促使整个结构的形态改变。稳态单元由2块碳纤维预浸料正交或反对称铺设并高温高压固化而成，正交一般为0°/90°或-30°/60°，反对称一般为-45°/45°，由于纤维在两个方向上的弹性模量和热膨胀系数不同，在复合材料加热加压固化后会产生残余应力，使得稳态单元具有2种不同的稳定形态；气动软体驱动器可通过粘结剂和稳态单元固定在一起，并与稳态单元对应设置，驱动器内胆内部空间形成气腔；径向限位件设置在驱动器内胆外侧，当空腔通过进气通道充入气体后，径向限位件会约束空腔径向尺寸的增大；由于气动软体驱动器被固定在层合板上，固定一侧会限制气腔的轴向伸长，驱使气动软体驱动器向层合板一侧变形弯曲。
作为优选，包括交错连接的正交铺设稳态单元和反对称铺设稳态单元，所述相邻的正交铺设稳态单元和反对称铺设稳态单元连接处的碳纤维预浸料互相交叠设置。
多稳态结构包括多个稳态单元，相邻稳态单元的纤维方向的不同使得多稳态结构在多方向上具有不同的弹性模量和热膨胀系数，产生残余应力会使得到的多稳态结构具有多种稳态，由于每组稳态单元上都设置有气动软体驱动器，因此分别控制不同部分的驱动器即可实现不同稳定形态下的转变；为了使具有不同铺设角度的不同区域的预浸料连接在一起而不发生断裂，碳纤维预浸料在平板模具上铺设时相邻区域有部分的交叉重叠。
作为优选，所述气体软体驱动器为一体结构且包括延长度方向设置的若干驱动段，每个所述驱动段均设有一个空腔，每个驱动段与每个稳态单元一一对应设置。
气体软体驱动器为一体式设置，分为若干驱动段，每个驱动段内空腔充入气体对应驱动一组稳态单元，驱动段长度与稳态单元长度一致。
作为优选，所述空腔两端设有密封件，所述进气通道设置在密封件上。
空腔内用于通入气体引起驱动器变形并驱动对应的稳态单元变形，密封件用于对空腔进行密封；由于密封件无法通气膨胀，密封件可对应设置在相邻层合板重叠部分，将密封件对驱动力产生的影响降到最低；为充分利用密封件空间，将进气通道设置在密封件上，对每个空腔通气；密封件由树脂材料经3D打印制作，可以很好地对驱动段的两端进行适配，供气管路的材料为聚酯型PU管，具有较好的结构强度和密封性。
作为优选，所述径向限位件为缠绕在驱动器内胆外的缠线。
缠线方便缠绕在驱动器内胆外侧，可由铁丝制成，铁丝可以对驱动内胆起到径向限位作用，并且成本较低。
作为优选，所述缠线采用对称双螺旋缠绕。
对称双螺旋缠绕增加了缠绕密度，保证了限位作用，且驱动器内胆内通气膨胀时外侧受力均匀，驱动器各处产生均匀的弯矩，保证多稳态或双稳态结构变形到位，另外，也不会使气动软体驱动器产生扭转，从而避免了驱动器扭转引起的空腔变形而影响气动驱动效果。
作为优选，所述气动软体驱动器呈长条形，其横截面为半圆形，所述气动软体驱动器外侧的平面部分与稳态单元连接。
半圆形的圆弧面方便径向限位件如缠线的缠绕 ，半圆形的平面面积较大，方便与层合板连接。
作为优选，所述空腔横截面呈扇形。
空腔横截面可以为圆形、半圆形和扇形等形状，根据实验结果，达到相同结果的前提下，扇环形横截面的空腔所需的气压最小，扇形空腔应居中对称设置在驱动器内胆中。
作为优选，所述多稳态层合板采用T700碳纤维环氧树脂复合材料，由热压罐工艺制备得到。
T700碳纤维环氧树脂复合材料具有很好的韧性，并且不易折断；由于纤维在两个互相垂直的方向上进行铺设，在复合材料加热加压固化后会产生残余应力会使得到的多稳态层合板具有多种稳态。
作为优选，所述驱动器内胆使用硅胶材料，采用硅胶浇注成型的方法制作。
硅胶具有很好弹性，对人体无毒无害，并且成本较低，而且硅胶的弹性和气体的可压缩性可以实现多稳态结构快速变形。
因此，本发明具有如下有益效果：（1）通过将气动软体驱动器和多稳态材料有机结合起来，得到了同时具有多形态和稳定性的优越特性，多稳态材料具有多种不同形态的稳定状态且不需要外力维持；（2）气动软体驱动器有较好的驱动响应能力，驱动速度能达到毫秒级，并且气动软体驱动器的多段式能够对多稳态层合板多个稳态之间稳定地转变；（3）结构简单、控制方便、能源消耗低，该气动驱动的多稳态结构适用于航空航天、软体机器人等可变形领域；（4）气动软体驱动器采用半圆长条设计，方便径向限位件的固定和与多稳态结构的固定；（5）空腔采用扇形横截面设计，在保证响应速度的同时所需气压最小；（6）通过设置硅胶的驱动器内胆具有很好弹性，对人体无毒无害，并且成本较低，而且硅胶的弹性和气体的可压缩性可以实现多稳态结构快速变形。
附图说明
图1为本发明的一种结构示意图；
图2为多稳态层合板的纤维铺设图；
图3为气动软体驱动器的剖视图；
图4为图3中A-A向的剖视图；
图5为多稳态结构的第一稳定结构。
图6为多稳态结构的第二稳定结构。
图7为多稳态结构的第三稳定结构。
图8为多稳态结构的第四稳定结构。
图9为多稳态结构的第五稳定结构。
图中所示： 1、碳纤维预浸料，2、气动软体驱动器，21、驱动器内胆，22、空腔，23、进气通道，24、缠线，25、密封端盖，26、连接密封件，3、多稳态层合板，31、正交铺设稳态单元，32、反对称铺设稳态单元。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例1
如图1所示的实施例1中，一种气动驱动的多稳态结构，包括多稳态层合板3和气动软体驱动器2。如图2所示，多稳态层合板3采用T700碳纤维环氧树脂复合材料，由热压罐工艺制备得到；多稳态层合板3包括三块稳态单元，依次为正交铺设稳态单元31、反对称铺设稳态单元32和正交铺设稳态单元31，每块稳态单元包括两层T700碳纤维环氧树脂复合材料预浸料，即多稳态层合板3包括六层碳纤维预浸料1，每块稳态单元两层纤维方向正交或反对称铺设，多稳态层合板3每层纤维铺设角度分别为0°、90°，-45°、45°，0°、90°交叉设置，正交铺设稳态单元31的下层碳纤维预浸料1端部设置在反对称稳态单元32两层碳纤维预浸料1之间。制备中，裁剪长为100 mm、宽为60 mm的长方形碳纤维预浸料1，单层厚度为0.15 mm，为了使具有不同铺设角度的不同区域的预浸料连接在一起而不发生断裂，碳纤维预浸料1在平板模具上铺设时相邻区域有10 mm的交叉重叠部分；铺设完成后在热压罐中加热加压固化2小时后自然冷却得到，其压力为0.6 MPa，温度为180℃。如图3所示气动软体驱动器2分为三段驱动段，分别控制多稳态层合板3不同稳态单元的稳态转变，气动软体驱动器2包括驱动器内胆21、空腔22、进气通道23、缠线24、密封端盖25和密封连接件26，驱动器内胆21共有三段，每段驱动器内胆21内设有空腔22，气动软体驱动器2前后两端通过密封端盖25密封，相邻的两段驱动器内胆21之间通过密封连接件26密封,密封连接件26和其中一个密封端盖25上均设有连通空腔22和气泵的进气通道23，缠线24对称双螺旋缠绕在驱动器内胆21外侧。气动软体驱动器2以硅胶材料为主体，其中，驱动器内胆21使用硅胶制作，缠线24采用铁丝制作，密封端盖25和密封连接件26采用树脂材料由3D打印制作，其中，驱动器内胆21的制作采用硅胶浇注成型的方法制作，即先用3D打印的方法制作模具，再浇注硅胶凝固成型的方法。如图4所示，气动软体驱动器2横截面呈半圆形，气动软体驱动器2的平面与多稳态层合板3粘接，空腔22横截面为扇环形，设置在气动软体驱动器2中心。
当空腔22内部充入气压后，由硅胶制作的气动软体驱动器2内部的驱动器内胆21会向四周膨胀，缠线24约束驱动器内胆21的径向尺寸的增大，从而使气动软体驱动器2产生轴向的伸长；由于气动软体驱动器2设置在多稳态层合板3的表面，多稳态层合板3会限制气动软体驱动器2一侧的轴向伸长，共同驱使气动软体驱动器2向一侧变形弯曲，弯曲变形产生的弯矩驱动多稳态层合板3发生稳态转变。
图5为多稳态结构的第一稳定结构，此时不充入任何气体。
向气体软体驱动器2中段充入气体，多稳态层合板由第一稳定结构转变为图6所示的第二稳定结构。
从图6的第二稳定结构向气体软体驱动器2左段充入气体，多稳态层合板由第二稳定结构转变为图7所示的第三稳定结构。
从图6的第二稳定结构向气体软体驱动器2右段充入气体，多稳态层合板由第二稳定结构转变为图8所示的第四稳定结构。
向气体软体驱动器2三段均充入气体，多稳态层合板由第一稳定结构转变为图9所示的第五稳定结构。
实施例2
一种气动驱动的多稳态结构，包括双稳态层合板和气动软体驱动器，其结构与实施例1大致相同，区别之处在于，双稳态层合板包括一个稳态单元，由两层正交或反对称T700碳纤维环氧树脂复合材料预浸料固化而成，气动软体驱动器包括一个驱动器内胆、一个空腔、一个进气通道、缠线和空腔两端的密封端盖，启动软体驱动器长度与双稳态层合板长度一致。
向气体软体驱动器空腔内充入气体，双稳态层合板由第一稳定结构转变第二稳定结构。
多稳态结构中稳态单元的数量可根据实际情况增减，所产生的稳定结构数量也会相应做出改变，气动软体驱动器的数量也应进行相应调整。
Claims (8)
1.一种气动驱动的多稳态结构，包括交错固化连接的正交铺设稳态单元（31）和反对称铺设稳态单元（32），所述正交铺设稳态单元（31）包括两层沿0°/90°或-30°/60方向铺设的碳纤维预浸料（1），所述反对称铺设稳态单元（32）包括两层沿-45°/45°方向铺设的碳纤维预浸料（1），相邻的所述正交铺设稳态单元（31）和反对称铺设稳态单元（32）连接处的碳纤维预浸料（1）互相交叠设置，所述碳纤维预浸料（1）在平板模具上铺设，铺设完成后在热压罐中加热加压固化2小时后自然冷却得到，还包括气动软体驱动器（2），所述气动软体驱动器（2）为一体结构且包括沿长度方向设置的若干驱动段，每个所述驱动段均设有一个空腔（22），每个驱动段一一对应设置在每个稳态单元的表面，所述气动软体驱动器（2）包括驱动器内胆（21）和设置在驱动器内胆（21）表面的径向限位件，所述驱动器内胆（21）内部沿长度方向设有空腔（22），所述驱动器内胆（21）上设有连通空腔（22）的进气通道（23）。
2.根据权利要求1所述的一种气动驱动的多稳态结构，其特征是，所述空腔（22）两端设有密封件，所述进气通道（23）设置在密封件上。
3.根据权利要求1或2所述的一种气动驱动的多稳态结构，其特征是，所述径向限位件为缠绕在驱动器内胆（21）外的缠线（24）。
4.根据权利要求3所述的一种气动驱动的多稳态结构，其特征是，所述缠线（24）采用对称双螺旋缠绕。
5.根据权利要求1或2所述的一种气动驱动的多稳态结构，其特征是，所述气动软体驱动器（2）呈长条形，其横截面为半圆形，所述气动软体驱动器（2）外侧的平面部分与稳态单元连接。
6.根据权利要求1或2所述的一种气动驱动的多稳态结构，其特征是，所述空腔（22）横截面呈扇形。
7.根据权利要求1或2所述的一种气动驱动的多稳态结构，其特征是，所述多稳态结构采用T700碳纤维环氧树脂复合材料，由热压罐工艺制备得到。
8.根据权利要求1或2所述的一种气动驱动的多稳态结构，其特征是，所述驱动器内胆（21）使用硅胶材料，采用硅胶浇注成型的方法制作。
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