一种非均匀刚度握把握柄结构及制造方法
阅读说明：本技术 一种非均匀刚度握把握柄结构及制造方法 (Non-uniform rigidity handle structure and manufacturing method ) 是由 李宏伟 韩奇 桂蓁蓉 张创亮 于 2021-06-25 设计创作，主要内容包括：一种非均匀刚度握把握柄结构及制造方法,包括外壳、内筒和填充结构；内筒同轴设置在外壳内部,填充结构固定设置在外壳和内筒之间；内筒内部用于固定设置螺丝刀。步骤1,确定握把握柄的造型及尺寸,包括直径D、形状、厚度h；步骤2,构筑握把握柄的外壳结构；步骤3,构筑握把握柄中与手部接触部分的泡沫结构或胞元填充结构；步骤4,选取材料,通过3D打印设备制备非均匀刚度握把握柄。本发明根据手掌大小涉及握把握柄形状大小,在与手接触的地方利用TPU材料和3D打印技术制备非均匀刚度握把握柄,利用泡沫结构或者胞元填充结构提高握把握柄握持舒适度。(A non-uniform rigidity handle structure and a manufacturing method thereof comprise a shell, an inner cylinder and a filling structure; the inner cylinder is coaxially arranged inside the shell, and the filling structure is fixedly arranged between the shell and the inner cylinder; the inner cylinder is used for fixedly arranging a screwdriver. Step 1, determining the shape and size of a grip handle, including the diameter D, the shape and the thickness h; step 2, constructing a shell structure of the grip handle; step 3, constructing a foam structure or a cell filling structure of a part, which is in contact with the hand, in the grip handle; and 4, selecting materials, and preparing the non-uniform-rigidity grip handle through 3D printing equipment. The invention relates to the shape and the size of a grip handle according to the size of a palm, the grip handle with non-uniform rigidity is prepared by utilizing TPU (thermoplastic polyurethane) materials and a 3D (three-dimensional) printing technology at a position contacted with a hand, and the gripping comfort of the grip handle is improved by utilizing a foam structure or a cellular element filling structure.)
技术领域
本发明属于人机握把握柄设计技术领域，特别涉及一种非均匀刚度握把握柄结构及制造方法。
背景技术
工具是人类四肢的延伸，工具的使用增加了人类的动作范围和力度提高了工作效率。在我们的生活中，有着大大小小、成千上万的工具，在工具的使用过程中，为了使工具能被人们很好的利用，既能使工具最大的发挥其作用，又能使使用者使用工具时感觉非常舒服，工具上握把握柄的设计就显得尤为重要，工具与人通过握把握柄“连接”起来，设计优良的握把握柄不但能使工具最大限度的发挥其功能，而且也能使使用者较少的受到工具对人带来的伤害，为使使用者安全的使用产品，在产品设计的过程中，人的因素已经被作为一种技术而被添加到了产品的设计。
人类双手能做复杂而灵巧的捏、握、抓、夹、提等动作，有着极其精细的感觉，这些复杂功能与其解剖结构息息相关。手与握把握柄接触时，握把握柄会给予手部一定的刺激，手部的感受器在感受到这些刺激后会产生神经冲动，由感觉神经传导至大脑的中枢系统，经过分析产生一定的生理和心理反应。握把握柄的尺寸、造型、纹理、材质等将直接影响人们的工作习惯、工作效率。
目前把手设计中材质几乎均为同一均匀刚度，部分把手设计中会加有弹性TPU材质作为表面纹理，增加手部舒适度。为了保持把手的功能和形状，同一材质的握把握柄通常质地较为坚硬，给手指有一定的压力，而手指部分肌肉、神经元都较为复杂而且敏感，在长期的压力下使用会造成手指的不舒适感，从而降低工作效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非均匀刚度握把握柄结构及制造方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种非均匀刚度握把握柄结构，包括外壳、内筒和填充结构；内筒同轴设置在外壳内部，填充结构固定设置在外壳和内筒之间；内筒内部用于固定设置螺丝刀。
进一步的，填充结构为泡沫结构或胞元填充结构。
进一步的，一种非均匀刚度握把握柄结构的制造方法，包括以下步骤：
步骤1，确定握把握柄的造型及尺寸，包括直径D、形状、厚度h；
步骤2，构筑握把握柄的外壳结构；
步骤3，构筑握把握柄中与手部接触部分的泡沫结构或胞元填充结构；
步骤4，选取材料，通过3D打印设备制备非均匀刚度握把握柄。
进一步的，步骤1中具体包括：
1)根据人手部的尺寸大小确定握把握柄的直径D，形状为圆形，厚度为h；
2)在Solidworks或RhinocerosCAD建模软件当中进行握把握柄的建模，设定直径D、形状、厚度h。
进一步的，步骤2中具体包括：
1)在Solidworks或RhinocerosCAD建模软件当中选择握把握柄与手部接触的部分；
2)将握把握柄中与手部接触的部分和其他部分分割；
3)将握把握柄中与手部接触的部分向内偏移1mm，得到握把握柄的外壳结构；
4)输出模型，格式为STP。
进一步的，步骤3中泡沫结构握把握柄构筑步骤具体包括：
1)将步骤2中得到的STP模型导入RhinocerosCAD建模软件中；
2)在RhinocerosCAD建模软件的插件Grasshopper中编写泡沫结构.gh；
3)选取握把握柄顶部的点P作为泡沫结构的圆心，设定泡沫中球结构的直径为2mm；
3)将球沿x方向阵列直到握把握柄的直径，设定x方向球心之间的距离为3.0-4.0mm， x方向球的数量为8-12个；
5)将x方向的球的直径从圆心到外围由大到小变化，设定最小的球心直径为0.2mm，最大的球心直径为0.5mm；
6)将5)得到的一列x方向的球在xy平面内绕点P圆周阵列，设定阵列数量为30-35个；
7)将6)得到的xy平面的球在z方向阵列，设定数量为5-7，z方向的距离为3.00mm；
8)将7)得到的球与握把握柄内部进行布尔差集运算，得到握把握柄中与手部接触部分的泡沫结构；
9)输出模型，格式为STL。
进一步的，步骤3中胞元填充结构握把握柄构筑步骤具体包括：
1)将步骤2中得到的STP模型导入RhinocerosCAD建模软件中；
2)在RhinocerosCAD建模软件的插件Grasshopper中编写晶胞结构.gh；
3)选取握把握柄模型内外径结构的表面作为晶胞结构填充的区域F；
4)设计晶胞结构，设定晶胞结构中支撑结构的直径为1mm；
5)将晶胞结构填充到区域F中，以握把握柄横截面视图为准，将晶胞结构沿x方向阵列直到握把握柄的直径，设定x方向阵列的数量为3-5个；
6)晶胞三维尺寸大小会根据厚度h和x轴方向所设定的阵列数量自动变化适应；
7)选取握把握柄横截面的圆心点P；
8)将5)得到的一列x方向的晶胞结构在xy平面内绕点P圆周阵列，设定阵列数量为12-16个；
9)将8)得到的xy平面的晶胞结构在z方向阵列，设定数量为30，z方向的距离为3.00mm；
10)将9)得到的晶胞结构与握把握柄内部进行布尔并集运算，得到握把握柄整体的结构；
输出模型，格式为STL。
进一步的，选取的材料为TPU材质，将步骤3中得到的非均匀刚度握把握柄模型，利用激光烧结SLS工艺或FDM工艺进行打印成型，得到非均匀刚度握把握柄。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明根据手掌大小涉及握把握柄形状大小，在与手接触的地方利用TPU材料和3D打印技术制备非均匀刚度握把握柄，利用泡沫结构或者胞元填充结构提高握把握柄握持舒适度。与材料均匀分布的手柄握柄相比，利用泡沫结构或者胞元填充的手柄握柄具有更高的弹性模量。对于握把产品来说，其结构是圆柱体，当胞元从两个平行平面之间阵列转化到同轴环形面内时，会自发地改变结构的填充率，将原本均匀的填充率变成延径向向外递减，使填充形式从规则胞元阵列自动转化为梯度尺寸胞元阵列，与现有技术相比，可形成具有由内向外有大到小的梯度刚度。而对于泡沫结构，由于靠近手柄中心的空心泡沫体积小，而靠近外侧手柄边缘的空心泡沫体积大，与现有技术相比，同样可形成具有由内向外有大到小的梯度刚度。
附图说明
图1为本发明的握柄造型示意图。
图2为本发明的握柄尺寸示意图。
图3为本发明的握柄外壳结构示意图。
图4为本发明的握柄泡沫结构在Grasshopper中编写的泡沫结构.gh示意图。
图5为本发明的握柄泡沫结构(俯视)示意图。
图6为本发明的握把结构(正视)示意图。
图7为本发明的握把造型示意图。
图8为本发明的握把尺寸示意图。
图9为本发明的握把壳体结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
实施例1：
一种非均匀刚度握把握柄(旋柄)的设计及制备方法，包括以下步骤：
步骤1，确定握把握柄(旋柄)的造型及尺寸，包括直径D、形状、厚度h；
步骤2，构筑握把握柄(旋柄)的外壳结构；
步骤3，构筑握把握柄(旋柄)中与手部接触部分的泡沫结构；
步骤4，选取材料，通过材料和3D打印设备制备非均匀刚度握把握柄(旋柄)。
进一步的，步骤1中具体包括：
根据人手部的尺寸大小约为62-82mm，确定握把握柄(旋柄)的直径D为75mm，形状为圆形，厚度h为17mm，附图2；
在Solidworks建模软件当中进行握把握柄(旋柄)的建模，设定直径D、厚度h，附图1。
进一步的，步骤2中具体包括：
在Solidworks建模软件当中选择握把握柄与手部接触的部分；
将握把握柄中与手部接触的部分和其他部分分割；
将握把握柄中与手部接触的部分向内偏移1mm，得到握把握柄(旋柄)的外壳结构；
输出模型，格式为STP，附图3。
进一步的，步骤3中具体包括：
将步骤2中得到的STP模型导入RhinocerosCAD建模软件中；
在RhinocerosCAD建模软件的插件Grasshopper中编写泡沫结构.gh，附图4；
选取握把握柄顶部的点P作为泡沫结构的圆心，设定泡沫中球结构的直径为2mm；
将球沿x方向阵列直到握把握柄的直径，设定x方向球心之间的距离为3.5mm， x方向球的数量为11个；
将x方向的球的直径从圆心到外围由大到小变化，设定最小的球心直径为0.2mm，最大的球心直径为0.5mm；
将5)得到的一列x方向的球在xy平面内绕点P圆周阵列，设定阵列数量为32个；
将6)得到的xy平面的球在z方向阵列，设定数量为6，z方向的距离为3.00mm；
将7)得到的球与握把握柄内部进行布尔差集运算，得到握把握柄(旋柄)中与手部接触部分的泡沫结构；
输出模型，格式为STL，附图5、6。
进一步的，步骤4中，选取的材料可以为TPU材质，将步骤3中得到的非均匀刚度旋柄模型，利用FDM工艺进行打印成型，得到非均匀刚度旋柄。
具体握把握柄的实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
实施例2：
一种非均匀刚度握把握柄的设计及制备方法，包括以下步骤：
步骤1，确定握把握柄的造型及尺寸，包括外径D、内径d、形状、厚度h；
步骤2，构筑握把握柄的外壳结构；
步骤3，构筑握把握柄中与手部接触部分的晶胞结构；
步骤4，选取材料，通过3D打印设备制备非均匀刚度握把握柄。
进一步的，步骤1中具体包括：
根据人手部的尺寸大小约为62-82mm，确定握把握柄的外径D约为35-40mm，内径d为10-20mm，形状为圆形，厚度h约为10-15mm，附图2；
在Solidworks或RhinocerosCAD建模软件当中进行握把握柄的建模，设定外径 D、内径d、形状、厚度h，附图1。
进一步的，步骤2中具体包括：
在Solidworks建模软件当中选择握把握柄与手部接触的部分；
将握把握柄中与手部接触的部分和其他部分分割；
将握把握柄中与手部接触的部分向内偏移1mm形成实体，得到握把握柄外径的外壳结构；
输出模型，格式为STP，附图3。
进一步的，步骤3中具体包括：
将步骤2中得到的STP模型导入RhinocerosCAD建模软件中；
在RhinocerosCAD建模软件的插件Grasshopper中编写晶胞结构.gh，附图4；
选取握把握柄模型内外径结构的表面作为晶胞结构填充的区域F；
设计晶胞结构，设定晶胞结构中支撑结构的直径为1mm；
将晶胞结构填充到区域F中，以握把握柄横截面视图为准，将晶胞结构沿x方向阵列直到握把握柄的直径，设定x方向阵列的数量为3-5个；
晶胞三维尺寸大小会根据厚度h和x轴方向所设定的阵列数量自动变化适应；
选取握把握柄横截面的圆心点P；
将5)得到的一列x方向的晶胞结构在xy平面内绕点P圆周阵列，设定阵列数量为12-16个；
将8)得到的xy平面的晶胞结构在z方向阵列，设定数量为30，z方向的距离为3.00mm；
将9)得到的晶胞结构与握把握柄内部进行布尔并集运算，得到握把握柄整体的结构；
输出模型，格式为STL。
进一步的，步骤4中，选取的材料可以为TPU材质，将步骤3中得到的非均匀刚度握把握柄模型，利用激光烧结SLS工艺进行打印成型，得到非均匀刚度握把握柄，附图5、6。
进一步的，步骤4中，选取的材料可以为TPU材质，将步骤3中得到的非均匀刚度握把握柄模型，利用FDM工艺进行打印成型，得到非均匀刚度握把握柄。