CN115159238B - 一种折纸型可调恒力机构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于传动装置领域,具体涉及一种折纸型可调恒力机构,其特征在于:包括固定支撑件、浮动支撑件和设置在固定支撑件、浮动支撑件之间且以铰接方式分别与固定支撑件、浮动支撑件连接的弹性折纸机构;其中所述弹性折纸机构包括,至少两层折纸单元,每层折纸单元包括多个折纸板,所述多个折纸板包括一梯形板,铰接连接在梯形板的腰部两侧的第一平行四边形板和第二平行四边形板;以及在远离梯形板的边与第一平行四边形板铰接的第一三角形板、与第二平行四边形板铰接的第二三角形板;相邻层的折纸单元对称布置。采用本申请的方案,采用折纸结构,是一种全新的设计思路,利用了几何非线性特征,恒力范围大,输出力大,并且可调节性强。
Description
技术领域
本发明属于传动装置领域,具体涉及一种折纸型可调恒力机构。
背景技术
恒力机构是一类能够提供稳定的接近于恒定的输出力的传动装置。在恒力区间内,机构的静态刚度接近于0,其输出力不随着压缩位移的变化而改变。这一特性不符合胡克定律,也正是恒力机构与工程中常见的弹性机构的本质力学区别。这种独特的性质使得恒力机构在很多领域有着独特而不可获取的应用,例如可以通过恒力机构有效降低施加于物体上的冲击,在机器人、航天器领域得到广泛应用。
根据是否有外部能量供给,恒力机构可以划分为主动恒力机构和被动恒力机构两大类。主动恒力机构一般由驱动装置、执行装置和传感器三部分组成,通过动态调节获得执行装置的恒定输出力,但需要外部功能和传感反馈,系统复杂,可靠性不高。目前使用更为广泛的仍为被动恒力机构。
被动恒力机构设计和实现更加简单,性能也更加可靠,当前研究中,可进一步将其划分为柔性和刚性两大类。柔性恒力机构采用柔顺机构实现,但是输出行程小,输出力小,受柔顺机构本体限制,无法适用于大载荷与高行程的恒力输出场景。刚性恒力机构通常采用连杆机构结合弹簧实现,能够产生较大的输出力,但是运动行程,特别是恒力区间的运动行程,需要结合机构特性针对性设计,同时难以通过结构参数调节输出力和恒力范围。
近年来,研究者对于恒力机构开展了很多研究工作,但也存在一些局限:(1)恒力机构的恒定力区间小,难以满足长行程的恒力需求;(2)恒力机构的输出力较小,难以用于重载荷的应用场景,且难以调节输出力大小适应载荷变化工况;(3)恒力机构的实现途径单一,亟需采用新的手段突破原有设计框架。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对任一上述现有技术的不足,而设计一种折纸型可调恒力机构,突破原有恒力机构的设计框架,创造性地采用折纸机构作为恒力机构的骨架,采用线性弹簧模拟折痕处刚度,实现整体的恒力特性输出,具有大恒力输出和长行程恒力范围,并且参数众多,设计性和可调节性强。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为一种折纸型可调恒力机构,包括固定支撑件、浮动支撑件和设置在固定支撑件、浮动支撑件之间且以铰接方式分别与固定支撑件、浮动支撑件连接的弹性折纸机构;
其中所述弹性折纸机构包括,至少两层折纸单元,每层折纸单元包括多个折纸板,所述多个折纸板包括一梯形板,铰接连接在梯形板的腰部两侧的第一平行四边形板和第二平行四边形板;以及在远离梯形板的边与第一平行四边形板铰接的第一三角形板、与第二平行四边形板铰接的第二三角形板。
其中,在所述第一平行四边形板与梯形板之间铰接设置有第一倾斜弹性组件,在第二平行四边形板与梯形板之间铰接设置有第二倾斜弹性组件。
并且,相邻层的折纸单元对称布置,并且在相邻层的折纸单元的梯形板之间连接有第一直弹性组件;在相邻层的折纸单元的第一平行四边形板之间、以及第二平行四边形板之间设置有第二直弹性组件;在相邻层的折纸单元的第一三角形板之间、以及第二三角形板之间设置有第三直弹性组件;
其中所述第一倾斜弹性组件、第二倾斜弹性组件、第一直弹性组件和第三直弹性组件位于所述弹性折纸机构的一面,所述第二直弹性组件位于所述弹性折纸机构的另一面。
在一个实施方案中,所述折纸型可调恒力机构还包括连接所述固定支撑件和浮动支撑件之间多个伸缩支架,所述伸缩支架包括可相对移动的套筒和可在套筒中移动的伸缩件。
在一个实施方案中,所述伸缩支架包括四个,分别设置在所述弹性折纸机构外侧。
在一个实施方案中,所述弹性组件为弹簧组件。
在一个实施方案中,所述直弹性组件包括弹簧耳座、挡板、压缩弹簧和伸缩管,其中,所述伸缩管包括至少两节套在一起的管部件,所述挡板分别于所述伸缩管两端固定连接,所述压缩弹簧套在所述伸缩管外侧,且弹簧两端与所述挡板接触。
在一个实施方案中,弹簧耳座分别通过螺栓固定连接于折纸板上。
在一个实施方案中,折纸板上包括腰型孔,螺栓穿过所述腰型孔与所述弹簧耳座固定。
在一个实施方案中,相邻层折纸单元的所述梯形板的底边相互平行;所述第一平行四边形板的一个边与相邻的所述梯形板的第一腰平行;所述第二平行四边形板的一个边与相邻的所述梯形板的第二腰平行。所述第一三角形板与第一平行四边形板相邻的边平行,所述第二三角形板与第二平行四边形板相邻的边平行。
在一个实施方案中,所述第一直弹性组件的延伸方向垂直于的梯形板的底边。所述第一倾斜弹性组件的延伸方向垂直于所述梯形板与第一平行四边形板相邻的腰。所述第二倾斜弹性组件的延伸方向垂直于所述梯形板与第二平行四边形板相邻的腰。
所述第二直弹性组件的延伸方向垂直于两层折纸单元的第一平行四边形板相邻的边,以及,垂直于两层折纸单元的第二平行四边形板相邻的边。
所述第三直弹性组件的延伸方向垂直于两层折纸单元的第一三角形板相邻的边,以及,垂直于两层折纸单元的第二三角形板相邻的边。
在一个实施方案中,所述折纸单元整体左右对称布置,所述相邻层折纸单元上下对称布置。
本发明的效果如下:
采用本申请的方案,弹性折纸机构由多个折纸板作为骨架,利用直弹性组件和倾斜弹性组件来模拟折纸折痕处的弹性效果,使得整体恒力机构具有一定的承载能力。当负载或外力作用在浮动支撑件上时,能够通过压缩弹性折纸机构,实现整体机构在竖直方向上的平移运动。并且,恒力范围大,输出力大,且具备可调节性,参数多,可调节性强。
附图说明
图1为本发明折纸型可调恒力机构原始状态立体图;
图2为本发明折纸型可调恒力机构折叠状态立体图;
图3为本发明折纸型可调恒力机构原始状态主视图;
图4为本发明折纸型可调恒力机构原始状态侧视图;
图5为本发明折纸型可调恒力机构折叠状态主视图;
图6为本发明折纸型可调恒力机构折叠状态侧视图;
图7为本发明弹性折纸机构的立体图;
图8为本发明弹性折纸机构的主视图;
图9为本发明弹性折纸机构的侧视图;
图10为本发明弹性组件结构图;
图11为本发明折纸单元的局部示意图;
图12为本发明折纸型可调恒力机构的输出力学特性。
具体实施方式
为了使本申请的技术方案和优点更加清楚,下面结合附图和具体实施例对本申请进行详细描述。
如图1-9所示,本申请的折纸型可调恒力机构,包括固定支撑件100、浮动支撑件200和设置在固定支撑件100、浮动支撑件200且以铰接方式分别与固定支撑件100、浮动支撑件200连接的弹性折纸机构300;
其中所述弹性折纸机构300包括,至少两层折纸单元310,每层折纸单元310包括多个折纸板,所述多个折纸板包括一梯形板320,铰接连接在梯形板320的腰部两侧的第一平行四边形板330和第二平行四边形板331;以及与第一平行四边形板330在远离梯形板320的边铰接的第一三角形板340、与第二平行四边形板331在远离梯形板320的边铰接的第二三角形板341。
其中,在所述第一平行四边形板330与梯形板320之间铰接设置有第一倾斜弹性组件350,在第二平行四边形板331与梯形板320之间铰接设置有第二倾斜弹性组件351。
并且,相邻层的折纸单元310对称布置,并且在相邻层的折纸单元310的梯形板320之间连接有第一直弹性组件360;在相邻层的折纸单元310的第一平行四边形板330之间、以及第二平行四边形板331之间设置有第二直弹性组件361;在相邻层的折纸单元310的第一三角形板340之间、以及第二三角形板341之间设置有第三直弹性组件362;
其中所述第一倾斜弹性组件350、第二倾斜弹性组件351、第一直弹性组件360和第三直弹性组件362位于所述弹性折纸机构300的一面,所述第二直弹性组件361位于所述弹性折纸机构300的另一面。
采用本申请的方案,弹性折纸机构300由多个折纸板作为骨架,利用直弹性组件和倾斜弹性组件来模拟折纸折痕处的弹性效果,使得整体恒力机构具有一定的承载能力。当负载或外力作用在浮动支撑件200上时,能够通过压缩弹性折纸机构300,实现整体机构在竖直方向上的平移运动。
在一个实施方案中,所述折纸型可调恒力机构还包括连接所述固定支撑件100和浮动支撑件200之间多个伸缩支架400,所述伸缩支架400包括可相对移动的套筒和可在套筒中移动的伸缩件。其中所述套筒和所述伸缩件分别连接在所述固定支撑件100和浮动支撑件200上。在一个方案中,所述伸缩支架包括四个,分别设置在所述弹性折纸机构300外侧,优选对称设置在固定支撑件100的四个角。采用这样的方案,所述伸缩支架400可以对所述浮动支撑提供导向功能,可以保证浮动支撑只能沿着伸缩支架400的运动方向上下平移,避免了浮动支撑横向偏移而造成不稳定的问题。
在一个实施方案中,所述弹性组件的数量根据折纸机构的刚度需求调整。优选地,所述弹性组件为弹簧组件。所述直弹性组件和倾斜弹性组件结构可以相同,如图10所示,以第一倾斜弹性组件350为例说明其结构,所述第一倾斜弹性组件350包括弹簧耳座3501、挡板3502、压缩弹簧3503和伸缩管3504,其中,所述伸缩管3504包括至少两节套在一起的管部件,所述挡板3502分别于所述伸缩管3504两端固定连接,所述压缩弹簧3503套在所述伸缩管3504外侧,且弹簧两端与所述挡板3502接触。两端的挡板3502分别与一个弹簧耳座铰接连接,例如,挡板3502通过弹簧耳座销轴与弹簧耳座3501的孔连接。考虑到压缩弹簧3503容易失稳,在其内部添加内置伸缩管3504来保证弹簧运动的稳定性,也不影响整体机构的运动特性和力学特性。所述倾斜弹性组件的结构可以与所述直弹性组件相同。
在一个实施方案中,弹簧耳座3501分别通过螺栓固定连接于折纸板上。例如在折纸板上包括腰型孔,螺栓穿过所述腰型孔与所述弹簧耳座3501固定。采用腰型孔的方案可以实现弹簧耳座位置的调节,继而可以实现对于两个弹簧耳座3501距离的调节。
在一个实施方案中,相邻层折纸单元310的所述梯形板320的底边相互平行;所述第一平行四边形板330的一个边与相邻的所述梯形板320的腰(第一腰)平行;所述第二平行四边形板331的一个边与相邻的所述梯形板320的腰(第二腰)平行。所述第一三角形板340与第一平行四边形板330相邻的边相互平行,所述第二三角形板341与第二平行四边形板331相邻的边相互平行。
在一个实施方案中,所述第一直弹性组件360的延伸方向垂直于的梯形板320的底边。所述第一倾斜弹性组件350的延伸方向垂直于所述梯形板320与第一平行四边形板330相邻的腰。所述第二倾斜弹性组件351的延伸方向垂直于所述梯形板320与第二平行四边形板331相邻的腰。
所述第二直弹性组件361的延伸方向垂直于两层折纸单元310的第一平行四边形板330相邻的边,并且,垂直于两层折纸单元310的第二平行四边形板331相邻的边。
所述第三直弹性组件362的延伸方向垂直于两层折纸单元310的第一三角形板340相邻的边,并且,垂直于两层折纸单元310的第二三角形板341相邻的边。
在一个实施方案中,所述折纸单元310整体左右对称布置,所述相邻层折纸单元310上下对称布置。例如,所述折纸单元310整体相对于梯形板320的中线左右对称布置,其中,所述梯形板320为等腰梯形,第一平行四边形板330和第二平行四边形板331大小、形状相同,且对称布置。所述第一三角形板340和第二三角形板341大小、形状相同,且对称布置。在一个实施方案中,所述各折纸板的高度相同,即所述梯形板320、第一平行四边形板330、第二平行四边形板331、第一三角形板340和第二三角形板341的高均相同。
采用这样的方案,整个结构对称设置,使得外力对于浮动板的作用能够均匀传递,实现了折叠时整体结构比较稳定,避免了弹性折纸机构300各部分受力以及弯折的不对称,减少了内里的耦合,提高了系统的寿命。
在一个实施方案中,所述梯形板320的底边、所述平行四边形板的底板和三角形板的底边在一条直线上。所述梯形板320的长底边与腰(第一腰、第二腰)的夹角为60度。所述第一平行四边形板330、第二平行四边形板331的内角为60度和120度,所述第一三角形板340、第二三角形板341为直角三角形,斜边与底边夹角为60度。采用这样的方案,所述折纸型恒力机构的恒力行程更长,有效工作长度更长。
在一个实施方案中,在初始状态下,所述倾斜弹性组件与平行四边形板连接的弹簧耳座,所述第一直弹性组件360与梯形板320连接的弹簧耳座,所述第二直弹性组件361与平行四边形板连接的弹簧耳座,所述第三直弹性组件362与三角形板连接的弹簧耳座,均处于同一高度(例如以弹簧耳座上两个螺栓中间位置计)。所述第一直弹性组件360、第二直弹性组件361和所述第三直弹性组件362的初始长度相同。所述第一倾斜弹性组件350、第二倾斜弹性组件351的长度相同,且所述倾斜弹性组件的长度相比于直弹性组件的长度比为1.25-1.35:1。采用这样的方案,配合多个折纸板的形状和角度,使得所述弹性折纸机构300能够充分折叠的同时,避免了弹性组件之间或者弹性组件与折纸板的干涉,提高了系统的稳定性。
在一个实施方案中,所述固定支撑件100和浮动支撑件200均设置有多个耳座,用于与所述折纸机构铰接。所述固定支撑件100为固定板或固定架、所述浮动支撑件200为浮动板或浮动架。
在一个实施方案中,所述折纸板之间的铰接方式包括一旋转销轴和两个套在销轴外侧的铰接套筒370,所述两个铰接套筒370之一分别与相邻的折纸板之一连接。
在一个实施方案中,相邻两层的梯形板之间、平行四边形板之间、三角形板之间存在第一类型初始夹角。其中,相邻两层三角形板之间的夹角方向,与同样相邻两层梯形板之间的夹角方向相同;相邻两层平行四边形板之间的夹角方向,与同样相邻两层梯形板之间的夹角方向相反(所述夹角方向,即形成的夹角的外凸方向)。所述初始夹角小于180°,例如优选在140°-170°之间。在一个实施方案中,相邻两层的梯形板之间、平行四边形板之间、三角形板之间存在的初始夹角相同。
在一个实施方案中,同层折纸单元的梯形板和平行四边形板之间、平行四边形板和三角板之间存在第二类型初始夹角。优选地,所述第二类型初始夹角与第一类型初始夹角之间存在数学关系。在一个方案中同层折纸单元的梯形板和平行四边形板之间、平行四边形板和三角板之间存在的第二类型初始夹角值相同,所述数学关系见下面公式(1)。
在一个实施方案中,包括三层或更多层折纸单元,其中,所有奇数层折纸单元的排布方式相同,所有偶数层折纸单元的排布方式相同。多层折纸单元整体形成Z字形结构。
下面以两层折纸单元、固定板和浮动板为例,说明本发明的工作过程,参见图1和2。外力作用下,浮动板向下移动,由于伸缩支架400的作用,浮动板只能竖直向下移动。力量传递到所述弹性折纸机构300。其中,上层折纸单元310的梯形板320与下层折纸单元310的梯形板320发生折叠,进而抵抗第一直弹性组件360使其发生压缩;由于梯形板320上下两端都是铰接,因此其运动行为是确定的。又由于整个折纸恒力机构为单自由度系统,梯形板320的折叠会带动其他各折纸板同步发生折叠。具体地,当两个梯形板320压缩时,与梯形板320两侧铰接的上下两层共4个平行四边形板会向梯形板320收拢,而与平行四边形板两侧铰接的上下两层共4个三角形板也会和梯形板320一样发生折叠。
下面结合附图1、2和11,以及一个具体实施例说明本申请恒力机构的工作原理,本发明的折纸型恒力机构以基本的折纸单元310为骨架,因而其运动学遵循折纸单元310的运动规律;由于在相邻折纸板之间添加了弹簧组件,因而能够反映弹性机构的力学特性。
假设折纸机构的折纸单元310的层数为N,单层折纸单元310的最大高度为h,上下
两层第一三角形板340之间、上下两层四边形板之间、上下两层梯形板之间的夹角为,
同层折纸单元310的第一三角形板340和第一平行四边形板330之间、第一平行四边形板330
板和梯形板的320的夹角均为(折纸单元左右对称,所以,第二平行四边形板331与梯
形板320以及与第二三角形板341之间的夹角也均为),其中和分别为水平夹
角和倾斜夹角。由于折纸型恒力机构遵循折纸机构的运动学特性,因而竖直方向各相邻折
纸板(相邻层对称设置的折纸板)之间的夹角均为2倍水平夹角,水平方向各相连折纸板之
间的夹角均为2倍倾斜夹角。同时,假设各折纸板的角度为(即上层梯形板320的上底
角),则有如下关系成立(折纸单元局部示意图见图11):
根据力学原理,直弹性组件和倾斜弹性组件可以等效为如下力学模型,其中,为直弹性组件的压缩弹簧刚度系数,为倾斜弹性组件的压缩弹簧刚度系数;L为
直弹性组件的弹簧耳座安装位置距离铰接处旋转销轴的距离,R为倾斜弹性组件的弹簧耳
座安装位置距离铰接处的旋转销轴的距离;为直弹性组件的弹簧耳座销轴距离折纸板
的距离,为倾斜弹性组件的弹簧耳座销轴距离折纸板的距离;为直弹性组件的压
缩弹簧的压缩量,为倾斜弹性组件的压缩弹簧的压缩量。
根据折纸机构的几何特点,有如下公式成立
其中,h为单层高度。
根据虚功原理,有如下公式
当折纸恒力机构在外载荷作用下达到静态平衡时,折纸恒力机构的输出力大小等于外载荷作用力大小,方向相反,其输出力大小F为
从上述分析可以看出,所发明的折纸恒力机构是一个多参数耦合的强非线性系统,当选择不同结构参数时,可以获得不同的输出力特性。
当各参数如下时:,,,,,
L=42mm,R=50mm,,。图12为所绘制折纸恒力机构的输出力特性曲
线。可以看出,该参数下折纸恒力机构的恒力中心位于200mm位移处,其对应的恒力值大小
为345N,在160mm-240mm区间内,其输出力可近似认为为恒力输出,其恒力范围占总体运动
行程比例大。
可以发现,当通过合理设计折纸恒力机构,选择合适的结构参数时,该机构能够提供大范围的恒力输出。并且通过改变结构参数,可以获得不同的输出力大小,可调节性强,能够适应工况复杂的应用场景。
需要说明的是,以上实施例仅用以说明本申请的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种折纸型可调恒力机构,其特征在于:包括固定支撑件、浮动支撑件和设置在固定支撑件、浮动支撑件之间且以铰接方式分别与固定支撑件、浮动支撑件连接的弹性折纸机构;
其中所述弹性折纸机构包括至少两层折纸单元,每层折纸单元包括多个折纸板;所述多个折纸板包括一梯形板,铰接连接在梯形板的腰部两侧的第一平行四边形板和第二平行四边形板;以及与第一平行四边形板远离梯形板的边铰接的第一三角形板、与第二平行四边形板远离梯形板的边铰接的第二三角形板;
其中,在所述第一平行四边形板与梯形板之间铰接设置有第一倾斜弹性组件,在第二平行四边形板与梯形板之间铰接设置有第二倾斜弹性组件;
并且,相邻层的折纸单元对称布置,并且在相邻层的折纸单元的梯形板之间连接有第一直弹性组件;在相邻层的折纸单元的第一平行四边形板之间、以及第二平行四边形板之间设置有第二直弹性组件;在相邻层的折纸单元的第一三角形板之间、以及第二三角形板之间设置有第三直弹性组件;
其中所述第一倾斜弹性组件、第二倾斜弹性组件、第一直弹性组件和第三直弹性组件位于所述弹性折纸机构的一面,所述第二直弹性组件位于所述弹性折纸机构的另一面。
2.根据权利要求1所述的一种折纸型可调恒力机构,其特征在于:所述折纸型可调恒力机构还包括连接所述固定支撑件和浮动支撑件之间多个伸缩支架,所述伸缩支架包括可相对移动的套筒和可在套筒中移动的伸缩件。
3.根据权利要求2所述的一种折纸型可调恒力机构,其特征在于:所述伸缩支架包括四个,分别设置在所述弹性折纸机构外侧。
4.根据权利要求1所述的一种折纸型可调恒力机构,其特征在于:所述第一倾斜弹性组件、所述第二倾斜弹性组件、所述第一直弹性组件、所述第二直弹性组件和所述第三直弹性组件均为弹簧组件。
5.根据权利要求4所述的一种折纸型可调恒力机构,其特征在于:所述第一直弹性组件、所述第二直弹性组件和所述第三直弹性组件均包括弹簧耳座、挡板、压缩弹簧和伸缩管,其中,所述伸缩管包括至少两节套在一起的管部件,所述挡板分别于所述伸缩管两端固定连接,所述压缩弹簧套在所述伸缩管外侧,且弹簧两端与所述挡板接触。
6.根据权利要求5所述的一种折纸型可调恒力机构,其特征在于:弹簧耳座分别通过螺栓固定连接于折纸板上。
7.根据权利要求6所述的一种折纸型可调恒力机构,其特征在于:折纸板上包括腰型孔,螺栓穿过所述腰型孔与所述弹簧耳座固定。
8.根据权利要求1所述的一种折纸型可调恒力机构,其特征在于:相邻层折纸单元的所述梯形板的底边相互平行;所述第一平行四边形板的一个边与相邻的所述梯形板的第一腰平行;所述第二平行四边形板的一个边与相邻的所述梯形板的第二腰平行;所述第一三角形板与第一平行四边形板相邻的边相互平行;所述第二三角形板与第二平行四边形板相邻的边相互平行。
9.根据权利要求1所述的一种折纸型可调恒力机构,其特征在于:所述第一直弹性组件的延伸方向垂直于的梯形板的底边;所述第一倾斜弹性组件的延伸方向垂直于所述梯形板与第一平行四边形板相邻的腰;所述第二倾斜弹性组件的延伸方向垂直于所述梯形板与第二平行四边形板相邻的腰;
所述第二直弹性组件的延伸方向垂直于两层折纸单元的第一平行四边形板相邻的边,以及,垂直于两层折纸单元的第二平行四边形板相邻的边;
所述第三直弹性组件的延伸方向垂直于两层折纸单元的第一三角形板相邻的边,以及,垂直于两层折纸单元的第二三角形板相邻的边。
10.根据权利要求1所述的一种折纸型可调恒力机构,其特征在于:所述折纸单元整体左右对称布置,所述相邻层折纸单元上下对称布置。
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