CN110525620B - 一种基于变截面的交叉簧片的被动弯曲轴向转动机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于变截面的交叉簧片的被动弯曲轴向转动机构，整个多级被动弯曲和轴向旋转机构由多个不同尺寸和种类的交叉簧片单元组成，对于承担被动弯曲的单元，采用弧面自由端，并且交叉簧片的交叉点与交叉簧片的单元相对于整个弯曲机构外侧自由端的圆心重叠，这使得每一个交叉簧片单元在被动弯曲变形时交叉点的偏移量有所下降，使得其变形精度更高。交叉簧片采用变截面的交叉簧片单元，每一个簧片的截面在交叉点最薄，在与自由端相连的部位最厚，这使得在保证变形精度的情况下实现较大被动变形，本发明具有高精度，无摩擦，无滞后，无磨损，无静态阻力，免润滑等优点。

Description

一种基于变截面的交叉簧片的被动弯曲轴向转动机构

技术领域

本发明属于多级被动弯曲以及轴向旋转机构领域，涉及一种基于变截面的交叉簧片的被动弯曲轴向转动机构，具体涉及到一种在外力作用下实现多级被动弯曲变形和轴向旋转的机械机构。

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变截面的交叉簧片的被动弯曲轴向转动机构，是一种基于弧面自由端变截面交叉簧片以及三簧片交叉簧片的多级被动弯曲及轴向旋转机构，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以及绕着轴向的旋转，在实际工程应用中具有十分重要的意义。

技术方案

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。因此，可以将交叉簧片相互串联，构成多级弯曲及轴向旋转机构，基于交叉簧片的多级弯曲及轴向旋转机构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。对于仿生鳍推进的水下航行器，鳍的内部结构尤为重要，为了使仿生鳍达到在水下的被动变形，可以基于交叉簧片，利用其结构特性以及优势，设计出变形性能更优良的鳍结构。

基于变截面的交叉簧片的被动弯曲轴向转动机构，其特征在于包括多个弧面自由端、变截面的交叉簧片和轴向旋转交叉簧片单元；第一级为轴向旋转交叉簧片单元，后续每级为两根等长的变截面的簧片沿着其长度方向对称交错连接两个相邻的弧面自由端构成一级，每一个簧片的截面在交叉点最薄，在与自由端相连的部位最厚；中间需要转动的某一级以轴向旋转交叉簧片单元取代弧面自由端，使得取代部位能够转动；所述轴向旋转交叉簧片单元包括三根簧片和两个带弧边的圆形自由端，三根簧片互成120度，相互交叉后两端分别于两个圆形自由端的弧边相连，构成轴向转动；圆形自由端的两侧分别设有弧面自由端，弯曲方向与本级原有的弧面相吻合；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。

两根等长的变截面的簧片沿着其长度方向对称交错连接两个相邻的弧面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机构。

所述带弧边的自由端上的弧边的周长小于圆形自由端的1/2周长。

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。

所述的弧面自由端的尺寸沿着展向方向依次递减。

所述的弧面自由端的弯曲方向一致，沿着展向方向向内弯曲。

有益效果

本发明提出的一种基于变截面的交叉簧片的被动弯曲轴向转动机构，整个多级被动弯曲和轴向旋转机构由多个不同尺寸和种类的交叉簧片单元组成，单个交叉簧片的结构由两个弧面自由端和与之相连的交叉簧片组成。对于承担被动弯曲运动的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。对于负责轴向旋转变形的每一个交叉簧片都是由三个互成120度簧片交叉构成，且簧片的两端与自由端相连，在组成被动弯曲和轴向旋转机构时，簧片单元之间由相对应的自由端相连接，组成多级交叉簧片结构，满足被动弯曲和轴向旋转机构的多级被动轴向旋转的运动模式。通过将被动弯曲交叉簧片单元与被动轴向旋转交叉簧片单元串联起来就形成了基于交叉簧片的多级被动弯曲和轴向旋转机构。根据多级被动弯曲和轴向旋转机构在展向方向上面的刚度分布来调整交叉簧片单元的刚度分布，相同材料交叉簧片单元的刚度与其簧片的厚度，两个簧片的夹角以及其交叉点的位置相关。例如，可以在多级被动弯曲和轴向旋转机构的根部使用刚度较大的交叉簧片单元，在多级被动弯曲和轴向旋转机构末梢使用刚度较小的交叉簧片单元，从而达到在机构受到外力发生被动变形时，越靠近结构的末梢弯曲与扭转的形变越大。

对于承担被动弯曲的单元，本方案采用弧面自由端，并且交叉簧片的交叉点与交叉簧片的单元相对于整个弯曲机构外侧自由端的圆心重叠，这使得每一个交叉簧片单元在被动弯曲变形时交叉点的偏移量有所下降，使得其变形精度更高。在自由端受到外力时，更好的沿着其受力方向变形。相对弧面自由端等截面的交叉簧片，本发明采用变截面的交叉簧片单元，即每一个簧片的截面在交叉点最薄，在与自由端相连的部位最厚，这使得在保证变形精度的情况下实现较大被动变形，且在相同的变形程度下，此方案所述的交叉簧片单元变形精度更高。对于承担轴向旋转的机构，将采用三簧片交叉簧片单元，根据具体情况对这两种簧片进行组合，从而使得整个鳍条结构能够实现既定的被动弯曲以及轴向旋转的运动模式。

本发明具有高精度，无摩擦，无滞后，无磨损，无静态阻力，免润滑等优点，在实际工程应用方面可以代替很多类似的被动变形结构，例如可以应用于水下仿生航行器的胸鳍推进推进结构，可以很好地模拟鱼类柔性胸鳍在水下运动时的被动变形，包括展向翼展方向弯曲被动变形以及绕展向的扭转被动变形，从而有助于形成胸鳍的展向弯曲与弦向躯干长度方向波动传递运动。

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受力变形示意图

图4是本发明实施例第1号弯曲交叉簧片单元示意图

图5是本发明实施例第2号弯曲交叉簧片单元示意图

图6是本发明实施例第3号弯曲交叉簧片单元示意图

图7是本发明实施例第4号弯曲交叉簧片单元示意图

图8是本发明实施例第5号弯曲交叉簧片单元示意图

图9是本发明实施例第6号弯曲交叉簧片单元示意图

图10是本发明实施例第1号轴向旋转交叉簧片单元示意图

图11是本发明实施例第2号轴向旋转交叉簧片单元示意图

图12是本发明实施例第3号轴向旋转交叉簧片单元示意图

图13是本发明轴向旋转交叉簧片单元结构示意图

附图标记说明：1——第1号弯曲交叉簧片单元，2——第2号弯曲交叉簧片单元，3——第1号轴向旋转交叉簧片单元，4——第3号弯曲交叉簧片单元，5——第4号弯曲交叉簧片单元，6——第2号轴向旋转交叉簧片单元，7——第5号弯曲交叉簧片单元，8——第6号弯曲交叉簧片单元，9——第3号轴向旋转交叉簧片单元，10——变截面的交叉簧片，11——弧面自由端，12——圆形自由端，13——簧片，14——弧边。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明实施例整体结构见示意图1，具有六级交叉簧片，三个轴向旋转交叉簧片单元；如图所示的机构，承担弯曲任务的交叉簧片为变截面的交叉簧片，两端连接的是弧面自由端，两级弯曲交叉簧片单元之间连接一个轴向旋转交叉簧片单元，依次按规律分布为：第1号弯曲交叉簧片单元1连接第2号弯曲交叉簧片单元2，然后连接第1号轴向旋转交叉簧片单元3，依次连接第3号弯曲交叉簧片单元4和第4号弯曲交叉簧片单元5，然后连接第2号轴向旋转交叉簧片单元6，依次连接第5号弯曲交叉簧片单元7第6号弯曲交叉簧片单元8，最后连接第3号轴向旋转交叉簧片单元9。

由三个被动轴向旋转机构单元和六个被动弯曲机构单元构成的基于弧面自由端交叉簧片的弯曲及轴向转动机构，达到了多级被动弯曲和轴向旋转的功能。同时在弯曲程度较大的机构末端部位，较柔软的地方布置第1号弯曲交叉簧片单元1和第一号轴向旋转交叉簧片单元3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号弯曲交叉单簧片单元6和3号轴向旋转交叉簧片单元9这种刚度较大的单元，图中整个被动弯曲和轴向旋转机构由1至6号弯曲交叉簧片单元以及1至3号轴向旋转簧片单元组成，从1至6号弯曲交叉簧片和从1至3号轴向旋转单元刚度依次增大。

对于承担被动弯曲的单元，本方案采用弧面自由端，并且交叉簧片的交叉点与交叉簧片的单元相对于整个弯曲机构外侧自由端的圆心重叠，这使得每一个交叉簧片单元在被动弯曲变形时交叉点的偏移量有所下降，使得其变形精度更高。在自由端受到外力时，更好的沿着其受力方向变形。连接弧面自由端的交叉簧片，本发明采用变截面的交叉簧片单元，即每一个簧片的截面在交叉点最薄，在与自由端相连的部位最厚，这使得在保证变形精度的情况下实现较大被动变形，且在相同的变形程度下，此方案所述的交叉簧片单元变形精度更高。对于承担轴向旋转的机构，将采用三簧片交叉簧片单元，根据具体情况对这两种簧片进行组合，从而使得整个鳍条结构能够实现既定的被动弯曲以及轴向旋转的运动模式。

在本实施例中，交叉簧片多级被动弯曲机构主要由尺寸及种类不同的交叉簧片单元组成，具体的交叉簧片的尺寸根据具体的多级被动弯曲及轴向旋转机构的线型来决定，通过改变不同弯曲单元的组合可以控制整个多级弯曲及轴向旋转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和轴向旋转的变形分布。值得注意的是，通常情况下，尺寸的变化是为了满足实际工程中的尺寸需求，而不是用来控制交叉簧片刚度的手段，一般通过改变簧片的材质，截面大小，交叉簧片交叉点的位置，交叉点夹角等更有效的方法。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被动变形机构的受力情况，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以及轴向旋转变形机构可以进行复杂的空间变形，例如可以产生空间多级扭转弯曲的变形，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。

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，即通过自由端的连接，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和轴向旋转机构，在受到外力的情况下，产生相应的弯曲变形和轴向旋转变形。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，整个弯曲机构有向下弯曲的运动趋势，同时三个轴向旋转簧片单元受到外部转矩的作用，使得变形机构被动轴向旋转。这两个运动复合形成整个机构的被动变形运动，图3中示意了两种变形方式。在实际情况中，由于各个交叉簧片的自由端受力以及受到转矩情况不同，这使得每一级的被动变形趋势各不相同，但由于交叉簧片的变形性能可以控制，因此多级被动弯曲机构可以形成较为复杂的且可控的变形。

Claims (7)

1.一种基于变截面的交叉簧片的被动弯曲轴向转动机构，其特征在于包括多个弧面自由端、变截面的交叉簧片和轴向旋转交叉簧片单元；第一级为轴向旋转交叉簧片单元，后续每级为两根等长的变截面的簧片沿着其长度方向对称交错连接两个相邻的弧面自由端构成一级，每一个簧片的截面在交叉点最薄，在与弧面自由端相连的部位最厚；中间需要转动的某一级以轴向旋转交叉簧片单元取代弧面自由端，使得取代部位能够转动；所述轴向旋转交叉簧片单元包括三根簧片和两个带弧边的圆形自由端，三根簧片互成120度，相互交叉后两端分别与两个圆形自由端的弧边相连，构成轴向转动；圆形自由端的两侧分别设有弧面自由端，弯曲方向与本级原有的弧面相吻合；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，即与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。

2.根据权利要求1所述基于变截面的交叉簧片的被动弯曲轴向转动机构，其特征在于：两根等长的变截面的簧片沿着其长度方向对称交错连接两个相邻的弧面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机构。

3.根据权利要求1或2所述基于变截面的交叉簧片的被动弯曲轴向转动机构，其特征在于：所述带弧边的圆形自由端上的弧边的周长小于圆形自由端的1/2周长。

4.根据权利要求1或2所述基于变截面的交叉簧片的被动弯曲轴向转动机构，其特征在于：所述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。

5.根据权利要求1或2所述基于变截面的交叉簧片的被动弯曲轴向转动机构，其特征在于：所述簧片的刚度在保持第一级簧片的刚度为最大的基础上，其它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。

6.根据权利要求1或2所述基于变截面的交叉簧片的被动弯曲轴向转动机构，其特征在于：所述的弧面自由端的尺寸沿着展向方向依次递减。

7.根据权利要求1或2所述基于变截面的交叉簧片的被动弯曲轴向转动机构，其特征在于：所述的弧面自由端的弯曲方向一致，沿着展向方向向内弯曲。

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