CN110977943B - 一种驱动/传动一体的多级变体结构 - Google Patents

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Abstract

一种驱动/传动一体的多级变体结构，包括多个四棱锥桁架，相邻的两个四棱锥桁架底面通过桁架连杆连接，四棱锥桁架锥顶和活塞推杆连接，活塞推杆和活塞套筒配合连接，活塞套筒的固定端和另一四棱锥桁架锥顶连接；活塞套筒底部均固定一个柔性驱动，柔性驱动和活塞推杆连接，柔性驱动的内部腔室填充液气相变材料，柔性驱动外壁上缠有限位纤维，活塞套筒内壁贴有电加热设备；通过对电加热设备进行功率调节，使液气相变材料在温度的调控下发生部分可逆的液气相变，使柔性驱动实现轴向的伸长或收缩，带动活塞推杆做往复运动，实现了驱动与传动构件的一体化；本发明具有简单灵活，易于控制，反应迅速，运动精度高，便于生产和组装，可循环使用的优点。

Description

一种驱动/传动一体的多级变体结构
技术领域
本发明属于机构与微纳制造技术领域，具体涉及一种驱动/传动一体的多级变体结构。
背景技术
传统的驱动/传动分离式机械结构，由于其驱动系统的驱动、传动和传感系统相互独立、相对分离，运动过程需多次能量转化，系统效率较低。变体结构相对于传统机械结构，其主要构件依据功能需求进行多自由度灵活运动，结构简单且动精度高，可广泛应用于运动方式复杂且对运动精度要求高的机械结构中，如工业机械臂，太阳能展开帆板，太空望远镜，变体水下深潜器，精密支撑平台等。
目前的变体结构，主要是依靠电机驱动、气压驱动或是形状记忆合金驱动，辅助以齿轮传动、丝杠传动、链传动等实现变体结构的变形，额外的电机，气压设备等会增大变体结构整体结构的自重和复杂程度；此外，在实际应用中仍然多为驱动/传动分离式的结构，变体结构整体仍然未能实现驱动/传动构件的一体化，不能充分发挥出变体结构的结构简单轻便，便于控制的优势。此外，对于大型的而且存在大驱动行程需求的变体结构而言，复杂的驱动/传动系统会降低变体结构末端刚度，而且在大悬臂结构中造成末端振颤，会出现机械结构运动精度不足，噪音，功率浪费等问题，这会严重影响诸如机械臂，大尺寸空间展开机构等的应用与发展。因此，亟需发展驱动/传动一体的新型多级变体结构，克服当前传统变体结构中存在的装置复杂，运动精度不足，末端振颤等固有瓶颈问题。
发明内容
为了克服上述现有的技术缺点，本发明的目的在于提供了一种驱动/传动一体的多级变体结构，具有简单灵活，易于控制，反应迅速，运动精度高，便于生产和组装，可循环使用的优点。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种驱动/传动一体的多级变体结构，包括多个四棱锥桁架1，相邻的两个四棱锥桁架1底面通过桁架连杆2连接；四棱锥桁架1锥顶和活塞推杆3通过圆柱销5连接，活塞推杆3和活塞套筒4配合连接，活塞套筒4的固定端通过圆柱销5和另一四棱锥桁架1锥顶连接；
所述的活塞套筒4底部均固定一个柔性驱动6，柔性驱动6和活塞推杆3连接，柔性驱动6的内部腔室填充液气相变材料9，柔性驱动6外壁上缠有限位纤维7，活塞套筒4内壁贴有电加热设备8。
通过对电加热设备8进行功率调节，液气相变材料9在温度的调控下发生部分可逆的液气相变，使柔性驱动6实现轴向的伸长或收缩，带动活塞推杆3做往复运动；柔性驱动6既起到驱动作用，又起到传动作用，实现了驱动与传动构件的一体化。
所述的四棱锥桁架1根据设计需求利用桁架连杆2能够在多个方向上将多个四棱锥桁架1扩展连接，并通过多个活塞构件的驱动/传动作用实现驱动/传动一体的多级变体结构的制备；根据设计需求能够将驱动/传动一体的多级变体结构在大悬臂方向上优化分散布置，构建出高末端强度的驱动/传动一体的多级变体结构。
所述的四棱锥桁架1由杆件连接而成，所有杆件的直径d＝0.01-10mm，底面杆长度L1＝0.1-150mm，棱杆长度L2＝0.1-200mm，棱杆与底面杆所在平面的夹角α＝30°-60°。
所述的活塞推杆3底面直径d1＝0.01-20mm；所述的活塞套筒4内径d2＝0.01-20mm，总长度L3＝0.1-100mm，活塞推杆3的行程L＝0.1-60mm。
所述的柔性驱动6的直径d3＝0.01-16mm，长度L5＝0.01-60mm，柔性驱动6内部腔室的直径d4＝0.01-6mm，长度L4＝0.01-20mm。
所述的四棱锥桁架1、桁架连杆2、活塞推杆3、活塞套筒4与柔性驱动6的制备方法按其所需尺度进行选择，采用大于1mm的大尺度时,选用加工方法为机加工或多材料3D打印等；采用微尺度时，选用微纳制造技术，包括微尺度光固化成型或激光选区烧结成型等。
所述的柔性驱动6材料为弹性高分子硅胶材料，包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)和Ecoflex系列硅橡胶等材料，尼龙、热塑性弹性体材料(TPE)和硫化橡胶等。
所述的限位纤维7为具有高拉伸强度的聚合物纤维，包括聚酰亚胺纤维、尼龙纤维和碳素纤维等。
所述的液气相变材料9是沸点为-50℃-200℃的低沸点的液体或溶液，包括3MNovecTM 7000氟化液、3M NovecTM 7100氟化液和无水乙醇等。
所述的电加热设备8为利用电流热效应等实现加热的柔性材料或设备，包括聚酰亚胺加热薄膜、感应式加热设备、激光加热设备和近红外加热设备等。
本发明的有益效果：
四棱锥桁架1作为最小结构单元，结构稳定性好，刚度高；活塞套筒4内柔性驱动6与活塞推杆3相接，柔性驱动6既充当驱动构件，又起到传动作用，实现了驱动/传动构件的一体化；活塞套筒4内的柔性驱动6只需通过调节电加热设备8的功率即可实现其伸长缩短，带动活塞推杆3做往复运动，控制简单，反应灵敏；同时，四棱锥桁架1可通过桁架连杆2的连接按设计需求进行延长扩展，制成多级变体结构，相较于传统变体结构，结构简单轻便，运动灵活；此外，通过在大悬臂方向上进行优化分散布置，可以解决传统机械臂，大尺度空间展开结构的末端刚度不足问题，可以消除机械结构末端振颤的问题，减小驱动噪音，大幅提高结构末端的运动精度。
本发明提出的驱动/传动一体的多级变体结构，单元及整体尺度可按照设计需求进行调整，可广泛应用于各种对运动精度要求较高，且要求结构轻便的悬臂结构中，如工业机械臂，太阳能展开帆板，太空望远镜，变体水下深潜器，精密支撑平台等。本发明具有轻便简单，稳定性高，易于控制，反应迅速，运动精度高，便于生产和组装，可循环使用的优点。
附图说明
图1为本发明实施例驱动/传动一体的多级变体结构的整体示意图。
图2为本发明实施例驱动/传动一体的多级变体结构的驱动效果图。
图3为本发明中活塞套筒4内部的结构示意图。
图4为本发明中各构件的尺寸示意图，图(a)为四棱锥桁架1尺寸示意图，图(b)为活塞推杆3尺寸示意图，图(c)为活塞套筒4尺寸示意图，图(d)为柔性驱动6尺寸示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。
参照图1和图2，一种驱动/传动一体的多级变体结构，包括多个四棱锥桁架1，相邻的两个四棱锥桁架1底面通过桁架连杆2连接，四棱锥桁架1与桁架连杆2均为碳纤维材料制成；四棱锥桁架1锥顶和活塞推杆3通过圆柱销5连接，活塞推杆3和活塞套筒4配合连接，活塞套筒4的固定端通过圆柱销5和另一四棱锥桁架1锥顶连接。
参照图3，所述的活塞套筒4底部均固定一个柔性驱动6，柔性驱动6的制备材料为Ecoflex 0030，制备工艺为多材料3D打印；柔性驱动6和活塞推杆3相接，柔性驱动6的内部腔室填充液气相变材料9，液气相变材料9为沸点为35℃的3M NovecTM 7000氟化液，柔性驱动6外壁上缠有聚酰亚胺材料的限位纤维7，活塞套筒4内壁贴有电加热设备8。
所述的活塞推杆3和活塞套筒4均为铝合金材料制成。
所述的电加热设备8采用聚酰亚胺加热薄膜。
参照图4中的(a)，所述的四棱锥桁架1由杆件连接而成，所有杆件的直径d＝7mm，底面杆长度L1＝130mm，棱杆长度L2＝120mm，棱杆与底面杆所在平面的夹角α＝40°；参照图4中的(b)和(c)，所述的活塞推杆3底面直径d1＝16mm，活塞套筒4内径d2＝16mm，总长度L3＝85mm；参照图4中的(d)，所述的柔性驱动6的直径d3＝14mm，长度L5＝40mm，柔性驱动6内部腔室的直径d4＝4mm，长度L4＝20mm。
本发明的工作原理为：
参照图1和图2，当需要驱动本发明驱动/传动一体的多级变体结构进行弯曲变形时，给电加热设备8(聚酰亚胺加热薄膜)通电并逐渐加大其功率,电加热设备8升温并加热柔性驱动6内部腔室填充的3M NovecTM 7000氟化液，3M NovecTM 7000氟化液受热汽化，产生的气体使柔性驱动6膨胀变形，由于柔性驱动6外壁缠有限位纤维7，径向膨胀被限制，整体膨胀表现为柔性驱动6的轴向伸长；柔性驱动6伸长推动活塞推杆3运动，柔性驱动6起到驱动作用，又起到传动作用，实现了驱动/传动结构的一体化。多级变体结构的最左端完全固定，与之相连的四棱锥桁架1受到活塞推杆3的推动作用，绕桁架连杆2旋转，从而实现多级变体结构的弯曲变形，本实施例中活塞行程最大可达40mm，多级变体结构的最大弯曲角度可达130°。
当需要多级变体结构恢复为平直状态时，停止对电加热设备8(聚酰亚胺加热薄膜)供电，停止加热一段时间后，柔性驱动6内腔温度逐渐降低，液气相变材料9由气体逐渐转变液体，柔性驱动6恢复为原来的形状，拉回活塞推杆3，从而带动四棱锥桁架1转动，恢复到图1位置。
虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种驱动/传动一体的多级变体结构，其特征在于：包括多个四棱锥桁架(1)，相邻的两个四棱锥桁架(1)底面通过桁架连杆(2)连接；四棱锥桁架(1)锥顶和活塞推杆(3)通过圆柱销(5)连接，活塞推杆(3)和活塞套筒(4)配合连接，活塞套筒(4)的固定端通过圆柱销(5)和另一四棱锥桁架(1)锥顶连接；
所述的活塞套筒(4)底部均固定一个柔性驱动(6)，柔性驱动(6)和活塞推杆(3)相接，柔性驱动(6)的内部腔室填充液气相变材料(9)，柔性驱动(6)外壁上缠有限位纤维(7)，活塞套筒(4)内壁贴有电加热设备(8)。
2.根据权利要求1所述的一种驱动/传动一体的多级变体结构，其特征在于：通过对电加热设备(8)进行功率调节，液气相变材料(9)在温度的调控下发生部分可逆的液气相变，使柔性驱动(6)实现轴向的伸长或收缩，带动活塞推杆(3)做往复运动；柔性驱动(6)既起到驱动作用，又起到传动作用，实现了驱动与传动构件的一体化。
3.根据权利要求1所述的一种驱动/传动一体的多级变体结构，其特征在于：所述的四棱锥桁架(1)由杆件连接而成，所有杆件的直径d＝0.01-10mm，底面杆长度L1＝0.1-150mm，棱杆长度L2＝0.1-200mm，棱杆与底面杆所在平面的夹角α＝30°-60°。
4.根据权利要求1所述的一种驱动/传动一体的多级变体结构，其特征在于：所述的活塞推杆(3)底面直径d1＝0.01-20mm；所述的活塞套筒(4)内径d2＝0.01-20mm，总长度L3＝0.1-100mm，活塞推杆(3)的行程L＝0.1-60mm。
5.根据权利要求1所述的一种驱动/传动一体的多级变体结构，其特征在于：所述的柔性驱动(6)的直径d3＝0.01-16mm，长度L5＝0.01-60mm；柔性驱动(6)内部腔室的直径d4＝0.01-6mm，长度L4＝0.01-20mm。
6.根据权利要求1所述的一种驱动/传动一体的多级变体结构，其特征在于：所述的四棱锥桁架(1)、桁架连杆(2)、活塞推杆(3)、活塞套筒(4)与柔性驱动(6)的制备方法按其所需尺度进行选择，大于1mm的大尺度时,选用加工方法为机加工或多材料3D打印；微尺度时，选用微纳制造技术，包括微尺度光固化成型或激光选区烧结成型。
7.根据权利要求1所述的一种驱动/传动一体的多级变体结构，其特征在于：所述的柔性驱动(6)材料为弹性高分子硅胶材料，包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)和Ecoflex系列硅橡胶材料，尼龙、热塑性弹性体材料(TPE)或硫化橡胶。
8.根据权利要求1所述的一种驱动/传动一体的多级变体结构，其特征在于：所述的限位纤维(7)为具有高拉伸强度的聚合物纤维，包括聚酰亚胺纤维、尼龙纤维或碳素纤维。
9.根据权利要求1所述的一种驱动/传动一体的多级变体结构，其特征在于：所述的液气相变材料(9)是沸点为-50℃-200℃的低沸点的液体或溶液，包括3M NovecTM7000氟化液、3M NovecTM 7100氟化液或无水乙醇。
10.根据权利要求1所述的一种驱动/传动一体的多级变体结构，其特征在于：所述的电加热设备(8)为利用电流热效应实现加热的柔性材料或设备，包括聚酰亚胺加热薄膜、感应式加热设备、激光加热设备或近红外加热设备。
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