CN106168259B - 一种具有常值刚度的柔性并联万向节 - Google Patents

Abstract

本发明一种具有常值刚度的柔性并联万向节，由平面柔性铰链、外壁与底托构成。其中，平面柔性铰链具有外层定刚体、内层动刚体与中层周向均布的柔性分支，通过柔性分支将定刚体与动刚体间相连。柔性分支包括左接头、右接头、上中间刚体、下中间刚体与簧片；上中间刚体通过两簧片分别与左、右接头上侧壁相连；下中间刚体通过两簧片分别与左、右接头下侧壁相连。平面柔性铰链中定刚体与底托间设置有环形的外壁，三者间通过螺钉固定，形成静刚体。由此，平面柔性铰链通过四个柔性分支以及约束杆的协调变形，使动刚体相对静刚体具有绕空间直角坐标系X/Y轴转动的两个自由度。本发明的优点为：本发明的柔性万向节，整体刚度大，承载能力强。

Description

一种具有常值刚度的柔性并联万向节

技术领域

本发明属于精密定位、机器人领域，涉及一种柔性万向节，具体涉及一种具有常值刚度的柔性并联万向节。

背景技术

万向节由两个转动副串联而成，两个转动副互相垂直且相交于一点，具有两个转动自由度。由于万向节两个转角互相独立且运动范围大，因此被广泛应用在各种形式的并联机器人中。万向节采用刚性转动副，转动副间的摩擦和间隙会降低其传动效率及精度。因此柔性机构凭借其优点：无摩擦，免润滑，一体化加工，免装配被用来设计加工柔性万向节，从而有效解决刚性万向节中磨损问题。

现有的柔性万向节大多基于切口型柔性铰链，切口型柔性铰链变形小且应力集中，很难适应大转角位移的场合。针对这些问题，基于簧片设计的柔性万向节应运而生。如申请号CN200710064993.9公开的具有虚拟转动中心的大变形柔性万向节，以及申请号CN201410253809.5公开的采用交叉簧片设计的柔性万向节。但这些基于簧片的大变形柔性万向节基本采用串联机构，相比并联机构而言，串联结构刚度低，承载力小，运动质量大，动态性能差。

发明内容

本发明针对现有柔性万向节种类单一，刚度，承载力，运动质量，动态性能等综合性能有待提高，非常值刚度等问题，提出一种具有常值刚度的柔性并联万向节。

本发明一种具有常值刚度的柔性并联万向节，由平面柔性铰链、外壁与底托构成。其中，平面柔性铰链分为外中内三层；外层为定刚体；内层为动刚体；中层为四个柔性分支，周向均布在定刚体和动刚体之间。

所述柔性分支包括左接头，右接头，上中间刚体、下中间刚体以及四个簧片；其中，上中间刚体通过两个簧片分别与左接头和右接头的上侧壁相连；下中间刚体通过另两个簧片分别与左接头和右接头的下侧壁相连；且柔性分支关于自身几何中心对称；上述结构的四个柔性分支通过左接头与右接头分别与定刚体和动刚体固定；平面柔性铰链与底托间设置有环形的外壁，三者间通过螺钉固定。

综上，平面柔性铰链通过四个柔性铰链以及约束杆的协调变形下，万向节动刚体相对万向节静刚体具有绕空间直角坐标系O(x、y、z)中X/Y轴转动的两个自由度

本发明的优点在于：

1、本发明的柔性万向节，采用并联结构，整体刚度大，承载能力强,适用于一定大负载的高精度转动定位领域；

2、本发明的柔性万向节，采用簧片作为基本柔性单元，使得机构具有较大的行程，同时由于应力集中较小，从而机构的工作寿命大幅度提高；

3、本发明的柔性万向节，通过引入中间刚体，使得柔性万向节在两个方向上具有常值转动刚度特性，利于建立机构线性模型，极大减小控制难度；

4、本发明的柔性万向节，动刚体尺寸小，动质量小，可以实现较大的运动带宽，适用于高速转动定位领域；

5、本发明的柔性万向节，快插杆能够保证快速锁死机构，方便且快捷，在零件的装配及运输过程中提供限位保护。

附图说明

图1为本发明柔性并联万向节整体结构示意图；

图2为本发明柔性并联万向节中平面柔性铰链装配示意图；

图3为本发明柔性并联万向节中柔性分支结构示意图；

图4为本发明柔性并联万向节中约束杆安装示意图；

图5为本发明柔性并联万向节应用方式示意图。

图中：

1-平面柔性铰链 2-约束杆 3-外壁

4-底托 5-快插杆 6-定位夹板部分

7-防松螺母 101-定刚体 102-动刚体

103-柔性分支 102a-中心圆孔 102b-顶部通孔

103a-左接头 103b-右接头 103c-上中间刚体

103d-下中间刚体 103e-簧片 201-顶部轴端

202-顶部轴头 203-底部方轴 204-底部轴头

205-轴身 401-方孔

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明具有常值刚度的柔性并联万向节，由平面柔性铰链1、约束杆2、外壁3、底托4以及快插杆5构成，如图1所示。

所述平面柔性铰链1呈现平面布局，分为外中内三层。外层为定刚体101，外缘为圆型；内层为动刚体102，采用正方形结构。中层为四个柔性分支103，周向均布在定刚体101和动刚体102之间，如图2所示。

上述四个柔性分支103结构完全相同，采用线切割一体化加工，包括左接头103a，右接头103b，上中间刚体103c、下中间刚体103d以及四个簧片103e，如图3所示。

其中，四个簧片103e相互平行设置，且位于同一平面内。上中间刚体103c通过两个簧片103e分别与左接头103a和右接头103b的上侧壁相连。下中间刚体103d通过另两个簧片103e分别与左接头103a和右接头103b的下侧壁相连。同时保证上述结构的柔性分支103整体结构关于自身几何中心对称。左接头103a与右接头103b外侧壁上设计有安装槽，分别用于柔性分支103与定刚体101和动刚体102间的安装。

上述定刚体101内圈周向均设有四个定位夹板部分6，定位夹板部分6为通过在定刚体101上下表面开槽形成，厚度小于定刚体101厚度。同样在动刚体102外圈周向上以相同方式均设有四个定位夹板部分6；且定刚体101内圈的四个定位夹板部分6分别与动刚体102外圈的四个定位夹板部分6一一相对，分别对应安装四个柔性分支103，安装方式相同，具体为：

通过将柔性分支103中的左接头103a和右接头103b，通过安装槽，分别与定刚体101内圈和动刚体102外圈上相对的定位夹板部分6插接定位，约束柔性分支103在竖直方向上的移动自由度，然后通过两个销钉紧固，装配关系满足过盈配合。

令上述四个柔性分支103中，沿x轴方向设置的柔性分支103分别为左柔性分支与右柔性分支；沿y轴方向设置的柔性分支103分别为上柔性分支与下柔性分支；则左柔性分支与右柔性分支中的四个簧片103e具有绕空间直角坐标系O(x、y、z)中X轴转动的自由度；而上柔性分支与下柔性分支中的四个簧片103e具有绕空间直角坐标系O(x、y、z)中Y轴转动的自由度。由于四个柔性分支103中左接头103a均与定刚体101相接固定，因此通过与左接头103a相连两个簧片103e弯曲变形，上中间刚体103c和下中间刚体103d均可实现沿空间直角坐标系O(x、y、z)中Z轴的移动。由于上柔性分支与下柔性分支中左接头103a与定刚体101固定，因此通过与左接头103a相连两个簧片103e弯曲变形，上中间刚体103c和下中间刚体103d均可实现沿空间直角坐标系O(x、y、z)中Z轴的移动。且若四个柔性分支103中上中间刚体103c和下中间刚体103d沿Z轴移动方向相反时，左柔性分支与右柔性分支的右接头103b可实现绕空间直角坐标系O(x、y、z)中X轴的转动；上柔性分支与下柔性分支的右接头103b可实现绕空间直角坐标系O(x、y、z)中Y轴的转动。若四个柔性分支103中上中间刚体103c和下中间刚体103d沿Z轴移动方向相同，则右接头103b可实现沿空间直角坐标系O(x、y、z)中Z轴的转动。

由此，所述平面柔性铰链1中动刚体102可通过四个柔性分支103的协调变形，实现绕空间直角坐标系O(x、y、z)中X/Y轴的转动以及沿Z轴的移动，具体为：若左柔性分支与右柔性分支的右接头103b绕X轴转动，同时上柔性分支与下柔性分支的右接头103b沿Z轴移动，则动刚体102可实现绕X轴的转动。若上柔性分支与下柔性分支的右接头103b绕Y轴转动，同时左柔性分支与右柔性分支的右接头103b沿Z轴移动，则动刚体102可实现绕Y轴的转动。若四个柔性分支103的右接头103b同时沿Z轴移动，则动刚体102可实现沿Z轴的移动。

如图4所示，所述约束杆2的顶部轴端201与动刚体102底部中心圆孔102a过渡配合，限制约束杆2的径向移动自由度。约束杆2顶部轴肩与动刚体102底部孔肩配合；约束杆2顶部轴头202加工有螺纹，穿过动刚体102顶部通孔102b与防松螺母7配合，从而限制约束杆2的轴向移动自由度。约束杆2底部方轴203与底托4中心方孔401过渡配合，限制约束杆2的周向转动自由度。约束杆2底部轴肩与底托4中心顶部孔肩配合；约束杆2底部轴头204加工有螺纹，穿过底托4中心方孔401与防松螺母7配合，从而限制约束杆2的轴向移动自由度。上述约束杆2中间轴身205直径在1～2mm之间，远小于轴身205轴长，通过自身变形使动刚体102可实现绕空间直角坐标系O(x、y、z)中X/Y轴的转动，同时限制了动刚体102沿Z轴的移动自由度。

上述平面柔性铰链1与底托4间设置有环形的外壁3，平面柔性铰链1中定刚体101下表面外缘与外壁3上端面贴合，通过在定刚体101周向均匀布置的八个沉头孔，由螺钉配合实现定刚体101与外壁3间的紧固，形成本发明柔性并联万向节的静刚体。外壁3下端面与底托4上表面外缘贴合，通过底托4周向均匀布置的八个沉头孔实现底托4与外壁3间的紧固。同时，通过两个非对称布置的销钉依次穿过定刚体101，外壁3以及底托4上的定位孔并固定，实现定刚体101，外壁3以及底托4的周向和径向定位。由此，外壁3、底托4与定刚体101三者共同构成本发明柔性并联万向节的静刚体。本发明外壁3周向均设四个观察孔，可以实时观察柔性并联万向节内部约束杆2的变形情况。

综上，平面柔性铰链1通过四个柔性分支103以及约束杆2的协调变形下，动刚体102相对静刚体具有绕空间直角坐标系O(x、y、z)中X/Y轴转动的两个自由度

所述快插杆5为四个，周向均布在动刚体102和底托4之间；快插杆5顶部螺纹轴与动刚体102螺纹孔配合，通过快插杆5顶端一字凹槽可以快速旋入或旋出快插杆5。快插杆5底部轴头与底托4快插孔过渡配合。当旋出快插杆5时，本发明柔性并联万向节工作在正常状态。当旋入快插杆5时，限制动刚体102绕空间直角坐标系O(x、y、z)中X/Y轴的转动，为本发明柔性并联万向节的装配及运输过程提供限位保护。

在应用本发明柔性并联万向节时，通过安装上盖8与安装下盖9将本发明柔性关联万向节上部与下部罩住，使安装上盖8与安装下盖9间留有间隙，且通过螺钉将安装上盖8与动刚体102间紧固，并将下安装盖9与底托4固定，如图5所示；同时，在安装上盖8与安装下盖9的端面上通过螺钉分别固定安装上法兰与下法兰，用来连接传动轴；由此可使上法兰相对于下法兰可以实现绕空间直角坐标系O(x、y、z)中X/Y轴转动的两个自由度。

Claims (7)

1.一种具有常值刚度的柔性并联万向节，其特征在于：由平面柔性铰链、外壁与底托构成；

其中，平面柔性铰链分为外中内三层；外层为定刚体；内层为动刚体；中层为四个柔性分支，周向均布在定刚体和动刚体之间；

所述柔性分支包括左接头，右接头，上中间刚体、下中间刚体以及四个簧片；其中，上中间刚体通过两个簧片分别与左接头和右接头的上侧壁相连；下中间刚体通过另两个簧片分别与左接头和右接头的下侧壁相连；且柔性分支关于自身几何中心对称；上述四个柔性分支通过左接头与右接头分别与定刚体和动刚体固定；平面柔性铰链与底托间设置有环形的外壁，三者间通过螺钉固定。

2.如权利要求1所述一种具有常值刚度的柔性并联万向节，其特征在于：四个柔性分支与定刚体和动刚体固定方式为：柔性分支中，左接头与右接头外侧壁上设计有安装槽，分别与定刚体和动刚体相对位置处设计的定位夹板部分插接固定。

3.如权利要求1所述一种具有常值刚度的柔性并联万向节，其特征在于：平面柔性铰链、底托与外壁间通过非对称布置的销钉实现周向和径向定位。

4.如权利要求1所述一种具有常值刚度的柔性并联万向节，其特征在于：平面柔性铰链、底托与外壁间通过非对称布置的销钉实现周向和径向定位。

5.如权利要求1所述一种具有常值刚度的柔性并联万向节，其特征在于：还具有约束杆，约束杆的顶端与底端分别与动刚体和底托的中心固定。

6.如权利要求1所述一种具有常值刚度的柔性并联万向节，其特征在于：约束杆中部直径为1～2mm之间。

7.如权利要求1所述一种具有常值刚度的柔性并联万向节，其特征在于：还具有快插杆；快插杆周向均布在动刚体和底托之间；快插杆顶部螺纹轴与动刚体螺纹孔配合，快插杆底部轴头与底托快插孔过渡配合。