CN103410856A

CN103410856A - 一种基于尺蠖效应的全周柔性轴承

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Publication number: CN103410856A
Application number: CN2013103037395A
Authority: CN
Inventors: 毕树生; 刘浪; 刘畅
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2013-07-18
Filing date: 2013-07-18
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2033-07-18
Also published as: CN103410856B

Abstract

本发明公开了一种基于尺蠖效应的全周柔性轴承，该轴承包括有A柔性轴承（1）、B柔性轴承（2）、中间法兰（3）、A端部法兰（4）、套筒（5）、B端部法兰（6）、六个压电陶瓷驱动器和六个圆柱销。将A端部法兰（4）、A柔性轴承（1）、中间法兰（3）、B柔性轴承（2）和B端部法兰（6）顺次排列，并通过圆柱销连接在一起，然后在外部套上套筒5。每三个压电陶瓷驱动器安装在一个柔性轴承上。本发明全周柔性轴承克服了传统柔性轴承的行程限制，可以实现360°整周旋转，且理论上行程无限。

Description

一种基于尺蠖效应的全周柔性轴承

技术领域

本发明涉及一种轴承，更特别地说，是指一种基于尺蠖效应的全周柔性轴承。

背景技术

柔性轴承拥有众多刚性轴承所没有的优点，如无摩擦、无间隙、无磨损、免润滑、免维护等，已经在柔性机构中得到广泛应用。但行程的有限极大地桎梏了柔性轴承自身的发展。尽管可以通过串联、折叠簧片等方法来构造较大行程的复合柔性轴承，但行程依然有限。因此，设计一种可整周旋转的柔性轴承，将是对传统柔性轴承行程有限的重大突破。

发明内容

为了克服现有柔性轴承行程有限的缺点，本发明设计了一种基于尺蠖效应的全周柔性轴承。本发明的全周柔性轴承借鉴自然界中尺蠖的蠕动爬行方式，当某一柔性轴承的钳位机构工作时，另一轴承钳位机构则释放。通过控制压电陶瓷驱动器的驱动时序，实现两个柔性轴承的交替工作，进而可实现360°整周旋转。

本发明的一种基于尺蠖效应的全周柔性轴承，该轴承包括有A柔性轴承（1）、B柔性轴承（2）、中间法兰（3）、A端部法兰（4）、套筒（5）、B端部法兰（6）、六个压电陶瓷驱动器和六个圆柱销；

中间法兰（3）上设有连接环（34），所述连接环（34）的内壁上均匀分布有三个CA扇形块（31）、CB扇形块（32）、CC扇形块（33）；

A端部法兰（4）上设有DA扇形块（41）、DB扇形块（42）、DC扇形块（43）、AA接合块（44）、AB接合块（45）和AC接合块（46），所述扇形块与所述接合块间隔设置，即DA扇形块（41）与DB扇形块（42）之间是AA接合块（44），DB扇形块（42）与DC扇形块（43）之间是AB接合块（45），DC扇形块（43）与DA扇形块（41）之间是AC接合块（46）。

DA扇形块（41）与连接环（47）内壁之间开有AA切缝（41A）。DB扇形块（42）与连接环（47）内壁之间开有AB切缝（42A）。DC扇形块（43）与连接环（47）内壁之间开有AC切缝（43A）。

B端部法兰（6）上设有FA扇形块（61）、FB扇形块（62）、FC扇形块（63）、BA接合块（64）、BB接合块（65）和BC接合块（66），所述扇形块与所述接合块间隔设置，即FA扇形块（61）与FB扇形块（62）之间是BA接合块（64），FB扇形块（62）与FC扇形块（63）之间是BB接合块（65），FC扇形块（63）与FA扇形块（61）之间是BC接合块（66）。

FA扇形块（61）与连接环（67）内壁之间开有BA切缝（61A）。FB扇形块（62）与连接环（67）内壁之间开有BB切缝（62A）。FC扇形块（63）与连接环（67）内壁之间开有BC切缝（63A）。

套筒（5）的中部为空腔（52）结构。

A柔性轴承（1）上设有第一钳位机构（11）、第二钳位机构（12）、第三钳位机构（13）、轴承圆环（14）、簧片（15）、中心立柱（16）、AA扇形块（1A）、AB扇形块（1B）、AC扇形块（1C）；所述中心立柱（16）位于A柔性轴承（1）的中心部位；

所述簧片（15）分别为AA簧片（15A）、AB簧片（15B）、AC簧片（15C）、AD簧片（15D）、AE簧片（15E）、AF簧片（15F）；其中：

AA簧片（15A）的一端与AA扇形块（1A）接合，AA簧片（15A）的一端与中心立柱（16）接合；所述AA扇形块（1A）上设有供A圆柱销（81）和B圆柱销（82）穿过的销孔，AA扇形块（1A）的外壁与轴承圆环（14）的内壁之间设有AA切缝（14A）；

AB簧片（15B）的一端与轴承圆环（14）接合，AB簧片（15B）的一端与中心立柱（16）接合；

AC簧片（15C）的一端与AB扇形块（1B）接合，AC簧片（15C）的一端与中心立柱（16）接合；所述AB扇形块（1B）上设有供C圆柱销（83）和D圆柱销（84）穿过的销孔，AB扇形块（1B）的外壁与轴承圆环（14）的内壁之间设有AB切缝（14B）；

AD簧片（15D）的一端与轴承圆环（14）接合，AD簧片（15D）的一端与中心立柱（16）接合；

AE簧片（15E）的一端与AC扇形块（1C）接合，AE簧片（15E）的一端与中心立柱（16）接合；所述AC扇形块（1C）上设有供E圆柱销（85）和F圆柱销（86）穿过的销孔，AC扇形块（1C）的外壁与轴承圆环（14）的内壁之间设有AC切缝（14C）；

AF簧片（15F）的一端与轴承圆环（14）接合，AF簧片（15F）的一端与中心立柱（16）接合。

所述轴承圆环（14）的外壁上均匀设有第一钳位机构（11）、第二钳位机构（12）、第三钳位机构（13）、AA钳位槽（1D）、AB钳位槽（1E）和AC钳位槽（1F）；第一钳位机构（11）与第二钳位机构（12）之间是AB钳位槽（1E），所述AB钳位槽（1E）内安装有D压电陶瓷驱动器（74）；第二钳位机构（12）与第三钳位机构（13）之间是AC钳位槽（1F），所述AC钳位槽（1F）内安装有F压电陶瓷驱动器（76）；第三钳位机构（13）与第一钳位机构（11）之间是AA钳位槽（1D），所述AA钳位槽（1D）内安装有B压电陶瓷驱动器（72）。

第一钳位机构（11）上设有A顶块（11A）、AA连接块（111）、AB连接块（112）、AC连接块（113）、EA连接块（151）、EB连接块（152）、EC连接块（153）；

AA连接块（111）与AB连接块（112）的接合处为AA铰链（114）；

AB连接块（112）与轴承圆环（14）的接合处为AB铰链（115），AB连接块（112）与AC连接块（113）的接合处为AC铰链（116）；

AC连接块（113）与A顶块（11A）的接合处为AD铰链（117）；

EA连接块（151）与EB连接块（152）的接合处为EA铰链（154）；

EB连接块（152）与轴承圆环（14）的接合处为EB铰链（155），EB连接块（152）与EC连接块（153）的接合处为EC铰链（156）；

EC连接块（153）与A顶块（11A）的接合处为ED铰链（157）。

第二钳位机构（12）上设有B顶块（12A）、BA连接块（121）、BB连接块（122）、BC连接块（123）、FA连接块（161）、FB连接块（162）、FC连接块（163）；

BA连接块（121）与BB连接块（122）的接合处为BA铰链（124）；

BB连接块（122）与轴承圆环（14）的接合处为BB铰链（125），BB连接块（122）与BC连接块（123）的接合处为BC铰链（126）；

BC连接块（123）与B顶块（12A）的接合处为BD铰链（127）；

FA连接块（161）与FB连接块（162）的接合处为FA铰链（164）；

FB连接块（162）与轴承圆环（14）的接合处为FB铰链（165），FB连接块（162）与FC连接块（163）的接合处为FC铰链（166）；

FC连接块（163）与B顶块（12A）的接合处为FD铰链（167）。

第三钳位机构（13）上设有C顶块（13A）、CA连接块（131）、CB连接块（132）、CC连接块（133）、GA连接块（171）、GB连接块（172）、GC连接块（173）；

CA连接块（131）与CB连接块（132）的接合处为CA铰链（134）；

CB连接块（132）与轴承圆环（14）的接合处为CB铰链（135），CB连接块（132）与CC连接块（133）的接合处为CC铰链（136）；

CC连接块（133）与C顶块（13A）的接合处为CD铰链（137）；

GA连接块（171）与GB连接块（172）的接合处为GA铰链（174）；

GB连接块（172）与轴承圆环（14）的接合处为GB铰链（175），GB连接块（172）与GC连接块（173）的接合处为GC铰链（176）；

GC连接块（173）与C顶块（13A）的接合处为GD铰链（177）。

B柔性轴承（2）上设有第四钳位机构（21）、第五钳位机构（22）、第六钳位机构（23）、轴承圆环（24）、簧片（25）、中心立柱（26）、BA扇形块（2A）、BB扇形块（2B）、BC扇形块（2C）；所述中心立柱（26）位于B柔性轴承（2）的中心部位；

所述簧片（25）分别为BA簧片（25A）、BB簧片（25B）、BC簧片（25C）、BD簧片（25D）、BE簧片（25E）、BF簧片（25F）；其中：

BA簧片（25A）的一端与BA扇形块（2A）接合，BA簧片（25A）的一端与中心立柱（26）接合；所述BA扇形块（2A）上设有供A圆柱销（81）和B圆柱销（82）穿过的销孔，BA扇形块（2A）的外壁与轴承圆环（24）的内壁之间设有BA切缝（24A）；

BB簧片（25B）的一端与轴承圆环（24）接合，BB簧片（25B）的一端与中心立柱（26）接合；

BC簧片（25C）的一端与BB扇形块（2B）接合，BC簧片（25C）的一端与中心立柱（26）接合；所述BB扇形块（2B）上设有供C圆柱销（83）和D圆柱销（84）穿过的销孔，BB扇形块（2B）的外壁与轴承圆环（24）的内壁之间设有BB切缝（24B）；

BD簧片（25D）的一端与轴承圆环（24）接合，BD簧片（25D）的一端与中心立柱（26）接合；

BE簧片（25E）的一端与BC扇形块（2C）接合，BE簧片（25E）的一端与中心立柱（26）接合；所述BC扇形块（2C）上设有供E圆柱销（85）和F圆柱销（86）穿过的销孔，BC扇形块（2C）的外壁与轴承圆环（24）的内壁之间设有BC切缝（24C）；

BF簧片（25F）的一端与轴承圆环（24）接合，BF簧片（25F）的一端与中心立柱（26）接合。

所述轴承圆环（24）的外壁上设有第四钳位机构（21）、第五钳位机构（22）、第六钳位机构（23）、BA钳位槽（2D）、BB钳位槽（2E）和BC钳位槽（2F）；第四钳位机构（21）与第五钳位机构（22）之间是BB钳位槽（2E），所述BB钳位槽（2E）内安装有C压电陶瓷驱动器（73）；第五钳位机构（22）与第六钳位机构（23）之间是BC钳位槽（2F），所述BC钳位槽（2F）内安装有E压电陶瓷驱动器（75）；第六钳位机构（23）与第四钳位机构（21）之间是BA钳位槽（2D），所述BA钳位槽（2D）内安装有A压电陶瓷驱动器（71）。

第四钳位机构（21）上设有D顶块（21A）、JA连接块（211）、JB连接块（212）、JC连接块（213）、RA连接块（251）、RB连接块（252）、RC连接块（253）；

JA连接块（211）与JB连接块（212）的接合处为JA铰链（214）；

JB连接块（212）与轴承圆环（24）的接合处为JB铰链（215），JB连接块（212）与JC连接块（213）的接合处为JC铰链（216）；

JC连接块（213）与D顶块（21A）的接合处为JD铰链（217）；

RA连接块（251）与RB连接块（252）的接合处为RA铰链（254）；

RB连接块（252）与轴承圆环（24）的接合处为RB铰链（255），RB连接块（252）与RC连接块（253）的接合处为RC铰链（256）；

RC连接块（253）与D顶块（21A）的接合处为RD铰链（257）。

第五钳位机构（22）上设有E顶块（22A）、KA连接块（221）、KB连接块（222）、KC连接块（223）、SA连接块（261）、SB连接块（262）、SC连接块（263）；

KA连接块（221）与KB连接块（222）的接合处为KA铰链（224）；

KB连接块（222）与轴承圆环（24）的接合处为KB铰链（225），KB连接块（222）与KC连接块（223）的接合处为KC铰链（226）；

KC连接块（223）与E顶块（22A）的接合处为KD铰链（227）；

RA连接块（261）与RB连接块（262）的接合处为RA铰链（264）；

RB连接块（262）与轴承圆环（24）的接合处为RB铰链（265），RB连接块（262）与RC连接块（263）的接合处为RC铰链（266）；

RC连接块（263）与E顶块（22A）的接合处为RD铰链（267）。

第六钳位机构（23）上设有F顶块（23A）、LA连接块（231）、LB连接块（232）、LC连接块（233）、TA连接块（271）、TB连接块（272）、TC连接块（273）；

LA连接块（231）与LB连接块（232）的接合处为LA铰链（234）；

LB连接块（232）与轴承圆环（24）的接合处为LB铰链（235），LB连接块（232）与LC连接块（233）的接合处为LC铰链（236）；

LC连接块（233）与F顶块（23A）的接合处为LD铰链（237）；

TA连接块（271）与TB连接块（272）的接合处为TA铰链（274）；

TB连接块（272）与轴承圆环（24）的接合处为TB铰链（275），TB连接块（272）与TC连接块（273）的接合处为TC铰链（276）；

TC连接块（273）与F顶块（23A）的接合处为TD铰链（277）。

本发明设计的全周柔性轴承的装配为：先将中间法兰（3）置于A柔性轴承（1）与B柔性轴承（2）之间，然后在A柔性轴承（1）的另一端放置A端部法兰（4），B柔性轴承（2）的另一端放置B端部法兰（6），从而形成叠层件；然后用六根圆柱销将叠层件固定在一起形成中间件；然后将六个压电陶瓷驱动器分别安装在A柔性轴承（1）和B柔性轴承（2）的上钳位槽内；最后在中间件的外部套上套筒形成全周柔性轴承。

本发明基于尺蠖效应的全周柔性轴承的优点在于：

①本发明所述的全周柔性轴承克服了传统柔性轴承的行程限制，可以实现360°整周旋转，且理论上行程无限。

②柔性轴承和钳位机构一体化设计，便于整体线切割加工，结构紧凑且保证了加工精度。

③钳位机构采用两级放大机构，从而对钳位机构的驱动器（压电陶瓷）行程要求降低，缩小了驱动器的尺寸。

④全周柔性轴承系统设计巧妙紧凑，对外接口良好，可直接应用于对行程有较大要求的精密定位领域。

附图说明

图1是本发明的全周柔性轴承的外部结构图。

图1A是本发明的全周柔性轴承的另一视角外部结构图。

图1B是本发明的全周柔性轴承的结构分解图。

图1C是本发明的全周柔性轴承的剖视图。

图1D是本发明的全周柔性轴承的内部图。

图2是本发明A端部法兰的正视图。

图2A是本发明A端部法兰的结构图。

图3是本发明B端部法兰的正视图。

图3A是本发明B端部法兰的结构图。

图4是本发明A柔性轴承的结构图。

图4A是本发明A柔性轴承的另一视角结构图。

图4B是本发明A柔性轴承的正视图。

图4C是本发明A柔性轴承的运动分析示意图。

图4D是本发明A柔性轴承中第一钳位机构的正视图。

图4E是本发明A柔性轴承中第二钳位机构的正视图。

图4F是本发明A柔性轴承中第三钳位机构的正视图。

图5是本发明B柔性轴承的结构图。

图5A是本发明B柔性轴承的另一视角结构图。

图5B是本发明B柔性轴承的正视图。

图5C是本发明B柔性轴承中第四钳位机构的正视图。

图5D是本发明B柔性轴承中第五钳位机构的正视图。

图5E是本发明B柔性轴承中第六钳位机构的正视图。

图6是本发明基于尺蠖效应的全周柔性轴承的运动原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图1A、图1B所示，本发明的一种基于尺蠖效应的全周柔性轴承，该轴承包括有A柔性轴承1、B柔性轴承2、中间法兰3、A端部法兰4、套筒5、B端部法兰6、六个压电陶瓷驱动器和六个圆柱销；

其中，A柔性轴承1与B柔性轴承2的结构相同，A端部法兰4与B端部法兰6的结构相同。

其中，六个压电陶瓷驱动器分别是A压电陶瓷驱动器71、B压电陶瓷驱动器72、C压电陶瓷驱动器73、D压电陶瓷驱动器74、E压电陶瓷驱动器75和F压电陶瓷驱动器76。压电陶瓷驱动器用于提供本发明全周柔性轴承中钳位机构的驱动力。

其中，六个圆柱销分别是A圆柱销81、B圆柱销82、C圆柱销83、D圆柱销84、E圆柱销85和F圆柱销86。圆柱销用于实现将A端部法兰4、A柔性轴承1、中间法兰3、B柔性轴承2和B端部法兰6串联安装在一起。

在本发明中，所谓的全周柔性轴承的全周，是指借助尺蠖效应原理，在旋转关节中引入尺蠖机构，利用两个柔性轴承的交替变形运动，实现步进式整周旋转。

（1）A柔性轴承1

参见图1B、图1C、图1D、图4、图4A、图4B，A柔性轴承1为线切割加工的一体成型结构件。

A柔性轴承1上设有第一钳位机构11、第二钳位机构12、第三钳位机构13、轴承圆环14、簧片15、中心立柱16、AA扇形块1A、AB扇形块1B、AC扇形块1C；所述中心立柱16位于A柔性轴承1的中心部位；

参见图4B所示，所述簧片15分别为AA簧片15A、AB簧片15B、AC簧片15C、AD簧片15D、AE簧片15E、AF簧片15F；其中：

AA簧片15A的一端与AA扇形块1A接合，AA簧片15A的一端与中心立柱16接合；所述AA扇形块1A上设有供A圆柱销81和B圆柱销82穿过的销孔，AA扇形块1A的外壁与轴承圆环14的内壁之间设有AA切缝14A；

AB簧片15B的一端与轴承圆环14接合，AB簧片15B的一端与中心立柱16接合；

AC簧片15C的一端与AB扇形块1B接合，AC簧片15C的一端与中心立柱16接合；所述AB扇形块1B上设有供C圆柱销83和D圆柱销84穿过的销孔，AB扇形块1B的外壁与轴承圆环14的内壁之间设有AB切缝14B；

AD簧片15D的一端与轴承圆环14接合，AD簧片15D的一端与中心立柱16接合；

AE簧片15E的一端与AC扇形块1C接合，AE簧片15E的一端与中心立柱16接合；所述AC扇形块1C上设有供E圆柱销85和F圆柱销86穿过的销孔，AC扇形块1C的外壁与轴承圆环14的内壁之间设有AC切缝14C；

AF簧片15F的一端与轴承圆环14接合，AF簧片15F的一端与中心立柱16接合。

所述轴承圆环14的外壁上均匀设有三个钳位机构和三个钳位槽；三个钳位机构分别是指第一钳位机构11、第二钳位机构12和第三钳位机构13；三个钳位槽分别是指AA钳位槽1D、AB钳位槽1E和AC钳位槽1F；第一钳位机构11与第二钳位机构12之间是AB钳位槽1E，所述AB钳位槽1E内安装有D压电陶瓷驱动器74；第二钳位机构12与第三钳位机构13之间是AC钳位槽1F，所述AC钳位槽1F内安装有F压电陶瓷驱动器76；第三钳位机构13与第一钳位机构11之间是AA钳位槽1D，所述AA钳位槽1D内安装有B压电陶瓷驱动器72。

参见图4D所示，第一钳位机构11是通过线切割加工切除部分切缝而形成多个连接块的。第一钳位机构11上设有A顶块11A、AA连接块111、AB连接块112、AC连接块113、EA连接块151、EB连接块152、EC连接块153；

AA连接块111与AB连接块112的接合处为AA铰链114；

AB连接块112与轴承圆环14的接合处为AB铰链115，AB连接块112与AC连接块113的接合处为AC铰链116；

AC连接块113与A顶块11A的接合处为AD铰链117；

EA连接块151与EB连接块152的接合处为EA铰链154；

EB连接块152与轴承圆环14的接合处为EB铰链155，EB连接块152与EC连接块153的接合处为EC铰链156；

EC连接块153与A顶块11A的接合处为ED铰链157。

参见图4E所示，第二钳位机构12是通过线切割加工切除部分切缝而形成多个连接块的。第二钳位机构12上设有B顶块12A、BA连接块121、BB连接块122、BC连接块123、FA连接块161、FB连接块162、FC连接块163；

BA连接块121与BB连接块122的接合处为BA铰链124；

BB连接块122与轴承圆环14的接合处为BB铰链125，BB连接块122与BC连接块123的接合处为BC铰链126；

BC连接块123与B顶块12A的接合处为BD铰链127；

FA连接块161与FB连接块162的接合处为FA铰链164；

FB连接块162与轴承圆环14的接合处为FB铰链165，FB连接块162与FC连接块163的接合处为FC铰链166；

FC连接块163与B顶块12A的接合处为FD铰链167。

参见图4F所示，第三钳位机构13是通过线切割加工切除部分切缝而形成多个连接块的。第三钳位机构13上设有C顶块13A、CA连接块131、CB连接块132、CC连接块133、GA连接块171、GB连接块172、GC连接块173；

CA连接块131与CB连接块132的接合处为CA铰链134；

CB连接块132与轴承圆环14的接合处为CB铰链135，CB连接块132与CC连接块133的接合处为CC铰链136；

CC连接块133与C顶块13A的接合处为CD铰链137；

GA连接块171与GB连接块172的接合处为GA铰链174；

GB连接块172与轴承圆环14的接合处为GB铰链175，GB连接块172与GC连接块173的接合处为GC铰链176；

GC连接块173与C顶块13A的接合处为GD铰链177。

在本发明中，A柔性轴承1与第一钳位机构11、第二钳位机构12、第三钳位机构13钳位机构采用平面一体化设计，结构紧凑，免于装配，可整体线切割加工，保证了加工精度。

（2）B柔性轴承2

参见图1B、图1C、图1D、图5、图5A、图5B所示，B柔性轴承2为线切割加工的一体成型结构件。

B柔性轴承2上设有第四钳位机构21、第五钳位机构22、第六钳位机构23、轴承圆环24、簧片25、中心立柱26、BA扇形块2A、BB扇形块2B、BC扇形块2C；所述中心立柱26位于B柔性轴承2的中心部位；

参见图5B所示，所述簧片25分别为BA簧片25A、BB簧片25B、BC簧片25C、BD簧片25D、BE簧片25E、BF簧片25F；其中：

BA簧片25A的一端与BA扇形块2A接合，BA簧片25A的一端与中心立柱26接合；所述BA扇形块2A上设有供A圆柱销81和B圆柱销82穿过的销孔，BA扇形块2A的外壁与轴承圆环24的内壁之间设有BA切缝24A；

BB簧片25B的一端与轴承圆环24接合，BB簧片25B的一端与中心立柱26接合；

BC簧片25C的一端与BB扇形块2B接合，BC簧片25C的一端与中心立柱26接合；所述BB扇形块2B上设有供C圆柱销83和D圆柱销84穿过的销孔，BB扇形块2B的外壁与轴承圆环24的内壁之间设有BB切缝24B；

BD簧片25D的一端与轴承圆环24接合，BD簧片25D的一端与中心立柱26接合；

BE簧片25E的一端与BC扇形块2C接合，BE簧片25E的一端与中心立柱26接合；所述BC扇形块2C上设有供E圆柱销85和F圆柱销86穿过的销孔，BC扇形块2C的外壁与轴承圆环24的内壁之间设有BC切缝24C；

BF簧片25F的一端与轴承圆环24接合，BF簧片25F的一端与中心立柱26接合。

所述轴承圆环24的外壁上均匀设有三个钳位机构和三个钳位槽；三个钳位机构分别是指第四钳位机构21、第五钳位机构22和第六钳位机构23；三个钳位槽分别是指BA钳位槽2D、BB钳位槽2E和BC钳位槽2F；第四钳位机构21与第五钳位机构22之间是BB钳位槽2E，所述BB钳位槽2E内安装有C压电陶瓷驱动器73；第五钳位机构22与第六钳位机构23之间是BC钳位槽2F，所述BC钳位槽2F内安装有E压电陶瓷驱动器75；第六钳位机构23与第四钳位机构21之间是BA钳位槽2D，所述BA钳位槽2D内安装有A压电陶瓷驱动器71。

参见图5C所示，第四钳位机构21是通过线切割加工切除部分切缝而形成多个连接块的。第四钳位机构21上设有D顶块21A、JA连接块211、JB连接块212、JC连接块213、RA连接块251、RB连接块252、RC连接块253；

JA连接块211与JB连接块212的接合处为JA铰链214；

JB连接块212与轴承圆环24的接合处为JB铰链215，JB连接块212与JC连接块213的接合处为JC铰链216；

JC连接块213与D顶块21A的接合处为JD铰链217；

RA连接块251与RB连接块252的接合处为RA铰链254；

RB连接块252与轴承圆环24的接合处为RB铰链255，RB连接块252与RC连接块253的接合处为RC铰链256；

RC连接块253与D顶块21A的接合处为RD铰链257。

参见图5D所示，第五钳位机构22是通过线切割加工切除部分切缝而形成多个连接块的。第五钳位机构22上设有E顶块22A、KA连接块221、KB连接块222、KC连接块223、SA连接块261、SB连接块262、SC连接块263；

KA连接块221与KB连接块222的接合处为KA铰链224；

KB连接块222与轴承圆环24的接合处为KB铰链225，KB连接块222与KC连接块223的接合处为KC铰链226；

KC连接块223与E顶块22A的接合处为KD铰链227；

RA连接块261与RB连接块262的接合处为RA铰链264；

RB连接块262与轴承圆环24的接合处为RB铰链265，RB连接块262与RC连接块263的接合处为RC铰链266；

RC连接块263与E顶块22A的接合处为RD铰链267。

参见图5E所示，第六钳位机构23是通过线切割加工切除部分切缝而形成多个连接块的。第六钳位机构23上设有F顶块23A、LA连接块231、LB连接块232、LC连接块233、TA连接块271、TB连接块272、TC连接块273；

LA连接块231与LB连接块232的接合处为LA铰链234；

LB连接块232与轴承圆环24的接合处为LB铰链235，LB连接块232与LC连接块233的接合处为LC铰链236；

LC连接块233与F顶块23A的接合处为LD铰链237；

TA连接块271与TB连接块272的接合处为TA铰链274；

TB连接块272与轴承圆环24的接合处为TB铰链275，TB连接块272与TC连接块273的接合处为TC铰链276；

TC连接块273与F顶块23A的接合处为TD铰链277。

在本发明中，B柔性轴承2与第四钳位机构21、第五钳位机构22、第六钳位机构23钳位机构采用平面一体化设计，结构紧凑，免于装配，可整体线切割加工，保证了加工精度。

（3）中间法兰3

参见图1B所示，中间法兰3上设有连接环34，所述连接环34的内壁上均匀分布有三个扇形块，即CA扇形块31、CB扇形块32、CC扇形块33。

每个扇形块上设有2个通孔，该通孔用于圆柱销穿过。

在本发明中，将中间法兰3装配在A柔性轴承1与B柔性轴承2之间，其作用有两个：一是将柔性轴承上的三个扇形块连接成为一个刚体；二是起到了连接两个柔性轴承的作用。

（4）A端部法兰4

参见图1、图1A、图1B、图1C、图2、图2A所示，A端部法兰4上设有DA扇形块41、DB扇形块42、DC扇形块43、AA接合块44、AB接合块45和AC接合块46，所述扇形块与所述接合块间隔设置，即DA扇形块41与DB扇形块42之间是AA接合块44，DB扇形块42与DC扇形块43之间是AB接合块45，DC扇形块43与DA扇形块41之间是AC接合块46。

DA扇形块41与连接环47内壁之间开有AA切缝41A。DB扇形块42与连接环47内壁之间开有AB切缝42A。DC扇形块43与连接环47内壁之间开有AC切缝43A。

在本发明中，DA扇形块41、DB扇形块42和DC扇形块43上设有通孔，该通孔用于圆柱销穿过。

在本发明中，A端部法兰4和B端部法兰6与柔性轴承上的扇形块通过销钉进行连接，构成本发明中全周柔性轴承的一个对外输出机械接口，另一个对外输出机械接口为套筒5。

（5）B端部法兰6

参见图1、图1A、图1B、图1C、图3、图3A所示，B端部法兰6上设有FA扇形块61、FB扇形块62、FC扇形块63、BA接合块64、BB接合块65和BC接合块66，所述扇形块与所述接合块间隔设置，即FA扇形块61与FB扇形块62之间是BA接合块64，FB扇形块62与FC扇形块63之间是BB接合块65，FC扇形块63与FA扇形块61之间是BC接合块66。

FA扇形块61与连接环67内壁之间开有BA切缝61A。FB扇形块62与连接环67内壁之间开有BB切缝62A。FC扇形块63与连接环67内壁之间开有BC切缝63A。

在本发明中，FA扇形块61、FB扇形块62和FC扇形块63上设有通孔，该通孔用于圆柱销穿过。

（6）套筒5

参见图1B所示，套筒5的内壁51为光滑面。套筒5的中部为空腔52结构，该空腔52用于放置A柔性轴承1、B柔性轴承2、中间法兰3、压电陶瓷驱动器（71～76）和圆柱销（81～86）。

在本发明中，套筒5作为全周柔性轴承的外壳体，是全周柔性轴承的另一个对外输出机械接口。

本发明设计的全周柔性轴承的装配为：先将中间法兰3置于A柔性轴承1与B柔性轴承2之间，然后在A柔性轴承1的另一端放置A端部法兰4，B柔性轴承2的另一端放置B端部法兰6，从而形成叠层件；然后用六根圆柱销将叠层件固定在一起形成中间件；然后将六个压电陶瓷驱动器分别安装在A柔性轴承1和B柔性轴承2的上钳位槽内；最后在中间件的外部套上套筒形成全周柔性轴承。

（7）运动原理

本发明设计的全周柔性轴承的运动分解如图6所示，图中“◆”表示B柔性轴承2的轴承圆环24的运动指示标记，“■”表示A柔性轴承1的轴承圆环14的运动指示标记，“▲”表示套筒5的运动指示标记，“---”表示A柔性轴承1上的六个簧片。其运动过程描述如下：

步骤A：如图6（A）所示，首先A柔性轴承1上的压电陶瓷驱动器（72、74、76）通电，A柔性轴承1的钳位机构（11、12、13）松开对套筒5的钳位，而B柔性轴承2的钳位机构（21、22、23）对套筒5钳位；

步骤B：如图6（B）所示，套筒5旋转，通过B柔性轴承2上的钳位机构（21、22、23）带动B柔性轴承2的轴承圆环24转至极限位置（转动角度为γ）；

步骤C：如图6（C）所示，此时，A柔性轴承1上的压电陶瓷驱动器（72、74、76）断电，A柔性轴承1上的钳位机构（11、12、13）对套筒5钳位；然后B柔性轴承2上的压电陶瓷驱动器（71、73、75）通电，松开对套筒5的钳位，B柔性轴承2上的簧片（25A～25F）变形恢复，使得B柔性轴承2上的轴承圆环24回归至初始位置，此时，套筒5转过的角度仍为γ；

步骤D：如图6（D）所示，套筒5继续旋转，通过A柔性轴承1上的钳位机构（11、12、13）带动A柔性轴承1的轴承圆环14转至极限位置（即转动角度γ）；

步骤E：如图6（E）所示，此时，B柔性轴承2上的压电陶瓷驱动器（71、73、75）断电，B柔性轴承2的钳位机构（21、22、23）对套筒5重新钳位；接着，A柔性轴承1上的压电陶瓷驱动器（72、74、76）通电，松开对套筒5的钳位，A柔性轴承1上的簧片（15A～15F）变形恢复，使得A柔性轴承1上的轴承圆环14回归至初始位置。

步骤F：至此，步骤A至步骤E完成了本发明设计的全周柔性轴承的一个周期的尺蠖运动，此时套筒5对外输出了2γ角度；重复执行步骤A至步骤E，使得本发明设计的全周柔性轴承可以周而复始地运动下去。

在本发明中，设计的一种全周柔性轴承在压电陶瓷驱动器不通电时，每个柔性轴承上的钳位机构均处于钳位状态。当通电后，钳位释放。

本发明设计的一种全周柔性轴承的钳位机构和柔性轴承属于一体结构，作为系统的关键机构，钳位机构要求结构紧凑，具有位移放大特性。图4C所示为钳位机构的设计机构简图，采用两级放大，第一级为杠杆放大机构，放大比

l₁表示AA铰链114至AB铰链115之间的距离，l₂表示AB铰链115至AC铰链116之间的距离；第二级为压杆失稳原理放大机构，理论放大比为cotα，α表示AC铰链116与AD铰链117连线同水平线之间的夹角，即失稳角，因此总的位移放大比为

杠杆放大机构包括有AA连接块111、AA铰链114、AB铰链115和AB连接块112。

压杆失稳原理放大机构包括有AC铰链116、AC连接块113、AD铰链117和A顶块11A。

Claims

1.一种基于尺蠖效应的全周柔性轴承，其特征在于：该轴承包括有A柔性轴承（1）、B柔性轴承（2）、中间法兰（3）、A端部法兰（4）、套筒（5）、B端部法兰（6）、六个压电陶瓷驱动器和六个圆柱销；

其中，A柔性轴承（1）与B柔性轴承（2）的结构相同，A端部法兰（4）与B端部法兰（6）的结构相同；

其中，六个压电陶瓷驱动器分别是A压电陶瓷驱动器（71）、B压电陶瓷驱动器（72）、C压电陶瓷驱动器（73）、D压电陶瓷驱动器（74）、E压电陶瓷驱动器（75）和F压电陶瓷驱动器（76）；

其中，六个圆柱销分别是A圆柱销（81）、B圆柱销（82）、C圆柱销（83）、D圆柱销（84）、E圆柱销（85）和F圆柱销（86）；

A端部法兰（4）上设有DA扇形块（41）、DB扇形块（42）、DC扇形块（43）、AA接合块（44）、AB接合块（45）和AC接合块（46），所述扇形块与所述接合块间隔设置，即DA扇形块（41）与DB扇形块（42）之间是AA接合块（44），DB扇形块（42）与DC扇形块（43）之间是AB接合块（45），DC扇形块（43）与DA扇形块（41）之间是AC接合块（46）；

DA扇形块（41）与连接环（47）内壁之间开有AA切缝（41A）；

DB扇形块（42）与连接环（47）内壁之间开有AB切缝（42A）；

DC扇形块（43）与连接环（47）内壁之间开有AC切缝（43A）；

B端部法兰（6）上设有FA扇形块（61）、FB扇形块（62）、FC扇形块（63）、BA接合块（64）、BB接合块（65）和BC接合块（66），所述扇形块与所述接合块间隔设置，即FA扇形块（61）与FB扇形块（62）之间是BA接合块（64），FB扇形块（62）与FC扇形块（63）之间是BB接合块（65），FC扇形块（63）与FA扇形块（61）之间是BC接合块（66）；

FA扇形块（61）与连接环（67）内壁之间开有BA切缝（61A）；

FB扇形块（62）与连接环（67）内壁之间开有BB切缝（62A）；

FC扇形块（63）与连接环（67）内壁之间开有BC切缝（63A）；

套筒（5）的中部为空腔（52）结构；

先将中间法兰（3）置于A柔性轴承（1）与B柔性轴承（2）之间，然后在A柔性轴承（1）的另一端放置A端部法兰（4），B柔性轴承（2）的另一端放置B端部法兰（6），从而形成叠层件；然后用六根圆柱销将叠层件固定在一起形成中间件；然后将六个压电陶瓷驱动器分别安装在A柔性轴承（1）和B柔性轴承（2）的上钳位槽内；最后在中间件的外部套上套筒形成全周柔性轴承。

2.根据权利要求1所述的基于尺蠖效应的全周柔性轴承，其特征在于：

AF簧片（15F）的一端与轴承圆环（14）接合，AF簧片（15F）的一端与中心立柱（16）接合；

所述轴承圆环（14）的外壁上均匀设有第一钳位机构（11）、第二钳位机构（12）、第三钳位机构（13）、AA钳位槽（1D）、AB钳位槽（1E）和AC钳位槽（1F）；第一钳位机构（11）与第二钳位机构（12）之间是AB钳位槽（1E），所述AB钳位槽（1E）内安装有D压电陶瓷驱动器（74）；第二钳位机构（12）与第三钳位机构（13）之间是AC钳位槽（1F），所述AC钳位槽（1F）内安装有F压电陶瓷驱动器（76）；第三钳位机构（13）与第一钳位机构（11）之间是AA钳位槽（1D），所述AA钳位槽（1D）内安装有B压电陶瓷驱动器（72）；

AA连接块（111）与AB连接块（112）的接合处为AA铰链（114）；

AC连接块（113）与A顶块（11A）的接合处为AD铰链（117）；

EA连接块（151）与EB连接块（152）的接合处为EA铰链（154）；

EC连接块（153）与A顶块（11A）的接合处为ED铰链（157）；

BA连接块（121）与BB连接块（122）的接合处为BA铰链（124）；

BC连接块（123）与B顶块（12A）的接合处为BD铰链（127）；

FA连接块（161）与FB连接块（162）的接合处为FA铰链（164）；

FC连接块（163）与B顶块（12A）的接合处为FD铰链（167）；

CA连接块（131）与CB连接块（132）的接合处为CA铰链（134）；

CC连接块（133）与C顶块（13A）的接合处为CD铰链（137）；

GA连接块（171）与GB连接块（172）的接合处为GA铰链（174）；

GC连接块（173）与C顶块（13A）的接合处为GD铰链（177）。

3.根据权利要求1所述的基于尺蠖效应的全周柔性轴承，其特征在于：

BF簧片（25F）的一端与轴承圆环（24）接合，BF簧片（25F）的一端与中心立柱（26）接合；

所述轴承圆环（24）的外壁上设有第四钳位机构（21）、第五钳位机构（22）、第六钳位机构（23）、BA钳位槽（2D）、BB钳位槽（2E）和BC钳位槽（2F）；第四钳位机构（21）与第五钳位机构（22）之间是BB钳位槽（2E），所述BB钳位槽（2E）内安装有C压电陶瓷驱动器（73）；第五钳位机构（22）与第六钳位机构（23）之间是BC钳位槽（2F），所述BC钳位槽（2F）内安装有E压电陶瓷驱动器（75）；第六钳位机构（23）与第四钳位机构（21）之间是BA钳位槽（2D），所述BA钳位槽（2D）内安装有A压电陶瓷驱动器（71）；

JA连接块（211）与JB连接块（212）的接合处为JA铰链（214）；

JC连接块（213）与D顶块（21A）的接合处为JD铰链（217）；

RA连接块（251）与RB连接块（252）的接合处为RA铰链（254）；

RC连接块（253）与D顶块（21A）的接合处为RD铰链（257）；

KA连接块（221）与KB连接块（222）的接合处为KA铰链（224）；

KC连接块（223）与E顶块（22A）的接合处为KD铰链（227）；

RA连接块（261）与RB连接块（262）的接合处为RA铰链（264）；

RC连接块（263）与E顶块（22A）的接合处为RD铰链（267）；

LA连接块（231）与LB连接块（232）的接合处为LA铰链（234）；

LC连接块（233）与F顶块（23A）的接合处为LD铰链（237）；

TA连接块（271）与TB连接块（272）的接合处为TA铰链（274）；

TC连接块（273）与F顶块（23A）的接合处为TD铰链（277）。

4.根据权利要求1所述的基于尺蠖效应的全周柔性轴承，其特征在于：所述全周柔性轴承的全周是指借助尺蠖效应原理，在旋转关节中引入尺蠖机构，利用两个柔性轴承的交替变形运动，实现步进式整周旋转。

5.根据权利要求1所述的基于尺蠖效应的全周柔性轴承，其特征在于：所述全周柔性轴承的运动过程为：

步骤A：首先A柔性轴承（1）上的压电陶瓷驱动器（72、74、76）通电，A柔性轴承（1）的钳位机构（11、12、13）松开对套筒（5）的钳位，而B柔性轴承（2）的钳位机构（21、22、23）对套筒（5）钳位；

步骤B：套筒（5）旋转，通过B柔性轴承（2）上的钳位机构（21、22、23）带动B柔性轴承（2）的轴承圆环（24）转动γ角度到达极限位置；

步骤C：此时，A柔性轴承（1）上的压电陶瓷驱动器（72、74、76）断电，A柔性轴承（1）上的钳位机构（11、12、13）对套筒（5）钳位；然后B柔性轴承（2）上的压电陶瓷驱动器（71、73、75）通电，松开对套筒（5）的钳位，B柔性轴承（2）上的簧片（25A～25F）变形恢复，使得B柔性轴承（2）上的轴承圆环（24）回归至初始位置，此时，套筒（5）转过γ角度；

步骤D：套筒（5）继续旋转，通过A柔性轴承（1）上的钳位机构（11、12、13）带动A柔性轴承（1）的轴承圆环（14）转动γ角度到达极限位置；

步骤E：此时，B柔性轴承（2）上的压电陶瓷驱动器（71、73、75）断电，B柔性轴承（2）的钳位机构（21、22、23）对套筒（5）重新钳位；接着，A柔性轴承（1）上的压电陶瓷驱动器（72、74、76）通电，松开对套筒（5）的钳位，A柔性轴承（1）上的簧片（15A～15F）变形恢复，使得A柔性轴承（1）上的轴承圆环（14）回归至初始位置；

步骤F：至此，步骤A至步骤E完成了所述全周柔性轴承的一个周期的尺蠖运动，此时套筒（5）对外输出了2γ角度；重复执行步骤A至步骤E，使得所述的全周柔性轴承周而复始地运动下去。

6.根据权利要求1所述的基于尺蠖效应的全周柔性轴承，其特征在于：所述全周柔性轴承为两级放大机构，第一级为杠杆放大机构，第二级为压杆失稳原理放大机构；

杠杆放大机构包括有AA连接块（111）、AA铰链（114）、AB铰链（115）和AB连接块（112）；

压杆失稳原理放大机构包括有AC铰链（116）、AC连接块（113）、AD铰链（117）和A顶块（11A）；

其中，杠杆放大机构的放大比为

l₁表示AA铰链（114）至AB铰链（115）之间的距离，l₂表示AB铰链（115）至AC铰链（116）之间的距离；

其中，压杆失稳原理放大机构的理论放大比为cotα，α表示AC铰链（116）与AD铰链（117）连线同水平线之间的夹角；

所述全周柔性轴承的总位移放大比为