CN110480617B - 一种基于平行自由端交叉簧片的多级被动弯曲机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于平行自由端交叉簧片的多级被动弯曲机构，由多个不同尺寸的交叉簧片单元组成，根据不同的弯曲机构的线型需求，选择不同尺寸的交叉簧片单元组合，单个交叉簧片的结构由两个平板自由端以及连接两个平板自由端的交叉簧片组成，每一个交叉簧片单元都是有两根等长的簧片沿着其长度方向对称交错而成。相较于传统的弯曲机构，基于交叉簧片的多级弯曲机构具有转动精度高，转动范围大，应力小，基于现有的对交叉簧片的研究，可以很好的分析其运动过程。

Description

一种基于平行自由端交叉簧片的多级被动弯曲机构
技术领域
本发明属于多级被动弯曲机构领域，涉及一种基于平行自由端交叉簧片的多级被动弯曲机构，一种在外力作用下实现多级弯曲变形的机械机构。
背景技术
被动弯曲机构是一种在外力的作用下，产生弯曲变形的机构，它一种十分常见的机械结构，例如跳水运动员的跳板，弓箭的弓身。传统的被动弯曲变形机构一般都是类似于简单的悬臂梁，或者是采用具有摩擦的回转机构连接而成的机构，其在变形时具有较大的局限性。对于类似于悬臂梁的弯曲机构，由于其为单级变形结构，因此其变形精度低。对于采用具有摩擦的回转机构连接而成的机构，摩擦损失会导致能耗的上升，效率的降低，以及变形误差的累积，往往在精度要求比较高的机械中，例如医疗器械，高精度的机器人，采用传统的被动变形机构对于整体性能的影响很大。在专利公开号为CN1543907A的专利具有被动弯曲连接的末端可弯曲的内窥镜的制作方法中的被动变机构所采用的方法是单一结构变形的多层弯管结构，在实际使用中的被动变形虽然范围大，但是其变形可控精度十分有限。而基于交叉簧片的多级被动弯曲机构，除了具有普通的弯曲机构具有的特点以外，变形的可控性更好。在微特电机2013年第41卷第7期中SMA丝驱动的仿生尾鳍推进器的实验研究一文中所采用的被动弯曲机构是SMA丝，由于其同时承担着主动的变形，这导致其被动变形受到主动变形的制约，达不到最大限度的做到仿生鱼的被动变形效果。而且传统的弯曲机构通常都是单一的弹性材料，多级被动弯曲机构相较于普通弯曲机构具有更优良的力学特性。在实际的应用方面，多级被动弯曲机构不仅可以代替普通的弯曲机构，还可以运用于其他的更多方面，例如仿生鱼类鳍条，多级变形的弯曲机构能更好的模拟鱼类具有关节的鳍条结构，鱼类的鳍条结构都是由多个关节串联组成的多级变形结构，多个鳍条并联即可组成鱼鳍结构。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于平行自由端交叉簧片的多级被动弯曲机构，主要是在外力作用下具有被动的沿着其长度方向的弯曲变形，在实际工程应用中具有十分重要的意义。
技术方案
一种基于平行自由端交叉簧片的多级被动弯曲机构，其特征在于包括多个平板自由端和交叉簧片；两根等长的簧片沿着其长度方向对称交错连接两个相邻的平板自由端构成一级，每级弯曲的刚度取决于簧片的材料、厚度、两个簧片的夹角以及其交叉点的位置；簧片的刚度与材料的强度成正比，与其簧片的厚度成正比，与两个簧片的夹角大小成正比，与两个簧片的交叉点两侧簧片长度比例大小成正比，即长度小的一侧的长度与长度大的一侧的长度的比值。
两根等长的簧片沿着其长度方向对称交错连接两个相邻的平板自由端构成一个交叉簧片单元，多个交叉簧片单元相串联构成多级被动弯曲机构。
所述第一级簧片的刚度为最大。
所述多级簧片的刚度由第一级簧片至末级依次减小，使得受到外力发生被动变形时，越靠近弯曲结构的末梢弯曲的形变越大。
所述多级簧片的刚度在保持第一级簧片的刚度为最大，其他各级根据需要的刚度，在簧片的材料、厚度、两个簧片的夹角以及其交叉点的位置上进行组合。
所述的自由端的尺寸沿着展向方向依次递减。
有益效果
本发明提出的一种基于平行自由端交叉簧片的多级被动弯曲机构，由多个不同尺寸的交叉簧片单元组成，根据不同的弯曲机构的线型需求，选择不同尺寸的交叉簧片单元组合，单个交叉簧片的结构由两个平板自由端以及连接两个平板自由端的交叉簧片组成，每一个交叉簧片单元都是有两根等长的簧片沿着其长度方向对称交错而成。在组成被动弯曲机构时，簧片单元之间由其对应的自由端相连接，组成多级交叉簧片结构，达到多级被动弯曲的运动模式。根据多级被动弯曲机构在展向方向上面的刚度分布需求来调整交叉簧片单元的刚度分布，在相同外界条件下的交叉簧片单元的刚度与其簧片的材料，厚度，两个簧片的夹角以及其交叉点的位置有关。在其他条件不变的情况下交叉簧片单元的刚度与其簧片的材料的强度成正比，在其他条件不变的情况下交叉簧片单元的刚度与其簧片的厚度成正比，在其他条件不变的情况下交叉簧片单元的刚度与其簧片的夹角大小成正比，在其他条件不变的情况下交叉簧片单元的刚度与其簧片的交叉点两侧簧片长度比例大小(长度小的一侧的长度与长度大的一侧的长度的比值)成正比。例如，可以在多级被动弯曲机构的根部使用刚度较大的交叉簧片单元，在多级被动弯曲机构末梢使用刚度较小的交叉簧片单元，从而达到在弯曲机构受到外力发生被动变形时，越靠近弯曲结构的末梢弯曲的形变越大。
交叉簧片柔性变形体相较于刚性变形体具有其自身的很多优点，例如高精度，无摩擦，无滞后，无磨损，无静态阻力，免润滑等。基于交叉簧片的这些特点，在实际应用方面，交叉簧片通常作为柔性铰链来使用，其转动范围大，应力小。因此，可以将交叉簧片相互串联，构成多级弯曲变形机构，相较于传统的弯曲机构，基于交叉簧片的多级弯曲机构具有转动精度高，转动范围大，应力小，基于现有的对交叉簧片的研究，可以很好的分析其运动过程。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图
图2是本发明的整体结构受力示意图
图3是本发明的整体结构变形示意图
图4是本发明实施例第1号交叉簧片单元示意图
图5是本发明实施例第2号交叉簧片单元示意图
图6是本发明实施例第3号交叉簧片单元示意图
图7是本发明4号交叉簧片单元示意图
图8是本发明实施例第5号交叉簧片单元示意图
图9是本发明实施例第6号交叉簧片单元示意图
1——第1号交叉簧片单元，2——第2号交叉簧片单元，3——第3号交叉簧片单元，4——第4号交叉簧片单元，5——第5号交叉簧片单元，6——第6号交叉簧片单元，7——平行自由端，8——交叉簧片
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本实施例为六级被动弯曲机构，包括第1号交叉簧片单元、第2号交叉簧片单元、第3号交叉簧片单元、第4号交叉簧片单元、第5号交叉簧片单元和第6号交叉簧片单元。
基于交叉簧片多级被动弯曲机构主要由尺寸不同的交叉簧片单元组成，交叉簧片单元由两个平面自由端以及连接两个自由端的交叉簧片组成。具体的交叉簧片的尺寸根据具体的多级被动弯曲机构的线型来决定，通过改变不同弯曲单元的组合，同时可以控制整个多级弯曲机构每一级的刚度以及尺寸，从而能精确的控制整个弯曲机构的刚度分布以及多级弯曲变形分布。如图所示的弯曲机构，本实施例的每一级的刚度，即弯曲程度取决于交叉簧片的交叉位置。
由第1号交叉簧片单元至第6号交叉簧片单元，随着交叉簧片的交叉位置的不同，刚度逐渐加大，弯曲程度逐渐减小。
在弯曲程度较大，较柔软的地方可以布置1号交叉簧片单元这种刚度较小的单元，在弯曲程度较小，刚度较大的地方可以布置6号交叉单簧片单元这种刚度较大的单元，图中整个被动弯曲机构由1至6号交叉簧片单元组成，从1号至6号交叉簧片刚度依次增大，尺寸也增大，值得注意的是，交叉簧片的尺寸对其刚度的影响不大，尺寸的变化是为了满足实际工程中的尺寸需求。在实际的工程应用中，根据所需的变形范围和变形方式以及实际整个弯曲机构的受力情况，选择所适用的交叉簧片单元，由于不同单元的刚度以及变形的方式不同，从而可以使得多级被动弯曲变形机构可以进行复杂的弯曲变形，例如可以产生S型的变形，或者通过设计其交叉簧片单元的组合方式从而达到所需的复杂变形模式。
本发明的安装及使用过程：
根据所需的多级弯曲机构的尺寸以及弯曲形式的要求，选择合适的交叉簧片单元组合，交叉簧片单元之间的链接采用胶合的方式，按照所选择的交叉簧片单元的顺序依次链接，即下一级的上一级的自由端连接，从而组成由一组既定交叉簧片单元组合而成的多级被动弯曲机构，在受到外力的情况下，产生相应的弯曲变形。如图2所示，此被动弯曲机构在所受到的外力作用位置主要集中在各个交叉簧片的自由端，将6号交叉簧片单元的左侧自由端固定，在图2中，假设所有自由端的受力方向向下，这使得每一级交叉簧片的被动弯曲弯矩如图2所示。在图3中，所有自由端若受力向下，则有向下弯曲的运动趋势，若受力方向向上，则会有向上的弯曲趋势。在实际情况中，由于各个交叉簧片的自由端受力情况不同，这使得每一级的被动弯曲趋势各不相同，但由于交叉簧片的弯曲性能可以控制，因此多级被动弯曲机构可以形成较为复杂的且可控的弯曲变形。

Claims (4)

1.一种基于平行自由端交叉簧片的多级被动弯曲机构，其特征在于包括多个平板自由端和交叉簧片；两根等长的簧片沿着其长度方向对称交错连接两个相邻的平板自由端构成一级，每级弯曲的刚度取决于簧片的材料、厚度、两个簧片的夹角以及其交叉点的位置；簧片的刚度与材料的强度成正比，与其簧片的厚度成正比，与两个簧片的夹角大小成正比，与两个簧片的交叉点两侧簧片长度比例大小成正比，即长度小的一侧的长度与长度大的一侧的长度的比值，多级簧片的刚度由第一级簧片至末级依次减小，使得受到外力发生被动变形时，越靠近弯曲结构的末梢弯曲的形变越大。
2.根据权利要求1所述基于平行自由端交叉簧片的多级被动弯曲机构，其特征在于：两根等长的簧片沿着其长度方向对称交错连接两个相邻的平板自由端构成一个交叉簧片单元，多个交叉簧片单元相串联构成多级被动弯曲机构。
3.根据权利要求1或2所述基于平行自由端交叉簧片的多级被动弯曲机构，其特征在于：所述多级簧片的刚度在保持第一级簧片的刚度为最大，其他各级根据需要的刚度，在簧片的材料、厚度、两个簧片的夹角以及其交叉点的位置上进行组合。
4.根据权利要求1或2所述基于平行自由端交叉簧片的多级被动弯曲机构，其特征在于：所述的平板自由端的尺寸沿着展向方向依次递减。
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