CN105864275A - 一种高精度转动柔性铰链 - Google Patents

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张宪民
陈为林
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Abstract

本发明公开了一种高精度转动柔性铰链，包括相隔一定间距对称设置的左刚性部分和右刚性部分、连接于所述左刚性部分和右刚性部分之间的柔性部分，所述柔性部分包括板状长柔性单元、结构相同且关于长柔性单元对称设置的板状第一短柔性单元和板状第二短柔性单元，所述的长柔性单元沿铰链水平中轴线连接于左刚性部分、右刚性部分之间，所述第一短柔性单元和第二短柔性单元沿长柔性单元的中垂线方向对称地竖直连接于所述左刚性部分和右刚性部分之间。本发明是一种具有多个变形单元的柔性铰链结构，相对于传统的切口型柔顺铰链而言，兼具行程大、精度高的优点，适用于高精度柔顺精密定位平台。

Description

一种高精度转动柔性铰链
技术领域
本发明涉及一种柔性铰链，特别是涉及一种点对称多柔性单元转动柔性铰链，适用于精密机械、机器人等技术领域。
背景技术
柔顺机构是指利用其构成材料的弹性变形来传递或者转换力、运动或者能量的一种机构。相比传统的刚性机构，柔顺机构以其易实现高精度、微型化等独特的优良性能在微纳操作、精密测量等许多尖端领域得到了广泛应用。
柔性铰链是柔顺机构的核心构件之一。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。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，例如可以一体化加工，免装配，无摩擦，免润滑、可实现高精度运动等。
柔性转动铰链是柔顺机构设计中最常用的一种铰链。常用的柔性转动铰链大多为切口型柔性铰链，其最大的缺点是转动中心漂移严重，在大变形情况下难以提高其转动精度。针对这一问题，有学者提出了一些的高精度转动柔顺铰链，如V型切口柔性铰链，但是此类铰链由于存在尖角，会产生应力集中，极大限制了铰链的行程。
发明内容
考虑到上述问题，本发明目的是提供一种用于柔顺机构微动平台的高精度转动柔性铰链，通过以下技术方案实现：
一种高精度转动柔性铰链，包括相隔一定间距对称设置的左刚性部分和右刚性部分、连接于所述左刚性部分和右刚性部分之间的柔性部分，所述柔性部分包括板状长柔性单元、结构相同且关于长柔性单元对称设置的板状第一短柔性单元和板状第二短柔性单元，所述的长柔性单元沿铰链水平中轴线连接于左刚性部分、右刚性部分之间，所述第一短柔性单元和第二短柔性单元沿长柔性单元的中垂线方向对称地竖直连接于所述左刚性部分和右刚性部分之间。
进一步地，所述左刚性部分及右刚性部分的相对面各设置一个以所述中垂线的垂足O点为圆心、以长柔性单元长度为直径的扇形挖空部，两个扇形挖空部以O点为中心对称点对称设置，长柔性单元的两端分别连接于两个扇形挖空部的弧形面上；所述左刚性部分及右刚性部分的相对面还对称地凸出设置有分别嵌入对方扇形挖空部内的扇形延伸部，两个扇形延伸部的中心对称点及圆心均为O点，直径为第一短柔性单元和第二短柔性单元的间距，所述第一短柔性单元和第二短柔性单元分别连接于相嵌入的扇形挖空部的弧形面与扇形延伸部的弧形面之间；两个扇形延伸部之间沿左刚性部分、右刚性部分水平中轴线设置有容纳长柔性单元的横向挖空部。
进一步地，所述左刚性部分和右刚性部分、长柔性单元、第一短柔性单元、第二短柔性单元为一体式结构。
相比现有技术，本发明的优点是：
1.变形部分采用了梁型柔性体，在提高了其转动范围的基础上，降低应力集中提高疲劳寿命。
2.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体3、4和5的结构尺寸来控制铰链的转动极限，可用于精密柔性机械、机器人关节等领域。
3.改善了铰链刚度特性，提高了铰链的径向刚度，与传统的切口型柔性铰链相比，转动范围大大增加，并且在大角度转动有很高的轴向精度，转动时轴心漂移很小。
4.铰链的加工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是本发明实施例的主视示意图。
图2是本发明实施例的立体示意图。
图3是本发明实施例的变形示意图。
图中所示为：1-左刚性部分；2-右刚性部分；3-长柔性单元；4-第一短柔性单元；5-第二短柔性单元；6-纵向切口；7-横向挖空部；8-扇形挖空部；9-扇形延伸部。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
如图1和图2所示，一种高精度转动柔性铰链，包括相隔一定间距对称设置的左刚性部分1和右刚性部分2、连接于所述左刚性部分1和右刚性部分2之间的柔性部分，所述柔性部分包括板状长柔性单元3、结构相同且关于长柔性单元3对称设置的板状第一短柔性单元4和板状第二短柔性单元5，所述的长柔性单元3沿铰链水平中轴线连接于左刚性部分1、右刚性部分2之间，所述第一短柔性单元4和第二短柔性单元5沿长柔性单元3的中垂线方向对称地竖直连接于所述左刚性部分1和右刚性部分2之间，整个铰链设计为关于中垂线的垂足O点的对称结构。
具体而言，所述左刚性部分1及右刚性部分2的相对面各设置一个以所述中垂线的垂足O点为圆心、以长柔性单元3长度为直径的扇形挖空部8，两个扇形挖空部8以O点为中心对称点对称设置，长柔性单元3的两端分别连接于两个扇形挖空部8的弧形面上；所述左刚性部分1及右刚性部分2的相对面还对称地凸出设置有分别嵌入对方扇形挖空部内的扇形延伸部9，两个扇形延伸部9的中心对称点及圆心均为O点，直径为第一短柔性单元4和第二短柔性单元5的间距，所述第一短柔性单元4和第二短柔性单元5分别连接于相嵌入的扇形挖空部8的弧形面与扇形延伸部9的弧形面之间；两个扇形延伸部9之间沿左刚性部分1、右刚性部分2水平中轴线设置有容纳长柔性单元3的横向挖空部7，整个铰链变形部分即三个柔性部分长柔性单元3、第一短柔性单元4、第二短柔性单元5为点O对称结构。
本实施例中，所述左刚性部分1和右刚性部分2、长柔性单元3、第一短柔性单元4、第二短柔性单元5为一体式结构，其加工采用线切割机床一体化加工成型，避免了装配引入的误差。
本实施例为了减小或消除转动中心漂移，使第一短柔性单元4和第二短柔性单元5共线且与长柔性单元3垂直正交于点O，第一短柔性单元4和第二短柔性单元5具有相同的结构尺寸且关于长柔性单元3对称分布，这样可以增加非功能方向上的刚度。因此以长柔性单元3为直径的圆和以长柔性单元3的长度减第一短柔性单元4和第二短柔性单元5的长度为直径的圆为同心圆，都以点O为圆心，从而使铰链在承受载荷转动时可以实现绕点O转动。
值得注意的是本实施例提供的铰链的转动极限可以通过调整长柔性单元3、第一短柔性单元4和第二短柔性单元5的长度尺寸和改变纵向切口6的宽度尺寸来实现(见图3)。图1中所示的第一短柔性单元4和第二短柔性单元5为薄板柔性单元，其变形量本身就比较大，且由于结构的对称性，第一短柔性单元4和第二短柔性单元5的厚度可以设计的比较薄，从而保证大角度转动。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高精度转动柔性铰链，包括相隔一定间距对称设置的左刚性部分(1)和右刚性部分(2)、连接于所述左刚性部分(1)和右刚性部分(2)之间的柔性部分，其特征在于：
所述柔性部分包括板状长柔性单元(3)、结构相同且关于长柔性单元(3)对称设置的板状第一短柔性单元(4)和板状第二短柔性单元(5)，所述的长柔性单元(3)沿铰链水平中轴线连接于左刚性部分(1)、右刚性部分(2)之间，所述第一短柔性单元(4)和第二短柔性单元(5)沿长柔性单元(3)的中垂线方向对称地竖直连接于所述左刚性部分(1)和右刚性部分(2)之间。
2.根据权利要求1所述的高精度转动柔性铰链，其特征在于：所述左刚性部分(1)及右刚性部分(2)的相对面各设置一个以所述中垂线的垂足O点为圆心、以长柔性单元(3)长度为直径的扇形挖空部(8)，两个扇形挖空部(8)以O点为中心对称点对称设置，长柔性单元(3)的两端分别连接于两个扇形挖空部(8)的弧形面上；所述左刚性部分(1)及右刚性部分(2)的相对面还对称地凸出设置有分别嵌入对方扇形挖空部内的扇形延伸部(9)，两个扇形延伸部(9)的中心对称点及圆心均为O点，直径为第一短柔性单元(4)和第二短柔性单元(5)的间距，所述第一短柔性单元(4)和第二短柔性单元(5)分别连接于相嵌入的扇形挖空部(8)的弧形面与扇形延伸部(9)的弧形面之间；两个扇形延伸部(9)之间沿左刚性部分(1)、右刚性部分(2)水平中轴线设置有容纳长柔性单元(3)的横向挖空部(7)。
3.根据权利要求2所述的高精度转动柔性铰链，其特征在于：所述左刚性部分(1)和右刚性部分(2)、长柔性单元(3)、第一短柔性单元(4)、第二短柔性单元(5)为一体式结构。
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