[发明专利]一种基于平行自由端交叉簧片的弯曲及轴向转动机构

说明书

本发明涉及一种基于平行自由端交叉簧片的弯曲及轴向转动机构，包括多个弯曲交叉簧片单元，单个交叉簧片的结构由两个平板自由端和与之相连的交叉簧片组成，承担被动弯曲运动。多个串联的弯曲交叉簧片单元之间间接串联负责轴向旋转变形的轴向旋转交叉簧片单元，组成多级交叉簧片结构，满足被动弯曲和轴向旋转机构的多级被动轴向旋转的运动模式。本发明具有高精度，无摩擦，无滞后，无磨损，无静态阻力，免润滑等优点，在实际工程应用方面可以代替很多类似的被动变形结构。

技术领域

本发明属于多级被动弯曲以及轴向旋转机构领域，涉及一种基于平行自由端交叉簧片的弯曲及轴向转动机构，具体涉及到一种在外力作用下实现多级被动弯曲变形和轴向旋转的机械机构

背景技术

被动弯曲机构是一种在外力的作用下，产生弯曲变形的机构，它一种十分常见的机械结构，例如跳水运动员的跳板，弓箭的弓身。传统的被动弯曲变形机构一般都是类似于简单的悬臂梁，或者是采用具有摩擦的回转机构连接而成的机构，其在变形时具有较大的局限性。对于类似于悬臂梁的弯曲机构，由于其为单级变形结构，因此其变形精度低。对于采用具有摩擦的回转机构连接而成的机构，摩擦损失会导致能耗的上升，效率的降低，以及变形误差的累积，往往在精度要求比较高的机械中，例如医疗器械，高精度的机器人，采用传统的被动变形机构对于整体性能的影响很大。在专利公开号为CN1543907A的专利具有被动弯曲连接的末端可弯曲的内窥镜的制作方法中的被动变机构所采用的方法是单一结构变形的多层弯管结构，在实际使用中的被动变形虽然范围大，但是其变形可控精度十分有限。而基于交叉簧片的多级被动弯曲机构，除了具有普通的弯曲机构具有的特点以外，变形的可控性更好。在微特电机2013年第41卷第7期中SMA丝驱动的仿生尾鳍推进器的实验研究一文中所采用的被动弯曲机构是SMA丝，由于其同时承担着主动的变形，这导致其被动变形受到主动变形的制约，达不到最大限度的做到仿生鱼的被动变形效果。而且传统的弯曲机构通常都是单一的弹性材料，多级被动弯曲机构相较于普通弯曲机构具有更优良的力学特性。在实际的应用方面，多级被动弯曲机构不仅可以代替普通的弯曲机构，还可以运用于其他的更多方面，例如仿生鱼类鳍条，多级变形的弯曲机构能更好的模拟鱼类具有关节的鳍条结构，鱼类的鳍条结构都是由多个关节串联组成的多级变形结构，多个鳍条并联即可组成鱼鳍结构。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于平行自由端交叉簧片的弯曲及轴向转动机构，是一种基于平行自由端交叉簧片以及三簧片交叉簧片的多级被动弯曲及轴向转动机构，主要是在外力作用下具有被动的沿着其长度方向的弯曲变形以及绕着轴向的旋转，在实际工程应用中具有十分重要的意义。

技术方案

交叉簧片柔性变形体相较于刚性变形体具有其自身的很多优点，例如高精度，无摩擦，无滞后，无磨损，无静态阻力，免润滑等。因此，可以将交叉簧片相互串联，构成多级弯曲及轴向旋转机构，基于交叉簧片的多级弯曲及轴向旋转机构机构具有转动精度高，转动范围大，应力小，基于现有的对交叉簧片的研究，可以很好的分析其运动过程。对于仿生鳍推进的水下航行器，鳍的内部结构尤为重要，为了使仿生鳍达到在水下的被动变形，可以基于交叉簧片，利用其结构特性以及优势，设计出变形性能更优良的鳍结构。

一种基于平行自由端交叉簧片的弯曲及轴向转动机构，其特征在于包括多个平板自由端、交叉簧片和轴向旋转交叉簧片单元；第一级为轴向旋转交叉簧片单元，后续每级为两根等长的簧片沿着其长度方向对称交错连接两个相邻的平板自由端构成；中间需要转动的某一级以轴向旋转交叉簧片单元取代平板自由端，使得取代部位能够转动；所述轴向旋转交叉簧片单元包括三根簧片和两个带弧边的圆形自由端，三根簧片互成120度，相互交叉后两端分别于两个圆形自由端的弧边相连，构成轴向转动；每级弯曲的刚度取决于簧片的材料、厚度、两个簧片的夹角以及其交叉点的位置；簧片的刚度与材料的强度成正比，与其簧片的厚度成正比，与两个簧片的夹角大小成正比，与两个簧片的交叉点两侧簧片长度比例大小成正比，即长度小的一侧的长度与长度大的一侧的长度的比值。