CN112594312B - 一种自卷曲缓冲装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及抗冲击缓冲防护领域，公开了一种自卷曲缓冲装置，其包括：基础部，卷曲机构和锁合机构，其中卷曲机构包括卷曲始端、卷曲段和卷曲末端，锁合机构包括安装部和活动部，卷曲末端和安装部固定连接在基础部上，在压缩状态时，活动部压缩卷曲始端，使卷曲机构呈平面结构，当自卷曲缓冲装置收到冲击后，活动部活动，释放卷曲始端，卷曲段弯折，起到缓冲作用，减弱冲击带来的伤害。

Description

一种自卷曲缓冲装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及抗冲击缓冲防护技术领域，更具体地，它涉及一种自卷曲缓冲装置及其制造方法。

背景技术

目前，各种抗冲击缓冲防护装置在交通运输、康复工程、体育运动、航空航天、反恐防暴等诸多领域均得到了广泛的应用，以保障人或设备的安全。现有抗冲击防护装置大体可分为被动缓冲装置和主动缓冲装置。

在主动缓冲装置方面，目前最为典型的是气囊式缓冲装置。例如，专利文献[CN103040547 A]公开了一种采用压缩气体驱动的老年人髋关节防护气囊。汽车人体保护气囊则通常采用火工品化学爆炸充气的方式缓冲车辆碰撞冲击力。上述主动缓冲装置在驱动气囊快速充气时必须用到高压储气瓶或火工品，在对人或精密设备防护时显得反应过于剧烈，而且存在一定的安全风险。

在被动缓冲装置发明，现在主要采用聚氨酯泡沫、硅胶垫、海绵等传统柔性材料。为了在遭遇冲击碰撞时达到需要的缓冲防护效果设计人员不得不将这些海绵、泡沫、蜂窝结构等柔性防护装置设计的足够大、足够厚。但当对缓冲防护装置的体积和重量做出严格限制时，设计人员只能减小或减薄这些柔性防护装置，这无疑降低了它们的缓冲防护效能，无法满足应有的缓冲防护要求。

综上所述，在不降低缓冲防护能力的前提下如何设计一种体积小、质量轻、安全可靠的缓冲防护装置，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种自卷曲缓冲装置，其包括：基础部，卷曲机构和锁合机构，其中卷曲机构包括卷曲始端、卷曲段和卷曲末端，锁合机构包括安装部和活动部，卷曲末端和安装部固定连接在基础部上，在压缩状态时，活动部压缩卷曲始端，使卷曲机构呈平面结构，当自卷曲缓冲装置收到冲击后，活动部活动，释放卷曲始端，卷曲段弯折，起到缓冲作用，减弱冲击带来的伤害。

在本申请的一些实施例中，公开了一种自卷曲缓冲装置，包括：基础部，卷曲机构和锁合机构,所述卷曲机构包括卷曲始端、卷曲段和卷曲末端，所述卷曲末端固定连接在基础部上；所述锁合机构包括安装部和活动部，所述安装部固定连接在基础部上，所述活动部活动地连接在所述安装部上；在压缩状态时，所述卷曲始端位于所述基础部与所述活动部之间，且所述基础部与所述卷曲始端贴合；所述活动部与所述卷曲始端分离后，卷曲结构呈释放状态，在释放状态时，所述卷曲段卷曲。

在本申请的一些实施例中，一个所述卷曲末端设置有一个或多个所述卷曲段，同时一个所述卷曲末端设置有一个或多个卷曲始端，其中所述卷曲段和所述卷曲始端一一对应。

在本申请的一些实施例中，所述卷曲机构为一体化结构，且卷曲机构由一层材料或多层材料构成。

在本申请的一些实施例中，所述卷曲机构以阵列的形式分布在所述基础部上。

在本申请的一些实施例中，所述锁合机构还包括有触发部，用于改变所述活动部的结构状态。

在本申请的一些实施例中，所述锁合机构设置为智能材料，具体为：所述智能材料设置为记忆材料。

在本申请的一些实施例中，所述活动部活动地连接在所述安装部上,具体为：所述活动部的一侧边与所述安装部的一侧边活动连接，所述活动部相对于连接侧边进行弯折。

在本申请的一些实施例中，所述活动部活动地连接在所述安装部上,具体为：所述活动部为菱形栅栏结构，活动部可伸缩活动地连接在安装部上。

在本申请的一些实施例中，所述锁合机构连接有控制器，所述控制器用于驱动所述触发部。

在本申请的一些实施例中，所述锁合机构与所述控制器通过柔性导线连接，所述基础部的表面上设置有凹槽，用于放置所述柔性导线。

在本申请的一些实施例中，还包括所述自卷曲缓冲装置的制造方法：

S1、采用结构成型方式制造出预设尺寸和形状的所述基础部；

S2、选择多种弹性模量的材料并进行切割到预设的尺寸，将切割好的材料均匀拉伸一定的变形量并进行粘接，得到所述卷曲机构；

S3、采用结构成型方式制造出预设尺寸和形状的所述锁合机构；

S4、将加工好的所述卷曲机构的所述卷曲末端、所述锁合机构的所述安装部采用固定连接的方式固定于所述基础部上；

S5、安装控制器，将所述基础层上的所述触发部与所述控制器用柔性导线连接，在所述基础层上刻划凹槽并将所有柔性导线布放其中，再将所有卷曲机构的所述卷曲始端伸入所述活动部之下并将其调至闭合状态，得到所述自卷曲缓冲装置。

本发明中提出的一种自卷曲缓冲装置，当自卷曲缓冲装置在压缩状态时，锁合机构压缩卷曲机构，避免卷曲机构占用多余的空间，影响安装了自卷曲缓冲装置的使用，当自卷曲缓冲装置在释放状态时，锁合机构将卷曲机构释放，卷曲机构弯曲，起到了缓冲作用，同时相对于其他缓冲形式，减小了缓冲装置的体积和重量，提高了安全性。

附图说明

图1是本发明的实施例中自卷曲缓冲装置在压缩状态的结构图；

图2是本发明的实施例中自卷曲缓冲装置在释放状态的结构图；

图3是本发明的实施例中图2的A处细节图；

图4是本发明的实施例1-2中卷曲机构在压缩状态下的结构图；

图5是本发明实施例中1-2种卷曲机构在释放状态下的结构图；

图6是本发明的实施例2-2中自卷曲缓冲装置在压缩状态下的俯视图；

图7是本发明的实施例2-2中自卷曲缓冲装置在释放状态下的俯视图；

图8是本发明的实施例中自卷曲缓冲装置触发部和控制器的分布图。

图中，100、基础部；200、卷曲机构；210、卷曲始端；220、卷曲段；230、卷曲末端；300、锁合机构；310、活动部；320、安装部；330、触发部；400、控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

其中，在本申请中，“内”指示的方位或位置关系为基于附图，靠近物料传送设备几何中心的一侧，“外”指示的方位或位置关系为基于附图，背离物料传送设备几何中心的一侧。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”“数个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下文是结合附图对本发明的优选的实施例说明。

在本申请的一些实施例中，如图1所示，自卷曲缓冲装置包括基础部100，卷曲机构200和锁合机构300。

在本申请的一些实施例中，如图2所示，卷曲机构200包括卷曲始端210，卷曲段220和卷曲末端230，卷曲机构200为一种一体化结构，当锁合机构300释放时，卷曲机构200处在释放状态，卷曲末端230与基础部100连接，卷曲段220弯曲，卷曲机构200的卷曲始端210为自由端，卷曲始端210与卷曲末端230之间通过卷曲段220连接，卷曲段220的截面形状为弧面；在卷曲始端210被锁合机构300机构压制时，卷曲机构200向卷曲的相反方向展开，形成为一种平面结构，且此时卷曲部机构的形变尚在构成材料的弹性形变的范围之内。本发明关于卷曲机构200的卷曲段220和卷曲始端210的实施案案例主要有两个方案：

实施例1-1：

如图1所示，当卷曲机构200被压制为平面结构时，平面结构为矩形，该矩形的一端即为卷曲末端230，卷曲末端230固定连接在基础部100上，矩形中沿卷曲末端230法线方向具有卷曲的趋势，锁合机构300压制卷曲始端210，如图2所示，当卷曲始端210被释放时，卷曲部向具有卷曲趋势的方向卷曲，此时卷曲机构200为被释放的弹性结构，因此具有缓冲效果，当安装了自卷曲缓冲装置发生冲击时，卷曲机构200的弹性减小作用力，进行了缓冲。

实施例1-2：

如图4所示，当卷曲机构200被压制为平面结构时，平面结构为“十”字型的平面结构，该“十”字结构的中心位置处为卷曲末端230，卷曲末端230固定连接在基础部100上，锁合机构300压制着四条卷曲始端210，四条卷曲始端210皆具有向“十”字中心位置即卷曲末端230卷曲的趋势，如图5所示，当卷曲部被释放时，为四条被压制的卷曲始端210同时被释放，四条卷曲始端210向具有卷曲趋势的方向卷曲，此时卷曲机构200为被释放的弹性结构，因此具有缓冲效果，当发生冲击时，卷曲结构的弹性进行缓冲，减小作用力。

需要说明的是，在多种应用场景下，冲击力来源的方向不可预测时，冲击力可能来自多种方向，将卷曲机构200设置为“十”字的形状时，可以缓冲多个方向的力，避免冲击力来自卷曲机构200侧方向时，无法起到缓冲作用。

在以上实施例中，尽管在一个卷曲机构200中设置有一个卷曲段220和卷曲始端210或设置四个卷曲段220和卷曲始端210，但仅作为实施例被提出，如果有必要也可形成三个或更多的卷曲段220和卷曲始端210满足多种缓冲效果。

在本申请的一些实施例中，在卷曲段220向内卷曲的一侧设置有折痕，当卷曲段220由平面结构变为卷曲状态时，卷曲段220内侧的表面积会缩小，通过设置折痕，以增加抗弯能力。

在本申请的一些实施例中，卷曲机构200为设置为多层结构，且每层结构皆为一体化结构，在本申请的一个实施例中，卷曲机构200设置为选由弹性模量较小的超弹性薄膜和弹性模量较大的韧性材料薄片组成的双层结构，两层材料通过粘连连接再一起，在本申请的其他实施例中，对卷曲结构的层数和材料不做限定，任何一层或多层的卷曲结构都属于本申请的保护范围。

需要说明的是，在多种应用场景下，对卷曲机构200的卷曲程度具有不同的要求，同时需要弹性模量较小的材料保证卷曲机构200的形变足够能起到缓冲需求，也需要弹性模量较大的材料保证卷曲机构200的稳定性，选择多种弹性模量的材料配合安装，在避免了在较大冲击力下，卷曲机构200形变较小，无法起到缓冲作用的同时，又避免了由于弹性模量较小，仅在较小大冲击力范围内起到缓冲作用。

在本申请的一些实施例中，如图3和图8所示，锁合机构300包括安装部320、活动部310和触发部330，安装部320和活动部310设置为记忆材料，触发部330为电加热部件，控制器400通过柔性导线与触发部330连接，本发明关于锁合机构300的实施案案例主要有两个方案：

实施例2-1：

如图3所示，安装部320和活动部310设置为挡片结构的记忆金属片，当安装部320和活动部310在常态时，安装部320和活动部310为平面结构，活动部310设置在卷曲机构200的上表面，用于压制卷曲结构，安装部320连接在基础部100上，且在安装部320上表面设置有触发部330，触发部330设置为电阻丝，电阻丝通过柔性导线与控制器400连接，当控制器400通过导线发送电信号时，电阻丝温度升高，进而记忆材料温度升高，记忆材料变形，活动部310翘起，卷曲机构200释放卷曲，起到缓冲作用。

实施例2-2

如图6所示，活动部310设置为由记忆金属丝围成的菱形栅栏结构，安装部320为将菱形栅栏结构的最后一节栅栏，固定连接在基础部100上，当锁合机构300在压缩状态时，活动部310压制在卷曲部的上表面，触发部330设置为电阻丝，电阻丝与记忆金属丝的形状相同，缠绕连接在记忆金属丝上，电阻丝通过柔性导线与控制器400连接，如图7所示，当控制器400通过导线发送电信号时，电阻丝温度升高，进而记忆材料温度升高，记忆材料变形，菱形栅栏结构压缩，实现对卷曲始端210的释放，卷曲段220卷曲，起到缓冲的作用。

需要说明的是，大多数需要进行的缓冲的情况下，冲击力的速度很快，触发部330同样需要快速将活动部310加热，使活动部310变形，使卷曲机构200实现缓冲作用，因此将发热的电阻丝缠绕连接在记忆金属丝上，大大增加了对记忆金属丝的加热速度，同时将记忆金属丝弯折为菱形栅栏结构，可以使记忆金属丝的变形限定在平面范围内，避免活动部310翘起时，对缓冲效果产生影响。

在以上实施例中，尽管在将活动部310中设置为挡片结构或设置为菱形栅栏结构，但仅作为实施例被提出，如果有必要也可形成其他结构满足释放卷曲机构200的效果。

智能材料为是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料，在本申请的一些实施例中，锁合机构300可以设置为磁致伸缩材料、电致聚合物材料、压电材料或记忆材料其中之一，以实现锁合机构300的活动，相对应的触发部330可以设置为磁场激励、电激励、温度激励、声波激励、光激励其中之一，与构成安装部320和活动部310的智能材料相匹配，在本申请的其他实施例中，对智能材料的具体类别不做限定，锁合机构300设置为任何智能材料都属于本申请的保护范围。

在本申请的一些实施例中，在活动部310与卷曲始端210接触的表面设置有颗粒状凸起，用来增加活动部310与卷曲始端210之间的摩擦力，当活动部310压制卷曲始端210时，避免卷曲始端210与活动部310之间打滑，增加压缩卷曲机构200的稳定性。

在本申请的一些实施例中，基础部100为平面结构或曲面结构，且基础部100使用具有一定硬度的材料，其中卷曲机构200阵列的方式排布在基础部100表面，保证卷曲机构200和锁合机构300配合连接的稳定性，避免卷曲机构200和锁合机构300因错位而失效。

在本申请的一些实施例中，卷曲末端230与基础部100的连接方式可以选择胶结、丝线缀结、铆钉铆接、焊接等方式其中之一；锁合结构安装部320与接触部的连接方式设置为胶结、丝线缀结、铆钉铆接、焊接等方式其中之一，本申请的对卷曲末端230，安装部320和基础部100的连接方式不做限定，卷曲末端230，安装部320和基础部100的任何连接方式都属于本申请的保护范围。

在本申请的一些实施例中，如图8所示，在自卷曲缓冲装置还设置有控制器400，控制器400通过柔性导线与触发部330连接，控制触发部330的激励机制，控制器400用来判断自卷曲缓冲装置是否从压缩状态改变到释放状态，当判断自卷曲缓冲装置需要从压缩状态改变到释放状态时，向触发部330发送控制信号；在本申请的一个实施例中，控制器400连接有感应器，感应器可以设置为加速度传感器、速度传感器、陀螺仪、光学传感器、视频等中的一种或几种，以分辨冲击力的大小和方向并向触发部330发送信号；在本申请的另一个实施例中，控制器400中具有预设的程序，当程序运行到预设的节点激发控制器400向触发部330发送信号。

在本申请的一些实施例中，在基础部100中设置有凹槽，使柔性导线经过凹槽连接触发部330和控制器400，对柔性导线起到了导向作用，将导线归整在基础部100的表面上，避免杂乱的导线影响锁合机构300活动部310的结构改变或卷曲机构200的卷曲过程，进而影响缓冲效果。

在本申请的实施例中，提出了一种自卷曲缓冲装置的制造方法：

S1、采用3D打印或模压等结构成型方式制造出预设尺寸和形状的基础部100；

S2、根据具体应用场景和冲击力大小，计算并确定卷曲机构200和锁合机构300的尺寸和数量及在基底结构上的排布形式，根据计算得出的数据，选择弹性模量较小的超弹性薄膜和弹性模量较大的韧性材料薄片并进行切割成计算得到的尺寸，将切割好的超弹性薄膜和韧性材料薄片均匀拉伸一定的变形量并将两者进行粘接，得到卷曲机构200；

S4、根据步骤S2计算的锁合机构300的尺寸，采用车削、切割、或3D打印方式加工出智能材料构成的锁合机构300；

S5、根据步骤S2确定的阵列排布形式，将加工好的卷曲机构200的卷曲末端230、锁合机构300的安装部320采用胶粘、焊接等方式固定连接于基础部100上；

S6、确定合适的控制器400，将基底结构上的所有触发部330与控制器400用细导线连接，同时在基础部100上刻划凹槽并将所有细导线布放其中，再将所有卷曲机构200的卷曲始端210伸入锁合机构300的活动部310之下并将其调至闭合状态，得到自卷曲缓冲装置。

根据本申请的第一构思，对缓冲装置的结构进行了改进，在缓冲装置中设置卷曲机构和锁合机构，使具有弹性的卷曲机构起到缓冲作用，并由锁合机构控制卷曲机构的体积，起到更优的缓冲效果，同时相对于其他缓冲形式，减小了缓冲装置的体积和重量，提高了安全性。

根据本申请的第二构思，对卷曲机构的结构进行了改进，将卷曲机构设置为“十”字型的平面结构，卷曲段向“十”字中心卷曲，将卷曲机构设置为“十”字的形状时，可以缓冲多个方向的力，避免冲击力来自卷曲机构侧方向时，无法起到缓冲作用。

根据本申请的第三构思，对锁合机构的结构进行了改进，将安装部和活动部设置为菱形栅栏结构,且将触发部设置为电阻丝，电阻丝缠绕在活动部上，将发热的电阻丝缠绕连接在记忆金属丝上，大大增加了对记忆金属丝的加热速度，同时将记忆金属丝弯折为菱形栅栏结构，可以使记忆金属丝的变形限定在平面范围内，避免活动部翘起时，对缓冲效果产生影响。

根据本申请的第四构思，将锁合机构设置为智能材料，智能材料可以简便传动结构，仅向智能材料施加外部激励，即可转变为新的结构，提高了缓冲的速度。

根据本申请的第五构思，在活动部与卷曲始端接触的表面设置有颗粒状凸起，用来增加活动部与卷曲始端之间的摩擦力，当活动部压制卷曲始端时，避免卷曲始端与活动部之间打滑，增加压缩卷曲机构的稳定性。

根据本申请的第六构思，在基础部中设置有凹槽，使柔性导线经过凹槽连接触发部和控制器，对柔性导线起到了导向作用，将导线归整在基础部的表面上，避免杂乱的导线影响锁合机构活动部的结构改变或卷曲机构的卷曲过程，进而影响缓冲效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种自卷曲阵列缓冲装置，其特征在于，包括：

基础部，卷曲机构和锁合机构,所述卷曲机构包括卷曲始端、卷曲段和卷曲末端，所述卷曲末端固定连接在基础部上；所述锁合机构包括安装部和活动部，所述安装部固定连接在基础部上，所述活动部活动地连接在所述安装部上；

在压缩状态时，所述卷曲始端位于所述基础部与所述活动部之间，且所述基础部与所述卷曲始端贴合；

所述活动部与所述卷曲始端分离后，卷曲结构呈释放状态，在释放状态时，所述卷曲段卷曲。

2.根据权利要求1所述的自卷曲阵列缓冲装置，其特征在于，所述锁合机构还包括有触发部，用于改变所述活动部的结构状态。

3.根据权利要求2所述的自卷曲阵列缓冲装置，其特征在于，一个所述卷曲末端设置有一个或多个所述卷曲段，同时一个所述卷曲末端设置有一个或多个卷曲始端，其中所述卷曲段和所述卷曲始端一一对应。

4.根据权利要求3所述的自卷曲阵列缓冲装置，其特征在于，所述卷曲机构为一体化结构，且卷曲机构由一层材料或多层材料构成。

5.根据权利要求2所述的自卷曲阵列缓冲装置，其特征在于，所述卷曲机构以阵列的形式分布在所述基础部上。

6.根据权利要求5所述的自卷曲阵列缓冲装置，其特征在于，所述锁合机构设置为智能材料。

7.根据权利要求6所述的自卷曲阵列缓冲装置，其特征在于，所述锁合机构设置为智能材料，具体为：

所述智能材料设置为记忆材料。

8.根据权利要求7所述的自卷曲阵列缓冲装置，其特征在于，所述活动部活动地连接在所述安装部上,具体为：

所述活动部的一侧边与所述安装部的一侧边活动连接，所述活动部相对于连接侧边进行弯折。

9.根据权利要求7所述的自卷曲阵列缓冲装置，其特征在于，所述活动部活动地连接在所述安装部上,具体为：

所述活动部为菱形栅栏结构，活动部可伸缩活动地连接在安装部上。

10.根据权利要求6所述的自卷曲阵列缓冲装置，其特征在于，所述锁合机构连接有控制器，所述控制器用于驱动所述触发部。

11.根据权利要求10所述的自卷曲阵列缓冲装置，其特征在于，所述锁合机构与所述控制器通过柔性导线连接，所述基础部的表面上设置有凹槽，用于放置所述柔性导线。

12.基于权利要求2-11任一项所述的自卷曲阵列缓冲装置，其特征在于，还包括所述自卷曲阵列缓冲装置的制造方法：

S1、采用结构成型方式制造出预设尺寸和形状的所述基础部；

S2、选择多种弹性模量的材料并进行切割到预设的尺寸，将切割好的材料均匀拉伸一定的变形量并进行粘接，得到所述卷曲机构；

S3、采用结构成型方式制造出预设尺寸和形状的所述锁合机构；

S4、将加工好的所述卷曲机构的所述卷曲末端、所述锁合机构的所述安装部采用固定连接的方式固定于所述基础部上；

S5、安装控制器，将所述基础层上的所述触发部与所述控制器用柔性导线连接，在所述基础层上刻划凹槽并将所有柔性导线布放其中，再将所有卷曲机构的所述卷曲始端伸入所述活动部之下并将其调至闭合状态，得到所述自卷曲阵列缓冲装置。

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