CN100436844C - 用于柔性弧形滑轨的具有虚拟远程运动中心的柔性铰链 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于柔性弧形滑轨的具有虚拟远程运动中心的柔性铰链，由左簧片(1)、右簧片(2)、上刚性片(3)和下刚性片(4)组成，左簧片(1)与右簧片(2)设置在上刚性片(3)、下刚性片(4)之间；左簧片(1)、右簧片(2)的上下两端与上刚性片(3)、下刚性片(4)的八条相交线的延长线交于虚拟远程运动中心O，所述左右簧片采用变截面设计；左簧片(1)的前端面(102)、后端面(101)，与右簧片(2)的前端面(202)、后端面(201)位于中心为虚拟远程运动中心O点的同心球面上。本发明的柔性铰链可以多个串接，并将它们的虚拟中心点重合，则可以组成一个新的组合柔性铰链，其行程成倍数提高，可作为柔性弧形滑轨使用。

Description

用于柔性弧形滑轨的具有虚拟远程运动中心的柔性铰链

技术领域

本发明涉及一种柔性铰链，更特别地说，是指一种用于柔性弧形滑轨的、具有虚拟远程运动中心O的柔性铰链。

背景技术

柔性铰链是指在外部力或力矩的作用下，利用材料的弹性变形在相邻刚性杆之间产生相对运动的一种运动副结构形式，这与传统刚性运动副的结构有很大不同。较之于传统的刚性铰链(机构)，柔性铰链及柔性机构具有许多优点：(1)可以整体化(或一体化)设计和加工，故可简化结构、减小体积和重量、免于装配；(2)无间隙和摩擦，可实现高精度运动；(3)免于磨损，提高寿命；(4)免于润滑，避免污染；(5)可增大结构刚度。可应用于微定位及微进给、微姿态调整、微执行器、微操作及微装配等领域。

在机构学中，转动是基本的运动形式之一，转动构件与转动中心通常都靠一个物理的实际运动副连接。不过，也有例外，一小部分机构的一构件可绕空间上的一固定点进行转动，此固定点处不存在实际的转动副，而且该虚拟的固定点在机构远端。这种机构可以称为虚拟远程运动中心(Remote Center of Motion，RCM)机构。RCM机构实质上是一种少自由度的功能机构，它保证机构在整个操作过程中始终围绕一个固定的虚拟转动中心运动。RCM机构可以单独作为机器人机构，也可作为多自由度机器人系统的一个模块。在某些特定的应用领域如微创外科手术等，该类机构具有明显的不可替代性。RCM机构的优势不仅体现于此，它同柔性机构有机结合，将会形成新的柔性铰链——RCM柔性铰链。

目前常见的RCM柔性铰链为等腰梯形柔性铰链，这种结构也应用于RCC(Remote Center of Compliance，虚拟柔顺中心)装置中。但是等腰梯形柔性铰链的虚拟转动中心点距离铰链底边不能太远，否则会减小转动范围和精度，使得性能恶化。

除了在需要转动中心空缺的特殊情况，如调平，对准等应用，RCM柔性铰链还可以引入一些传统柔性铰链不具备的特点，如：由于转动中心是虚拟的，并无实际铰链存在，因此RCM柔性铰链更便于多个叠加，增大转动范围，缩小体积，这将会成为柔性铰链大行程设计的新的突破口。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有虚拟远程运动中心的柔性铰链，该柔性铰链通过簧片式设计，提供绕虚拟远程运动中心点的转动。并可通过铰链的串联实现高精度、大行程的虚拟远程运动中心转动运动。

本发明是一种用于柔性弧形滑轨的具有虚拟远程运动中心的柔性铰链，由左簧片、右簧片、上刚性片和下刚性片组成，左簧片与右簧片对称设置在上刚性片、下刚性片之间；左簧片、右簧片的上下两端与上刚性片、下刚性片的八条相交线的延长线交于虚拟远程运动中心O；左簧片的前端面、后端面，与右簧片的前端面、后端面位于中心为虚拟远程运动中心O点的同心球面上且位于球面同侧。在球面坐标系下左簧片、右簧片平行。

所述的柔性铰链，其前视面中左簧片、右簧片为扇环形状，且左簧片的前端面的弧长短于后端面的弧长，右簧片的前端面的弧长短于后端面的弧长。

所述的柔性铰链，其左簧片、右簧片沿着半径方向的截面厚度是不相等的，其截面形状为以虚拟远程运动中心O点为圆心的扇环，在精度要求较低时，为了加工方便可将弧线取直。

所述的柔性铰链可以多个串接，并将每个柔性铰链的虚拟中心点重合，构成多个组合柔性铰链，其行程成倍数增加。

本发明柔性铰链的优点在于：

(1)本发明设计的柔性铰链具有虚拟的转动中心，铰链可以距离虚拟远程运动中心O较远，且具有较高精度。

(2)将多个本发明设计的柔性铰链串接，并将它们的虚拟中心点重合，则可以组成一个新的RCM柔性铰链，其行程成倍数提高，可作为柔性弧形滑轨使用。这将会成为柔性铰链大行程设计的新的突破口。

(3)本发明的柔性铰链通过簧片设计，行程较大，并且铰链的内应力减小，寿命提高。

(4)本发明的柔性铰链结构简单、紧凑，可采用线切割机床一体化成形，减少装配误差。

(5)本发明柔性铰链的簧片采用变截面设计，突破了仅从构形上设计柔性铰链的局限。

附图说明

图1是本发明柔性铰链的结构视图。

图1A是本发明柔性铰链的另一结构视图。

图2是本发明柔性铰链的前视图。

图3是本发明柔性铰链的仰视图。

图4是三个本发明柔性铰链单元串联结构示意图。

图中：1.左簧片        101.后端面  102.前端面  2.右簧片201.后端面  202.前端面  3.上刚性片  4.下刚性片  5.A中间刚性片6.静刚性片  7.动刚性片  8.B中间刚性片

具体实施方式

请参见图1所示，本发明是一种用于柔性弧形滑轨的具有虚拟远程运动中心的柔性铰链，由左簧片1、右簧片2、上刚性片3和下刚性片4组成，左簧片1与右簧片2设置在上刚性片3、下刚性片4之间，且在球面坐标系(以虚拟远程运动中心O点为球心的球面)下左簧片1、右簧片2平行；左簧片1、右簧片2的上下两端与上刚性片3、下刚性片4的八条相交线的延长线交于虚拟远程运动中心O；左簧片1的前端面102、后端面101，与右簧片2的前端面202、后端面201位于中心为虚拟远程运动中心O点的同心球面上且在球面同侧。在单个的本发明柔性铰链中，只需保证左簧片1、右簧片2的形状，而对上刚性片3、下刚性片4的形状、宽度、厚度不作特定要求，如图1A所示，上刚性片延长一段。

本发明的柔性铰链，当下刚性片4固定在基座上，上刚性片3可绕着虚拟远程运动中心O点转动，即在以虚拟远程运动中心O点为球心的球面上移动，这种运动等价于刚性的弧形滑轨，所以本发明的柔性铰链可作为柔性机构中的弧形滑轨使用。本发明的柔性铰链作为柔性弧形滑轨使用时，与其他柔性RCM机构(如等腰梯形柔性铰链)相比，其优点与刚性弧形滑轨相似，即：铰链形状为远离虚拟中心点的扇环，可以在保证运动精度的前提下距离虚拟远程运动中心O较远，并且结构紧凑。但是，单个本发明柔性铰链运动范围有限，可通过多个本发明柔性铰链单元的串联构成的多个组合柔性铰链来增加其行程。

请参见图2所示，本发明柔性铰链的前视面中左簧片1、右簧片2为扇环形状，且左簧片1的前端面102的弧长短于后端面101的弧长，右簧片2的前端面202的弧长短于后端面201的弧长。

请参见图3所示，本发明柔性铰链的仰视面中上刚性片3、下刚性片4可以为扇环形状。在本发明中，只需保证左簧片1、右簧片2的形状，而对上刚性片3、下刚性片4的形状、宽度、厚度不作特定要求。

在本发明中，左簧片1、右簧片2沿着球面坐标系半径方向的截面厚度是不相等的，它们的截面形状为以虚拟远程运动中心O点为圆心的扇环，在精度要求较低时，为了加工方便可将弧线取直。

请参见图4所示，是一个采用三个本发明柔性铰链单元串联构成的一个用于大行程柔性弧形滑轨的柔性铰链(为了方便以下区别说明，称作三串联柔性铰链)。其结构特征为：第一个柔性铰链单元的上刚性片与第二个柔性铰链单元的上刚性片连接构成A中间刚性片5，第二个柔性铰链单元的下刚性片与第三个柔性铰链单元的下刚性片连接构成B中间刚性片8。在这个三串联柔性铰链中，动刚性片7是第三个柔性铰链单元的上刚性片，静刚性片6则是第一个柔性铰链单元的下刚性片。这三个柔性铰链单元的虚拟远程运动中心点是重合的。当静刚性片6固定在基座上时，动刚性片7可绕着虚拟远程运动中心点转动，转动范围(最大行程)是单个本发明柔性铰链单元的3倍。

当采用2个本发明柔性铰链单元串联时(称作双串联柔性铰链)，第一个柔性铰链单元的上刚性片与第二个柔性铰链单元的上刚性片通过刚性片连接构成中间刚性片，当第一个柔性铰链单元的下刚性片固定在基座上时，第二个柔性铰链单元的下刚性片则绕着虚拟远程运动中心点转动，转动范围是单个本发明柔性铰链单元的2倍。

当采用多个本发明柔性铰链单元串联时(称作多串联柔性铰链)，若本发明柔性铰链单元的数目为偶数时，其结构特征与双串联柔性铰链相似；若本发明柔性铰链单元的数目为奇数时，其结构特征与三串联柔性铰链相似。多串联柔性铰链的转动范围与单个本发明柔性铰链单元相比成倍数增加，可作为大行程的弧线柔性滑轨。

Claims (6)

1、一种用于柔性弧形滑轨的具有虚拟远程运动中心的柔性铰链，其特征在于：由左簧片(1)、右簧片(2)、上刚性片(3)和下刚性片(4)组成，左簧片(1)与右簧片(2)对称设置在上刚性片(3)、下刚性片(4)之间；左簧片(1)、右簧片(2)的上下两端与上刚性片(3)、下刚性片(4)的八条相交线的延长线交于虚拟远程运动中心O；左簧片(1)的前端面(102)、后端面(101)，与右簧片(2)的前端面(202)、后端面(201)位于中心为虚拟远程运动中心O点的同心球面上且位于球面同侧。

2、根据权利要求1所述的柔性铰链，其特征在于：前视面中左簧片(1)、右簧片(2)为扇环形状，且左簧片(1)的前端面(102)的弧长短于后端面(101)的弧长，右簧片(2)的前端面(202)的弧长短于后端面(201)的弧长。

3、根据权利要求1所述的柔性铰链，其特征在于：左簧片(1)、右簧片(2)沿着半径方向的截面厚度是不相等的，其截面形状为以虚拟远程运动中心O点为圆心的扇环。

4、根据权利要求1所述的柔性铰链，其特征在于：采用2个所述柔性铰链串接，并将这2个柔性铰链的虚拟中心点重合，构成双串联柔性铰链，其行程为单个柔性铰链的2倍。

5、根据权利要求1所述的柔性铰链，其特征在于：采用3个所述柔性铰链串接，并将这3个柔性铰链的虚拟中心点重合，构成三串联柔性铰链，其行程为单个柔性铰链的3倍。

6、根据权利要求1所述的柔性铰链，其特征在于：采用多个所述柔性铰链串接，并将每个柔性铰链的虚拟中心点重合，构成多串联柔性铰链，其行程成倍数增加。

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