CN112648349A - 一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置，外壳体包括底座、侧壁和上圈座；底座的上表面固定有多根导杆，多根导杆上滑动连接有下端盖；正刚度机构包括上端盖和正刚度柔顺梁；正刚度柔顺梁均匀布置在上端盖的四周，且与上圈座的内侧壁固定；双稳态三角圆柱形折纸机构的两端分别与下端盖和上端盖连接；驱动机构用于带动下端盖沿着导杆上下运动。本发明利用双稳态三角圆柱形折纸机构特有的负刚度特征和正刚度柔顺梁匹配，实现恒扭矩输出，且具有较大的恒扭矩范围和足够的平坦度；双稳态三角圆柱形折纸机构可以改变层数和尺寸大小，使其具有较好的可替换性，可以适用于不同恒扭矩范围的场所。

Description

一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置
技术领域
本发明涉及恒扭输出技术领域，更具体的说是涉及一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置。
背景技术
折纸结构具有良好的折叠特性，尤其是双稳态三角圆柱形折纸结构，它具有相当高的压缩比和双稳态特性，这些特性使得折纸结构在医疗、人体康复以及机械领域有良好的前景。刚性折纸结构在折痕处设计成弹性折痕，折痕材料弯曲、拉伸扭转具有非线性变化特性，可以实现双稳态特性。匹配合适的正刚度装置后，可以成为很好的恒扭矩输出。
现有的恒扭矩输出机械装置的潜在应用主要包括机构的动态和静态平衡、人体关节康复器械和人类移动辅助设备。其原理是利用柔顺机构的尺寸外形设计和利用刚性零件组成的，用于输出轴的恒扭矩，但通过设计外形尺寸来制作恒扭矩输出装置，过程复杂；刚性零件组装的恒扭矩输出装置过于笨重，不够轻巧，不适合用于人体康复，且恒扭矩范围小和平坦度不够，同时存在运动副间隙、摩擦和磨损的问题。然而采用柔顺梁作为正刚度结构，其转角大、正刚度特性好，且柔顺梁作为柔顺机构单元，依靠变形来传递运动、力和能量，具有无摩擦磨损、无间隙、精度高等特点。
因此，结合双稳态三角圆柱形折纸结构的折叠性好、高压缩比、负刚度、双稳态特性，设计一种利用折纸结构和柔顺梁结构并联的恒扭矩输出装置，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置，旨在解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置，包括：外壳体、正刚度机构、双稳态三角圆柱形折纸机构和驱动机构；
所述外壳体包括底座、侧壁和上圈座；所述侧壁底端与所述底座固定连接，所述侧壁顶端与所述上圈座转动连接；所述底座的上表面固定有多根导杆，多根所述导杆围绕所述底座的中心环绕布置；多根所述导杆上滑动连接有下端盖；
所述正刚度机构包括上端盖和正刚度柔顺梁；所述上端盖对应布置在所述下端盖上方；所述正刚度柔顺梁的数量为多个，且均匀布置在所述上端盖的四周；所述正刚度柔顺梁一端与所述上端盖的边沿固定，另一端与所述上圈座的内侧壁固定；
所述双稳态三角圆柱形折纸机构的两端分别与所述下端盖和上端盖连接；
所述驱动机构用于带动所述下端盖沿着所述导杆上下运动。
通过上述技术方案，本发明利用双稳态三角圆柱形折纸机构特有的负刚度特征和正刚度柔顺梁匹配，实现恒扭矩输出，且具有较大的恒扭矩范围和足够的平坦度。双稳态三角圆柱形折纸机构可以改变双稳态三角圆柱形折纸结构的层数和尺寸大小，使其具有较好的可替换性，可以适用于不同恒扭矩范围的场所。
本发明可替换某些场合的传感器应用，简化了系统结构；应用于钻头保护，钻头超过扭矩阈值，系统停止驱动，可以有效保护钻头；可以起重一些重物，通过恒扭矩输出将重物拉升。在一些磨具钻头中，打磨物体表面时需要恒定扭矩和物体表面接触，防止扭矩过大破坏物体。
所述正刚度柔顺梁作为柔顺机构元件，具有柔顺机构的优点：精度高、无间隙、不需润滑、加工简单。所述上端盖可以和所述正刚度柔顺梁一体设计制作，更好加工。所述正刚度柔顺梁发生屈曲变形，提供一个正刚度。
优选的，在上述一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置中，所述双稳态三角圆柱形折纸机构包括三层圆柱型折纸筒和两个六边形环；每两个相邻的所述圆柱型折纸筒通过所述六边形环连接；每层所述圆柱型折纸筒包括六组铰链单元；每组所述铰链单元包括两个三角形板；两块所述三角形板通过第一软弹性铰链连接形成平行四边形；两个所述三角形板分别具有第二软弹性铰链，所述第二软弹性铰链用于将三层所述圆柱型折纸筒连接成型，并与所述上端盖和下端盖连接。将折痕处设计成软弹性材料，连接两个三角形板，软弹性折痕可以很好的实现折纸折痕的拉伸、压缩、扭转变形，提供折纸结构扭转时的灵活性和恢复力。
所述双稳态三角圆柱形折纸机构是利用设计的刚性折纸在扭转时折叠，从最开始的展开状态压缩成折叠状态，从应变能角度看，这是两个稳态，从一个稳态跳跃到另一个稳态，这个区间具有负刚度特性。
六边形环用于连接两层圆柱型折纸筒，作用是可以更好地将两层圆柱型折纸筒的上下两个面限制在六边形平面内，同时连接软弹性铰链。
优选的，在上述一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置中，所述三角形板的材质为ABS塑料或PLA塑料。刚性三角形板取代了传统纸材料，具有更大的刚度且运动过程刚性三角形板不会发生干涉碰撞，面内无应力，在上下折叠运动过程中，具有双稳态特性。三角形板作为刚性折纸单元，对于材料的要求只要具有一定刚度和强度，能够保证折纸机构在运动过程中不会有疲劳损坏、失效或者能够提供较大扭矩即可。
优选的，在上述一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置中，所述第一软弹性铰链和第二软弹性铰链均为“Z”型结构。软弹性铰链设计成特殊形状，和传统刚性铰链不同，折纸双稳态机构的双稳态特性是由于折纸平面的拉伸、弯曲变形和折痕的拉伸、弯曲、剪切变形。软弹性铰链材料为硅橡胶等软体材料制备成，具有柔度高、易变形，可实现折纸折痕的基本行为。
优选的，在上述一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置中，所述上端盖的下表面具有与所述第二软弹性铰链连接的上六边形安装架；所述下端盖的上表面具有与所述第二软弹性铰链连接的下六边形安装架。便于连接，且提高连接结构的稳定性。
优选的，在上述一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置中，所述驱动机构包括齿条、电机和齿轮；所述齿条底端固定在所述底座的中心，且向上穿过所述下端盖和双稳态三角圆柱形折纸机构的空心腔体，所述齿条顶端穿过所述上端盖；所述电机固定在所述下端盖的下表面上；所述齿轮与所述电机的动力输出轴连接，且与所述齿条啮合。所述上端盖开设的与所述齿条配合的孔大于所述齿条的宽度，防止干涉。能够稳定实现对下端盖的上下驱动。
优选的，在上述一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置中，所述下端盖的中心开设有用于所述齿条穿过的齿条通过孔，所述下端盖开设有用于与所述导杆滑动连接的导杆滑动孔。便于连接，结构稳定。
优选的，在上述一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置中，所述上端盖的中心开设有用于所述齿条穿过的齿条避让孔。能够防止齿条对上端盖运动的干扰。
优选的，在上述一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置中，所述正刚度柔顺梁为直梁或者曲梁。当正刚度柔顺梁为直梁时，宽度为5mm，厚度为2mm，长度为70mm。
优选的，在上述一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置中，所述正刚度柔顺梁的材质为ABS塑料或PLA塑料。具有较好的柔韧性、变形能力，柔顺梁结构尺寸参数不唯一，对正刚度有影响，每根柔顺梁与折纸上端盖的水平角度有一定范围，使得变形过程不会发生锁死，可以自由运动。
优选的，在上述一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置中，所述侧壁为镂空结构。能够便于对内部运动状态的观察，同时便于安装，减轻重量。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置，具有以下有益效果：
1、本发明设计的恒扭矩输出装置，通过正刚度机构和负刚度的双稳态三角圆柱形折纸机构匹配，正刚度和负刚度叠加，可输出较大范围的恒扭矩，且平坦度高。不需要扭矩传感器来构建控制系统调节输出扭矩，将折纸结构的特点和柔顺机构的特点相结合，创新型高、实用性高，可在一些需要恒定扭矩的场合使用。
2、本发明设计的恒扭矩输出装置，负刚度模块采用双稳态的三角圆柱形折纸机构，具有质量轻、折叠性好、高压缩比、负刚度、双稳态特性。
3、本发明设计的恒扭矩输出装置，负刚度模块只需改变结合双稳态的三角圆柱形折纸机构的层数和大小即可改变模块的类型，具有可利用性和简化安装工艺特点。
4、本发明设计的恒扭矩输出装置，正刚度机构采用三根柔顺梁和外壳体连接，简化了正刚度系统结构，结构简单，无磨损和间隙。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置的结构示意图；
图2附图为本发明提供的双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置的主视图；
图3附图为图2去除外壳体后的内部结构示意图；
图4附图为图3去除双稳态三角圆柱形折纸机构后的结构示意图；
图5附图为本发明提供的铰链单元的结构示意图；
图6附图为本发明提供的六边形环的结构示意图；
图7附图为本发明提供的恒扭矩曲线图。
其中：
1-外壳体；
11-底座；12-侧壁；13-上圈座；14-导杆；15-下端盖；151-齿条通过孔；
152-导杆滑动孔；16-下六边形安装架；
2-正刚度机构；
21-上端盖；211-齿条避让孔；22-正刚度柔顺梁；23-上六边形安装架；
3-双稳态三角圆柱形折纸机构；
31-圆柱型折纸筒；311-铰链单元；3111-三角形板；3112-第一软弹性铰
链；3113-第二软弹性铰链；32-六边形环；
4-驱动机构；
41-齿条；42-电机；43-齿轮。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见附图1至附图6，本发明实施例公开了一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置，包括：外壳体1、正刚度机构2、双稳态三角圆柱形折纸机构3和驱动机构4；
外壳体1包括底座11、侧壁12和上圈座13；侧壁12底端与底座11固定连接，侧壁12顶端与上圈座13转动连接；底座11的上表面固定有多根导杆14，多根导杆14围绕底座11的中心环绕布置；多根导杆14上滑动连接有下端盖15；
正刚度机构2包括上端盖21和正刚度柔顺梁22；上端盖21对应布置在下端盖15上方；正刚度柔顺梁22的数量为多个，且均匀布置在上端盖21的四周；正刚度柔顺梁22一端与上端盖21的边沿固定，另一端与上圈座13的内侧壁固定；
双稳态三角圆柱形折纸机构3的两端分别与下端盖15和上端盖21连接；
驱动机构4用于带动下端盖15沿着导杆14上下运动。
为了进一步优化上述技术方案，双稳态三角圆柱形折纸机构3包括三层圆柱型折纸筒31和两个六边形环32；每两个相邻的圆柱型折纸筒31通过六边形环32连接；每层圆柱型折纸筒31包括六组铰链单元311；每组铰链单元311包括两个三角形板3111；两块三角形板3111通过第一软弹性铰链3112连接形成平行四边形；两个三角形板3111分别具有第二软弹性铰链3113，第二软弹性铰链3113用于将三层圆柱型折纸筒31连接成型，并与上端盖21和下端盖15连接。
为了进一步优化上述技术方案，三角形板3111的材质为ABS塑料或PLA塑料。
为了进一步优化上述技术方案，上端盖21的下表面具有与第二软弹性铰链3113连接的上六边形安装架23；下端盖15的上表面具有与第二软弹性铰链3113连接的下六边形安装架16。
为了进一步优化上述技术方案，驱动机构4包括齿条41、电机42和齿轮43；齿条41底端固定在底座11的中心，且向上穿过下端盖15和双稳态三角圆柱形折纸机构3的空心腔体，齿条41顶端与上端盖21转动连接；电机42固定在下端盖15的下表面上；齿轮43与电机42的动力输出轴连接，且与齿条41啮合。
为了进一步优化上述技术方案，下端盖15的中心开设有用于齿条41穿过的齿条通过孔151，下端盖15开设有用于与导杆14滑动连接的导杆滑动孔152。
为了进一步优化上述技术方案，上端盖21的中心开设有用于齿条41穿过的齿条避让孔211。
为了进一步优化上述技术方案，正刚度柔顺梁22为直梁或者曲梁。
为了进一步优化上述技术方案，正刚度柔顺梁22的材质为ABS塑料或PLA塑料。
为了进一步优化上述技术方案，侧壁12为镂空结构。
当齿轮43沿着齿条41顺时针转动，双稳态三角圆柱形折纸机构3向上运动，同时上端盖21顺时针转动，当齿轮43沿着齿条41逆时针转动，双稳态三角圆柱形折纸机构3向下运动，同时上端盖21逆时针转动，旋转过程产生扭矩。
根据实际工作需求调整正刚度柔顺梁22的宽度、长度和厚度尺寸以及正刚度柔顺梁22，以获得最佳的使用效果。
在双稳态三角圆柱形折纸机构3折叠或者展开过程中，折纸构型不能延展，刚性可动，铰链单元311内部不产生变形，即无应力折叠或展开，铰链单元311之间不会产生干涉。折痕处为软弹性材料，如硅橡胶，在双稳态三角圆柱形折纸机构3运动变形过程中，折痕发生转动变形，类似于转动销，将软弹性材料取代折痕，可以具有一定刚度和变形能力。每一层圆柱型折纸筒31通过六边形环32连接，保证每一层圆柱型折纸筒31在运动过程不发生离轴运动，同时能把两层圆柱型折纸筒31模块化连接起来。在折叠和展开过程中，双稳态三角圆柱形折纸机构3发生扭转运动和轴向运动，双稳态三角圆柱形折纸机构3从一个稳态跃迁到另一个稳态，具有负刚度特征，可作为负刚度发生装置。双稳态三角圆柱形折纸机构3一端与驱动机构连接，另一端和正刚度柔顺梁22直接固定连接。双稳态三角圆柱形折纸机构3和正刚度机构2并联连接，一起配合，使上端盖21产生一定范围的恒扭矩；上端盖21通过正刚度柔顺梁22带动上圈座13转动，使得上圈座13发生转动输出恒扭矩。
正刚度柔顺梁22的数量为三根，每两根正刚度柔顺梁22之间夹角为120°。
电机42驱动齿轮43沿着齿条41上下运动，双稳态三角圆柱形折纸机构3折叠和展开。四根导轨14限制下端盖15与导轨14发生转动，且不发生离轴运动，只可沿着导轨14上下垂直运动，导轨14固定在底座11上。当下端盖15下面的电机42带动下端盖15向上滑动，双稳态三角圆柱形折纸机构3折叠，上端盖21顺时针绕中心转动。同时，三根正刚度柔顺梁22在上端盖21旋转的过程中发生弯曲变形，随着转动角度越大，三根正刚度柔顺梁22扭矩越大，其具有的正刚度特性和双稳态三角圆柱形折纸机构3扭转过程的负刚度特性匹配，正负刚度叠加，输出恒扭矩。
参见附图7，当扭矩随扭转变形，即扭转角度的增加而增大时，刚度为正；当扭矩随扭转变形，即扭转角度的增加而减小时，刚度为负；刚度k＝T/Δθ。
利用双稳态三角圆柱形折纸机构具有的负刚度和柔顺梁的正刚度相抵消产生零刚度，即图7中恒定扭矩区域。正刚度分别为k1和k2，那么匹配一起的扭矩为：T＝k1Δθ+k2Δθ。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置，其特征在于，包括：外壳体(1)、正刚度机构(2)、双稳态三角圆柱形折纸机构(3)和驱动机构(4)；
所述外壳体(1)包括底座(11)、侧壁(12)和上圈座(13)；所述侧壁(12)底端与所述底座(11)固定连接，所述侧壁(12)顶端与所述上圈座(13)转动连接；所述底座(11)的上表面固定有多根导杆(14)，多根所述导杆(14)围绕所述底座(11)的中心环绕布置；多根所述导杆(14)上滑动连接有下端盖(15)；
所述正刚度机构(2)包括上端盖(21)和正刚度柔顺梁(22)；所述上端盖(21)对应布置在所述下端盖(15)上方；所述正刚度柔顺梁(22)的数量为多个，且均匀布置在所述上端盖(21)的四周；所述正刚度柔顺梁(22)一端与所述上端盖(21)的边沿固定，另一端与所述上圈座(13)的内侧壁固定；
所述双稳态三角圆柱形折纸机构(3)的两端分别与所述下端盖(15)和上端盖(21)连接；
所述驱动机构(4)用于带动所述下端盖(15)沿着所述导杆(14)上下运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置，其特征在于，所述双稳态三角圆柱形折纸机构(3)包括三层圆柱型折纸筒(31)和两个六边形环(32)；每两个相邻的所述圆柱型折纸筒(31)通过所述六边形环(32)连接；每层所述圆柱型折纸筒(31)包括六组铰链单元(311)；每组所述铰链单元(311)包括两个三角形板(3111)；两块所述三角形板(3111)通过第一软弹性铰链(3112)连接形成平行四边形；两个所述三角形板(3111)分别具有第二软弹性铰链(3113)，所述第二软弹性铰链(3113)用于将三层所述圆柱型折纸筒(31)连接成型，并与所述上端盖(21)和下端盖(15)连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置，其特征在于，所述三角形板(3111)的材质为ABS塑料或PLA塑料或建筑用纸。
4.根据权利要求2所述的一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置，其特征在于，所述第一软弹性铰链(3112)和第二软弹性铰链(3113)均为“Z”型结构。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置，其特征在于，所述上端盖(21)的下表面具有与所述第二软弹性铰链(3113)连接的上六边形安装架(23)；所述下端盖(15)的上表面具有与所述第二软弹性铰链(3113)连接的下六边形安装架(16)。
6.根据权利要求1所述的一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置，其特征在于，所述驱动机构(4)包括齿条(41)、电机(42)和齿轮(43)；所述齿条(41)底端固定在所述底座(11)的中心，且向上穿过所述下端盖(15)和双稳态三角圆柱形折纸机构(3)的空心腔体，所述齿条(41)顶端穿过所述上端盖(21)；所述电机(42)固定在所述下端盖(15)的下表面上；所述齿轮(43)与所述电机(42)的动力输出轴连接，且与所述齿条(41)啮合。
7.根据权利要求6所述的一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置，其特征在于，所述下端盖(15)的中心开设有用于所述齿条(41)穿过的齿条通过孔(151)，所述下端盖(15)开设有用于与所述导杆(14)滑动连接的导杆滑动孔(152)。
8.根据权利要求6所述的一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置，其特征在于，所述上端盖(21)的中心开设有用于所述齿条(41)穿过的齿条避让孔(211)。
9.根据权利要求1所述的一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置，其特征在于，所述正刚度柔顺梁(22)为直梁或者曲梁。
10.根据权利要求1所述的一种基于双稳态三角圆柱形折纸结构的恒扭矩输出装置，其特征在于，所述侧壁(12)为镂空结构。
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