CN108050219A - 一种高承载桁架式高柔性机构 - Google Patents

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Abstract

一种高承载桁架式高柔性机构，它涉及一种柔性机构。本发明为解决现有柔性机构不适应于复杂灵活变形，变形幅度有限的问题。本发明包括多个桁架单元、多个铰链、多个滑块、多个作动机构和多个柔性杆，多个桁架单元通过铰链首尾依次连接为一个整体，铰链上固接有滑块，作动机构与滑块固接，滑块套装在柔性杆上，滑块在作动机构的驱动下沿柔性杆移动。本发明用于可变形装备。

Description

一种高承载桁架式高柔性机构
技术领域
本发明涉及一种柔性机构，具体涉及一种高承载桁架式高柔性机构。
背景技术
机械设备往往需要通过外形的可控变化来实现功能，如铰接机械臂、滑轨、活塞等传统机构往往采用通过运动副连接的刚性部件实现变形并承载外力，具有机构简洁、运动机理简单的特点，但其变形幅度往往受到刚性部件的限制，且变形过程中机构各点的位置往往具有简单的线性耦合而不易形成复杂可控的外形。
近年来随着装备的发展，大幅度变形以及复杂外形的控制时而成为机构设计的关键目标，如柔性机器人、大尺寸空间展开机构、变体飞行器等。现有的柔性机构方案可分为两大类，一类是以拓扑优化方式采用计算机自动生成的柔性结构，其特点是采用专用程序自动进行设计，以同时实现所需的承载能力、结构对变形的抗力以及对形状的要求，但受限于程序的设计，该类柔性机构往往具有单个自由度而只能在设计载荷下进行预先设定的变形，因此不适合于需要复杂灵活变形的情况。另一类是以周期性柔性网格结构为基础的柔性机构。如负泊松比蜂窝结构具有较高的切变刚度，而在正应力下呈现出柔性，因此能够在一定程度上兼顾承载性能和变形能力，但其对变形的抗力往往较高因而提高了对作动装置的要求。又如基于六自由度平台的可变形结构单元通过串联可实现复杂的变形，但其受到传统结构以及传统作动方式的限制，因而变形幅度有限、结构质量大。
发明内容
本发明为了解决现有柔性机构不适应于复杂灵活变形，变形幅度有限的问题，进而提出一种高承载桁架式高柔性机构。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种高承载桁架式高柔性机构包括多个桁架单元、多个铰链、多个滑块、多个作动机构和多个柔性杆，多个桁架单元通过铰链首尾依次连接为一个整体，铰链上固接有滑块，作动机构与滑块固接，滑块套装在柔性杆上，滑块在作动机构的驱动下沿柔性杆移动。
本发明与现有技术相比包含的有益效果是：
本发明提供了一种设计简洁、通用性强，并允许大幅度灵活变形的新式柔性机构，能在柔性机器人等新型可变形装备中获得广泛的应用。
本发明中由于在承载过程中桁架结构内各结构单元主要受拉、压应力而不受弯矩，因此基于桁架结构的柔性机构能够实现高效的承载，有利于实现结构的高比强度和高比刚度。基于相同的原因，桁架结构内的结构单元不需要具备很高的弯曲刚度，因而在改变机构弯度时对变形的抗力小，有利于降低对作动装置作动力和功率的要求，并能防止往复变形时材料的疲劳。此外，所述柔性杆本身结构简单，自重可减少60％以上，且在充当结构单元的同时驱动变形，与气缸等传统作动装置相比具有质量轻、作动幅度不受限制的特点。本发明提出的技术方案结构简洁，通用性强，且具有承载能力强、结构质量轻、变形灵活、变形幅度大的特点。为新一代可展开机构和智能变体结构的实现提供了技术方案，有在柔性机器人等新型可变形装备中获得广泛应用的潜力。
附图说明
图1是实施例一所述的高载荷柔性桁架机构的示意图；
图2是实施例一所述的高载荷柔性桁架机构的侧视图；
图3是实施例一所述的高载荷柔性桁架机构变形后的侧视图；
图4是实施例二所述的高载荷柔性桁架机构的示意图；
图5是实施例三所述的高载荷柔性桁架机构的示意图。
图中：桁架单元1，铰链2，滑块3，作动机构4，柔性杆5。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述一种高承载桁架式高柔性机构包括多个桁架单元1、多个铰链2、多个滑块3、多个作动机构4和多个柔性杆5，多个桁架单元1通过铰链2首尾依次连接为一个整体，铰链2上固接有滑块3，作动机构4与滑块3固接，滑块3套装在柔性杆5上，滑块3在作动机构4的驱动下沿柔性杆5移动。
桁架单元1通过铰链2首尾相接为整体，滑块3与铰链2固接，作动机构4与滑块3固接，柔性杆5穿过滑块3，滑块3在作动装置4的驱动下沿柔性杆5运动。
所述多个桁架单元1与所述多个柔性杆5共同组成桁架结构，所述铰链2位于桁架结构的所有节点处。
所述作动机构4在不耗能的情况下能够约束所述滑块3沿所述柔性杆5的滑动。每个所述作动机构4能够独立作动。
由于所述桁架单元1通过铰链2首尾相接而不形成完整桁架结构，因此其本身不具备承载能力，并由于铰链2的存在而表现为柔性。由于所述作动机构4对所述柔性杆5起约束作用，因而所述柔性杆5与所述桁架单元1共同组成完整的、具备高比刚度的桁架结构。若控制所述位于桁架结构节点位置的作动机构4，使所述滑块3在所述作动机构4的驱动下沿所述柔性杆5运动，则可以改变桁架结构不同节点的间距，并进而改变桁架结构的形状。通过对不同节点处的所述作动机构4进行相互独立的控制，能够使桁架结构的长度、宽度以及弯度发生复杂灵活的变化。
本发明提供了一种承载性能好的桁架式高柔性机构，具体涉及一种以节点处铰接的桁架结构为基础，利用柔性杆5驱动并约束桁架变形的高柔性机构。
本发明采用独创性的设计，发挥桁架结构的特点实现了同时具备高承载性能和多自由度可控变形能力的轻质柔性机构。为新一代可展开机构和智能变体结构的实现提供了技术方案。
具体实施方式二：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述作动机构4为超声波直线电机。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述铰链2为由连续的弹性材料制成的柔性铰链。其它组成和连接方式与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述多个滑块3均布分成N组滑块3，同一组中的每个滑块3分别与铰链2一一对应设置，每组滑块3分别套装在一个柔性杆5上。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述滑块3设置在铰链2外侧或端部。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述作动机构4固接在滑块3的端部。其它组成和连接方式与具体实施方式一、二、四或五相同。
以下结合附图和实施例对本专利进行进一步的详细说明。
实施例一：
如图1所示的承载性能好的桁架式高柔性机构，其包括：桁架单元1，铰链2，滑块3，作动机构4，柔性杆5；其中：桁架单元1通过铰链2首尾相接为整体，滑块3与铰链2固接，作动机构4与滑块3固接，柔性杆5穿过滑块3，滑块3在作动机构4的驱动下沿柔性杆5运动。所述桁架单元1为刚性平板。所述铰链2为传统的转轴式铰链。所述作动机构4为超声波直线电机，其能够沿所述柔性杆5运动，并在不工作的状态下所述柔性杆5之间通过摩擦力锁紧。
如图2所示，所述柔性机构变形前的外形为矩形，所述柔性杆5处于直线状态，各所述桁架单元1与所述柔性杆5共同构成等边三角形桁架结构。
如图3所示，所述柔性机构在各所述作动机构4的驱动下变形。由于各所述作动机构4的作动量不同，即桁架结构节点沿所述柔性杆5移动的距离不同，各所述桁架单元1绕各所述铰链2转过不同的角度，使桁架结构的厚度、长度、弯度发生相应的变化。此时，所述柔性杆5随着桁架结构的变形而弯曲，同时所述滑块3自发地绕各所述铰链2转动，使所述柔性杆5形成平滑的曲线形。
所述的承载性能好的桁架式高柔性机构，具有能在变形全过程中保持高刚度、保持形状时不耗能、能进行可控多自由度大幅度变形的特点。
实施例二：
如图4所示的承载性能好的桁架式高柔性机构，其包括：桁架单元1，铰链2，滑块3，作动机构4，柔性杆5；其中：桁架单元1通过铰链2首尾相接为整体，滑块3与铰链2固接，作动机构4与滑块3固接，柔性杆5穿过滑块3，滑块3在作动机构4的驱动下沿柔性杆5运动。所述柔性机构为机械臂，其初始形状为四棱柱。所述铰链2为能够允许多自由度大幅度转动的由连续弹性材料制成的柔性铰链。当所述作动机构4驱动所述滑块3沿所述柔性杆5运动时，所述四棱柱形柔性机构的四个侧面可以分别实现类似于实施例一的变形，从而实现该机械臂长度、厚度、弯度的变化，并能实现绕机械臂轴线的扭转。
实施例三：
如图5所示的承载性能好的桁架式高柔性机构，其包括：桁架单元1，铰链2，滑块3，作动机构4，柔性杆5；其中：桁架单元1通过铰链2首尾相接为整体，滑块3与铰链2固接，作动机构4与滑块3固接，柔性杆5穿过滑块3，滑块3在作动机构4的驱动下沿柔性杆5运动。所述柔性机构的初始形状为平板，所述桁架单元1和所述柔性杆5共同构成具有等边三角形单元的桁架结构。所述铰链2为能够允许多自由度大幅度转动的由连续弹性材料制成的柔性铰链。当所述作动机构4驱动所述滑块3沿所述柔性杆5运动时，所述平板可以实现长度、宽度、厚度的变化以及平面内切变，并能形成一次曲面或二次曲面。

Claims (6)

1.一种高承载桁架式高柔性机构，其特征在于：所述一种高承载桁架式高柔性机构包括多个桁架单元(1)、多个铰链(2)、多个滑块(3)、多个作动机构(4)和多个柔性杆(5)，多个桁架单元(1)通过铰链(2)首尾依次连接为一个整体，铰链(2)上固接有滑块(3)，作动机构(4)与滑块(3)固接，滑块(3)套装在柔性杆(5)上，滑块(3)在作动机构(4)的驱动下沿柔性杆(5)移动。
2.根据权利要求1所述一种高承载桁架式高柔性机构，其特征在于：所述作动机构(4)为超声波直线电机。
3.根据权利要求1或2所述一种高承载桁架式高柔性机构，其特征在于：所述铰链(2)为由连续的弹性材料制成的柔性铰链。
4.根据权利要求3所述一种高承载桁架式高柔性机构，其特征在于：所述多个滑块(3)均布分成N组滑块(3)，同一组中的每个滑块(3)分别与铰链(2)一一对应设置，每组滑块(3)分别套装在一个柔性杆(5)上。
5.根据权利要求4所述一种高承载桁架式高柔性机构，其特征在于：所述滑块(3)设置在铰链(2)外侧或端部。
6.根据权利要求1、2、4或5所述一种高承载桁架式高柔性机构，其特征在于：所述作动机构(4)固接在滑块(3)的端部。
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