[发明专利]一种具有负泊松比特性的柔性机构

说明书

一种具有负泊松比特性的柔性机构，由多个相同的柔性单元叠加构成；所述柔性单元为对称的柔性Sarrus机构，其特征是：包括两个相同的等腰梯形平板和四个相同的矩形平板，六个平板通过缺口型柔性铰链连接形成单自由度的空间六杆柔性机构，六个平板分别为第一等腰梯形板、第二等腰梯形板、第一矩形板、第二矩形板、第三矩形板、第四矩形板，每个平板在对边上设有缺口型柔性铰链，多个所述柔性单元通过共用平板周期性叠加构成中空圆柱形柔性机构；在受到圆柱轴线方向压力时，所述机构产生轴线收缩和径向收缩，在受到圆柱轴线方向拉力时，所述柔性机构产生轴线伸展和径向伸展；所述柔性机构可用于精密蛇形机器人中，调节机器人的尺寸。

技术领域

本发明涉及一种中空圆柱形柔性机构，具体涉及一种具有负泊松比特性的柔性机构。

背景技术

普通材料的泊松比一般为正数，当其在一个方向上受到压力作用时，会在该方向上发生收缩，而在垂直方向上发生膨胀。而具有负泊松比特性的结构在一个方向受到压力作用时，会在该方向和垂直的方向上同时产生收缩。负泊松比结构具有较好的回弹特性和抗断裂性能，因此在缓冲吸能、承压、防爆、机器人等方面应用较为广泛。通常，负泊松比结构由特殊形状的胞元通过周期性叠加构成。在公开号为CN110015255A的发明专利中公开了一种吸能盒，吸能盒由多个星型胞元通过线性叠加而成，具有良好的负泊松比特性；在公开号为CN207882902U的实用新型中提出了一种基于负泊松比结构的防爆车门，可有效提升爆破时的能量吸收；在公开号为CN110801085A的发明专利中公开了一种基于具有负泊松比效应的戒指本体结构，其直径可以调整，适合发胖人群穿戴。

目前的负泊松比结构大多由胞元通过线性叠加构成，而较少由胞元通过圆周叠加构成。由胞元通过圆周叠加得到的负泊松比结构在轴向受到压力作用时，会在轴向和径向同时产生收缩，可以应用于机器人上，调节机器人的空间尺寸。现有的由胞元圆周叠加的负泊松比结构柔性较大，可变形区域较多，适合用于缓冲吸能等非精密用途；但是这种结构变形较复杂，难以建立精确的运动学模型，形状可控性不高，在机器人中的应用具有局限性。

发明内容

本发明提出一种结构简单、柔度较集中、可控性高的负泊松比柔性机构，可用于精密蛇形机器人中，调节机器人的尺寸。

本发明提供一种具有负泊松比特性的柔性机构，由多个相同的柔性单元叠加构成。所述柔性单元1为对称的柔性Sarrus机构，其特征是：包括两个相同的等腰梯形平板和四个相同的矩形平板，六个平板通过缺口型柔性铰链连接形成单自由度的空间六杆柔性机构；六个平板分别为第一等腰梯形板、第二等腰梯形板、第一矩形板、第二矩形板、第三矩形板、第四矩形板；第一等腰梯形板在一侧腰上与第一矩形板的一个长边通过第一缺口型柔性铰链连接；第一等腰梯形板在另一侧腰上与第二矩形板的长边通过第二缺口型柔性铰链连接；第一矩形板在另一长边与第三矩形板的一个长边通过第三缺口型柔性铰链连接；第二矩形板在另一长边与第四矩形板的一个长边通过第四缺口型柔性铰链连接；第三矩形板在另一长边与第二等腰梯形板的一侧腰通过第五缺口型柔性铰链连接；第四矩形板在另一长边与第二等腰梯形板的一侧腰通过第六缺口型柔性铰链连接；所述等腰梯形平板和所述矩形平板是刚性板；多个所述柔性单元通过共用平板周期性叠加构成具有负泊松比特性的柔性机构。相邻的两个所述柔性单元通过共用平板进行叠加，所述共用平板包括两种方式：第一种方式为共用等腰梯形板，且通过缺口型柔性铰链连接，第二种方式为共用矩形板，且通过缺口型柔性铰链连接。

所述柔性机构中的等腰梯形平板和矩形平板的厚度m与缺口型柔性铰链的厚度n满足：3＜m/n＜6。在所述柔性单元中第一等腰梯形板和第二等腰梯形板相互平行，且所述柔性单元中等腰梯形板的两腰夹角能整除180度；在所述柔性机构中，所有等腰梯形板的梯形表面均相互平行或共面。

所述柔性机构呈中空圆柱形，可通过3D打印加工。在受到圆柱轴线方向压力时，所述机构同时产生轴线收缩和径向收缩；在受到圆柱轴线方向拉力时，所述机构同时产生轴线伸展和径向伸展。由于这种特性，所述柔性机构可用于蛇形机器人中，调节机器人的尺寸。