CN103629226A

CN103629226A - 一种柔性铰链位移执行机构

Info

Publication number: CN103629226A
Application number: CN201210295442.4A
Authority: CN
Inventors: 查卿; 蔡黎明
Original assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Priority date: 2012-08-20
Filing date: 2012-08-20
Publication date: 2014-03-12

Abstract

本发明公开了一种柔性铰链位移执行机构，采用倒圆角直梁型柔性铰链以工字型器件为型设有半径为R和r的圆弧，且两圆弧间的距离为l，即为直梁宽度，两直梁宽度之间的距离为t，即为厚度，两圆弧与厚度t正切，还有L为铰链长度，b为铰链宽度，此外柔性铰链机构需满足L＞4R，可取L=6R，此构成一个单元铰链，柔性铰链位移执行机构是由六个单元组成的整体。采用本发明技术方案，机构的精度和可靠性提高了，又能保证运动行程且减少了维护，还可变换位移方向以1:1实现，若在柔性铰链中间加工成特定性状或在两端安装组件后可实现物件夹持、狭缝开闭等功能，同时若采用高精度慢走丝机床一体化加工成型可避免装配引入的误差。

Description

一种柔性铰链位移执行机构

技术领域

本发明涉及精密机械领域中的一种柔顺机构，具体而言，涉及一种柔性铰链位移执行机构。

背景技术

传统机构都是由刚性构件以运动副连接而成的，这在高速、精密、微型等高性能的要求下就暴露出一些不可避免的问题，如由运动副带来的间隙、摩擦、磨损及润滑，由机械结构决定的加工安装、误差等，这些问题使得机构的精度降低、寿命缩短、成本增加。柔顺机构不像传统刚性机构那样靠运动副来实现全部运动和功能，而主要靠机构中的柔性构件（杆件）的变形来实现机构的主要运动和功能，它同样也能实现运动、力和能量的传递和转换。柔顺机构积极地利用杆件变形来改善和提高机构的性能。由于没有运动副，柔顺机构的构件数目就比传统机构少很多，这样就大大减少了机构的重量以及加工、安装的时间和费用。同时，它没有或大大减少了机构中的间隙、摩擦、磨损及润滑等复杂问题，从而可以提高机构精度、增加可靠性、减少维护等。所以，柔顺机构在降低成本和提高性能这两方面比传统刚性机构具有明显的优势，它给机械科学和工程带来了革命性的冲击和变化，是现代机构和机械设备发展的新方向。

发明内容

本发明的目的是克服传统机械存在的以上问题，顺应科技前沿的发展，提供一种具有优良性能的柔性铰链位移执行机构。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种柔性铰链位移执行机构，采用倒圆角直梁型柔性铰链以工字型器件为型设有半径为R和r的圆弧，且两圆弧间的距离为l，即为直梁宽度，两直梁宽度之间的距离为t，即为厚度，两圆弧与厚度t正切，还有L为铰链长度，b为铰链宽度，此外柔性铰链机构需满足L＞4R，可取L=6R，此构成一个单元铰链，柔性铰链位移执行机构是由六个单元组成的整体。

进一步的，所述机构采用左右对称结构，当垂直位移输入时，两个对称双轴柔性铰链连杆推动两个并列平行四边形柔性铰链位移执行机构相对运动输出平行位移。

本发明的有益效果是:

采用本发明技术方案，有较好的精度又能保证运动行程，机构的精度和可靠性提高了，也减少了维护，还可变换位移的方向以1:1实现，若在柔性铰链中间加工成特定性状或在两端安装组件后可以实现物件夹持、狭缝开闭等功能，同时若采用高精度慢走丝机床一体化加工成型可避免装配引入的误差。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明采用的倒圆角直梁型柔性铰链结构示意图；

图2是本发明的柔性铰链等效结构示意图；

图3是本发明的柔性铰链俯视图；

图4是本发明的轴测图；

图5是单个柔性铰链杆。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参照图1所示，一种柔性铰链位移执行机构，采用倒圆角直梁型柔性铰链以工字型器件为型设有半径为R和r的圆弧，且两圆弧间的距离为l，即为直梁宽度，两直梁宽度之间的距离为t，即为厚度，两圆弧与厚度t正切，还有L为铰链长度，b为铰链宽度，此外柔性铰链机构需满足L＞4R，可取L=6R，此构成一个单元铰链，柔性铰链位移执行机构是由六个单元组成的整体。

本实施例的实施方式如下：

如图2所示，根据运动学原理，柔性铰链等效为一个转动副，则该柔性铰链结构可以等效为上图所示的原理图。BCD和HIJ构成刚体，下面有两个平行四边形柔性铰链CDEF和IJKL支承。当在AG的正中间给结构一个向下的位移y时，A和B也向下移动y，同时AB杆绕A转动α1，B处最终的位移是这两个运动的合成效果；对平行四边形柔性铰链机构，C和D分别绕E和F转动α2，而BCD是一个刚体，故B，C，D最终运动位移相同。由对称性，同理可知HIJ的运动位移和BCD大小相同方向相反。设它们一起会有相向的位移x，当取θ1=θ2=45°，中间狭缝开口变化2x，等于纵向驱动位移y，即狭缝开口的输出位移与驱动位移比为1:1。

如图1、3、4所示，要确定柔性铰链的尺寸结构，主要确定的参数为L，b，R，r，l和t值。L为铰链长度，b为铰链厚度，R，r倒圆角半径，t直梁厚度。柔性铰链转角刚度与材料弹性模量E、铰链宽度b、倒圆角半径R、直梁长度l以及铰链的最小厚度t有关。在材料选定和宽度一定的情况下，铰链的细轴尺寸直梁长度l和最小厚度t对转角刚度的影响最大。倒圆角直梁形柔性铰链各设计参数对其转动刚度的影响程度依次为：最小厚度t影响最大，其次为倒圆角半径R，再次为直梁部分长度l，最后为宽度b。柔性铰链机构需满足L>4R，可以取L=6R。由于柔性铰链内框采用线切割加工，R值越小，加工后的粗糙度会越差。另一方面，从图中可得L>4R，如果R值太大，会使L值变得很大。

如图5所示，为一根两轴柔性铰链杆，两个这样的杆可以组成平行四边形柔性铰链机构，本发明采用两个垂直的平行四边形柔性铰链机构。上面为两个垂直的两轴柔性铰链杆作为驱动杆。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种柔性铰链位移执行机构，采用倒圆角直梁型柔性铰链以工字型器件为型设有半径为R和r的圆弧，且两圆弧间的距离为l，即为直梁宽度，两直梁宽度之间的距离为t，即为厚度，两圆弧与厚度t正切，还有L为铰链长度，b为铰链宽度，此外柔性铰链机构需满足L＞4R，可取L=6R，此构成一个单元铰链，柔性铰链位移执行机构是由六个单元组成的整体。

2.根据权利要求1所述的柔性铰链位移执行机构，其特征在于：所述机构采用左右对称结构，当垂直位移输入时，两个对称双轴柔性铰链连杆推动两个并列平行四边形柔性铰链位移执行机构相对运动输出平行位移。