CN114313216B - 一种基于双向弯曲剪刀杆机构的弯扭运动机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双向弯曲剪刀杆机构的弯扭运动机构，它包括：固定在内段翼上的底座，穿设在底座上且在底座上直线移动的驱动杆，和底座垂直安装的固定轴，剪刀副，以及分别位于剪刀副两端的上连杆组和下连杆组，所述的固定轴的一端和底座固连，固定轴的另一端与剪刀副连接，该机构在伸缩过程中具有双向弯曲特性，通过多个能够双向弯曲的剪刀杆的组合，带动机构整体做弯曲运动而没有明显的长度变化。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器领域，具体是一种基于双向弯曲剪刀杆机构的弯扭运动机构。
背景技术
鸟类在空中飞行以及鱼类在水下游动都有很高的推进效率。鸟类翅膀扑动时的扭转以及鱼类的摆动是其高效推进的来源，鸟类的飞行以及鱼类的游动是由作用于其上的气动力或水动力所决定的。匀速飞行或游动时，作用于动物的气动力或水动力决定了其运动速度和所需的能耗，运动受到扰动时或动物希望做机动运动时，气动力或水动力随时间的变化特性决定了运动的稳定性和机动性。了解动物外部表面产生气动力和水动力的机制和规律，可为发展新型飞行器和水下航行器提供仿生学指导。
目前飞行器机翼的主动扭转机构主要采用机翼内安装电机直接扭转机翼的形式。这种方法容易实时控制扭转参数，但增加了控制电机数量和机翼的结构重量，并且由于结构限制，翼载荷很小。目前大部分机器鱼采用多关节串联驱动方式，通过每个电机来控制每个关节的摆动。这种方法能控制每一个关节的转动，但是对电机的同步性与运动精度要求较高，并且关节越多要求越高，运动控制越复杂，功耗也越高。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供的一种基于双向弯曲剪刀杆机构的弯扭运动机构，该机构在伸缩过程中具有双向弯曲特性，通过多个能够双向弯曲的剪刀杆的组合，带动机构整体做弯曲运动而没有明显的长度变化。
技术方案：为了实现以上目的，本发明所述的一种基于双向弯曲剪刀杆机构的弯扭运动机构，它包括：固定在内段翼上的底座，穿设在底座上且在底座上直线移动的驱动杆，和底座垂直安装的固定轴，剪刀副，以及分别位于剪刀副两端的上连杆组和下连杆组，所述的固定轴的一端和底座固连，固定轴的另一端与剪刀副连接；
所述的上连杆组包括长连杆A和短连杆A，所述的长连杆A和短连杆A的一端重叠后和驱动杆的端部通过铰链铰接在一起，长连杆A和短连杆A的另一端分别与剪刀副铰接；
所述的剪刀副包括剪刀杆A和剪刀杆B，分别带有倾斜角的剪刀杆A和剪刀杆B的中间处交叉设置后通过铰链铰接在一起，多个剪刀副首尾相连；
所述的下连杆组包括长连杆B和短连杆B,长连杆B和短连杆B的一端分别与剪刀副铰接在一起，长连杆B和短连杆B的另一端铰接在一起。
作为本发明的进一步优选，所述的固定轴与剪刀副和上连杆组连接，最靠近上连杆组件的剪刀副与固定轴连接，从而控制驱动轴在底座上的通孔内直线移动，最终实现多个首位相连的剪刀副的伸缩运动。
作为本发明的进一步优选，所述的固定轴与剪刀杆A和剪刀杆B交叉处铰接，从而实现固定轴和最靠近上连杆组件的剪刀副的限位。
作为本发明的进一步优选，所述的底座上成对设置驱动杆，相邻两个驱动杆对应的剪刀副弯曲角度相反，从而实现双向弯曲。
作为本发明的进一步优选，所述的剪刀副弯曲角度为对应两个剪刀杆A和剪刀杆B的倾斜角度。
作为本发明的进一步优选，所述的剪刀杆A和剪刀杆B上较短一段为x，剪刀杆较长一段与剪刀杆较短一段的比值为k，剪刀杆两段折线段之间的夹角为α，此时剪刀杆较短一段与竖直方向夹角为β，剪刀杆较长一段与剪刀杆较短一段之间的比值k与α和β之间应满足关系式：
作为本发明的进一步优选，剪刀杆较长一段与剪刀杆较短一段的比值＞1。
作为本发明的进一步优选，所述的交叉设置的两个剪刀杆A和剪刀杆B上设有的夹角相差15度。
作为本发明的进一步优选，所述的剪刀副安装在支撑块上，用于固定剪刀副上的铰链上的轴直接插入支撑块，由于支撑块是柔性体，通过轴直接带动其变形。
有益效果：本发明所述的一种基于双向弯曲剪刀杆机构的弯扭运动机构，与现有技术相比，具有以下优点：
1、非直线段剪刀杆与全部由直线段剪刀杆组成的剪刀杆机构相比，能实现双向弯曲；
2、通过调节剪刀杆两段的长度和角度实现多种运动组合；
3、根据实际应用需求做成任意曲线形状，而不一定只能是直线段；
4、结构简单，工作稳定可靠，根据使用需求灵活应用于多种使用场合。
附图说明
图1为本发明安装完成后的弯曲结构示意图一；
图2为本发明安装完成后的弯曲结构示意图一；
图3为夹角位置示意图；
图4为拉伸状态下剪刀副的结构示意图；
图5为压缩状态下剪刀副的结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图，进一步阐明本发明。
如图1、图2所示，本发明所述的一种基于双向弯曲剪刀杆机构的弯扭运动机构，它包括：固定在内段翼上的底座10，驱动杆1，固定轴20，长连杆A2，短连杆A3，剪刀杆A4，剪刀杆B5，长连杆B6和短连杆B7。
成对安装的驱动杆1穿设在底座10上且在底座10上直线移动，固定轴20的一端垂直安装在底座10上，固定轴20的另一端与剪刀杆A4和剪刀杆B5铰接处连接，长连杆A2和短连杆A3的一端重叠后和驱动杆1的端部通过铰链8铰接在一起，长连杆A2和短连杆A3的另一端分别与中间处交叉设置的剪刀杆A4和剪刀杆B5铰接，多个剪刀杆A4和剪刀杆B5皆为交叉设置且首位相连，剪刀杆A4和剪刀杆B5的端部分别与长连杆B6和短连杆B7铰接。
实施例
设计剪刀杆两段的长度比值与偏转角度可以设计伸缩与弯曲的运动组合，以剪刀杆处于伸直状态为例，如图3所示，剪刀杆较长一段记作kx，剪刀杆较短一段记作x，设较短一段长度为x，较长一段与较短一段的比值为k(k>1)，两者之间夹角为α。h为短剪刀杆的垂直高度，H为较长一段剪刀杆的垂直高度，令H与h相等，此时较短一段与竖直方向夹角为β，则长度与夹角之间应满足关系式：
确定了平衡位置时的角度β的大小，可以确定k与α的关系，从而可以设计k来求解α或者设计α求解k。理论上，只考虑杆件长度，不考虑杆件实际宽度的情况下，β仅需满足0<β<90°即可。此时，α满足0<α<(90°-β)。如图3所示的剪刀杆为例，较短一段杆长度x(即两个铰链点之间的距离)为40mm，比值k为1.5，则较长一段长度为60mm。α取15°，则可得到平衡位置时较短一段与竖直方向的夹角β满足关系式
此时较长一段与竖直方向角度为15°+β。注意，剪刀杆机构中不同剪刀杆之间的长度与角度参数可以变化，因此可以通过改变不同剪刀杆的参数来设计伸缩过程中的不同弯曲形态。
先以驱动一个剪刀杆机构为例。如图4所示，剪刀杆机构处于伸直状态，驱动杆1带动铰链2与铰链9保持的距离成为平衡距离。驱动杆1在平衡距离向外拉，铰链2与铰链9的距离增大，称为拉伸距离，此时剪刀杆机构向一侧弯曲。驱动杆1在平衡距离向内推，铰链2与铰链9的距离减小，称为压缩距离，此时剪刀杆机构向另一侧弯曲。
当两个剪刀杆组合时，令两个剪刀杆在相同伸缩状态下的弯曲方向相反，可以使两个剪刀杆在相反的伸缩状态下向同一侧弯曲，如图5所示。此时剪刀杆的弯曲形态类似普通物体弯曲时的形态，即弯曲的外侧拉伸，内侧压缩。改变两个剪刀杆机构的剪刀杆参数可以改变弯曲与伸缩之间的运动关系。这种机构可以用于仿生机器鱼的摆动，也可用于机翼的弯曲。
将两个弯曲机构组合，令其弯曲方向相反，即可实现扭转运动，弯曲方向也可相同，同单机构弯曲一样。这种机构可以用于仿生机器鱼的运动，不仅可以实现摆动，也能实现扭转，也可以用于机翼的弯曲和扭转运动。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的是让熟悉该技术领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此来限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做出的等同变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于双向弯曲剪刀杆机构的弯扭运动机构，其特征在于：它包括：固定在内段翼上的底座(10)，穿设在底座(10)上且在底座(10)上直线移动的驱动杆(1)，和底座(10)垂直安装的固定轴(20)，剪刀副，以及分别位于剪刀副两端的上连杆组和下连杆组，所述的固定轴(20)的一端和底座(10)固连，固定轴(20)的另一端与剪刀副连接；
所述的上连杆组包括长连杆A(2)和短连杆A(3)，所述的长连杆A(2)和短连杆A(3)的一端重叠后和驱动杆(1)的端部通过铰链(8)铰接在一起，长连杆A(2)和短连杆A(3)的另一端分别与剪刀副铰接；
所述的剪刀副包括剪刀杆A(4)和剪刀杆B(5)，分别带有倾斜角的剪刀杆A(4)和剪刀杆B(5)的中间处交叉设置后通过铰链(8)铰接在一起，多个剪刀副首尾相连；
所述的下连杆组包括长连杆B(6)和短连杆B(7),长连杆B(6)和短连杆B(7)的一端分别与剪刀副铰接在一起，长连杆B(6)和短连杆B(7)的另一端铰接在一起。
2.根据权利要求1所述的一种基于双向弯曲剪刀杆机构的弯扭运动机构，其特征在于：所述的固定轴(20)与剪刀副和上连杆组连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于双向弯曲剪刀杆机构的弯扭运动机构，其特征在于：所述的固定轴(20)与剪刀杆A(4)和剪刀杆B(5)交叉处铰接。
4.根据权利要求1所述的一种基于双向弯曲剪刀杆机构的弯扭运动机构，其特征在于：所述的底座(10)上成对设置驱动杆(1)。
5.根据权利要求4所述的一种基于双向弯曲剪刀杆机构的弯扭运动机构，其特征在于：相邻两个驱动杆(1)对应的剪刀副弯曲角度相反。
6.根据权利要求5所述的一种基于双向弯曲剪刀杆机构的弯扭运动机构，其特征在于：所述的剪刀副弯曲角度为对应两个剪刀杆A(4)和剪刀杆B(5)的倾斜角度。
7.根据权利要求6所述的一种基于双向弯曲剪刀杆机构的弯扭运动机构，其特征在于：所述的剪刀杆A(4)和剪刀杆B(5)上较短一段为x，剪刀杆较长一段与剪刀杆较短一段的比值为k，剪刀杆两段折线段之间的夹角为α，此时剪刀杆较短一段与竖直方向夹角为β，剪刀杆较长一段与剪刀杆较短一段之间的比值k与α和β之间应满足关系式：
8.根据权利要求6所述的一种基于双向弯曲剪刀杆机构的弯扭运动机构，其特征在于：剪刀杆较长一段与剪刀杆较短一段之间的比值k＞1。
9.根据权利要求1所述的一种基于双向弯曲剪刀杆机构的弯扭运动机构，其特征在于：所述的交叉设置的两个剪刀杆A(4)和剪刀杆B(5)上设有的夹角相差15度。
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