一種基于介電彈性體和形狀記憶聚合物的可重復(fù)柔性抓捕結(jié)構(gòu)及抓捕空間碎片方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于介電彈性體和形狀記憶聚合物的可重復(fù)柔性抓捕結(jié)構(gòu)及抓捕空間碎片方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，智能聚合物材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展較快，尤其是航天領(lǐng)域的展開結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)應(yīng)用受到更加廣泛的重視和認(rèn)可，一些基于介電彈性體或形狀記憶聚合物復(fù)合材料的智能主動(dòng)變形結(jié)構(gòu)已經(jīng)完成原理性演示驗(yàn)證，并已獲得型號(hào)上的應(yīng)用。傳統(tǒng)的機(jī)械臂都是以剛性的材料為組件。而基于介電彈性體和形狀記憶聚合物的可重復(fù)柔性抓捕結(jié)構(gòu)，通過材料的自身變形驅(qū)動(dòng)，無(wú)需借用電機(jī)或機(jī)械，具有質(zhì)量輕，可重復(fù)工作、能耗低等特點(diǎn)。利用介電彈性體和形狀記憶聚合物兩種智能驅(qū)動(dòng)器材料替代目前傳統(tǒng)的航天機(jī)械、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過材料和結(jié)構(gòu)自身的主動(dòng)變形來(lái)實(shí)現(xiàn)柔性抓捕結(jié)構(gòu)的可控展開和重復(fù)抓捕，具有無(wú)附加復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、展開過程穩(wěn)定和沖擊較小等優(yōu)點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為了解決傳統(tǒng)的航天機(jī)械、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)抓取結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量大的問題，進(jìn)而提出一種基于介電彈性體和形狀記憶聚合物的可重復(fù)柔性抓捕結(jié)構(gòu)及抓捕空間碎片方法。
[0004]一種基于介電彈性體和形狀記憶聚合物的可重復(fù)柔性抓捕結(jié)構(gòu)主要由基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料薄板片層的展開結(jié)構(gòu)即三翼式展開梁I與基于介電彈性體的柔性抓捕結(jié)構(gòu)II ;其中三翼式展開梁結(jié)構(gòu)I由主軸II1、片層IV、片層連接件V、片層連接件配件VI組成；介電彈性體柔性抓捕結(jié)構(gòu)II由介電彈性體卷形彎曲驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)和介電彈性體柔性抓捕結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)組成，其中介電彈性體卷形彎曲驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)由彈簧νπ、介電彈性體廁、碳涂層IX組成；
[0005]三翼式展開梁結(jié)構(gòu)II的一端采用螺栓緊固或鉚接的固定方式連接在基于介電彈性體的柔性抓捕結(jié)構(gòu)II上，其中，三翼式可展開梁結(jié)構(gòu)片層IV、片層連接件V、片層連接件配件VI采用鉚接的連接方式連接在主軸III上，介電彈性體卷形彎曲驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)和介電彈性體柔性抓捕結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)采用緊定套固定的方式連接，介電彈性體卷形彎曲驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)外圈的徑向尺寸被壓縮而夾緊在支撐結(jié)構(gòu)上，固定單個(gè)爪的軸向，其中，介電彈性體卷形彎曲驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)種彈簧νπ連接在介電彈性體VID中，并且介電彈性體VID外涂有碳涂層IX。
[0006]本發(fā)明的一種基于可重復(fù)柔性抓捕結(jié)構(gòu)的抓捕過程通過以下步驟實(shí)現(xiàn):
[0007]步驟一、將形狀記憶聚合物復(fù)合材料片層組裝起來(lái)，得到基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料片層的展開結(jié)構(gòu)即三翼式展開梁I ;制備基于介電彈性體的抓捕結(jié)構(gòu)II，于介電彈性體的抓捕結(jié)構(gòu)II外層以形狀記憶聚合物包覆；
[0008]步驟二、采用電加熱的方式，驅(qū)動(dòng)和控制介電彈性體的抓捕結(jié)構(gòu)II到指定抓捕位置；
[0009]步驟三、采用電加熱的方式對(duì)包覆于介電彈性體外側(cè)的形狀記憶聚合物加熱至轉(zhuǎn)變玻璃化溫度以上，采用電驅(qū)動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)基于介電彈性體的抓捕結(jié)構(gòu)II，抓捕衛(wèi)星或空間碎片；
[0010]步驟四、停止對(duì)介電彈性體包覆于外側(cè)的形狀記憶聚合物加熱，抓取形狀被包覆于外層的形狀記憶聚合物所固定，完成抓取動(dòng)作；
[0011]步驟五、解除介電彈性體內(nèi)的電壓，并再次對(duì)包覆于介電彈性體外側(cè)的形狀記憶聚合物加熱，裝置恢復(fù)原狀；重復(fù)以上步驟完成第二次抓取動(dòng)作。
[0012]發(fā)明效果:
[0013]1、本發(fā)明的展開結(jié)構(gòu)由形狀記憶聚合物設(shè)計(jì)構(gòu)成，它與傳統(tǒng)展開結(jié)構(gòu)存在的重量大，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，展開過程不穩(wěn)定，制造工業(yè)復(fù)雜相比，本發(fā)明基于形狀記憶聚合物的展開結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0014](1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，穩(wěn)定性高，質(zhì)量輕；
[0015](2)結(jié)構(gòu)展開所需驅(qū)動(dòng)力較小，過程比較平穩(wěn)，對(duì)系統(tǒng)的沖擊小，尤其避免了展開開始瞬間和鎖緊末期劇烈的沖擊載荷；
[0016](3)具有設(shè)計(jì)的靈活性。
[0017]2、本發(fā)明形狀記憶聚合物利用其自身的性質(zhì)完成其展開過程，只需要在其表面安裝電熱膜，直接加熱，或者涂導(dǎo)電膠，而不需要復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；由于形狀記憶聚合物性質(zhì)穩(wěn)定，展開機(jī)理簡(jiǎn)單，其展開過程可靠性高，依靠材料的變形回復(fù)過程進(jìn)行展開，展開過程回復(fù)力平穩(wěn)；由于沒有復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)原件，在沖擊與震蕩下只要承載結(jié)構(gòu)不被破壞，機(jī)構(gòu)就能正常展開與正常工作；本發(fā)明的抓取結(jié)構(gòu)由介電彈性體與形狀記憶聚合物的構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)原理簡(jiǎn)單。
【附圖說明】
[0018]圖1為基于介電彈性體和形狀記憶聚合物的可重復(fù)柔性抓捕結(jié)構(gòu)示意圖，該結(jié)構(gòu)主要由基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料薄板片層的展開結(jié)構(gòu)即三翼式可展開梁I和基于介電彈性體的柔性抓捕結(jié)構(gòu)II組成；
[0019]圖2為基于形狀記憶聚合物三翼式可展開梁I結(jié)構(gòu)片層單元示意圖；其中三翼式可展開梁I結(jié)構(gòu)片層單元由主軸II1、片層IV、片層連接件V、片層連接件配件VI組成；
[0020]圖3為基于介電彈性體柔性抓捕結(jié)構(gòu)示意圖；基于介電彈性體柔性抓捕結(jié)構(gòu)II由介電彈性體卷形彎曲驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖3a中X和介電彈性體柔性抓捕結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)如圖3b組成，圖3a為介電彈性體卷形彎曲驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)制備流程示意圖；其中介電彈性體卷形彎曲驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)由彈簧VI1、介電彈性體VID、碳涂層IX組成；
[0021 ]圖4為基于介電彈性體六爪式柔性抓捕結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖4a為基于介電彈性體六爪式柔性抓捕結(jié)構(gòu)的展開狀態(tài)，圖4b為基于介電彈性體六爪式柔性抓捕結(jié)構(gòu)抓取狀態(tài)；
[0022]圖5為基于介電彈性體三爪式柔性抓捕結(jié)構(gòu)示意圖；其中圖5a為基于介電彈性體三爪式柔性抓捕結(jié)構(gòu)的展開狀態(tài)，圖5b基于介電彈性體三爪式柔性抓捕結(jié)構(gòu)抓取狀態(tài)；
[0023]圖6為基于介電彈性體和形狀記憶聚合物的可重復(fù)柔性抓捕結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)和控制抓捕結(jié)構(gòu)到指定抓捕位置的過程的示意圖；其中，圖6a為為基于介電彈性體和形狀記憶聚合物的可重復(fù)柔性抓捕結(jié)構(gòu)折疊狀態(tài)，圖6b為基于介電彈性體和形狀記憶聚合物的可重復(fù)柔性抓捕結(jié)構(gòu)展開狀態(tài)，圖6c為基于介電彈性體和形狀記憶聚合物的可重復(fù)柔性抓捕結(jié)構(gòu)完全展開狀態(tài)；
[0024]圖7為基于介電彈性體和形狀記憶聚合物的可重復(fù)柔性抓捕結(jié)構(gòu)抓捕狀態(tài)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合圖1-7和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0026]【具體實(shí)施方式】一、本實(shí)施方式基于介電彈性體和形狀記憶聚合物的可重復(fù)柔性抓捕結(jié)構(gòu)包括:
[0027]—種基于介電彈性體和形狀記憶聚合物的可重復(fù)柔性抓捕結(jié)構(gòu)主要由基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料薄板片層的展開結(jié)構(gòu)即三翼式展開梁I與基于介電彈性體的柔性抓捕結(jié)構(gòu)II ;其中三翼式展開梁結(jié)構(gòu)I由主軸II1、片層IV、片層連接件V、片層連接件配件VI組成；介電彈性體柔性抓捕結(jié)構(gòu)II由介電彈性體卷形彎曲驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)和介電彈性體柔性抓捕結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)組成，其中介電彈性體卷形彎曲驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)由彈簧νπ、介電彈性體廁、碳涂層IX組成；
[0028]三翼式展開梁結(jié)構(gòu)II的一端采用螺栓緊固或鉚接的固定方式連接在基于介電彈性體的柔性抓捕結(jié)構(gòu)II上，其中，三翼式可展開梁結(jié)構(gòu)片層IV、片層連接件V、片層連接件配件VI采用鉚接的連接方式連接在主軸III上，介電彈性體卷形彎曲驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)和介電彈性體柔性抓捕結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)采用緊定套固定的方式連接，介電彈性體卷形彎曲驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)外圈的徑向尺寸被壓縮而夾緊在支撐結(jié)構(gòu)上，固定單個(gè)爪的軸向，其中，介電彈性體卷形彎曲驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)種彈簧νπ連接在介電彈性體VID中，并且介電彈性體VID外涂有碳涂層IX。
[0029]本實(shí)施方式的有益效果:
[0030]1、本發(fā)明的展開結(jié)構(gòu)由形狀記憶聚合物設(shè)計(jì)構(gòu)成，它與傳統(tǒng)展開結(jié)構(gòu)存在的重量大，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，展開過程不穩(wěn)定，制造工業(yè)復(fù)雜相比，本發(fā)明基于形狀記憶聚合物的展開結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0031](1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，穩(wěn)定性高，質(zhì)量輕；
[0032](2)結(jié)構(gòu)展開所需驅(qū)動(dòng)力較小，過程比較平穩(wěn)，對(duì)系統(tǒng)的沖擊小，尤其避免了展開開始瞬間和鎖緊末期劇烈的沖擊載荷；
[0033](3)具有設(shè)計(jì)的靈活性。
[0034]2、本發(fā)明形狀記憶聚合物利用其自身的性質(zhì)完成其展開過程，只需要在其表面安裝電熱膜，直接加熱，或者涂導(dǎo)電膠，而不需要復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；由于形狀記憶聚合物性質(zhì)穩(wěn)定，展開機(jī)理簡(jiǎn)單，其展開過程可靠性高，依靠材料的變形回復(fù)過程進(jìn)行展開，展開過程回復(fù)力平穩(wěn)；由于沒有復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)原件，在沖擊與震蕩下只要承載結(jié)構(gòu)不被破壞，機(jī)構(gòu)就能正常展開與正常工作；本發(fā)明的抓取結(jié)構(gòu)由介電彈性體與形狀記憶聚合物的構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)原理簡(jiǎn)單。
[0035]【具體實(shí)施方式】二、本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同，實(shí)施方式所述的基于介電彈性體和形狀記憶聚合物的可重復(fù)柔性抓捕結(jié)構(gòu)，其特征在于基于介電彈性體抓捕結(jié)構(gòu)其外層包覆形狀記憶聚合物，其形狀記憶聚合物含有增強(qiáng)相。
[0036]【具體實(shí)施方式】三、本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】