CN106224480A - 一种基于四杆机构的大行程柔性旋转铰 - Google Patents

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Abstract

一种基于四杆机构的柔性旋转铰是内圈通过均布设置有多个四杆机构连接外圈及通过外圈支撑架连接构成；其中四杆机构是连架杆一端与外圈的内壁连接，另一端与刚性连杆连接，刚性连杆的另一端与内圈连接，构成四杆转角放大机构。本发明是一种基于四杆转角放大机构驱动的柔性旋转铰，具有行程大、精度高的特点，适用于大行程的精密控制机构。

Description

一种基于四杆机构的大行程柔性旋转铰
技术领域
本发明涉及一种柔性旋转铰，特别是一种基于转角放大的曲柄摇杆机构的大行程旋转铰，适用于机器人及折展机构等。
背景技术
柔性铰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形式，与传统刚性运动副的结构有很大不同，相对于传统的刚性铰(机构)，柔性铰(机构)具有整体化、免于润滑、无间隙和摩擦等优点，同时，其储能特性为柔性旋转铰在空间用折展机构中的应用奠定了基础。
旋转铰也称回转铰，是进行不同构件的同轴旋转，允许两个构件沿着同一个回转轴进行相对回转运动，广泛的应用于各种形式的机器人和机构中。
柔性铰是柔顺机构的一种，大多应用于微动领域，而大行程的铰链设计并不多见。传统的柔性铰中，一些进行了簧片连接的旋转铰链的设计，但大多直接利用簧片的变形进行两个构件的运动传递，很难应用于大转角的场合，并且其转动中心漂移严重。
发明内容
为了解决现有柔性旋转铰存在的小转角或大应变问题，本发明提供一种基于四杆机构的大行程柔性旋转铰，此柔性铰实现高精度、大转角的旋转运动，最大行程为±30°。
本发明目的通过如下技术方案实现的。
一种基于四杆机构的大行程柔性旋转铰，包括外圈、内圈、四杆机构及轴承支撑；其特征在于：所述柔性旋转铰是由一共面的外圈与内圈及其间均布的多个四杆机构，并进行回转连接与支撑的轴承构成；
所述四杆机构是连架杆一端与外圈的内壁连接，另一端与中间连杆的一端连接，中间连杆的另一端与内圈连接，构成四杆转角放大的四杆机构。
进一步地附加技术方案如下。
所述四杆机构的柔性杆曲率方向与外圈曲率方向相同。
所述连架杆是曲梁和直梁中的一种。
所述连架杆是柔性体或是刚性体；柔性体时，连接点是固接、铰接或是扭簧连接；刚性体时，至少有一个连接点是扭簧连接。
所述连杆与内圈固定连接时，中间连杆是由刚性段和柔性段一体构成；所述中间连杆与内圈铰接或扭簧连接时，中间连杆是刚性体。
所述四杆机构在外圈和内圈间均布设置有四个四杆机构，四杆机构之间的夹角是90度。
所述四杆机构是曲柄摇杆机构，所述曲柄是由内圈替代；所述摇杆是连架杆，连架杆是柔性体时，外圈与内圈的回转中心到外圈内壁的距离为机架长度。
所述四杆机构中的每个柔性杆件的厚度与刚性杆件的厚度比<0.1。
本发明上述所提供的一种基于四杆机构的大行程柔性旋转铰的技术方案，利用轴承进行内圈和外圈的连接，进行内圈和外圈中心的定位，利用含柔性体的四杆机构进行内外圈之间相对旋转的驱动；本发明采用曲梁或直梁四杆机构，通过其周向均布，驱动柔性铰的旋转运动，与传统的柔性旋转铰相比，其运动行程较大，铰链中的角度放大机构减小了柔性体的应力和应变，改善了旋转铰的受力和变形，并且中心漂移小，是一种性能优良的大转角柔性旋转铰，适用于大转角的高精度机构设计，与现有技术相比，本发明具体优点与积极效果集中体现在如下几点。
第一、本发明将柔性铰中的运动传递与能量储存分离，利用曲柄摇杆机构实现柔性铰的大转角运动的同时，实现了柔性体的小位移，即利用转角放大机构，实现了小应力和小应变下的大转角运动，提高了柔性旋转铰的行程和使用寿命。
第二、本发明四杆机构模块在内圈和外圈之间进行均匀分布，使旋转铰的内外圈受力均衡。
第三、本发明四杆机构模块在内外圈之间使用轴承进行支撑，保证了内外圈之间相对旋转的同轴度，减小了轴漂。
第四、本发明中的柔性铰可以作为大转角机构的驱动，使机构可以去除驱动装置，减小机构质量，并且通过大变形梁的形状设计，实现了不同规律的扭矩输出。
附图说明
图1是本柔性旋转铰的外圈支撑架分离结构示意图。
图2是本柔性旋转铰的结构示意图。
图3是本柔性旋转铰图1的主视结构示意图。
图中：1：外圈；2：内圈；3：连架杆；4：连接轴；5：轴承；6：外圈支撑架；7：外圈连接孔；8：外圈连接螺钉；9：中间连杆；10：刚性段；11：柔性段。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
实施上述本发明所提供的一种基于四杆机构的大行程柔性旋转铰，该柔性旋转铰是基于四杆机构的柔性旋转铰，将四杆机构作为运动传递和储能模块，以四杆机构中的曲柄摇杆机构为例，将其摇杆由柔性杆件代替，利用柔性摇杆进行能量的储存，将曲柄由内圈代替，从而实现大转角的旋转运动；在机构运动过程中，柔性铰的柔性杆件有一定变形，储备能量，进行机构锁定，释放锁定部分，旋转铰中的柔性杆件作用，实现机构的反向运动；基于四杆机构的柔性铰，包括外圈、内圈和四杆机构以及轴承支撑架；共面的内圈和外圈分别通过四杆机构和轴承连接与支撑；多个四杆机构在内圈和外圈均匀分布，四杆机构中的柔性杆的曲率方向与外圈的曲率方向相同；外圈和内圈之间利用轴承进行支撑；外圈和内圈分别至少设有一个安装孔，用于连接杆或其他构件相连。
为进一步实现本发明的目的，本柔性旋转铰中每个四杆机构在内外圈间均匀阵列分布有四个四杆机构，每个四杆机构之间的夹角为90°，且每个柔性杆的厚度与刚性杆的厚度比<0.1，四杆机构的中间连杆一端与柔性杆连接，一端与内圈连接，通过弹簧片、滑动轴承或扭簧进行连接。
本发明利用轴承进行内圈和外圈的连接，进行内圈和外圈中心的定位，利用含柔性体的四杆机构进行内外圈之间相对运动的驱动。本发明采用曲梁或者是直梁的四杆机构，通过周向均布，驱动柔性铰的旋转运动，与传统的柔性旋转铰相比，其运动行程较大，铰链中的角度放大机构减小了柔性体的应力和应变，改善了旋转铰的受力和变形，且中心漂移小，是一种性能优良的大转角柔性旋转铰，适用于大转角的高精度机构设计。
为了更好理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的具体实施方式做出进一步说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表示的范围。
如附图1、附图2所示，基于四杆机构的柔性铰包含有外圈1、内圈2、连架杆3、连接轴4、轴承5和外圈支撑架6；同轴共面的外圈1和内圈2分别通过四杆机构和轴承连接，外圈1和内圈2分别为圆圈形；四杆机构在外圈1和内圈2之间至少对称均布两个，沿内外圈的周向均匀分布，四杆机构中的连架杆3由柔性体替代，柔性体是曲梁或直梁，为了减小柔性体的变形，使其曲率方向与外圈1的曲率方向相同，在满足变形和运动的条件下，其曲率尽量接近外圈1曲率，连接内圈2和连架杆3的中间连杆9刚性较大，在外圈1固定，内圈2旋转的过程中，带动中间连杆9运动，同时连架杆3产生变形，进行力和扭矩的传递。为了加大外圈的刚度，在外圈上装配外圈支撑架6，支撑6与外圈1通过螺钉进行连接，同时为了保证内外圈的同轴度，利用轴承5进行支撑架与内圈之间的连接；内外圈至少留有一个安装孔用于与连接杆和/或底座连接。
本发明中的四杆机构模块，其为曲柄摇杆机构，曲柄部分由内圈代替，相对外圈进行大转角运动，摇杆部分由柔性体替换，中间连杆部分刚度较大，可以视为刚性体，在内外圈的相对转动过程中，曲柄摇杆机构中的摇杆进行小转角运动，内圈进行大转角运动，从而使柔性体的小变形运动实现内圈的大转角运动；四杆机构中柔性杆的曲率与外圈的曲率相近，其曲率中心与外圈的曲率中心不重合，且其位于外圈内部；连接内圈和柔性体的中间连杆的刚度较大，视为刚性体。图示中给出四杆机构中连接杆件的铰链为扁梁结构，其与内外圈可以进行一体加工；刚柔混合的四杆机构与内外圈的连接方式是多样的，固接、扁梁、小刚度扭簧，或自润滑轴承进行刚性杆/柔性杆与内圈及外圈之间的连接。
为了实现柔性旋转铰的大转角运动，需要进行柔性体和刚性体的设计，刚性梁的厚度至少是柔性体厚度的10倍；四杆机构中的扁梁形式连接铰的厚度小于0.1倍刚性梁的厚度；内外圈中间连接的四杆机构均布，各模块之间夹角相等。
制作时，采用精密走丝线切割机床一体化加工外圈1、内圈2和四杆模块；内圈中留有支撑件装配孔，其可以为方孔或其他形状孔；也可以单独加工外圈、内圈和四杆模块，利用焊接的方法进行外圈1、内圈2和四杆模块的装配，或通过在刚性梁上进行开槽，将簧片插入进行柔性体的装配。
本柔性旋转铰可以进行两个方向运动，外圈相对内圈进行顺时针和逆时针的回转，当柔性旋转铰无初始变形，外圈固定，内圈相对于外圈进行逆时针旋转时，大柔性体变形储存能量，释放铰链外圈，外圈进行顺时针运动，回转到初始位置。
基于四杆机构的柔性铰可以实现大角度的旋转，减小轴漂移，减小了柔性体的应力和应变。利用四杆机构的角度放大原理，实现了小变形和小转角条件下内外圈之间的大转角运动；外圈在进行支架支撑的同时，与内圈进行连接，实现了内外圈之间的同轴回转；由于外圈和内圈具有较大的宽度和厚度，其在非运动方向上的刚度较大，具有较好的刚度，可以承受一定的载荷。

Claims (8)

1.一种基于四杆机构的大行程柔性旋转铰，包括外圈、内圈、四杆机构及其轴承支撑；其特征在于：所述柔性旋转铰是由一共面的外圈（1）与内圈（2）及其间均布的多个四杆机构，并进行回转连接与支撑的轴承（5）构成；
所述四杆机构是连架杆（3）一端与外圈（1）的内壁连接，另一端与中间连杆（9）的一端连接，中间连杆（9）的另一端与内圈（2）连接，构成四杆转角放大的四杆机构。
2.如权利要求1所述的柔性旋转铰，其特征在于：所述四杆机构的柔性杆曲率方向与外圈曲率方向相同。
3.如权利要求1所述的柔性旋转铰，其特征在于：所述连架杆（3）是曲梁和直梁中的一种。
4.如权利要求1或3所述的柔性旋转铰，其特征在于：所述连架杆（3）是柔性体或是刚性体；柔性体时，连接点是固接、铰接或是扭簧连接；刚性体时，至少有一个连接点是扭簧连接。
5.如权利要求1所述的柔性旋转铰，其特征在于：所述中间连杆（9）与内圈（2）固定连接时，中间连杆（9）是由刚性段（10）和柔性段（11）一体构成；所述中间连杆（9）与内圈（2）铰接或扭簧连接时，中间连杆（9）是刚性体。
6.如权利要求1所述的柔性旋转铰，其特征在于：所述四杆机构在外圈（1）和内圈（2）间均布设置有四个四杆机构，四杆机构之间的夹角是90度。
7.如权利要求1或2所述的柔性旋转铰，其特征在于：所述四杆机构是曲柄摇杆机构，所述曲柄是由内圈（2）替代；所述摇杆是连架杆（3），连架杆（3）是柔性体时，外圈（1）与内圈（2）的回转中心到外圈（1）内壁的距离为机架长度。
8.如权利要求1所述的柔性旋转铰，其特征在于：所述四杆机构中的每个柔性杆的厚度与刚性杆的厚度比< 0.1。
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