一種主動(dòng)位姿控制四面體單元張拉整體結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及本發(fā)明涉及主動(dòng)控制空間結(jié)構(gòu)位姿的技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種可應(yīng)用于航天、機(jī)械、建筑、仿生等領(lǐng)域的主動(dòng)位姿控制四面體單元張拉整體結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]張拉整體結(jié)構(gòu)是利用張拉一只析原理設(shè)計(jì)的，由N個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的一組不連續(xù)的受壓桿件與一組連續(xù)的受拉彈性單元組成的自支承、自應(yīng)力的空間結(jié)構(gòu)，可以充分利用材料和截面的特性，盡量減少空間結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和尺寸。在機(jī)械、航天及建筑領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。由于含有連續(xù)的彈性單元，張拉整體結(jié)構(gòu)在空間內(nèi)的位姿具有多種多樣的形式，可根據(jù)不同的形狀需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此變位姿是張拉整體結(jié)構(gòu)一個(gè)顯著特征。
[0003]目前已有的張拉整體結(jié)構(gòu)從位姿變換角度都屬于被動(dòng)結(jié)構(gòu)，即需要人為施加末端的載荷改變末端剛性單元的位姿，進(jìn)而改變受拉彈性單元的內(nèi)力，維持基本的平衡的穩(wěn)定狀態(tài)，但在某些領(lǐng)域的應(yīng)用中，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)位姿控制，這就需要對(duì)張拉整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，在不增加整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)難度的情況下，增加主動(dòng)控制單元。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種主動(dòng)位姿控制四面體單元張拉整體結(jié)構(gòu)，完成張拉整體結(jié)構(gòu)的末端位姿控制問題，并可在多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0006]一種主動(dòng)位姿控制四面體單元張拉整體結(jié)構(gòu)，包括N個(gè)四面體剛性單元，剛性單元之間通過形狀記憶合金和彈簧組成張拉整體單元，每個(gè)四面體剛性單元主要由一個(gè)剛性球體和與剛性球體連接的四個(gè)剛性桿件組成，相鄰剛性桿件之間成一定夾角，相鄰兩個(gè)剛性單元的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間通過所述形狀記憶合金連接，第二個(gè)四面體剛性單元的剛性桿件11-2、I1-3末端分別與第一個(gè)四面體剛性單元的剛性桿件1-4、1-5末端通過所述彈簧連接，第三個(gè)四面體剛性單元的剛性桿件ΠΙ-2，II1-3末端分別與第二個(gè)四面體剛性單元的剛性桿件Π-4，I1-5末端通過所述彈簧連接，依次類推。
[0007]相鄰兩個(gè)四面體剛性單元對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間的形狀記憶合金與節(jié)點(diǎn)之間為球副連接，在整體結(jié)構(gòu)位姿變化過程中，形狀記憶合金與節(jié)點(diǎn)之間始終保持連接。
[0008]所述形狀記憶合金能夠在一定范圍內(nèi)伸長(zhǎng)或縮短，控制其所連接的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，從而控制相鄰兩個(gè)剛性單元的位姿關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制第N個(gè)剛性單元的末端位姿。在變化過程中彈簧有可能處于不受力狀態(tài)，但不影響整體穩(wěn)定性。
[0009]所述形狀記憶合金通過電流大小控制其長(zhǎng)短。
[0010]所述四面體剛性單元中，剛性桿件1-2、1-3所在的平面與剛性桿件1-4、1-5所在的平面垂直，剛性桿件1-2與1-3之間的夾角被剛性桿件1-4、1-5所在的平面平分；剛性桿件1-4與1-5之間的夾角被剛性桿件1-2、1-3所在的平面平分。
[0011]所述夾角90° ( Θ 彡 130°。
[0012]相鄰兩個(gè)四面體剛性單元之間的彈簧為單向彈簧，在整體結(jié)構(gòu)位姿變化過程中只承受拉力，而不承受壓力，彈簧長(zhǎng)度受四面體剛性單元相對(duì)位置的變化影響，屬于被動(dòng)變化件。
[0013]在考慮重力影響下，第二個(gè)四面體剛性單元的剛性桿件11-2、I1-3的末端節(jié)點(diǎn)要比第一個(gè)四面體剛性單元的剛性桿件1-4、1-5的末端節(jié)點(diǎn)低，這四個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的彈簧處于拉伸狀態(tài)，承受第二個(gè)及以上四面體剛性單元的重力及負(fù)載；第三個(gè)四面體剛性單元的剛性桿件II1-2、II1-3的末端節(jié)點(diǎn)要比第二個(gè)四面體剛性單元的剛性桿件I1-4、I1-5的末端節(jié)點(diǎn)低，這四個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的彈簧處于拉伸狀態(tài)，承受第三個(gè)及以上四面體剛性單元的重力及負(fù)載，依次類推，使整體結(jié)構(gòu)處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)。
[0014]所述四面體剛性單元數(shù)量根據(jù)需要進(jìn)行增減。
[0015]本發(fā)明由于采用以上技術(shù)方案，使之與現(xiàn)有技術(shù)方案相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果:本發(fā)明的主動(dòng)位姿控制四面體單元張拉整體結(jié)構(gòu)，充分利用剛性桿件的材料和截面特性，發(fā)揮剛性桿件抗壓性能和彈性單元抗拉性能好的優(yōu)點(diǎn)，將其組合成張拉整體結(jié)構(gòu)，利用形狀記憶合金替代了部分彈性單元，可通過電流大小或溫度高低方便的控制形狀記憶合金的長(zhǎng)短，進(jìn)而控制相鄰剛性單元的位姿關(guān)系，滿足某些特定領(lǐng)域的位姿主動(dòng)控制需求。其控制原理簡(jiǎn)單易行，位姿關(guān)系計(jì)算方式簡(jiǎn)單，可通過兩個(gè)單元之間的相對(duì)位置關(guān)系，方便的計(jì)算出相連四個(gè)形狀記憶合金的長(zhǎng)度，計(jì)算所需的電流或溫度，發(fā)揮主動(dòng)控制功能。本發(fā)明采用的剛性基本單元和彈性連續(xù)單元擴(kuò)展性良好，可方便的進(jìn)行數(shù)量的擴(kuò)展，用于滿足較大空間內(nèi)的建造和負(fù)載需求。本發(fā)明的張拉整體結(jié)構(gòu)是一種高次超靜定的柔性結(jié)構(gòu)，在一定的負(fù)載范圍內(nèi)，彈性單元可靈活調(diào)整內(nèi)力，適應(yīng)負(fù)載的變化，使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明所提供的張拉整體結(jié)構(gòu)立體圖；
[0017]圖2是圖1的正視圖；
[0018]圖3是圖1的側(cè)視圖；
[0019]圖4是圖1的俯視圖；
[0020]圖5是圖1的四面體剛性單元示意圖；
[0021]圖6是圖1的彎曲狀態(tài)示意圖；
[0022]圖7(a)?圖7(c)是圖1在拉伸和壓縮狀態(tài)時(shí)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做一詳細(xì)的描述。
[0024]圖1?圖5所示，本發(fā)明所提供的主動(dòng)位姿控制四面體單元張拉整體結(jié)構(gòu)一實(shí)施例，包括N個(gè)四面體剛性單元1、I1、II1......N，如圖1所示，四面體剛性單元I與II之間通過形狀記憶合金1-6?1-9和彈簧1-10?1-13組成張拉整體單元，四面體剛性單元II與III之間通過形狀記憶合金I1-6?I1-9和彈簧I1-10?II_13b組成張拉整體單元，依次類推。每個(gè)四面體剛性單元均是由一個(gè)剛性球體和四個(gè)剛性桿件組成，如圖所示，四面體剛性單元I由一個(gè)剛性球體1-1和四個(gè)剛性桿件1-2?1-5組成，四面體剛性單元II由一個(gè)剛性球體I1-1和四個(gè)剛性桿件I1-2?I1-5組成，依次類推。剛性桿件之間成一定夾角Θ。相鄰兩個(gè)四面體剛性單元對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間通過形狀記憶合金球鉸連接。第二個(gè)四面體剛性單元的剛性桿件ΙΙ-2、ΙΙ-3末端分別與第一個(gè)四面體剛性單元的剛性桿件1-4、1-5末端通過彈簧1-1O和1-12連接，第三個(gè)四面體剛性單元的111-2、ΙΙΙ-3末端分別與第二個(gè)四面體剛性單元的Π-4、ΙΙ-5末端通過彈簧ΙΙ-10和11-12連接，依次類推。
[0025]本實(shí)施例中，相鄰兩個(gè)四面體剛性單元對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間的形狀記憶合金與剛性桿件的末端節(jié)點(diǎn)之間為球副連接，在整體結(jié)構(gòu)位姿變化過程中，形狀記憶合金與節(jié)點(diǎn)之間始終以節(jié)點(diǎn)為圓心的保持連接，形狀記憶合金可以通過電流大小調(diào)整兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離。
[0026]圖4所示，張拉整體單元中的彈簧(N-1)-10?(N-1)-13屬于四面體剛性單元N-1與N之間的，剛性桿件Ν-2?Ν-5、剛性球體N-1組成四面體剛性單元N。
[0027]圖5所示，本實(shí)施例中，四面體剛性單元I的四個(gè)節(jié)點(diǎn)連線組成一個(gè)四面體單元，剛性桿件1-2