一种结合形状记忆聚合物特性的多用途缓冲释放装置
阅读说明：本技术 一种结合形状记忆聚合物特性的多用途缓冲释放装置 (Multipurpose buffering and releasing device combined with shape memory polymer characteristics ) 是由 吴化平 王南航 彭翔 王俊 田野 周伟乾 于 2021-07-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种结合形状记忆聚合物特性的释放装置。变刚度形状记忆板在主体机架U形开口上,两端均通过滑动副装在主体机架U形开口两侧的唇部上；变刚度形状记忆板中部之上有两个释放形状记忆板,两个释放形状记忆板之间放物体；变刚度形状记忆板和主体机架间连接设有压簧和缓冲形状记忆板,变刚度形状记忆板中部底面有铸铁,主体机架U形内底面有柱状的电磁铁,铸铁位于电磁铁的正上方。本发明安装方便,释放具有良好的缓冲能力能很好地保护物体,巧妙运用SMP的形状记忆功能,减小成本的同时降低了控制的难度,减少避免了复杂控制组件,简化了结构和体积,提高了便捷性。(A delivery device incorporating the properties of a shape memory polymer is disclosed. The variable-rigidity shape memory plate is arranged on the U-shaped opening of the main body frame, and two ends of the variable-rigidity shape memory plate are arranged on lips at two sides of the U-shaped opening of the main body frame through sliding pairs; two releasing shape memory plates are arranged on the middle part of the variable stiffness shape memory plate, and an object is placed between the two releasing shape memory plates; a pressure spring and a buffer shape memory plate are connected between the variable stiffness shape memory plate and the main body frame, cast iron is arranged on the bottom surface of the middle of the variable stiffness shape memory plate, a columnar electromagnet is arranged on the inner bottom surface of the U-shape of the main body frame, and the cast iron is positioned right above the electromagnet. The SMP-type buffer device is convenient to install, can well protect objects by releasing good buffer capacity, skillfully utilizes the shape memory function of the SMP, reduces the cost, reduces the control difficulty, avoids complex control components, simplifies the structure and the volume, and improves the convenience.)
技术领域
本发明涉及形状记忆聚合物领域的一种释放装置，具体涉及了一种结合形状记忆聚合物恢复性能的多用途缓冲释放装置。
背景技术
释放装置在航空航天、海底探测等领域内有着极为重要的引用，释放装置使用的控制方式及控制的可靠性对物体能否安全稳定的释放有着极为重要的作用，同时在航空航天及海底探测等特殊应用场合内，要求释放装置的空间占用面积需要尽可能的小。目前的释放装置多为电机或者气缸作为主动件。然而，以电机或者气缸作为主动元件，其存在空间占用面积大等缺陷；在控制电机或者气缸过程中，为实现精准控制因此需要大量的控制组件，因此增加了控制难度以及控制成本；传统的释放结构所能释放物体的形状较为单一，难以实现同一装置能够对不同形状的物体完成释放动作。虽然存在结合形状记忆聚合物特性的释放机构，但是其对被释放物体的形状要求偏高以及对释放的方向存在很高的要求。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种结合形状记忆聚合物特性的多用途缓冲释放装置，以解决上述背景技术中提出的一些问题。
本发明巧妙的运用形状记忆聚合物的特性，将形状记忆聚合物SMP与机械结构相结合，能够实现对多种不同表面形状的物体进行释放动作，同时不限制物体所要释放的方向，在释放的过程中有缓冲的能力，由于驱动方式为结合材料本身的特性，因此没有复杂的控制元件，控制方式容易可靠，同时空间占用面积较小。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明包括主体机架、变刚度形状记忆板、释放形状记忆板、压簧、缓冲形状记忆板、铸铁和电磁铁；主体机架主体呈U形，主体机架U形开口的两侧部分别对称向两外侧延伸形成唇部，变刚度形状记忆板位于主体机架U形开口之上，变刚度形状记忆板长度延伸方向和主体机架U形开口两侧的连线方向重合，变刚度形状记忆板长度的两端均通过主要由移动轴和板螺母构成的滑动副活动安装在主体机架两侧的唇部上。
变刚度形状记忆板的中部连接设有两个释放形状记忆板，两个释放形状记忆板的底部分别固定在变刚度形状记忆板的中部顶面且位于中部顶面的两侧，两个释放形状记忆板之间连线垂直于变刚度形状记忆板长度延伸方向而布置，位于两个释放形状记忆板之间的变刚度形状记忆板的中部顶面上放置物体；变刚度形状记忆板中部的底面和主体机架U形内底面之间连接设有压簧和缓冲形状记忆板，压簧和缓冲形状记忆板上下端均分别固定连接在变刚度形状记忆板底面和主体机架U形内底面；变刚度形状记忆板中部的底面中心固定有铸铁，主体机架U形内底面中心固定有柱状的电磁铁，铸铁位于电磁铁的正上方。
所述的变刚度形状记忆板、释放形状记忆板、缓冲形状记忆板均主要形状记忆聚合物材料制成，变刚度形状记忆板的两侧部内嵌设置通电柔性结构，释放形状记忆板上中部内嵌设置通电柔性结构，缓冲形状记忆板整体均内嵌设置通电柔性结构。
所述的通电柔性结构包括导线和导线载体，导线通过导线载体安装在变刚度形状记忆板、释放形状记忆板、缓冲形状记忆板内部。
所述的通电柔性结构均在用以下方式在形状记忆板中制备而成：将导线复合打印在环氧树脂内制作的导线载体内，形成通电柔性结构；然后将通电柔性结构从形状记忆板侧面的缺口填入变刚度形状记忆板/释放形状记忆板/缓冲形状记忆板的形状记忆聚合物材料中后，在缺口处用光敏树脂填充包裹。
所述的主体机架的唇部均开设有沿变刚度形状记忆板长度延伸方向的条形通槽，移动轴穿过变刚度形状记忆板端部开设通孔、主体机架唇部的条形通槽后连接于板螺母，从而将变刚度形状记忆板端部滑动安装在主体机架的唇部上。
所述的导线成蛇形布置。
本发明这样装置下进行物体的包覆和缓冲释放，释放具有良好的缓冲能力，能很好地保护物体；同时相比现有技术装置减少避免了众多复杂控制组件，例如电机和油缸等，简化了结构和体积，提高了便捷性。
本发明的有益效果是：
1.本发明结合形状记忆聚合物的特性对物体进行释放，形状记忆聚合物刚打印出来的初始形状皆为直线形状，金属银色通电后产生热量，传递的热量将形状记忆聚合物加热至玻璃化温度，此时可以自由编辑形状记忆聚合物的形状，因此可以对不同形状的物体皆可以起到包覆的功能，作用更加多元。
2.本发明结合形状记忆聚合物的特性，将物体进行包覆后冷却至室温，形状记忆聚合物在室温下储存能量，同时将形状固定为人为通过外力将其编辑后的形状，再次将金属银丝通电后，金属银丝传递热量将形状记忆聚合物重新升温至玻璃化温度，形状记忆聚合物通过其材料本身的恢复性能，能恢复至初始形状，在释放的过程中不需要多余的主动元件以及控制组件，因此可以极大减少空间的占用面积以及控制难度，同时降低成本。
3.本发明设计的SMP缓冲部分可以连接SMP变刚度部分及主体机架，其初始形状为直线形状，需要包覆物体时将银丝通电升温后，人为的可以将其编辑形状至与被释放物同高的尺寸，同时变刚度形状记忆板与电磁铁将物体进行限位，物体需要释放时，由于形状记忆聚合物的恢复是平缓的过程，在恢复过程中限制压簧的形状恢复，起到缓冲的作用。
总之本发明的变刚度形状记忆板具有对物体进行限位以及对缓冲结构和包覆结构和被释放物体起到支撑的作用，释放形状记忆板具有对物体进行包覆、限位以及释放的作用，提高了装置对多种不同形状物体的包覆及释放能力，增强了装置的实用性，另外缓冲形状记忆板在物体被释放的过程中起到缓冲的作用，且本发明安装方便，降低了拆装成本，同时驱动方式为结合材料本身的特性，没有多余的控制组件，控制难度较低，较传统释放机构而言所需要的空间面积更小，成本更低。
附图说明
图1为本发明多用途缓冲释放装置的释放物体前的结构示意图；
图2为本发明多用途缓冲释放装置的释放物体后的结构示意图；
图3为本发明多用途缓冲释放装置释放物体前结构示意图的剖视图；
图4为本发明多用途缓冲释放装置的磁石吸附结构的示意图。
图中，1为主体机架、2移动轴、3板螺母、4变刚度形状记忆板、5释放形状记忆板、6压簧、7缓冲形状记忆板、8导线载体、9导线、10铸铁、11电磁铁。
具体实施方式
为使说明更加清楚，现结合附图和实例对本发明中的技术方案进行更进一步完整、清晰的描述。
如图1和图2所示，装置包括主体机架1、变刚度形状记忆板4、释放形状记忆板5、压簧6、缓冲形状记忆板7、铸铁10和电磁铁11；主体机架1采用不锈钢材料制备而成，主体机架1主体呈U形，是截面为U形的拉伸件，主体机架1U形开口的两侧部分别对称向两外侧延伸形成唇部，变刚度形状记忆板4位于主体机架1U形开口之上，变刚度形状记忆板4长度延伸方向和主体机架1U形开口两侧的连线方向重合，变刚度形状记忆板4长度的两端均通过主要由移动轴2和板螺母3构成的滑动副活动安装在主体机架1两侧的唇部上；
具体实施中，主体机架1的唇部均开设有沿变刚度形状记忆板4长度延伸方向的条形通槽，变刚度形状记忆板4端部开设通孔，移动轴2穿过变刚度形状记忆板4端部开设通孔、主体机架1唇部的条形通槽后连接于板螺母3，从而将变刚度形状记忆板4端部滑动安装在主体机架1的唇部上。主体机架1的唇部底面为弧形，与主体机架1唇部底面相接触的板螺母3顶面形状也为弧形。
变刚度形状记忆板4的中部连接设有两个释放形状记忆板5，两个释放形状记忆板5的底部分别固定在变刚度形状记忆板4的中部顶面且位于中部顶面的两侧，两个释放形状记忆板5之间连线垂直于变刚度形状记忆板4长度延伸方向而布置，位于两个释放形状记忆板5之间的变刚度形状记忆板4的中部顶面上放置用于缓冲释放的物体；
变刚度形状记忆板4中部的底面和主体机架1U形内底面之间连接设有压簧6和缓冲形状记忆板7，压簧6和缓冲形状记忆板7上下端均分别通过圆环状固定块固定连接在变刚度形状记忆板4底面和主体机架1U形内底面；两个圆环状固定块分别固定在变刚度形状记忆板4底面和主体机架1U形内底面，圆环状固定块的内径同压簧6外径吻合一致，压簧6端部套装在圆环状固定块内。
具体实施设有两个压簧6和两个缓冲形状记忆板7，两个压簧6和两个缓冲形状记忆板7围绕变刚度形状记忆板4中部的底面和主体机架1U形内底面的中心沿周向间隔交替地布置，两个压簧6对称布置在两侧，两个缓冲形状记忆板7也对称布置在两侧。缓冲形状记忆板7长度为主体机架1唇部顶面到主体机架1U形内底面之间的距离。
如图4所示，变刚度形状记忆板4中部的底面中心固定有铸铁10，主体机架1U形内底面中心固定有柱状的电磁铁11，铸铁10位于电磁铁11的正上方，缓冲形状记忆板7和压簧6安装在电磁铁11和铸铁10的周围。电磁铁11用于通电后磁性吸附铸铁10。
变刚度形状记忆板4、释放形状记忆板5、缓冲形状记忆板7均主要形状记忆聚合物材料制成，变刚度形状记忆板4的两侧部内嵌设置通电柔性结构，释放形状记忆板5上中部内嵌设置通电柔性结构，缓冲形状记忆板7整体均内嵌设置通电柔性结构，使得变刚度形状记忆板4的两侧部、释放形状记忆板5的上中部、缓冲形状记忆板7整体均能在包覆物体时更好的柔性弯曲。
如图3所示，通电柔性结构包括导线9和导线载体8，变刚度形状记忆板4、释放形状记忆板5、缓冲形状记忆板7中间皆装有导线部分9，导线9通过导线载体8安装在变刚度形状记忆板4、释放形状记忆板5、缓冲形状记忆板7内部。
通电柔性结构均在用以下方式在形状记忆板中制备而成：将导线9通过数字光刻打印技术复合打印在环氧树脂内制作的导线载体8内，形成通电柔性结构；然后将通电柔性结构从形状记忆板侧面的缺口填入变刚度形状记忆板4/释放形状记忆板5/缓冲形状记忆板7的形状记忆聚合物材料中后，在导线9与形状记忆聚合物之间的空隙部分和在缺口处用光敏树脂填充包裹。
导线9两端连接电源，电源对导线9通电后对通电柔性结构所在的形状记忆聚合物材料进行加热，使得形状记忆聚合物材料受热变形，恢复成原始状态或者变形成形状记忆状态，停止通电后冷却保持当前状态。从而有效调控变刚度形状记忆板4/释放形状记忆板5/缓冲形状记忆板7的局部刚度和柔性，实现变刚度形状记忆板4/释放形状记忆板5/缓冲形状记忆板7的局部形态控制。
变刚度形状记忆板4，释放形状记忆板5，缓冲形状记忆板7均为复合材料，导线载体8采用环氧树脂制作，导线9采用聚乳酸。
具体实施中，变刚度形状记忆板4及缓冲形状记忆板7为复合材料，变刚度形状记忆板4中间加工有固定块、通孔的部分的材料为环氧树脂，尺寸为40mmx80mmx5mm，两侧加工长槽用以装导线载体9的部分采用聚乳酸。缓冲形状记忆板7上下两侧加工有通孔的部分为环氧树脂，尺寸为20mmx15mmx5mm，加工有长槽用以装导线载体9。
如图1和图3所示，未包覆物体情况下或者缓冲释放结束后，变刚度形状记忆板4、释放形状记忆板5、缓冲形状记忆板7经通电加热后冷却恢复到原始状态：变刚度形状记忆板4展开成位于主体机架1U形开口的水平板状态，两个释放形状记忆板5和缓冲形状记忆板7均展开成竖直直立状态。此时电磁铁断电，电磁铁11和铸铁10之间脱离。
在需要包覆物体情况下，将物体放置在两个释放形状记忆板5之间的变刚度形状记忆板4中部顶面，变刚度形状记忆板4、释放形状记忆板5、缓冲形状记忆板7均经通电加热变形到形状记忆状态，形状记忆聚合物材料SMP升温至玻璃化温度后可编辑其形状状态：两个释放形状记忆板5中上部向靠近变刚度形状记忆板4中间收拢弯曲，使得两个释放形状记忆板5搭接成拱形，拱形下方是物体；变刚度形状记忆板4在移动轴2和板螺母3构成的滑动副限位下，变刚度形状记忆板4自身收拢成近似U形，其中变刚度形状记忆板4的两侧部以贴近于主体机架1U形开口和唇部之间的圆弧段变形弯曲，形成类似于S形弯曲，变刚度形状记忆板4的中部底面向下移动并内嵌于主体机架1U形开口内；缓冲形状记忆板7呈弯曲状态，可以是S形弯曲，以拉动变刚度形状记忆板4的中部靠近主体机架1U形开口内底面。此时电磁铁通电，电磁铁11磁性吸附铸铁10，将变刚度形状记忆板4的中部紧靠连接在主体机架1U形开口内底面。最终如图2和图4所示。
然后将装置移动需要释放物体的位置，然后再次对形状记忆板通电和对电磁铁11断电释放。
具体实施中不断往复上述过程，经多次物体释放。本发明具体实施的应用场景通常有航空航天、深海勘测等场合，在航空航天中释放机构可以先将航空观测平台进行包覆、运载小车行动到指定位置后机构将观测平台释放出，在深海勘测中潜航器运动到指定位置后，释放用于深海观测的平台。但不限于此，释放用于固定场合的物体皆可适用。
具有形状记忆功能的复合材料在外界的刺激下随着时间的推移其形状会发生变化，变刚度形状记忆板4、释放形状记忆板5、缓冲形状记忆板7由3D打印出来的形状如附图1所示，当导线通电后升温，温度传递给形状记忆聚合物材料SMP将其温度升温至玻璃化温度Tg后其形状可以进行人为的编辑。
变刚度形状记忆板4包覆被释放物体的侧面以及将被释放物沉入释放装置内部，释放形状记忆板5包覆被释放物的上表面以及侧面，固定物体的位置，缓冲形状记忆板4的形状编辑成多次弯曲状来减少直线距离，如附图2所示，物体被包覆固定后将导线断电，形状记忆聚合物材料SMP冷却至室温后维持附图2所示的形状。当物体需要释放时，再将导线通电，形状记忆板恢复至其编辑之初的形状。
本发明的工作流程如下：
将被包覆物体放入变刚度形状记忆板板底部，将变刚度形状记忆板4，释放形状记忆板5，缓冲形状记忆板7中内置的导线9通电，SMP升温至玻璃化温度后编辑其形状，将被释放物沉入释放装置内部，电磁铁11通电吸附铸铁10，变刚度形状记忆板4，释放形状记忆板5，缓冲形状记忆板7中内置的导线9断电，形状固定至附图2完成包覆流程。
物体需要释放时电磁铁11断电，电磁铁与铸铁之间吸附力断开。先将缓冲形状记忆板7中内置的导线9通电，缓冲形状记忆板形状变化的过程是一个平缓的过程，其刚度随着温度的增加而减少，再将变刚度形状记忆板4通电，被释放物体平缓的推出释放装置。
将释放形状记忆板5中内置的导线9通电，释放形状记忆板恢复至其初始形状，被释放物被完全释放。
由此，本发明的变刚度部分具有将被包覆物限制在主体机架内部的作用以及在释放时推出被包覆物的功能，本发明的释放形状记忆板具有改变自身形状及固定、释放被包覆物的功能，本发明的缓冲形状记忆板具有减小弹簧冲击、在变刚度部分和主体机架之间起到连接的作用。本发明安装方便，巧妙运用SMP的形状记忆功能，减小成本的同时降低了控制的难度。
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