CN112123376B

CN112123376B - 一种刚柔复合材料构成的可展结构

Info

Publication number: CN112123376B
Application number: CN202010886885.5A
Authority: CN
Inventors: 宋智斌; 付仲儒
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2020-08-28
Filing date: 2020-08-28
Publication date: 2022-02-22
Anticipated expiration: 2040-08-28
Also published as: CN112123376A

Abstract

本发明公开了一种刚柔复合材料构成的可展结构，包括多个直径由左至右依次减小的刚性环，多个所述刚性环间隔平行布置，并通过一体式的直径由左至右逐渐减小的筒状柔性层连接；其中，直径最小的所述刚性环从直径最大的所述刚性环的右侧沿轴向依次穿过其他所述刚性环至直径最大的所述刚性环的左侧，并且，所有所述刚性环由左至右直径依次增大排列，形成所述可展结构。本发明可展结构在折叠/展开和弯曲方面具有良好的活动能力，并且具有低阻力和良好的密封性，具有一定的径向刚度，同时所需材料价格低廉，制作简单；本发明可展结构设计为仿生机器人和其他机器人的皮肤提供了一种新的解决方案。

Description

一种刚柔复合材料构成的可展结构

技术领域

本发明涉及机器人、仿生机器人、医疗机器人以及工业及特种装配中所涉及到的表面结构需进行折叠、展开以及弯曲等功能场合，特别涉及一种刚柔复合材料构成的可展结构。

背景技术

对于能够进行回转运动以及直线运动的装置，由于构成运动的各个零部件之间存在相对运动，回转关节或直线运动结构无法被单一刚性外壳封闭，该现象普遍存在于多种机器人中，如多关节仿生机器人，工业机器人关节等。而对于某些对结构封闭有严格要求的场合，例如水下各类人造设备，医用手术机械臂等，一些柔性外壳如柔性薄膜或波纹管能够实现上述密封效果。但柔性薄膜存在厚度与变形阻力之间的矛盾，即理想柔性外壳应该具有拉伸、收缩或者弯曲等运动条件下的低功耗性能；在特殊场合例如流体环境中，还需要整体皮肤光滑的流线性，以减小粘滞阻力。

因此有必要设计一种新型皮肤，可以满足上述条件要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种刚柔复合材料构成的可展结构，本发明可展结构在折叠/展开和弯曲方面具有良好的活动能力，并且具有低阻力和良好的密封性，具有一定的径向刚度，同时所需材料价格低廉，制作简单。

本发明所采用的技术方案是：一种刚柔复合材料构成的可展结构，包括多个直径由左至右依次减小的刚性环，多个所述刚性环间隔平行布置，并通过一体式的直径由左至右逐渐减小的筒状柔性层连接；

其中，直径最小的所述刚性环从直径最大的所述刚性环的右侧沿轴向依次穿过其他所述刚性环至直径最大的所述刚性环的左侧，并且，所有所述刚性环由左至右直径依次增大排列，形成所述可展结构。

进一步地，设每一个所述刚性环的宽度均相等为l₁，且，相邻两个所述刚性环之间的所述柔性层的宽度均相等为l₂，则满足：l₁＜l₂＜2l₁，使得所述可展结构在完全拉伸状态下，所有所述刚性环由小到大依次排列，并且，相邻两个所述刚性环之间具有部分重叠。

进一步地，所述柔性层为单层，则，所述刚性环固定连接在所述柔性层的外表面或内表面。

此时，相邻两个所述刚性环之间，设直径较大的所述刚性环的内半径为r_o，设直径较小的所述刚性环的内半径为r_i，同时，设所述柔性层的厚度为t，则满足r_o＞r_i+2t，从而使得相邻两个所述刚性环之间能发生相对轴向运动，同时，使相邻两个所述刚性环的其中一个刚性环能绕另一个刚性环的任意直径旋转。

或者，所述柔性层为双层，包括内柔性层和外柔性层，则，所述刚性环固定连接在所述内柔性层和所述外柔性层之间。

此时，相邻两个所述刚性环之间，设直径较大的所述刚性环的内径为r_o，设直径较小的所述刚性环的内径为r_i，同时，设所述内柔性层的厚度为t_i，所述外柔性层的厚度为t_o，则满足r_o＞r_i+2t_i+2t_o，从而使得相邻两个所述刚性环之间能发生相对轴向运动，同时，使相邻两个所述刚性环的其中一个刚性环能绕另一个刚性环的任意直径旋转。

本发明的有益效果是：

1、本发明可展结构能进行拉伸、收缩或者弯曲等运动，并且，运动中阻力较小，能耗较低，具有一定的刚度；

2、本发明可展结构在柔性材料上粘贴刚性环形成，具有较好的封闭性，根据柔性材料的不同，可以防止外部水、气或尘埃等进入结构内部；

3、本发明可展结构整体呈流线型，在特殊场合例如流体环境中，可减小粘滞阻力。

4、本发明可展结构的运动形态、封闭性能及流线型外形，使其适用于有密封要求的机器人关节，如要求防尘环境的机器人；连续型机器人，如仿象鼻机器人、蛇形机器人；水下仿生机器人等各种机器人的皮肤。

附图说明

图1：本发明的刚性环和柔性层在反向拉伸前的结构示意图；

图2：本发明的刚性环和柔性层在反向拉伸后所形成的可展结构示意图；

图3：本发明的刚性环和柔性层在反向拉伸前的连接原理示意图；

图4：本发明的刚性环和柔性层在反向拉伸后的连接原理示意图；

图5：本发明的相邻两个刚性环完全重叠时放松状态示意图；

图6：本发明的相邻两个刚性环完全重叠时极限弯曲状态示意图；

图7：本发明的相邻两个刚性环完全展开时放松状态示意图；

图8：本发明的相邻两个刚性环完全展开时极限弯曲状态示意图；

图9：本发明的拉伸后的可展结构弯曲的效果示意图。

附图标注：

1——刚性环； 2——内柔性层；

3——外柔性层； 4——第一刚性环；

5——第二刚性环。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1所示，一种刚柔复合材料构成的可展结构，包括多个刚性环1，所述刚性环1为封闭圆柱形，所述刚性环1采用具有一定刚度的材料制成，从而使得所述可展结构具有一定的径向刚度。多个所述刚性环1的直径由左至右依次减小，并且，距离一定间隔平行布置。多个所述刚性环1通过一体式的直径由左至右逐渐减小的筒状柔性层连接，所述柔性层可采用普通柔性材料制成以实现下述折叠/展开及弯曲功能，也可采用防水柔性材料，在实现折叠/展开及弯曲功能的基础上，具有密封效果。其中，所述柔性层可为单层或双层，当所述柔性层为单层时，则，所述刚性环1固定连接在所述柔性层的外表面或内表面；当所述柔性层为双层时，所述柔性层包括内柔性层2和外柔性层3，则，所述刚性环1固定连接在所述内柔性层2和所述外柔性层3之间，如图1所示；所述刚性环1与所述柔性层之间的连接可以采用粘结等多种连接方式。将每一个所述刚性环1视为一个节段，节段的直径由左至右依次减小。

沿轴向拉动直径最小的所述刚性环1从直径最大的所述刚性环1的右侧沿轴向依次穿过其他所述刚性环1至直径最大的所述刚性环1的左侧，并且，所有所述刚性环1由左至右直径依次增大排列，形成所述可展结构，如图2所示。此过程称之为反向拉伸变换，此时，所述刚性环1与所述柔性层的连接不变，发生改变的只有所述柔性层的形状及所述刚性环1的位置关系。

图3和图4所示为反向拉伸变换的原理。图3为反向拉伸变换前的状态，图4为反向拉伸变换后的状态。以相邻两个所述刚性环1为例，设其中直径较小的刚性环为第一刚性环4，直径较大的刚性环为第二刚性环5，经过反向拉伸变换之后，所述第一刚性环4由所述第二刚性环5的右侧变换至所述第二刚性环5的左侧，连接在所述第一刚性环4和所述第二刚性环5之间的柔性层的连接点a跟随所述第一刚性环4由连接点b的右侧变换至连接点b的右侧(该段柔性层与所述第一刚性环4的连接点为连接点a、与所述第二刚性环5的连接点为连接点b)，使得刚性环1和柔性层之间发生重叠，整体结构的长度大大缩短，但直径不会发生变化。反向拉伸变换后，为了保证所述可展结构在完全拉伸状态时整个表面也能完全被刚性环1所覆盖(完全拉伸状态为反向拉伸后，各相邻两个所述刚性环1之间的柔性层达到完全伸展状态)，因此，在完全拉伸状态下，相邻两个所述刚性环1之间必须要有一定量的重叠，以保证所述可展结构的径向刚度，设每一个所述刚性环1的宽度均相等为l₁，且，相邻两个所述刚性环1之间的所述柔性层的宽度均相等为l₂，则满足l₁＜l₂＜2l₁。图4中柔性层为被完全拉伸的状态，此时，直径较小的第一刚性环4不能再被拉出，但可以进行压缩，直至和直径较大的第二刚性环5完全重叠，此时，连接在所述第一刚性环4和第二刚性环5之间的柔性层处于完全伸展状态。

反向拉伸后，每相邻两个所述刚性环1之间有2层柔性层(对于单层柔性层而言)或4层柔性层(对于双层柔性层而言)，图4所示为双层柔性层。为了使结构易于折叠和展开，对所述刚性环1的径向尺寸进行限制，设直径较大的所述刚性环1的内半径为r_o，设直径较小的所述刚性环1的内半径为r₁，当所述柔性层为单层时，则满足r_o＞r_i+2t，其中，t为单层柔性层的厚度；当所述柔性层为双层时，则满足r_o＞t_i+2t_i+2t_o，其中，t_i为内柔性层2的厚度，t_o为外柔性层3的厚度。同时，考虑到所述刚性环1在制造过程中产生的变形，间隙应略大，以减少相邻刚性环1之间的接触力。这种间隙不仅允许相邻两个所述刚性环1之间发生相对轴向运动，还可以使相邻两个所述刚性环1的其中一个刚性环1绕另一个刚性环1的任意直径旋转，从而使得所述可展结构具备轴向运动和任意方向的弯曲。

图5至图8展示了可展结构的弯曲运动过程中相邻两个刚性环1的极限旋转位置。图5中，所有刚性环1完全重叠，此时，假设相邻两个刚性环1的间隙完全集中在一侧，图中为了表示方便忽略了刚性环1的厚度。在所有刚性环1完全重叠的基础下，相邻两个刚性环1中，内刚性环相对于外刚性环顺时针旋转，图6中即为此时的旋转边界。同理，图7中，所有刚性环1均被充分拉伸，柔性层绷紧，此时，假设相邻两个刚性环1的间隙完全集中在一侧，图中为了表示方便忽略了刚性环1的厚度。在所有刚性环1均被充分拉伸的基础下，相邻两个刚性环1中，内刚性环相对于外刚性环逆时针旋转，图8为此时的旋转边界。图9为拉伸后的可展结构进行弯曲的效果示意图。

本发明可展结构的制作过程如下：刚性环1和柔性层可根据实际需求选取适当材料，尺寸也可根据实际需要选取。本实施例中，选择镀锌白铁皮制成刚性环1；选择涤纶并在涤纶外表面涂覆防水层制作柔性层。将镀锌白铁皮按所设计刚性环1直径裁成对应长度，经镀锌白铁皮通过双面胶(可选择任意其他连接方式)粘连在涤纶布料上，该层涤纶布料作为外柔性层3(或，内柔性层2)，再粘连一层涤纶布料作为内柔性层2(或，外柔性层3)。将镀锌白铁皮环成圆形，将每层涤纶布料的接缝处密封连接，此时即为图1中所示状态，最后沿轴向将最小直径的刚性环1依次穿过其他刚性环1，实现反向拉伸，此时其他刚性环1也分别依次穿过大直径刚性环1，即可完成一段可展结构模型的制作，即图2中所示状态。

本发明一种刚柔复合材料构成的可展结构，包括刚性环1和柔性层，刚性环1连接在柔性层上，通过反向拉伸变换成形。可展结构在折叠/展开和弯曲方面具有良好的活动能力，并且具有低阻力和良好的密封性，具有一定的径向刚度；可展结构的表面有较好的流线型；而且造价低廉，容易制造。这种新颖的设计为仿生机器人和其他机器人的皮肤提供了一种新的解决方案。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种刚柔复合材料构成的可展结构，其特征在于，包括多个直径由左至右依次减小的刚性环(1)，多个所述刚性环(1)间隔平行布置，并通过一体式的直径由左至右逐渐减小的筒状柔性层连接；

其中，直径最小的所述刚性环(1)从直径最大的所述刚性环(1)的右侧沿轴向依次穿过其他所述刚性环(1)至直径最大的所述刚性环(1)的左侧，并且，所有所述刚性环(1)由左至右直径依次增大排列，形成所述可展结构；

其中，设一个所述刚性环(1)的宽度为l₁，且，该刚性环(1)和与该刚性环(1)相邻的且直径大于该刚性环(1)的刚性环(1)之间的所述柔性层的宽度为l₂，则满足：l₁＜l₂＜2l₁，使得所述可展结构在完全拉伸状态下，所有所述刚性环(1)由小到大依次排列，并且，相邻两个所述刚性环(1)之间具有部分重叠；

所述柔性层为单层或双层，所述柔性层为单层时，则，相邻两个所述刚性环(1)之间，设直径较大的所述刚性环(1)的内半径为r_o，设直径较小的所述刚性环(1)的内半径为r_i，同时，设所述柔性层的厚度为t，则满足r_o＞r_i+2t，从而使得相邻两个所述刚性环(1)之间能发生相对轴向运动，同时，使相邻两个所述刚性环(1)的其中一个刚性环(1)能绕另一个刚性环(1)的任意直径旋转；所述柔性层为双层时，所述柔性层包括内柔性层(2)和外柔性层(3)，所述刚性环(1)固定连接在所述内柔性层(2)和所述外柔性层(3)之间，则，相邻两个所述刚性环(1)之间，设直径较大的所述刚性环(1)的内径为r_o，设直径较小的所述刚性环(1)的内径为r_i，同时，设所述内柔性层(2)的厚度为t_i，所述外柔性层(3)的厚度为t_o，则满足r_o＞r_i+2t_i+2t_o，从而使得相邻两个所述刚性环(1)之间能发生相对轴向运动，同时，使相邻两个所述刚性环(1)的其中一个刚性环(1)能绕另一个刚性环(1)的任意直径旋转。

2.根据权利要求1所述的一种刚柔复合材料构成的可展结构，其特征在于，所述柔性层为单层，则，所述刚性环(1)固定连接在所述柔性层的外表面或内表面。