CN114800601B - 一种可屈曲回弹的活动关节及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种可屈曲回弹的活动关节及其制造方法，活动关节包括呈圆筒状的筒体，该筒体侧壁设有长开口，使该筒体的横截面呈C型；该筒体中部设有两个缺口部，两个缺口部相对于该长开口呈对称设置；各缺口部均从该长开口向内延伸，使该筒体的纵截面呈C型；该筒体的材料为玻纤‑增韧型环氧树脂复合材料。制造时首先根据该筒体的形状制作模具；在该模具内进行复合材料的铺层；铺层完毕后利用热隔膜成型工艺进行固化，固化后脱模修整，采用粘接剂粘贴装饰网。本发明设计合理，工艺稳定，活动关节在伸展状态下能够承受较大轴向压缩，变形状态下柔软且能够储能协助回弹，可以实现外骨骼装置弹簧等金属关节结构的复合材料轻量化替代，提升便携性。
Description
技术领域
本发明涉及一种外骨骼构件，特别是一种可屈曲回弹的活动关节及其制造方法。
背景技术
我国是世界上地震灾害风险最为严峻的国家之一。地震的诸多复杂情况，如倒塌严重、不稳定的废墟环境、瞬间大范围破坏的桥梁、道路、建筑物等，使得只能依靠人体长途背负沉重的救援仪器和物资进入灾害现场，造成救援工作的困难，严重制约着救援人员的搜救效率。面向负重行走的外骨骼机器人是一种可能的有效解决方式，一般采用轻量化设计，以碳纤维+部分金属的方式来构造，利用如弹簧、鲍登绳等柔性装置进行动力传递，以提高机器人对下肢助力的柔顺性。如何尽可能的提高便携性与灵活性，是外骨骼设计中要考虑的重要因素之一。
近年来，平面编织复合材料(又称编织布)越来越多地用于现代结构中。编织复合材料具有许多优点，如密度低、疲劳性能好、材料性能可设计性强以及柔韧性可控等。与单向带复合材料相比，编织复合材料从结构形式到材料性能、损伤形式等均有很大差别。编织复合材料会在一定的加载模式下表现出高度非线性行为，在大幅度弯曲时会更加明显。
利用复合材料可设计性，通过纤维增强材料的铺层设计、树脂基体材料的选型、成型过程树脂基内部残余应变的控制，可以实现复合材料在特定外界激励条件下快速大变形，同时存储能量，在激励条件结束后能够自动回弹。在伸展状态下能够承受较大轴向压缩，而变形状态下柔软且能够储能协助回弹，可以实现弹簧等金属结构的功能，结构简单，完全可以替代外骨骼中关节等重要部位，提升便携性，具有重要的实战意义和民用市场推广价值。
美国Collins等国外学者曾设计过无源踝关节外骨骼，其平行于小腿腓肠肌的弹簧装置可在人体行走时储存和释放能量。英国的RolaTube公司于1998年用编织复合材料开发出了一种可收卷智能结构，这种结构可以在可变换的两种稳定形态下交替使用，一种形态是可承力的舒展结构，另一种则是实现收藏功能的紧密卷筒结构，它们已广泛用于便携式支撑杆、机械臂和通信天线骨架结构等。
发明内容
本发明的目的是提供一种可屈曲回弹的活动关节，其在伸展状态下能够承受较大轴向压缩，变形状态下柔软且能够储能协助回弹，可以实现外骨骼装置弹簧等金属关节结构的复合材料轻量化替代，提升便携性。
本发明的另一目的是提供一种可屈曲回弹的活动关节的制造方法，其设计合理，工艺稳定，能实现外骨骼装置弹簧等金属关节结构的复合材料轻量化替代，提升便携性。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种可屈曲回弹的活动关节，包括呈圆筒状的筒体，该筒体侧壁设有沿该筒体长度方向延伸的长开口，使该筒体的横截面呈C型；该筒体中部设有两个缺口部，两个缺口部相对于该长开口呈对称设置；各缺口部均从该长开口向内延伸，使该筒体的纵截面呈C型；该筒体的材料为玻纤织物增韧型环氧树脂复合材料。
进一步的，所述玻纤织物增韧型环氧树脂复合材料的材料增强体为S级玻璃纤维织物，基体为增韧型环氧树脂，预浸料的名义厚度为0.1mm，铺层序列为(45/-45)f4(0/90)f2(45/-45)f4。
进一步的，所述玻纤织物增韧型环氧树脂复合材料的材料增强体为S级玻璃纤维单向带，基体为增韧型环氧树脂，预浸料的名义厚度为0.1mm，铺层序列为(32/-32)UD4(0)UD2(-32/-32)UD4。
进一步的，所述长开口边缘包覆有两层包边。
进一步的，所述包边为玻纤织物预浸料，铺层序列为(45/-45)f。
进一步的，所述缺口部的纵截面的内边缘呈C型。
进一步的，所述缺口部的纵截面的内边缘的中部具有竖直的平直段。
进一步的，所述筒体外周包覆有装饰网。
一种可屈曲回弹的活动关节的制造方法，该活动关节包括呈圆筒状的筒体，该筒体侧壁设有沿该筒体长度方向延伸的长开口，使该筒体的横截面呈C型；该筒体中部设有两个缺口部，两个缺口部相对于该长开口呈对称设置；各缺口部均从该长开口向内延伸，使该筒体的纵截面呈C型；所述制造方法包括下列步骤：
A.根据该筒体的形状制作模具；
B.在该模具内进行复合材料的铺层：材料增强体为S级玻璃纤维织物，基体为增韧型环氧树脂，预浸料的名义厚度为0.1mm，铺层序列为(45/-45)f4(0/90)f2(45/-45)f4；或者
材料增强体为S级玻璃纤维单向带，基体为增韧型环氧树脂，预浸料的名义厚度为0.1mm，铺层序列为(32/-32)UD4(0)UD2(-32/-32)UD4；
C.铺层完毕后利用热隔膜成型工艺进行固化，固化后脱模修整，采用粘接剂粘贴装饰网。
进一步的，所述步骤B中，在整体包覆完毕后对所述长开口边缘用2层(45/-45)f玻纤织物预浸料进行包边处理。
本发明的有益效果是：本发明可屈曲回弹的活动关节及其制造方法，其设计合理，工艺稳定，活动关节在伸展状态下能够承受较大轴向压缩，变形状态下柔软且能够储能协助回弹，可以实现外骨骼装置弹簧等金属关节结构的复合材料轻量化替代，提升便携性。
附图说明
图1是本发明可屈曲回弹的活动关节的实施例1的立体图。
图2是本发明可屈曲回弹的活动关节的实施例1的侧视图。
图3是本发明可屈曲回弹的活动关节的实施例1的俯视图。
图4是本发明可屈曲回弹的活动关节的实施例2的立体图。
图5是本发明可屈曲回弹的活动关节的实施例2的侧视图。
图6是本发明可屈曲回弹的活动关节的实施例2的俯视图。
图7是本发明可屈曲回弹的活动关节的包边的结构示意图。
图8是本发明可屈曲回弹的活动关节的弯折状态示意图。
图9是本发明可屈曲回弹的活动关节的原理示意图。
具体实施方式
以下将以具体实施例结合附图来说明本发明的结构和所欲达到的技术效果，但所选用的实施例仅用于说明解释，并非用以限制本发明的范围。
如图1-图3所示，本发明提供一种可屈曲回弹的活动关节，其为实施例1，包括呈圆筒状的筒体1，该筒体1侧壁设有沿该筒体长度方向延伸的长开口2，使该筒体1的横截面呈C型。该筒体1中部设有两个缺口部3，两个缺口部3相对于该长开口2呈对称设置。各缺口部3均从该长开口2向内延伸，使该筒体1的纵截面呈C型。该筒体1的材料为玻纤织物增韧型环氧树脂复合材料。
该玻纤织物增韧型环氧树脂复合材料的材料增强体为S级玻璃纤维织物，基体为增韧型环氧树脂，预浸料的名义厚度为0.1mm，铺层序列为(45/-45)f4(0/90)f2(45/-45)f4；或者，材料增强体为S级玻璃纤维单向带，基体为增韧型环氧树脂，预浸料的名义厚度为0.1mm，铺层序列为(32/-32)UD4(0)UD2(-32/-32)UD4。
为了美观和防止磨损，该筒体外周包覆有装饰网，可以用具有弹性且耐磨的网片进行包裹。
本实施例中，该缺口部3的纵截面的内边缘呈C型，如图4-6所示，其为本发明的实施例2，与实施例1的区别在于，该缺口部3的纵截面的内边缘的中部具有竖直的平直段。
如图7所示，该长开口2边缘包覆有两层包边4，该包边4为玻纤织物预浸料，铺层序列为(45/-45)f。
本发明还提供一种可屈曲回弹的活动关节的制造方法，该活动关节包括呈圆筒状的筒体1，该筒体1侧壁设有沿该筒体长度方向延伸的长开口2，使该筒体1的横截面呈C型；该筒体1中部设有两个缺口部3，两个缺口部3相对于该长开口2呈对称设置；各缺口部3均从该长开口2向内延伸，使该筒体1的纵截面呈C型；所述制造方法包括下列步骤：
A.根据该筒体1的形状制作模具；
B.在该模具内进行复合材料的铺层：材料增强体为S级玻璃纤维织物，基体为增韧型环氧树脂，预浸料的名义厚度为0.1mm，铺层序列为(45/-45)f4(0/90)f2(45/-45)f4；或者
材料增强体为S级玻璃纤维单向带，基体为增韧型环氧树脂，预浸料的名义厚度为0.1mm，铺层序列为(32/-32)UD4(0)UD2(-32/-32)UD4；
C.铺层完毕后利用热隔膜成型工艺进行固化，固化后脱模修整，采用粘接剂粘贴装饰网。
进一步的，所述步骤B中，在整体包覆完毕后对所述长开口2边缘用2层(45/-45)f玻纤织物预浸料进行包边处理。
外骨骼关节的活动特性要求该结构可以在“弯曲”与“伸直”状态进行自由切换，且在“弯曲”转换为“伸直”状态的该过程中能够产生回弹特性。基于活动关节特性，受金属卷尺启发，本发明设计成如图1、图8所示的“双稳态”结构复合材料活动关节，原理如图9所示，在外力矩作用下，“伸直”状态与“弯曲”状态互相转换，且“弯曲”转换为“伸直”状态的过程可以产生回弹特性，实现外骨骼活动关节屈膝及辅助伸直功能。
复合材料在“弯曲”与“伸展”转变过程中将承受巨大的应变过载，需提高复合材料双稳态结构承载能力与耐久性。S级玻纤织物增韧型环氧树脂复合材料可以满足双稳态结构的层间高韧性需求。金属双稳态结构主要通过热处理等方法在金属材料内部施加残余应力产生残余应变能，形成势能曲线的双极值，进而实现结构双稳态的转变。与金属材料不同，复合材料由于其各向异性的特点，在不同主方向上具有面内交叉与面外耦合效应，使其具有传统各向同性材料不具备的特殊功能性。
针对复合材料的双稳态机理，本发明采用复合材料层合板理论与能量原理对复合材料双稳态结构的极值特性进行分析得出复合材料的铺层设计方案：从提高双稳态结构抗疲劳特性角度选用超薄预浸料进行铺层(单层名义厚0.1mm)，铺层序列为(45/-45)f4(0/90)f2(45/-45)f4，或者(32/-32)UD4(0)UD2(-32/-32)UD4，为了平缓过渡区自由边的应力水平，同时增强边缘抗撕裂能力，在长开口边缘采取包边处理，如图7所示，一方面通过包边处理消除自由边界效应；另一方面引入双稳态结构厚度方向的纤维，增加双稳态结构在稳态转变时的抗撕裂能力。
传统复合材料成型工艺方法主要有热压罐成型工艺、模压成型工艺、树脂模塑传递(RTM)成型工艺以及热隔膜成型工艺方法等方法。本发明复合材料双稳态功能性的特点要求在成型过程纤维准直度高，织物变形与纤维滑移较小，综合考虑成本与产品结构特点，本发明采用热隔膜成型方法实现复合材料制备成型。
本发明可屈曲回弹的活动关节及其制造方法，其设计合理，工艺稳定，活动关节在伸展状态下能够承受较大轴向压缩，变形状态下柔软且能够储能协助回弹，可以实现外骨骼装置弹簧等金属关节结构的复合材料轻量化替代，提升便携性。
本发明是以所述的权利要求所限定的。但基于此，本领域的普通技术人员可以做出种种显然的变化或改动，都应在本发明的主要精神和保护范围之内。
Claims (7)
1.一种可屈曲回弹的活动关节，其特征在于，包括呈圆筒状的筒体，该筒体侧壁设有沿该筒体长度方向延伸的长开口，使该筒体的横截面呈C型；该筒体中部设有两个缺口部，两个缺口部相对于该长开口呈对称设置；各缺口部均从该长开口向内延伸，使该筒体的纵截面呈C型；该筒体的材料为玻纤织物增韧型环氧树脂复合材料；所述玻纤织物增韧型环氧树脂复合材料的材料增强体为S级玻璃纤维织物，基体为增韧型环氧树脂，预浸料的名义厚度为0.1mm，铺层序列为(45/-45)f4(0/90)f2(45/-45)f4，或，所述玻纤织物增韧型环氧树脂复合材料的材料增强体为S级玻璃纤维单向带，基体为增韧型环氧树脂，预浸料的名义厚度为0.1mm，铺层序列为(32/-32)UD4(0)UD2(-32/-32)UD4。
2.根据权利要求1所述的可屈曲回弹的活动关节，其特征在于：所述长开口边缘包覆有两层包边。
3.根据权利要求2所述的可屈曲回弹的活动关节，其特征在于：所述包边为玻纤织物预浸料，铺层序列为(45/-45)f。
4.根据权利要求1所述的可屈曲回弹的活动关节，其特征在于：所述缺口部的纵截面的内边缘呈C型。
5.根据权利要求4所述的可屈曲回弹的活动关节，其特征在于：所述缺口部的纵截面的内边缘的中部具有竖直的平直段。
6.根据权利要求1所述的可屈曲回弹的活动关节，其特征在于：所述筒体外周包覆有装饰网。
7.一种可屈曲回弹的活动关节的制造方法，其特征在于，该活动关节包括呈圆筒状的筒体，该筒体侧壁设有沿该筒体长度方向延伸的长开口，使该筒体的横截面呈C型；该筒体中部设有两个缺口部，两个缺口部相对于该长开口呈对称设置；各缺口部均从该长开口向内延伸，使该筒体的纵截面呈C型；所述制造方法包括下列步骤：
A.根据该筒体的形状制作模具；
B.在该模具内进行复合材料的铺层：材料增强体为S级玻璃纤维织物，基体为增韧型环氧树脂，预浸料的名义厚度为0.1mm，铺层序列为(45/-45)f4(0/90)f2(45/-45)f4；或者
材料增强体为S级玻璃纤维单向带，基体为增韧型环氧树脂，预浸料的名义厚度为0.1mm，铺层序列为(32/-32)UD4(0)UD2(-32/-32)UD4；在整体包覆完毕后对所述长开口边缘用2层(45/-45)f玻纤织物预浸料进行包边处理
C.铺层完毕后利用热隔膜成型工艺进行固化，固化后脱模修整，采用粘接剂粘贴装饰网。
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2022
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