CN101985960A

CN101985960A - 一种多簧片大变形柔性虎克铰

Info

Publication number: CN101985960A
Application number: CN 201010566231
Authority: CN
Inventors: 孙炜; 张宪民; 管怡生
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2011-03-16

Abstract

本发明公开了一种多簧片大变形柔性虎克铰，包括外圈一、外圈二、芯体和两组簧片；垂直正交的外圈一和外圈二分别通过一组簧片与芯体连接，外圈一和外圈二为圆圈形；每组簧片在外圈一和外圈二内均匀分布至少三对簧片；每一对簧片由2个簧片组成，两个簧片从芯体接近的位置从相反的方向形成圆弧连接到外圈一或外圈二上，构成一对簧片；外圈一和外圈二在相交处分别开有凹槽，其中外圈一凹槽开口向外，外圈二凹槽开口向向内，使外圈一和外圈二在相交处保持间隔，其中外圈一位于外圈二外侧。本发明柔性虎克铰是一种多簧片柔性铰链结构，具有行程大、精度高的优点。并且在转动时轴心漂移很小，适用于大行程精密控制构。

Description

一种多簧片大变形柔性虎克铰

技术领域

本发明涉及一种柔性铰链，特别是涉及一种多簧片大变形柔性虎克铰，适用于精密机械、机器人等技术领域。

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。

虎克铰又称万向铰，虎克铰是轴线通过同一点的两个转动副的组合，允许两构件沿着相互垂直的轴线有两个相对转动的自由度。由于虎克铰具有两个独立转角运动范围较大、间隙小及抗拉强度高等优点，广泛地应用在各种形式的并联机器人中。

柔性铰链是柔性机构中一种典型的柔性元素。而在微动领域，柔性虎克铰的设计却并不多见。传统的柔性铰链中，有一些有类似虎克铰功能的铰链，但大多为切口型柔性铰链，这种切口型柔性铰链变形小，难以适应一些大转角大位移的场合，并且转动中心漂移严重，在大变形情况下难以提高其转动精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种分布式大变形柔性虎克铰，该虎克铰实现高精度、大角度的二维转动运动，最大行程为士5°～士10°。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种多簧片大变形柔性虎克铰，包括外圈一、外圈二、芯体和两组簧片；垂直正交的外圈一和外圈二分别通过一组簧片与芯体连接，外圈一和外圈二为圆圈形；每组簧片在外圈一和外圈二内均匀分布至少两对簧片；每一对簧片由2个簧片组成，两个簧片从芯体接近的位置从相反的方向形成圆弧连接到外圈一或外圈二上，构成一对簧片；外圈一和外圈二在相交处分别开有凹槽，其中外圈一凹槽开口向外，外圈二凹槽开口向向内，使外圈一和外圈二在相交处保持间隔，其中外圈一位于外圈二外侧；外圈一和外圈二分别至少设有一个安装孔，用于与连接杆和/或底座相连。

为进一步实现本发明目的，每组簧片在外圈内均匀阵列分布三个簧片对，每对簧片的中心线夹角为120度。

每个簧片的厚度t与簧片的圆弧曲率半径R满足t＜0.1R。

外圈一和外圈二的宽度w都是簧片厚度t的20～50倍。

外圈一和外圈二的凹槽两侧夹角为30-50度。

所述芯体为球形、立方体或多面体。

本发明在芯体上以球体轴线为中心，垂直正交分布外圈一和外圈二及两组簧片，每个簧片组在外圈内均匀分布三个簧片对。本发明采用曲线簧片对称分布柔度设计，有较高的轴向刚度和较好的径向刚度，与传统的切口型柔性铰链相比，转动范围大大增加，并且在转动时轴心漂移很小，是一种性能优良的大变形的柔性虎克铰，实用于大行程精密控制机构。

本发明多簧片大变形柔性虎克铰的优点在于：

(1)采用了中空设计，从而降低了结构的内应力，这样就提高了其转动范围以及疲劳寿命。

(2)本发明设计的柔性虎克铰可实现高精度、大角度的二维转动运动，可根据实际工作需求调整柔性虎克铰的结构尺寸，两个方向的最大转动范围为士5°～士10°；可用于精密柔性机械、机器人关节等领域。

(3)外圈一中的第一簧片与第二簧片构成第一对簧片，第三簧片与第四簧片构成第二对簧片，第五簧片与第六簧片构第三对簧片；外圈二中的第七簧片与第八簧片构成第四对簧片，第九簧片与第十簧片构成五对簧片，第十一簧片与第十二簧片构第六对簧片。每个外圈内的三对曲线簧片紧密对向布置，改善了铰链刚度特性，使其在完成大变形功能的同时，获得较好的刚度。

(4)在球体上以球体轴线为中心，垂直正交分布外圈一和外圈二及两组簧片，每个簧片组在外圈内均匀阵列分布三个簧片对。将三个曲线簧片对以球体的中心轴线进行均匀阵列分布，提高了铰的轴向刚度和径向刚度。并且这种柔性单元的分布形式使得柔性铰链在大角度转动有很高的轴向精度，两个外圈在转动时耦合很小，且在转动时轴心漂移很小。

(5)采用线切割机床一体化加工成型，避免了装配引入的误差。

附图说明

图1是本发明多簧片大变形柔性虎克铰的结构图。

图2是图1的主视图。

图3是图2的左视图。

图中示出：外圈一1、A安装孔101、B安装孔102、A凹槽103、B凹槽104、簧片对中心线105、第一簧片111、第二簧片112、第三簧片113、第四簧片114、第五簧片115、第六簧片116、外圈二2、C安装孔201、D安装孔202、C凹槽203、D凹槽204、第七簧片211、第八簧片212、第九簧片213、第十簧片214、第十一簧片215、第十二簧片216、球芯3。

具体实施方式

为更好理解本发明，下面结合附图对本发明做进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表示的范围。

如图1、2、3所示，一种多簧片大变形柔性虎克铰包括外圈一1、外圈二2、芯体3和两组簧片；垂直正交的外圈一1和外圈二2分别通过一组簧片与芯体3连接，外圈一1和外圈二2为圆圈形；每组簧片在外圈内均匀分布至少三对簧片；每一对簧片由2个簧片组成，每一个簧片成圆弧状连接在芯体和外圈一1或外圈二2上，两个簧片从芯体接近的位置从相反的方向形成圆弧连接到外圈一1和外圈二2上，构成一对簧片；外圈一1和外圈二2在相交处分别开有凹槽，其中外圈一1凹槽开口向外，外圈二2凹槽开口向向内，使外圈一1和外圈二2在相交处保持间隔，其中外圈一1位于外圈二2外侧。外圈一1和外圈二2分别至少设有一个安装孔，用于与连接杆和/或底座相连。如外圈一1上设有A安装孔101和B安装孔102，外圈二2上设有的C安装孔201和D安装孔202。外圈一1分别通过A安装孔101和B安装孔102与连接杆和底座相连；外圈二2通过C安装孔201和D安装孔202与连接杆和底座相连。安装孔的位置和数目，可根据实际使用情况下，与连杆以及底座的连接状况，在外圈的圆周上调整。芯体3可采用球形，也可采用立方体或多面体。

外圈一1上设有A凹槽103和B凹槽104；A凹槽103和B凹槽104两侧夹角为30-50度；外圈二2上设有C凹槽203和D凹槽204；C凹槽203和D凹槽204两侧夹角为30-50度，用以保证本发明的多簧片大变形柔性虎克铰在转动过程中，外圈一与外圈二不会发生干涉。A凹槽103、B凹槽104、C凹槽203和D凹槽204两侧夹角是指一个凹槽弧形长度两端与球心连线的夹角，也就是用来限定凹槽的长度的。

以球体轴线为中心，两组簧片中每组簧片在外圈内均匀阵列分布三个簧片对，每对簧片的中心线夹角为120度。

外圈一1和芯体3之间设有三对连接簧片，分别是第一簧片111、第二簧片112、第三簧片113、第四簧片114、第五簧片115和第六簧片116；其中第一簧片111与第二簧片112构成第一对簧片，第三簧片113与第四簧片114构成二对簧片，第五簧片115与第六簧片116构第三对簧片，第一对、第二对、第三对簧片的中心线夹角为120度；其中一对簧片的两个簧片其中心线对称分布，弯曲方向相反见图2。如第一簧片111与第二簧片112关于其中心线对称分布，弯曲方向相反。两个簧片直接与芯体3和外圈一1连接，可采用一体化加工，也可分别加工外圈、球心和簧片，再进行装配。

外圈二2和芯体3之间设有三组连接簧片，分别是第七簧片211、第八簧片212、第九簧片213、第十簧片214、第十一簧片215、第十二簧片216，第七簧片211与第八簧片212构成第四对簧片，第九簧片213与第十簧片214构成五对簧片，第十一簧片215与第十二簧片216构第六对簧片，第四对、第五对、第六对簧片的中心线夹角为120度。簧片的分布同第一簧片111与第二簧片112。

每个簧片的厚度t与簧片的圆弧曲率半径R满足t＜0.1R。如第一簧片111的厚度与第一簧片111的曲率半径R₁的关系为t₁＜0.1R₁；其它十一个簧片厚度与第一簧片111的厚度相同，曲率半径也相同。

外圈一和外圈二的宽度w都是簧片厚度t的20～50倍，以保证外圈有足够的刚度。即外圈一和外圈二的宽度20t＜w＜50t。

制备时，采用精密走丝线切割机床一体化加工有芯体3、外圈一1及外圈二2；在外圈一1上加工A安装孔101、B安装孔102、A凹槽103、B凹槽104；在外圈二上加工C凹槽203、D凹槽204、C安装孔201和D安装孔202；整个柔性虎克铰可采用精密走丝线切割机床一体化加工，也可分别用线切割加工外圈、芯体和簧片，用焊接的方法进行装配，或通过在芯体和外圈上开槽，然后将簧片插入进行装配。

本发明多簧片大变形柔性虎克铰，有两种运动方式。

运动方式一：通过A安装孔101、B安装孔102固定外圈一1，在外圈二2上的C安装孔201、D安装孔202上，施加以几何中心O点(即球体3的球心)为中心的转矩，使柔性虎克铰的外圈二2产生以球体3的球心为中心的二维转动，具体来说就是外圈二2在外圈一1所在的平面内以球体3的球心为中心产生了一维转动，以及外圈二2在外圈二2所在的平面内以球体3的球心为中心产生了一维转动。两个方向的最大转动范围均为士5°～士10°，轴漂移接近于0，在非功能方向上具有较好的刚度。

运动方式二：通过C安装孔201、D安装孔202固定外圈二2，在外圈一1上的A安装孔101、B安装孔102上，施加以几何中心O点(即球体3的球心)为中心的转矩，使柔性虎克铰的外圈一1产生以球体3的球心为中心的二维转动，具体来说就是外圈一1在外圈一1所在的平面内以球体3的球心为中心产生了一维转动，以及外圈一1在外圈二2所在的平面内以球体3的球心为中心产生了一维转动。两个方向的最大转动范围均为士5°～士10°，轴漂移接近于0，在非功能方向上具有较好的刚度。

多簧片大变形柔性虎克铰不但能实现的大角度的转动，而且能减小轴漂移，并增加了非功能方向上的刚度。第一簧片111、第二簧片112、第三簧片113、第四簧片114、第五簧片115、第六簧片116以球体中心轴线对称，在外圈一1内均匀分布；第七簧片211、第八簧片212、第九簧片213、第十簧片214、第十一簧片215、第十二簧片216以球体中心轴线对称，在外圈二2内均匀分布，形成外圈一和外圈二垂直正交分布的分布式多簧片大变形柔性虎克铰。薄板柔性单元的变形量本身就比较大，并且曲线薄板柔性单元可以实现双向变形，即可以向曲率增加的方向变形，也可以向曲率减小的方向变形，这就保证了通过曲线簧片连接的外圈可以绕芯体做大角度转动。由于12个曲线簧片几何结构相同，完全对称分布，假设铰链所用材料在受力变形时不存在材料非线性，当铰链中心受到转矩作用时，此转动柔性铰链没有转动中心的漂移。由于本柔性虎克铰的两个外圈具有足够的厚度和刚度，12个簧片在非功能方向上也具有一定宽度，因此，本柔性虎克铰在非功能方向上具有较好的刚度，能承受一定的载荷。

Claims

1.一种多簧片大变形柔性虎克铰，其特征在于：包括外圈一(1)、外圈二(2)、芯体(3)和两组簧片；垂直正交的外圈一(1)和外圈二(2)分别通过一组簧片与芯体(3)连接，外圈一(1)和外圈二(2)为圆圈形；每组簧片在外圈一(1)和外圈二(2)内均匀分布至少两对簧片；每一对簧片由2个簧片组成，两个簧片从芯体接近的位置从相反的方向形成圆弧连接到外圈一(1)或外圈二(2)上，构成一对簧片；外圈一(1)和外圈二(2)在相交处分别开有凹槽，其中外圈一(1)凹槽开口向外，外圈二(2)凹槽开口向向内，使外圈一(1)和外圈二(2)在相交处保持间隔，其中外圈一(1)位于外圈二(2)外侧；外圈一(1)和外圈二(2)分别至少设有一个安装孔，用于与连接杆和/或底座相连。

2.根据权利要求1所述的多簧片大变形柔性虎克铰，其特征在于：每组簧片在外圈内均匀阵列分布三对簧片，每对簧片的中心线夹角为120度。

3.根据权利要求1所述的多簧片大变形柔性虎克铰，其特征在于：每个簧片的厚度t与簧片的圆弧曲率半径R满足t＜0.1R。

4.根据权利要求1所述的多簧片大变形柔性虎克铰，其特征在于：外圈一和外圈二的宽度w都是簧片厚度t的20～50倍。

5.根据权利要求1所述的多簧片大变形柔性虎克铰，其特征在于：外圈一和外圈二的凹槽两侧夹角为30-50度。

6.根据权利要求1所述的多簧片大变形柔性虎克铰，其特征在于：所述芯体为球形、立方体或多面体。