CN101709748A - 一种柔性关节组成的双万向节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性关节组成的双万向节，可用作机器人、多维激振台的各类关节，属于机器人、多维激振台等应用领域。本发明由双万向节由四个圆筒状柔性转动副和三块钢板联接板组成。圆筒状柔性转动副由柔性材料弹簧钢加工而成，柔性转动副有圆弧形缺口，圆弧形缺口大小在30°～70°之间。一个圆柱形圆筒相当于一个柔性转动副，轴线相互垂直的两个圆筒形柔性转动副通过焊接组合在一起，形成一个单万向节。本发明将普通万向节以柔性运动副代替，形成全新的柔性运动副。柔性运动副是一种靠材料的弹性变形来实现期望的运动输出的运动副，结构简单，造价低，转动灵活，无需润滑，可避免因万向节间隙而引起的运动失真。

Description

一种柔性关节组成的双万向节

技术领域

本发明专利涉及一种柔性关节组成的双万向节，此关节是柔性关节，可用作机器人、多维激振台的各类关节，属于机器人、多维激振台等应用领域。

背景技术

万向节结构的特殊性使它可用于在工作过程中相对位置不断改变的两根轴之间的动力传递。这个特性不同于常规机械传动中的齿轮传动、带传动和链传动，所以万向节被广泛应用于现代汽车、轮式工程机械和中型以上农用车辆中，同时万向节还被广泛应用于多维激振台试验中。本文提出的新型柔性双万向节关节采用柔性材料弹簧钢制成，可替代多维激振台机构中的双万向节运动副，可避免振动试验中因万向节间隙而引起的运动失真。人们很早就对材料柔性和构件弹性变形产生了兴趣，但真正关于柔性单元以及含有柔性单元的机构进行理论研究始于1965年。20世纪80年代，Purdue大学的Midha等才真正开始对具有柔性单元机构进行系统性研究，并赋予该类机构一个专门术语——柔性机构。从此研究柔性铰链和柔性机构的结构、材料、性能、应用等内容的论文不断涌现。北京交通大学博士学位论文《柔性关节及3-DOF微动平面并联机器人设计与分析》公开了一种“U型柔性关节”，此“U型柔性关节”是属于一种柔性单万向节。其变形量只适用于微动关节，变形量较小。其结构为缩颈型，不同于本文申请的圆筒型结构。本申请由于是圆筒形结构，可以实现大变形量及承受大载荷。CN 87103541A公开了一种“万向节”。这种万向节仍是由刚性构件组成，它只能保证所有的四个轴承部位能均匀长期的加注润滑剂，不具有柔性关节功能，因此其结构存在间隙，不能满足多维激振台无间隙的要求。

发明内容

本发明的目的是要提供一种新型的柔性关节组成的双万向节，此柔性双万向节由两组两个轴线相互垂直且有圆弧形缺口的圆筒型柔性转动副，每组两个圆筒形关节相互焊接，再通过连接钢板(共三块)相互焊接而成，材料采用柔性材料弹簧钢。此柔性关节其每个柔性关节转动变形量可达60度，负载可达2吨，而且能够实现远距离传动。此双万向节具有：若输入轴与输出轴布置得当(输入轴与输出轴同轴)，可实现输入轴转速与输出轴转速相同。此双万向节结构简单，造价低，转动灵活，无需润滑，工作性能可靠，可避免因万向节间隙而引起的运动失真。

本发明的技术方案是：

可适用于机器人或多维激振台机构中需要采用无间隙的输入与输出轴是浮动的远距离传动场合。此柔性双万向节由两组两个轴线相互垂直且有圆弧形缺口的圆筒型柔性转动副，每组两个圆筒形关节相互焊接，再通过连接钢板相互焊接而成。

此圆筒型双万向柔性转动副由柔性材料弹簧钢加工而成，弹簧钢弹性模数E＝2.1×10⁶公斤/cm²，泊松比μ＝0.25～0.30。将弹簧钢板卷成一圆筒状，并预留一个30°～70°大小的圆弧形缺口，圆筒外径d的取值大小一般要大于10mm，弹簧钢的厚度t可选择0.5～2mm，宽度b可选择在15～50mm范围内。柔性转动副具体尺寸还需由负载大小来决定，需保证柔性万向节在使用时在弹性变形范围之内及强度安全范围之内。一个圆柱形圆筒相当于一个柔性转动副，轴线相互垂直的两个圆筒形柔性转动副通过焊接组合在一起，形成一个单万向节。

联接板一1、联接板二4、联接板三7由钢板加工而成。

本发明的优点在于：

1、柔性双万向节代替普通的传统的运动副双万向节，可形成由柔性双万向节组成的全新的柔性机构。

2、由于此柔性双万向节不存在间隙，将此柔性万向节用于机器人、激振台试验等可避免因普通万向节间隙而引起的运动失真。

3、该柔性双万向节结构简单紧凑小巧，可靠性高，转动灵活，无需润滑，成本低廉，且易于控制。

附图说明

图1为本发明一种双万向柔性关节组成的双万向节的主视图。

图2为本发明一种双万向柔性关节组成的双万向节的俯视图。

图3为单个柔性转动副的立体图。

图4为两个柔性转动副组成的立体图。

图5为一种双万向柔性关节组成的双万向节的立体图。

图6为单个柔性转动副尺寸标注主视图。

图7为单个柔性转动副尺寸标注左视图。

图8为本发明用于多维激振台可实现三维激振的应用实例图。

图中，1，联接板一；2，柔性转动副一；3，柔性转动副二；4，联接板二；5，柔性转动副三；6，柔性转动副四；7，联接板三。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行进一步说明。

一种双万向柔性关节组成的双万向节由柔性转动副一2、柔性转动副二3、柔性转动副三5、柔性转动副四6、和联接板一1、联接板二4、联接板三7组成。柔性转动副一2、柔性转动副二3、柔性转动副三5、柔性转动副四6为开有圆弧形缺口圆筒。柔性转动副一2和柔性转动副二3轴向垂直连接，柔性转动副三5、柔性转动副四6轴向垂直连接。联接板一1与柔性转动副一2连接且相切。柔性转动副二3和柔性转动副三5通过联接板二4连接，且联接板二4与柔性转动副二3、柔性转动副三5同时相切。联接板三7与柔性转动副四6连接且相切。

圆筒状柔性转动副由柔性材料加工而成，柔性转动副有圆弧形缺口，柔性转动副具体尺寸还需由负载大小来决定，需保证柔性万向节在使用时在弹性变形范围之内及强度安全范围之内。一个圆柱形圆筒相当于一个柔性转动副，轴线相互垂直的两个圆筒形柔性转动副通过焊接组合在一起，形成一个柔性单万向节。

联接板一1、联接板二4、联接板三7由钢板加工而成。

相邻的两个柔性转动副R的轴线相互垂直，两个轴线相互垂直的且相邻的转动副可以看作是一个单万向节。此柔性双万向节结构稳定，加工简单，转动灵活，且无需润滑。运动副之间无间隙，可保证运动传递不失真。本发明将普通万向节以柔性运动副代替，形成全新的柔性双万向节运动副。柔性运动副是一种靠材料的弹性变形来实现期望的运动输出的运动副，且有很多优点。如图3和图4所示，将柔性转动副一2与柔性转动副二3两构件焊接成一整体，靠材料的弹性变形可实现柔性转动副一2与柔性转动副二3两构件的相对转动，即相当于传统的单万向节。如图5所示，将联接板一1、柔性转动副一2、柔性转动副二3、联接板二4、柔性转动副三5、柔性转动副四6、联接板三7七个构件通过四个柔性转动副联接起来，靠柔性转动副一2、柔性转动副二3、柔性转动副三5、柔性转动副四6的弹性变形实现构件间的相对运动。

如图6所示柔性转动副(b＝20mm，d＝19mm，t＝1mm)，A点固定，B处施加一大小为2000N·mm的转矩，利用有限元分析软件ANASYS进行有限元分析，最终得到柔性转动副的最大变形8毫米左右，由此证明此柔性转动副能够承受一定的载荷。其变形量大小应按设计要求来确定具体截面尺寸。

如图7所示，把双万向柔性转动副应用到三平移并联机构中，可实现三平移多维激振，三平移并联机构以-P-R-R-R-R为支路结构。从图7中可以看出，相邻的两个转动副R的两个轴线相互垂直，因为两个轴线相互垂直且相邻的转动副R可以看成一个单万向节。在高频振动时，振动幅值较小，由于此双向万向节无间隙，可传递运动不失真，实现动平台激振运动。此机构秉承了并联机构特有的优点：刚度大、结构稳定、承载能力强、精度高、运动惯性小等。

Claims (5)

1.一种柔性关节组成的双万向节，其特征在于，由联接板一(1)、柔性转动副一(2)、柔性转动副二(3)、联接板二(4)、柔性转动副三(5)、柔性转动副四(6)和联接板三(7)组成；所述柔性转动副一(2)、柔性转动副二(3)、柔性转动副三(5)、柔性转动副四(6)为开有圆弧形缺口圆筒；所述柔性转动副一(2)和柔性转动副二(3)轴向垂直连接，所述柔性转动副三(5)、柔性转动副四(6)轴向垂直连接；所述联接板一(1)与柔性转动副一(2)连接且相切；所述柔性转动副二(3)和柔性转动副三(5)通过联接板二(4)连接，且联接板二(4)与柔性转动副二(3)、柔性转动副三(5)同时相切；所述联接板三(7)与柔性转动副四(6)连接且相切；柔性转动副一(2)、柔性转动副二(3)、柔性转动副三(5)、柔性转动副四(6)为柔性材料制成。

2.根据权利要求1所述的一种柔性关节组成的双万向节，其特征在于，所述柔性材料为弹簧钢，弹簧钢弹性模数E＝2.1×10⁶公斤/cm²，泊松比μ＝0.25～0.30。

3.根据权利要求1或2所述的一种柔性关节组成的双万向节，其特征在于，所述柔性转动副一(2)、柔性转动副二(3)、柔性转动副三(5)、柔性转动副四(6)的圆弧形缺口大小为30°～70°，圆筒外径d大于10mm，弹簧钢的厚度t为0.5～2mm，宽度b为15～50mm。

4.根据权利要求1所述的一种柔性关节组成的双万向节，其特征在于，所述联接板一(1)、联接板二(4)、联接板三(7)为钢板制成。

5.根据权利要求1所述的一种柔性关节组成的双万向节，其特征在于，所述联接板一(1)、柔性转动副一(2)、柔性转动副二(3)、联接板二(4)、柔性转动副三(5)、柔性转动副四(6)、联接板三(7)是通过焊接相连的。

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