一种力学折叠单元结构、可编程力学结构及时序编程方法

摘要

本发明实施例公开了一种力学折叠单元结构、可编程力学结构，包括第一至第四四边形单元以及第一、第二平行四边形单元，所述第一四边形单元与所述第二四边形单元的侧边相互转动连接，所述第一四边形单元与所述第二四边形单元的下边分别与所述第一、第二平行四边形单元的上边相互转动连接，所述第一、第二平行四边形单元的下边分别与所述第三、第四四边形单元的上边转动连接，所述第三、第四四边形单元的侧边转动连接，所述第一、第二平行四边形单元的侧边之间连接有形状记忆合金片。本发明实施例还公开了应用于上述结构的时序编程方法。本发明可用于机械超材料，在航空航天中的主动可展开材料、植入式医疗机器人、智能民用材料和智能玩具等领域具有应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种力学结构，尤其涉及一种力学折叠单元结构、可编程力学结构及时序编程方法。

背景技术

在现有技术中，传统的结构只能产生拉力或是推力，不能兼具两种力的产生，具体而言，传统的基于纤维的人造肌肉只能产生拉力，不能产生推力，且不能根据应用需要自由编程其力学性能，使其在结构上无法按编程实现所需的结构性能，在应用上存在较大的局限性。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种力学折叠单元结构、可编程力学结构及时序编程方法。该结构可实现拉力或推力，并具有可编程的力学性能。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种力学折叠单元结构，为左右对称结构且包括第一至第四四边形单元以及第一、第二平行四边形单元，所述第一四边形单元与所述第二四边形单元的侧边相互转动连接，所述第一四边形单元与所述第二四边形单元的下边分别与所述第一、第二平行四边形单元的上边相互转动连接，所述第一、第二平行四边形单元的下边分别与所述第三、第四四边形单元的上边转动连接，所述第三、第四四边形单元的侧边转动连接，所述第一、第二平行四边形单元的侧边之间连接有形状记忆合金片。

其中，所述第一、第二平行四边形单元的侧边均设置有插槽，所述形状记忆合金片固定插设于所述插槽中。

其中，各所述转动连接是通过铰链形成。

其中，所述铰链包括一转轴与勾槽，所述转轴转动位于所述勾槽中。

其中，所述第一至第四四边形单元的主体为正方体结构。

本发明还提供了一种具有可编程力学性能的结构，包括若干个上述的力学折叠单元结构，若干个所述力学折叠单元结构之间的相临边之间相互铰接。

其中，若干个所述力学折叠单元结构以所述形状记忆合金片安装为同向或异向方向进行结构编程组合。金属片正面与反面类似于计算机编程里面的0和1，通过多个不同安装方向金属片形成的组合，使得设计的结构具有不同的力学性能，实现了结构整体力学性能的结构编程。

本发明还提供了一种具有可编程力学性能结构的时序编程方法，按时序编程的热控制信号施加于结构中的每个所述力学折叠单元结构的形状记忆合金片，使得结构具有不同的力学性能，实现了结构整体力学性能的时序编程。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明既能产生拉力又能产生推力，同时具有结构编程和时序编程力学特性，提高了结构的多功能与灵活性。本发明可用于驱动折纸和剪纸启发的机械超材料，在航空航天中的主动可展开材料、植入式医疗机器人、智能民用材料和智能玩具等领域具有应用前景。

附图说明

图1是本发明的折叠单元结构及平面展开的示意图；

图2是不同设计角的折叠单元结构的力学模型；

图3是本发明不同折叠角的折叠单元结构示意图；

图4是本发明的铰链的结构示意图；

图5是本发明不同设计角的结构产生预期变形的示意图；

图6是形状记忆合金片的安装方式一及不同设计角的折叠单元结构的力响应示意图；

图7是形状记忆合金片的安装方式二及不同设计角的折叠单元结构的力响应示意图；

图8是不同时序信号控制(时序编程)下可编程力学结构的力响应示意图；

图9是两个折叠单元并联连接的力响应示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示的本发明一种力学折叠单元结构的简化的展开结构示意图，一种力学折叠单元结构，包括若干上下左右一体的折叠单元结构，折叠单元结构为左右对称结构且包括第一至第四四边形单元以及第一、第二平行四边形单元，所述第一四边形单元与所述第二四边形单元的侧边相互转动连接，所述第一四边形单元与所述第二四边形单元的下边分别与所述第一、第二平行四边形单元的上边相互转动连接，所述第一、第二平行四边形单元的下边分别与所述第三、第四四边形单元的上边转动连接，所述第三、第四四边形单元的侧边转动连接，所述第一、第二平行四边形单元的侧边之间连接有形状记忆合金片(SMA金属片)。

第一、第二平行四边形单元的侧边BC＇、BC均设置有插槽，即插槽可侧向插入形状记忆合金片。

图1中A所示，第一四边形单元为ABG＇H＇，第二四边形单元为ABGH，第三四边形单元为C＇D＇E＇F＇，第四四边形单元为CDEF，第一平行四边形单元为 BC＇F＇G＇，第二平行四边形单元为BCFG。

在本实施例中，其中四个设计参数δ和α(δ>α)以及长度参数(m＝FG， n＝AH＝HG)决定其几何结构。优选的是δ＝90°，使第一至第四四边形单元均为正方形结构。

图1中A所示，AB，BG，BG′分别折叠为谷线，CF，F′F′分别折叠为脊线 BCD与BC′D′连接在一起，得到一个三维的折叠单元结构。

图1中B所示，折叠角θ∈[0，360°]为平面BCFG和BCF'G'之间的二面角， x，y和z分别表示折纸-肌肉在三个坐标方向的大小(其中ΔEDE′位于x-y平面上)，由此有

z＝2n-m·cos(∠BCD) (S1)

x＝n·cos(φ/2)+m·sin∠BCD) (S2)

y＝2n·sin(φ/2)(S3)

其中，φ表示平面ABGH与ABG'H'之间的二面角，∠BCD表示直线BC与 CD之间的夹角，∠BCD＝∠ABC<180°，于是有：

其中，

其中，φ和θ有以下关系

根据三角关系勾股定理有

AD

AD和φ之间的函数关系曲线图见图5。

根据虚功原理，我们有以下方程：

fδz+Mδθ＝0 (S9)

式中，f是结构变形产生的力(见图1中B所示)，M是折痕BC的弯矩(与θ有关)。将式(S1)代入式(S10)，绘制出设计角分别为α＝45°，60°和75°的 t(α，θ)＝-1/(δz/δθ)曲线，

如图2，t(α，θ)的函数值随着α的减小而增大。假设SMA金属片在三个不同设计角对应的模型中产生相同的M值，基于公式(S10)可得到结论，设计角α值越小的结构产生的力响应f越大。

在本实施例中，长度为n的正方形、边长分别为n和m的平行四边形以及设计角度α决定了其二维几何关系。

如图3，变形θ定义为两个平行四边形平面之间的二面角，θ决定了结构的三维几何关系。为实现模块化及自由组装，在正方形和平行四边形的两边分别设计了可相互连接的铰链结构，采用尼龙材料通过3D打印得到每一个模块 (其等效长度n＝m≈21mm，厚度1.5mm)，组装后得到基于剪纸的结构，如图3所示。此外，在平行四边形的一侧设计了一个凹槽，用于插入SMA金属片，以便后续的驱动。将平行四边形和正方形平板沿X和Y方向逐个连接起来，可以创建具有多个单元的镶嵌结构。

如图4所示，在本实施例中，铰链包括一转轴1与勾槽2，转轴1转动位于勾槽2中，转轴1与其连接的主体这间留有勾槽2的转动避空间隙。

本发明实施例还提供了一种具有可编程力学性能的结构，将多个折叠单元结构上下左右的相临边通过铰链连接为一体结构。

若干折叠单元结构所述的形状记忆合金片安装方向可为同向或异向的组合。金属片正面与反面类似于计算机编程里面的0和1，通过多个不同安装方向金属片形成的组合，使得结构具有不同的力学性能，实现了结构的结构编程。

本发明实施例还提供了一种具有可编程力学性能的结构的时序编程方法，按时序编程的热控制信号施加于结构中的每个所述力学折叠单元结构的形状记忆合金片，热控制信号为施加于不同力学折叠单元结构的形状记忆合金片的热源，使得结构具有不同的力学性能，实现了结构的时序编程。

以下对本实施例的结构进行测试。

实验时用摄像机识别点A、D、E和E＇处的四个跟踪小球，以测量结构的长度及相关角度变形。分别对设计角α为45°、60°和75°的折叠单元结构进行实验和理论分析，实际测量的距离d＝AD和角度φ＝∠EDE′之间的测量数据与理论分析几何模型的数据一致，如图5右下，从图中可以看出，设计角α越大，折叠单元结构的距离d和角度φ的变形范围越大。

通过实验研究发现，SMA金属片插入凹槽的方向不同，折叠单元的变形模式不同，结构整体产生的力的方向也不同。由于SMA金属片受热时向“-”侧弯曲，因此，如果将SMA金属片的“+”侧按图6的方式组装，折叠单元结构的变形模式为：热缩，产生拉力；相反地，如果将SMA金属片的“+”侧按图7的方式组装，折叠单元结构的变形模式为：热胀，产生推力。然而，无论产生拉力还是推力，设计角α对力的绝对值起着重要影响作用。如图6和7 所示，在相同的温度变化下，结构所产生随着α值的减小而增大。图6为实验装置，其中折叠单元结构的一端通过在实验台夹具固定，另一端与测力计的挂钩相连接，SMA金属片由加热枪加热，其温度由热电偶记录。通过多次实验发现，不同的加热温度的对折叠单元结构的热力反应速度有影响，但对结构产生的力的峰值没有影响。

多个SMA金属片以不同的方向对应安装在具有多个折叠单元的可编程力学结构中，结构产生了具有可编程特性的力响应。将两块SMA金属片分别安装在两个折叠单元结构中，用两个加热枪同时进行加热。对于每个SMA金属片，安装方向定义为(G

将两个加热枪的开、关时间错开，即按时序编程的热控制信号施加于在可编程力学结构的形状记忆合金片，结构整体也表现出与时序编程热控制信号相对于的力学响应。

首先，将厚度为0.3mm的两片SMA金属片以G

将两个折叠单元串联连接组成可编程力学结构，给定不同的时序控制信号，结构整体生产了与加热时间具有特定函数关系的各种力响应，如图8中B～D所示(上图，时序信号；下图，产生与时序信号对应的力)。

此外，串联两个折叠单元结构不能使产生的力响应加倍。从图8中A中可以看到，每个单元产生的力约为1.5N，但两个单元串联产生的力也约为1.5N(见图8中B和D)，从实验结果分析得到，当两个单元串联时，由于两个单元之间结构的相互影响，单个单元产生的力降低至0.8N左右(见图8中C)。但是，将同样的两个单元改为并联连接时，可以使产生的加倍的力(见图9)。

本发明提出了一种既能产生拉力又能产生推力，同时具有结构编程和时序编程力学特性的结构及设计方法，提高了结构的多功能与灵活性。该方法可用于驱动折纸和剪纸启发的机械超材料，在航空航天中的主动可展开材料、植入式医疗机器人、智能民用材料和智能玩具等领域具有应用前景。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。