一種基于形狀記憶聚合物與介電彈性體的航空機(jī)械臂及其制作方法
【專利摘要】一種基于形狀記憶聚合物與介電彈性體的航空機(jī)械臂及其制作方法，它涉及一種航空機(jī)械臂及其制作方法，具體涉及一種基于形狀記憶聚合物與介電彈性體的航空機(jī)械臂及其制作方法。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有宇航用機(jī)械臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)運(yùn)輸與工作環(huán)境要求較高，易損壞，以及自身重量大浪費(fèi)運(yùn)力的問題。本發(fā)明所述航空機(jī)械臂包括第一底座、第二底座、第三底座、第四底座、介電彈性體圓柱和兩個(gè)拉伸組件，每個(gè)所述拉伸組件是由四個(gè)形狀記憶聚合物平板組成的長(zhǎng)方體，第一底座通過一個(gè)所述拉伸組件與第二底座連接，第二底座通過介電彈性體圓柱與第三底座連接，第三底座通過一個(gè)所述拉伸組件與第四底座連接，介電彈性體圓柱每個(gè)端面的四個(gè)方向上均涂有電極。本發(fā)明屬于航空機(jī)械領(lǐng)域。
【專利說明】
一種基于形狀記憶聚合物與介電彈性體的航空機(jī)械臂及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種航空機(jī)械臂及其制作方法，具體涉及一種基于形狀記憶聚合物與介電彈性體的航空機(jī)械臂及其制作方法，屬于航空機(jī)械領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]加拿大機(jī)械臂早在1981年的STS-2任務(wù)中就正式登場(chǎng)，航天飛機(jī)曾在50多次飛行任務(wù)使用加拿大機(jī)械臂。加拿大機(jī)械臂作為空間機(jī)械臂的開路先鋒，顯示了機(jī)械臂廣闊的使用范圍和巨大的發(fā)展?jié)摿?，極大促進(jìn)了空間機(jī)械臂的發(fā)展，此后的美蘇空間站設(shè)計(jì)都帶有空間站機(jī)械臂，其中尤其著名的就是國際空間站上的空間站遙控機(jī)械臂系統(tǒng)(SSRMS)，在通過航天飛機(jī)部署到國際空間站后，在空間站的建設(shè)、維護(hù)、補(bǔ)給和使用的過程中中發(fā)揮了不可缺少的作用，加拿大航天局也因此獲得了國際空間站3%的使用權(quán)。加拿大機(jī)械臂2性能強(qiáng)大，但同樣花費(fèi)不菲，從1984年自由號(hào)空間站提出到它運(yùn)抵國際空間站開始工作，加拿大航天局在該項(xiàng)目上投資高達(dá)10億美元。
[0003]空間機(jī)械臂可以用來實(shí)現(xiàn)對(duì)于空間靜止或移動(dòng)目標(biāo)的觀察、監(jiān)視，即通過精度定位或運(yùn)動(dòng)，使得機(jī)械臂上所安置的視覺系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地捕獲、跟蹤需要觀察或監(jiān)視的目標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行照相或攝像?；蛘呃脵C(jī)械臂的定位功能，通過不同形勢(shì)手爪的使用，完成對(duì)于航天器艙內(nèi)和艙外不同目標(biāo)的拾取、搬運(yùn)、定位和釋放。通過在軌自主操作與遙操作相結(jié)合的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)空間站或其它軌道器內(nèi)部的無人情況下的復(fù)雜試驗(yàn)動(dòng)作；由航天員進(jìn)行艙內(nèi)外的抓取、搬運(yùn)、維修等操作，或者作為航天員或大型構(gòu)件的支撐，協(xié)助航天員完成在軌建設(shè)或維修項(xiàng)目。
[0004]空間機(jī)械臂是月球及深空探測(cè)所必須的支撐性技術(shù)。月球及深空探測(cè)只要在目標(biāo)上著陸，就會(huì)有一項(xiàng)重要的任務(wù)---取樣。完成這項(xiàng)任務(wù)，往往需要機(jī)械臂對(duì)取樣目標(biāo)進(jìn)行近距離的觀察、分析、選擇;之后，對(duì)其進(jìn)行清理、拾取、搬運(yùn)和裝載。此外，有時(shí)候還需要對(duì)觀察或探測(cè)目標(biāo)進(jìn)行研磨、鉆探等，這些工作是離開機(jī)械臂所無法完成的。
[0005]空間機(jī)械臂最直接的用途是通過捕捉運(yùn)輸飛船進(jìn)行自動(dòng)化精密對(duì)接，這樣就比以前的人工對(duì)接或自動(dòng)對(duì)接快速得多、效率高得多。截至2014年，中國采用的基本是自動(dòng)對(duì)接和手控對(duì)接兩種方式，但在快速對(duì)接上遠(yuǎn)落后于俄羅斯和美國，恰恰這一塊就是由空間機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)的。因此，中國新研制的空間機(jī)械臂將大有作為。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為解決現(xiàn)有宇航用機(jī)械臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)運(yùn)輸與工作環(huán)境要求較高，易損壞，以及自身重量大浪費(fèi)運(yùn)力的問題，進(jìn)而提出一種基于形狀記憶聚合物與介電彈性體的航空機(jī)械臂及其制作方法。
[0007]本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是:本發(fā)明所述航空機(jī)械臂包括第一底座、第二底座、第三底座、第四底座、介電彈性體圓柱和兩個(gè)拉伸組件，每個(gè)所述拉伸組件是由四個(gè)形狀記憶聚合物平板組成的長(zhǎng)方體，第一底座通過一個(gè)所述拉伸組件與第二底座連接，第二底座通過介電彈性體圓柱與第三底座連接，第三底座通過一個(gè)所述拉伸組件與第四底座連接，介電彈性體圓柱每個(gè)端面的四個(gè)方向上均涂有電極。
[0008]本發(fā)明所述航空機(jī)械臂制作方法的步驟為:
[0009]步驟一、將形狀記憶聚合物添加增強(qiáng)材料制成形狀記憶聚合物復(fù)合材料平板，在所述平板上兩面覆蓋電熱膜，使用尺寸小于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的介電彈性體薄膜，在膜的兩側(cè)覆蓋金屬或石墨電極，將介電彈性體薄膜貼合在所述平板的兩面形成形狀記憶聚合物平板，使介電彈性體薄膜的邊緣與所述平板貼合；
[0010]步驟二、將四個(gè)形狀記憶聚合物平板依次排列組成拉伸組件，第一底座通過一個(gè)所述拉伸組件與第二底座連接，第三底座通過一個(gè)所述拉伸組件與第四底座連接，第二底座通過介電彈性體圓柱與第三底座連接，在介電彈性體圓柱每個(gè)端面的四個(gè)方向上涂布電極；
[0011 ]步驟三、在第四底座的外側(cè)面上放置工作載荷；
[0012]步驟四、將每個(gè)形狀記憶聚合物平板上的電熱膜加熱，待到聚合物變軟之后壓縮拉伸組件，使形狀記憶聚合物平板被壓縮彎曲，機(jī)械臂長(zhǎng)度縮短，切斷加熱電源，保持形狀固定直到聚合物冷卻固化，完成機(jī)械臂制作。
[0013]進(jìn)一步的，步驟一中所述形狀記憶聚合物是環(huán)氧類的熱塑性形狀記憶聚合物、環(huán)氧類的熱固性形狀記憶聚合物、苯乙烯類形狀記憶聚合物、氰酸酯類形狀記憶聚合物的一種或多種。
[0014]進(jìn)一步的，步驟一中所述增強(qiáng)材料是石墨纖維、碳纖維、玻璃纖維、Kevlar纖維、硼纖維、碳化硅纖維、碳粉、炭黑、碳納米管和鎳粉中的一種或多種，所述增強(qiáng)材料的含量為O
?50% ο
[0015]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明所述的基于形狀記憶聚合物與介電彈性體的航空用機(jī)械臂不依賴于復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，展開主要依賴于形狀記憶聚合物的形狀記憶效應(yīng)以及介電彈性體受電壓自我拉伸的性質(zhì)。由于所采用的是聚合物材料，密度小并且可以承受較大變形?？梢栽诎l(fā)射前進(jìn)行壓縮收納，減小發(fā)射時(shí)占據(jù)的空間和有效載荷。且展開后工作狀態(tài)穩(wěn)定可靠，不易出現(xiàn)機(jī)械問題。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明收縮后的主視圖，圖2是本發(fā)明收縮后的俯視圖，圖3是本發(fā)明收縮后的主視圖，圖4是本發(fā)明一個(gè)拉伸組件收縮一個(gè)拉伸組件伸展時(shí)的俯視圖，圖5是本發(fā)明彎曲過程示意圖，圖6是本發(fā)明彎曲過程示意圖，圖7是本發(fā)明的介電彈性體圓柱結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]【具體實(shí)施方式】一:結(jié)合圖1至圖7說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述一種基于形狀記憶聚合物與介電彈性體的航空機(jī)械臂包括第一底座1、第二底座2、第三底座3、第四底座
4、介電彈性體圓柱5和兩個(gè)拉伸組件，每個(gè)所述拉伸組件是由四個(gè)形狀記憶聚合物平板6組成的長(zhǎng)方體，第一底座I通過一個(gè)所述拉伸組件與第二底座2連接，第二底座2通過介電彈性體圓柱5與第三底座3連接，第三底座3通過一個(gè)所述拉伸組件與第四底座4連接，介電彈性體圓柱5每個(gè)端面的四個(gè)方向上均涂有電極7。
[0018]本實(shí)施方式中不同處的介電彈性體電壓由額外的控制裝置提供，對(duì)介電彈性體電極施加不同的電壓，使得介電彈性體薄膜在不同電壓下形變率不同，在機(jī)械臂的終端有效工作位置確定過程中，由介電彈性體圓柱受電作用產(chǎn)生的角度確定機(jī)械臂的角度，由與形狀記憶聚合物平板貼合的介電彈性體受電壓作用擴(kuò)張產(chǎn)生的應(yīng)變確定機(jī)械臂的長(zhǎng)度，而形狀記憶聚合物平板一直處于加熱軟化狀態(tài)不產(chǎn)生回復(fù)力。
[0019]本實(shí)施方式中不同處的形狀記憶聚合物由不同的加熱單元控制，不同的加熱單元的功率不同，形狀記憶平板產(chǎn)生的回復(fù)力不同，以此在機(jī)械臂的不同處產(chǎn)生不同的形變，在機(jī)械臂的終端有效工作位置確定過程中，由介電彈性體圓柱受電作用產(chǎn)生的角度確定機(jī)械臂的角度，由上部的形狀記憶聚合物平板受熱產(chǎn)生對(duì)稱的回復(fù)力確定機(jī)械臂的長(zhǎng)度。而形狀記憶聚合物平板上的介電彈性體薄膜保持不通電擴(kuò)張的初始狀態(tài)。
[0020]本實(shí)施方式中機(jī)械臂的終端有效工作位置確定過程中，由介電彈性體圓柱受電作用產(chǎn)生的角度確定機(jī)械臂的角度，由上部的形狀記憶聚合物平板受熱產(chǎn)生對(duì)稱的回復(fù)力確定機(jī)械臂的長(zhǎng)度。機(jī)械臂的終端有效工作位置確定過程中，由介電彈性體圓柱受電作用產(chǎn)生的角度確定機(jī)械臂的角度，由與形狀記憶聚合物平板貼合的介電彈性體受電壓作用擴(kuò)張產(chǎn)生的應(yīng)變確定機(jī)械臂的長(zhǎng)度。
[0021]【具體實(shí)施方式】二:結(jié)合圖1至圖7說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述一種基于形狀記憶聚合物與介電彈性體的航空機(jī)械臂制作方法是通過如下步驟實(shí)現(xiàn)的:
[0022]步驟一、將形狀記憶聚合物添加增強(qiáng)材料制成形狀記憶聚合物復(fù)合材料平板，在所述平板上兩面覆蓋電熱膜，使用尺寸小于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的介電彈性體薄膜，在膜的兩側(cè)覆蓋金屬或石墨電極，將介電彈性體薄膜貼合在所述平板的兩面形成形狀記憶聚合物平板6，使介電彈性體薄膜的邊緣與所述平板貼合；
[0023]步驟二、將四個(gè)形狀記憶聚合物平板6依次排列組成拉伸組件，第一底座I通過一個(gè)所述拉伸組件與第二底座2連接，第三底座3通過一個(gè)所述拉伸組件與第四底座4連接，第二底座2通過介電彈性體圓柱5與第三底座3連接，在介電彈性體圓柱5每個(gè)端面的四個(gè)方向上涂布電極7;
[0024]步驟三、在第四底座4的外側(cè)面上放置工作載荷；
[0025]步驟四、將每個(gè)形狀記憶聚合物平板6上的電熱膜加熱，待到聚合物變軟之后壓縮拉伸組件，使形狀記憶聚合物平板6被壓縮彎曲，機(jī)械臂長(zhǎng)度縮短，切斷加熱電源，保持形狀固定直到聚合物冷卻固化，完成機(jī)械臂制作。
[0026]【具體實(shí)施方式】三:結(jié)合圖1至圖7說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述一種基于形狀記憶聚合物與介電彈性體的航空機(jī)械臂制作方法的步驟一中所述形狀記憶聚合物是環(huán)氧類的熱塑性形狀記憶聚合物、環(huán)氧類的熱固性形狀記憶聚合物、苯乙烯類形狀記憶聚合物、氰酸酯類形狀記憶聚合物的一種或多種。其它組成及連接關(guān)系與【具體實(shí)施方式】二相同。
[0027]【具體實(shí)施方式】四:結(jié)合圖1至圖7說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述一種基于形狀記憶聚合物與介電彈性體的航空機(jī)械臂制作方法的步驟一中所述增強(qiáng)材料是石墨纖維、碳纖維、玻璃纖維、Kevlar纖維、硼纖維、碳化硅纖維、碳粉、炭黑、碳納米管和鎳粉中的一種或多種，所述增強(qiáng)材料的含量為O?50%。其它組成及連接關(guān)系與【具體實(shí)施方式】二相同。
[0028]工作原理
[0029]步驟1、在需要使用機(jī)械臂時(shí)，首先為離有效載荷較遠(yuǎn)的連接底部的形狀記憶聚合物平板6加熱，為電熱膜通電。同時(shí)對(duì)其上覆蓋的介電彈性體薄膜的電極通高壓電。由于形狀記憶效應(yīng)與介電彈性體在電場(chǎng)作用下擴(kuò)張的特性，底部的形狀記憶聚合物平板6由彎曲狀恢復(fù)為平面；
[0030]步驟2、對(duì)介電彈性體圓柱5在四個(gè)方向上的涂覆電極施加不同的電壓;不同的電壓作用導(dǎo)致了圓柱不同方向的變形率不同，使得介電彈性體圓柱5所連接的兩個(gè)底座由原本的相互平行變?yōu)槌梢欢ǖ膴A角；該夾角由機(jī)械臂所預(yù)定的到達(dá)位置決定，并且不同電極上施加的電壓改變可以調(diào)節(jié)底座間的夾角；
[0031]步驟3、調(diào)節(jié)完夾角后，加熱上層的形狀記憶聚合物平板6，同時(shí)對(duì)其上覆蓋的介電彈性體薄膜的電極施加一定的電壓;在形狀記憶聚合物和介電彈性體的擴(kuò)張伸長(zhǎng)達(dá)到了一定程度時(shí)停止。伸長(zhǎng)長(zhǎng)度取決于機(jī)械臂所預(yù)定的到達(dá)位置并且由施加在電熱膜上與施加在介電彈性體膜上的電壓共同決定；
[0032]步驟4、工作載荷開始進(jìn)行工作。工作完成后，撤銷施加在所有介電彈性體電極上的電壓，同時(shí)加熱形狀記憶聚合物平板6，恢復(fù)原狀之后取消加熱，冷卻固化形狀記憶聚合物平板，完成壓縮以待下次使用。
[0033]本發(fā)明所述的基于形狀記憶聚合物與介電彈性體的航空用機(jī)械臂不依賴于復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，展開主要依賴于形狀記憶聚合物的形狀記憶效應(yīng)以及介電彈性體受電壓自我拉伸的性質(zhì)。由于所采用的是聚合物材料，密度小并且可以承受較大變形。可以在發(fā)射前進(jìn)行壓縮收納，減小發(fā)射時(shí)占據(jù)的空間和有效載荷。且展開后工作狀態(tài)穩(wěn)定可靠，不易出現(xiàn)機(jī)械問題。
[0034]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)，在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單的修改、等同替換與改進(jìn)等，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于形狀記憶聚合物與介電彈性體的航空機(jī)械臂，其特征在于:所述一種基于形狀記憶聚合物與介電彈性體的航空機(jī)械臂包括第一底座(I)、第二底座(2)、第三底座(3)、第四底座(4)、介電彈性體圓柱(5)和兩個(gè)拉伸組件，每個(gè)所述拉伸組件是由四個(gè)形狀記憶聚合物平板(6)組成的長(zhǎng)方體，第一底座(I)通過一個(gè)所述拉伸組件與第二底座(2)連接，第二底座(2)通過介電彈性體圓柱(5)與第三底座(3)連接，第三底座(3)通過一個(gè)所述拉伸組件與第四底座(4)連接，介電彈性體圓柱(5)每個(gè)端面的四個(gè)方向上均涂有電極(7)。2.—種權(quán)利要求1所述航空機(jī)械臂的制作方法，其特征在于:所述一種基于形狀記憶聚合物與介電彈性體的航空機(jī)械臂制作方法是通過如下步驟實(shí)現(xiàn)的: 步驟一、將形狀記憶聚合物添加增強(qiáng)材料制成形狀記憶聚合物復(fù)合材料平板，在所述平板上兩面覆蓋電熱膜，使用尺寸小于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的介電彈性體薄膜，在膜的兩側(cè)覆蓋金屬或石墨電極，將介電彈性體薄膜貼合在所述平板的兩面形成形狀記憶聚合物平板(6)，使介電彈性體薄膜的邊緣與所述平板貼合； 步驟二、將四個(gè)形狀記憶聚合物平板(6)依次排列組成拉伸組件，第一底座(I)通過一個(gè)所述拉伸組件與第二底座(2)連接，第三底座(3)通過一個(gè)所述拉伸組件與第四底座(4)連接，第二底座(2)通過介電彈性體圓柱(5)與第三底座(3)連接，在介電彈性體圓柱(5)每個(gè)端面的四個(gè)方向上涂布電極(7)； 步驟三、在第四底座(4)的外側(cè)面上放置工作載荷； 步驟四、將每個(gè)形狀記憶聚合物平板(6)上的電熱膜加熱，待到聚合物變軟之后壓縮拉伸組件，使形狀記憶聚合物平板(6)被壓縮彎曲，機(jī)械臂長(zhǎng)度縮短，切斷加熱電源，保持形狀固定直到聚合物冷卻固化，完成機(jī)械臂制作。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種基于形狀記憶聚合物與介電彈性體的航空機(jī)械臂制作方法，其特征在于:步驟一中所述形狀記憶聚合物是環(huán)氧類的熱塑性形狀記憶聚合物、環(huán)氧類的熱固性形狀記憶聚合物、苯乙烯類形狀記憶聚合物、氰酸酯類形狀記憶聚合物的一種或多種。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種基于形狀記憶聚合物與介電彈性體的航空機(jī)械臂制作方法，其特征在于:步驟一中所述增強(qiáng)材料是石墨纖維、碳纖維、玻璃纖維、Kevlar纖維、硼纖維、碳化硅纖維、碳粉、炭黑、碳納米管和鎳粉中的一種或多種，所述增強(qiáng)材料的含量為O?50%。
【文檔編號(hào)】B25J18/06GK105856271SQ201610382671
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年6月1日
【發(fā)明人】劉彥菊, 劉立武, 陶佳梁, 冷勁松
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)