CN113954361A - 一种基于4d打印技术的形态可变轮式机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于4D打印技术的形态可变轮式机构，该结构具备热刺激变形响应性质。具体技术方案为：一种基于4D打印技术的形态可变轮式机构，包括非变形车轮单元、变形4D打印连接件，所述非变形车轮单元包括通过铰链垂直互相连接的鳍形弧形片和类梯形弧形片，所述类梯形弧形片的另一端角上设置有连接杆，两个非变形车轮单元之间通过连接杆底端固定连接组成形态可控成角杆构件，两个形态可控成角杆构件之间通过与连接杆连接的变形4D打印连接件互相连接。本发明将复杂的轮径变化控制系统集成在结构中，简化复杂机械结构，通过调控结构单元展开角度，实现了对运动的控制。

Description

一种基于4D打印技术的形态可变轮式机构
技术领域
本发明属于4D打印技术领域，具体涉及一种基于4D打印技术的形态可变轮式机构。
背景技术
随着机械工程、信息技术等学科突飞猛进的发展，机器人在航空航天、工业生产、地质勘探等领域得到了日益广泛的应用。就机器人的设计而言（除固定位机器人外），移动机构作为任务承担的关键系统，轮式机构以其适应性强，运行可靠且控制方便的特点被广泛采用。然而，随着人类科研、工程、栖息的范围不断扩大，复杂多变的应用场景就需要机器人具有应对多种环境的移动能力。因此，研究人员针对太空、火山、废墟等多种复杂严苛环境中工作的机器人移动轮式机构做出不同的设计，形态可变轮式机构应运而生，如可变轮径机构、可变形态轮复合式机构等。由于轮径的改变，可以极大程度提高机器人对不同地形的适应性，提高通过能力，在一般的设计中这种方案的采用最为广泛。
传统的可变轮径机构通常同时集成了轮径变化与车轮移动两套运动控制系统，在不同环境下切换获得增强的通过能力，这就导致了此类机构具有复杂的机械结构和控制系统，降低了可靠性，增大了控制难度，进而限制了该类型机构的发展。另外，目前一些可变轮径机构的研究，仅能在放大或缩小的过程中保留唯一的车轮完整性，无法做到整个可变过程完整性的保留。因此，如何使形态可变轮式机构在具备较强通过能力的同时保有较低的结构复杂度与行驶的平稳性是亟待解决的问题。
4D打印技术的出现为形态可变轮式机构的简化提供了新的思路。4D打印技术是指基于3D打印技术制造出的物体在特定的环境和激励下发生物理特性（结构、形态、尺寸等）及功能的可控变化。通过4D打印技术可以制备在不同外加刺激下具有不同模态的结构。
发明内容
有鉴于此，本发明基于传统成角杆剪式单元，利用4D打印技术设计了一种形态可变轮式机构，该结构具备热刺激变形响应性质。通过热刺激控制成角杆剪式单元变形，从而改变轮径，实现机器人适应复杂地形行走的需要。
本发明具体技术方案如下：
一种基于4D打印技术的形态可变轮式机构，包括非变形车轮单元、变形4D打印连接件，所述非变形车轮单元包括通过铰链垂直互相连接的鳍形弧形片和类梯形弧形片，所述类梯形弧形片的另一端角上设置有连接杆，两个非变形车轮单元之间通过连接杆底端固定连接组成形态可控成角杆构件，两个形态可控成角杆构件之间通过与连接杆连接的变形4D打印连接件互相连接；所述形态可控成角杆构件至少有6组；上下交错重叠的两个形态可控成角杆构件之间，两个弧形片的内角连接点互相连接固定。
所述连接杆内部设置有电阻丝。
所述变形4D打印连接件为具备热刺激变形响应的4D打印材料。
所述非变形车轮单元的连接杆与弧形片的圆弧之间的夹角为120度，两个弧形片圆弧之间夹角为90度。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、利用热刺激变形响应形状记忆聚合物作为4D打印材料，提供了一种具备热刺激变形响应的4D打印形态可变轮式机构，能够在热刺激作用下实现轮径的变化。
2、将复杂的轮径变化控制系统集成在结构中，简化复杂机械结构，提高可靠性，降低控制难度。
3、利用结构单元的可控变形，通过调控结构单元展开角度，实现了对运动的控制。
附图说明
图1是本发明基于4D打印技术的形态可变轮式机构的结构示意图。
图2是本发明变形4D打印连接件的结构示意图。
图3是本发明两个形态可控成角杆构件之间的连接示意图。
图4是本发明基于4D打印技术的形态可变轮式机构变形过程。
图中，1-鳍形弧形片，2-类梯形弧形片，3-连接杆，4-变形4D打印连接件。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
本发明公开了一种基于4D打印技术的形态可变轮式机构，包括非变形车轮单元、变形4D打印连接件。
如图1所示，所述非变形车轮单元包括通过铰链垂直互相连接的鳍形弧形片1和类梯形弧形片2，所述类梯形弧形片2的另一端角上设置有连接杆3，两个非变形车轮单元之间通过连接杆底端固定连接组成形态可控成角杆构件，两个形态可控成角杆构件之间通过与连接杆3连接的变形4D打印连接件4互相连接。
其中鳍形弧形片1和类梯形弧形片2的外侧为弧线，两种弧形片的外弧会分别组成不同直径的圆形，非变形车轮单元的连接杆与弧形片的圆弧间夹角为120度，两个弧形片圆弧之间夹角为90度。
如图2所示，所述变形4D打印连接件包括一个4D变形折角结构，两边上下交错分别与连接杆固定连接。
如图3所示，上下交错重叠的两个形态可控成角杆构件之间，两个弧形片的内角连接点互相连接固定。
如图4所示， 6组形态可控成角杆构件通过上述连接方式连接成环，构成了本发明所述的基于4D打印技术的形态可变轮式机构。
本发明的变形过程如下：
步骤一：通电使穿过4D连接件预留孔的电阻丝加热，进行热刺激使4D连接件温度高于形状记忆聚合物玻璃态转化温度的环境中，定型制成特定角度；
步骤二：将各部分零件依次连接；
步骤三：再次通电，使穿过4D连接件预留孔的电阻丝加热，进行热刺激使其高于形状记忆聚合物玻璃态转化温度的环境中，4D连接件在环境热刺激激励下展开至压缩前状态，使整个机构展开，轮径发生变化。
本发明利用结构单元的可控变形，通过调控结构单元展开角度，实现了对运动的控制，具体包括以下应用场景：
（1）障碍物尺寸稍微大于车轮直径，可以直接变大车轮，使得车轮轻松越障；（2）如果障碍物高于车轮直径达到一定限度，可以使一边车轮大小不变化，另一边车轮变小，实现转弯，绕道而行；（3）如果陷入沟槽，则直接变大直径，使陷入部分占车轮比例减小，很容易走出低坑；（4）在斜坡方面更能显示其优越性，前两轮不变，后两轮依次变大，相当于抵消了一部分斜度，从而减少爬坡功耗，也有助于提高在斜坡的平稳性。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种基于4D打印技术的形态可变轮式机构，其特征在于：
包括非变形车轮单元、变形4D打印连接件（4），所述非变形车轮单元包括通过铰链垂直互相连接的鳍形弧形片（1）和类梯形弧形片（2），所述类梯形弧形片的另一端角上设置有连接杆（3），两个非变形车轮单元之间通过连接杆底端固定连接组成形态可控成角杆构件，两个形态可控成角杆构件之间通过与连接杆连接的变形4D打印连接件互相连接；所述形态可控成角杆构件至少有6组；上下交错重叠的两个形态可控成角杆构件之间，两个弧形片的内角连接点互相连接固定。
2.根据权利要求1所述的一种基于4D打印技术的形态可变轮式机构，其特征在于：
所述连接杆（3）内部设置有电阻丝。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于4D打印技术的形态可变轮式机构，其特征在于：
所述变形4D打印连接件（4）为具备热刺激变形响应的4D打印材料。
4.根据权利要求3所述的一种基于4D打印技术的形态可变轮式机构，其特征在于：
所述非变形车轮单元的连接杆与弧形片的圆弧之间的夹角为120度，两个弧形片圆弧之间夹角为90度。
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