CN110015355A - 一种基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置，包括刚性接触块、刚性板和柔性件；柔性件竖直放置，柔性件依次穿过若干个平行刚性板的几何中心，且与刚性板固定设置，每个刚性板的外围均固定设置有厚度大于刚性板的刚性接触块。本发明中柔性件因其柔顺特性在受到负载时会发生弯曲，弯曲会带动与其固定连接的所有刚性板以及与所有刚性板固定连接的所有刚性接触块一起运动，弯曲到刚性接触块相互接触时，弯曲刚度会进一步变大，以此类推，逐渐实现变刚度，起到在弯曲过程中的辅助作用，此时基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置就可以承受较大负载，以满足所需的运动和力学要求。

Description

一种基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置
技术领域
本发明涉及柔顺机构领域，特别涉及一种基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置。
背景技术
传统的大多数柔性弯曲机构是一种能在外部载荷作用下、借助自身材料的弹性变形在相邻两个刚性构件之间产生相对转动的运动副结构形式。与传统的刚性运动副相比，柔性弯曲机构具有零件数少、结构简单、无间隙、无摩擦、减少装配和维护工作量、提高运动精度和装置寿命等优点，故可应用于精密定位、精密传动以及机器人系统等领域。然而，由于自身柔顺特性的限制，柔性弯曲机构在弯曲过程中，其刚度比较小而且随着弯曲角度的越来越大，装置的承载能力越来越弱，更谈不不上承受大负载，这在实际应用中是无法克服的，因此严重影响柔性弯曲机构的适用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：、
一种基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置，包括刚性接触块、刚性板和柔性件；柔性件竖直放置，柔性件依次穿过若干个平行刚性板的几何中心，且与刚性板固定设置，每个刚性板的外围均固定设置有厚度大于刚性板的刚性接触块。
进一步的，刚性板为矩形板，刚性接触块为矩形板状，矩形板的两端均垂直固定设置有矩形板状的刚性接触块。
进一步的，同一侧的每相邻的两个刚性板上的刚性接触块之间的间距自最下端到最上端间距逐渐增大；另一侧的每相邻的两个刚性板上的刚性接触块之间的间距相同或间距为零。
进一步的，柔性件为柔性框架结构，两个C字型柔性框架相对设置形成柔性框架结构。
进一步的，刚性板为圆板，刚性接触块为环形板，环形板固定套设在圆板边缘，且环形板的厚度大于圆板的厚度。
进一步的，每相邻的两个刚性板上的刚性接触块之间的间距自最下端到最上端间距逐渐增大。
进一步的，柔性件为柔性环状体；柔性环状体为柔性中空管。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明中柔性件因其柔顺特性在受到负载时会发生弯曲，弯曲会带动与其固定连接的所有刚性板以及与所有刚性板固定连接的所有刚性接触块一起运动，弯曲到刚性接触块相互接触时，弯曲刚度会进一步变大，以此类推，逐渐实现变刚度，起到在弯曲过程中的辅助作用，此时基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置就可以承受较大负载，以满足所需的运动和力学要求。
本发明采用单片式结构设计，结构简单、造价低廉、使用可靠、易扩展、变刚度、承受大负载、运动稳定性强。
本发明中柔性件为柔性材料，具有良好的转动特性、抗冲击特性、人机交互安全性。
附图说明
图1为基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置立体结构示意图；
图2为双旋转自由度基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置立体结构示图；
图3为实施例3结构示意图；
图4为实施例4结构示意图；
图5为本发明用于仿人形行走机器人的踝关节的示意图；
图6为本发明作为膝盖的护具的示意图。
图中标号：1-刚性接触块；10-刚性板；13-柔性件；15-柔性框架结构；16-柔性环状体。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
一种基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置，包括刚性接触块1、刚性板10和柔性件13；柔性件13竖直放置，柔性件13依次穿过若干个平行刚性板10的几何中心，且与刚性板10固定设置，每个刚性板10的外围均固定设置有厚度大于刚性板10的刚性接触块1。
刚性板10为矩形板，刚性接触块1为矩形板状，矩形板的两端均垂直固定设置有矩形板状的刚性接触块1。
同一侧的每相邻的两个刚性板10上的刚性接触块1之间的间距自最下端到最上端间距逐渐增大；另一侧的每相邻的两个刚性板10上的刚性接触块1之间的间距相同或间距为零。
柔性件13为柔性框架结构15，两个C字型柔性框架相对设置形成柔性框架结构15。
刚性板10为圆板，刚性接触块1为环形板，环形板固定套设在圆板边缘，且环形板的厚度大于圆板的厚度。
每相邻的两个刚性板10上的刚性接触块1之间的间距自最下端到最上端间距逐渐增大。
柔性件13为柔性环状体16；柔性环状体16为柔性中空管。
实施例1，如图1所示
本发明当承受负载时，柔性件13因其柔顺特性会发生弯曲，在此过程中柔性件13会带动与其固定连接的所有刚性板及其与所有刚性板固定连接的所有刚性接触块一起运动。
如图1所示，因为同一侧的每相邻的两个刚性板10上的刚性接触块1之间的间距自最下端到最上端间距逐渐增大；所以如果按逆时针方向弯曲，在整个弯曲过程中，最下面的两个刚性接触块先接触，此时柔性件13的有效弯曲长度变短，在接下来的弯曲过程中弯曲刚度就变大了。以此类推，逐渐实现变刚度，起到在弯曲过程中的辅助作用，此时基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置就可以承受较大负载，以满足所需的运动和力学要求。
本发明中刚性板是方形板，刚性接触块是大于方形板厚度的板状体，柔性件13是柔性框架结构15，整体为方形体层状结构。
实施例2
如图2所示，本发明当承受负载时，柔性件13因其柔顺特性会发生弯曲，在此过程中柔性件13会带动与其固定连接的所有刚性板及其与所有刚性板固定连接的所有刚性接触块一起运动。
如图2所示，因为每相邻的两个刚性板10上的刚性接触块1之间的间距自最下端到最上端间距逐渐增大；，所以如果按逆时针方向弯曲，在整个弯曲过程中，最下端的两个刚性接触块先接触，此时柔性件13的有效弯曲长度变短，在接下来的弯曲过程中弯曲刚度就变大了。继续弯曲，弯曲刚度会进一步变大，以此类推，逐渐实现变刚度，起到在弯曲过程中的辅助作用，此时基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置就可以承受较大负载，以满足所需的运动和力学要求。
本发明中柔性件13是柔性长条杆状体，刚性板是分层绕在柔性长条杆状体的圆柱板，每层刚性板周边上固结圆环形刚性接触块，整体为圆形层状结构。
实施例3
如图3所示，本发明当承受负载时，柔性件13因其柔顺特性会发生弯曲，在此过程中柔性件13会带动与其固定连接的所有刚性板及其与所有刚性板固定连接的所有刚性接触块一起运动。
如图3所示，因为同一侧的每相邻的两个刚性板10上的刚性接触块1之间的间距自最下端到最上端间距逐渐增大；另一侧的每相邻的两个刚性板10上的刚性接触块1之间的间距相同或间距为零，所以如果按逆时针方向弯曲，在整个弯曲过程中，最下方的两个刚性接触块先接触，此时柔性件13的有效弯曲长度变短，在接下来的弯曲过程中弯曲刚度就变大了。继续弯曲，弯曲刚度会进一步变大，以此类推，逐渐实现变刚度，起到在弯曲过程中的辅助作用，此时基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置就可以承受较大负载，以满足所需的运动和力学要求。
本发明中刚性板是方形板，刚性接触块是大于方形板厚度的板状体，柔性件13是楼空的柔性框架结构15，整体为方形体层状结构。
实施例4
如图4所示，本发明当承受负载时，柔性件13因其柔顺特性会发生弯曲，在此过程中柔性件13会带动与其固定连接的所有刚性板及其与所有刚性板固定连接的所有刚性接触块一起运动。
如图4所示，因为每相邻的两个刚性板10上的刚性接触块1之间的间距自最下端到最上端间距逐渐增大，所以如果按逆时针方向弯曲，在整个弯曲过程中，最下端的两个刚性接触块先接触，此时柔性件13的有效弯曲长度变短，在接下来的弯曲过程中弯曲刚度就变大了。继续弯曲，弯曲刚度会进一步变大，以此类推，逐渐实现变刚度，起到在弯曲过程中的辅助作用，此时基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置就可以承受较大负载，以满足所需的运动和力学要求。
本发明中柔性件13是柔性环状体16，刚性板是分层绕在柔性环状体16的圆柱板，每层刚性板周边上固结圆环形刚性接触块，整体为圆形层状结构。
图5是本发明用于仿人形行走机器人的踝关节，目前仿人形行走机器人的踝关节大多使用刚性铰链甚至直接省略掉踝关节。将基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置固定于腿和脚之间来充当脚踝，采用基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置可以利用其柔顺以及在弯曲运动过程中的变刚度的特性，真实的实现人脚踝可以缓冲、减振、灵活运动的特性。在整个运动过程中，基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置会随着弯曲角度的增大由柔性转换为刚性，逐渐实现变刚度，起到在弯曲过程中的辅助作用，有利于承载，真实实现人脚踝的运动与承载能力。
图6是本发明作为膝盖的护具，用于膝关节运动的限位保护。膝关节只有单方向的转动自由度，而且弯曲范围有限，一旦膝关节的运动超过安全范围，就会产生伤害。基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置，弯曲角度越大，装置的刚性就越大，弯曲变形受到的阻力越大，而且当弯曲到预定角度后，基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置在此弯曲方向上完全变为刚性，起到限位作用。如图4和图5所示，护具由两部分构成，中间为柔性框架结构15，整个膝盖位于柔性框架结构15内。按逆时针方向弯曲，随着弯曲角度越来越大，弯曲就会越困难，在此过程中基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置对膝关节的运动会起到缓冲保护作用。当运动到安全范围的极限时，基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置会完全变为刚性，起到限位保护的作用，避免过度变形对膝盖造成伤害。按顺时针方向是不能弯曲的，这与人体膝盖结构相符。
文中的示意图和实施例子只是一个设计的例子，不能代表本发明，具体的结构形式可以根据实际的需要按照本发明的思想进行设计。
本发明不应受上述实施例的限制，凡是根据本发明技术方案不用创造性劳动就可以得出部件的更换和改进，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置，其特征在于，包括刚性接触块(1)、刚性板(10)和柔性件(13)；柔性件(13)竖直放置，柔性件(13)依次穿过若干个平行刚性板(10)的几何中心，且与刚性板(10)固定设置，每个刚性板(10)的外围均固定设置有厚度大于刚性板(10)的刚性接触块(1)。
2.根据权利要求1所述的一种基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置，其特征在于，刚性板(10)为矩形板，刚性接触块(1)为矩形板状，矩形板的两端均垂直固定设置有矩形板状的刚性接触块(1)。
3.根据权利要求2所述的一种基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置，其特征在于，同一侧的每相邻的两个刚性板(10)上的刚性接触块(1)之间的间距自最下端到最上端间距逐渐增大；另一侧的每相邻的两个刚性板(10)上的刚性接触块(1)之间的间距相同或间距为零。
4.根据权利要求2所述的一种基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置，其特征在于，柔性件(13)为柔性框架结构(15)，两个C字型柔性框架相对设置形成柔性框架结构(15)。
5.根据权利要求1所述的一种基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置，其特征在于，刚性板(10)为圆板，刚性接触块(1)为环形板，环形板固定套设在圆板边缘，且环形板的厚度大于圆板的厚度。
6.根据权利要求5所述的一种基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置，其特征在于，每相邻的两个刚性板(10)上的刚性接触块(1)之间的间距自最下端到最上端间距逐渐增大。
7.根据权利要求5所述的一种基于接触辅助的变刚度弯曲增强装置，其特征在于，柔性件(13)为柔性环状体(16)；柔性环状体(16)为柔性中空管。
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