[发明专利]一种气动驱动的多稳态结构

说明书

本发明公开了一种气动驱动的多稳态结构，包括至少一个稳态单元，每个稳态单元包括两层正交或反对称铺设的碳纤维预浸料，还包括气动软体驱动器，所述气动软体驱动器对应固定在每个稳态单元的表面，所述气体软体驱动器包括驱动器内胆和设置在驱动器内胆表面的径向限位件，所述驱动器内胆内部沿长度方向设有空腔，所述驱动器内胆上设有连通空腔的进气通道。本发明的多稳态结构具有多种不同形态的稳定状态且不需要外力维持，有较好的驱动响应能力，多个稳态之间能稳定地转变，其结构简单、控制方便、能源消耗低，该气动驱动的多稳态结构适用于航空航天、软体机器人等可变形领域。

技术领域

本发明涉及智能可变形结构以及复合材料研究技术领域，尤其涉及一种气动驱动的多稳态结构。

背景技术

复合材料双稳态是指具有两个变形能力，且在变形后无需持续的能量输入即可保持稳定状态的结构。正是因为这种特性，使其在可变形机翼、展开结构、可展开太阳能板等领域具有巨大的应用潜力。随着航空、航天工业的发展，对可变形结构的变形能力提出了更高的要求，将多个稳态单元拼接形成的多稳态层合板，可以满足这一要求。多稳态结构的智能驱动方式目前主要使用形状记忆合金、压电材料等。但由于现有驱动方式的响应速度较慢且对其本身刚度、曲率会有一定的影响，因此有必要提出气动驱动的智能驱动方法。气动驱动具有成本低，动作可靠，不发热，无污染、快速响应、远程驱动等优点。将气动软体驱动器和多稳态材料有机结合起来，得到了可远程控制、快速变形的多形态结构，可应用于航空航天、软体机器人等可变形领域。

例如，一种在中国专利文献上公开的“一种MEMS微镜双稳态结构的制作方法及光开关”，其公开号CN102928977B，包括以下步骤：高阻态硅片正面沉积第一层电介质薄膜材料并刻蚀；蒸发第一层金属薄膜材料，并刻蚀形成金属层；溅射第二层金属薄膜并刻蚀形成微镜面；硅片背面深硅刻蚀，形成一空腔；高阻态硅片正面深硅刻蚀；刻蚀完成后，冷却至室温，形成双稳态结构的初始状态。一种具有由上述方法制作得到的MEMS微镜双稳态结构的光开关，包括双稳态结构及驱动结构，所述双稳态结构设置于驱动结构的上方。该制作工艺简单易行，且微镜面与直梁驱动臂、基座一体成型，制作精度更高；该光开关操作方便，利用电磁驱动实现两个状态之间的切换，响应速度快，可靠性高，能耗低。其不足之处是，电磁驱动方式成本较高、响应速度较慢且对其本身刚度、曲率会有一定的影响，因此有必要提出气动驱动的智能驱动方法。

发明内容

本发明是为了克服现有技术的成本较高、响应速度较慢且对其本身刚度、曲率会有一定的影响的问题，提供一种气动驱动的多稳态结构，具有成本低，动作可靠，不发热，无污染、快速响应、远程驱动等优点。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种气动驱动的多稳态结构，包括至少一个稳态单元，每个稳态单元包括两层正交或反对称铺设的碳纤维预浸料，还包括气动软体驱动器，所述气动软体驱动器对应固定在每个稳态单元的表面，所述气体软体驱动器包括驱动器内胆和设置在驱动器内胆表面的径向限位件，所述驱动器内胆内部沿长度方向设有空腔，所述驱动器内胆上设有连通空腔的进气通道。

本发明的特点在于通过气动驱动双稳态或多稳态层结构变形，从而促使整个结构的形态改变。稳态单元由2块碳纤维预浸料正交或反对称铺设并高温高压固化而成，正交一般为0°/90°或-30°/60°，反对称一般为-45°/45°，由于纤维在两个方向上的弹性模量和热膨胀系数不同，在复合材料加热加压固化后会产生残余应力，使得稳态单元具有2种不同的稳定形态；气动软体驱动器可通过粘结剂和稳态单元固定在一起，并与稳态单元对应设置，驱动器内胆内部空间形成气腔；径向限位件设置在驱动器内胆外侧，当空腔通过进气通道充入气体后，径向限位件会约束空腔径向尺寸的增大；由于气动软体驱动器被固定在层合板上，固定一侧会限制气腔的轴向伸长，驱使气动软体驱动器向层合板一侧变形弯曲。

作为优选，包括交错连接的正交铺设稳态单元和反对称铺设稳态单元，所述相邻的正交铺设稳态单元和反对称铺设稳态单元连接处的碳纤维预浸料互相交叠设置。