CN109026989A - 一种基于Roberts机构的圆周导向机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于Roberts机构的圆周导向机构，包括：外连接环；内连接环，所述内连接环和所述外连接环同轴；所述外连接环和内连接环之间分布有多个Roberts机构，所述多个Roberts机构将所述外连接环和所述内连接环连为一体。本发明所提供的基于Roberts机构的圆周导向机构为一体化结构，无需加工多个零件组装，采用电火花线切割工艺即可加工完成，加工制作简单，且易于实现较高的加工精度，进而利于提高导向精度。

Description

一种基于Roberts机构的圆周导向机构

技术领域

本发明涉及无轴承精密圆周导向机构的技术领域，尤其涉及一种基于Roberts机构的一体化柔性圆周导向机构。

背景技术

在雷达天线、经纬仪、精密仪器等存在精密圆周转动运动的设备中，往往需要使用圆周导向机构，以提高圆周运动的精度，减少非运动方向的运动误差。常用的圆周导向机构为滚动轴承和关节轴承。这些轴承在使用时，一般需要使用润滑物，使得设备中存在化学污染的可能。轴承在运转时，轴承内的构件之间相互摩擦，易使颗粒污染混入设备中。由于轴承的构造原理，轴承内的构件之间存在间隙，导致轴承在正反转转换时，形成回滞，造成运动误差，并降低导向精度。这些污染及回滞问题，使得常用的轴承不适宜在真空环境及精密光学系统中使用。

柔性结构以其无摩擦、无需润滑、无污染、无间隙、精度高的特点，在精密机构中应用广泛。这些特点也使得柔性结构适用于真空环境及精密光学系统。将柔性结构应用于导向机构，目前主要集中在直线导向机构方面，在圆周导向机构中采用柔性结构尚无报道。本发明在已有柔性直线导向机构的基础上，将运动形式由直线式转换为圆周式。这一转换原理存在于很多其他场合，如齿轮与齿条、滚动轴承与直线轴承、光栅与编码器、直线电机与交流电机等。已有的转换应用表明，在逻辑上，这种转换是完全可行的。且如同其他类似的转换应用，转换前后，柔性导向机构将依然可以保持其高精度的特性。

Roberts机构是生成直线运动的典型结构。申请号为CN200810229987.9的中国专利公开了一项名称为“直线平移平面九杆机构及直线平移运动机构构造方法”的技术方案，该发明将Roberts机构与两个平行四边形四杆机构组合，构造了一种直线平移运动机构。申请号为CN201110274522.7的中国专利公开了一项名称为“基于柔性Roberts机构的两级力分辨率的力传感器”的技术方案，该方案采用了八个Roberts机构对置排列，形成了两级直线运动平台，用于构建力传感器。上述发明中单个Roberts机构或多个Roberts机构排成一列，可用于直线运动导向。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，提供了一种基于Roberts机构的圆周导向机构，本发明将多个Roberts机构不再排成一列，而是排成一个圆周。每个Roberts机构在圆周的切向方向上提供直线运动导向，多个Roberts机构在切向上的直线运动拟合，形成了对圆周运动的导向。基于此原理，本发明构造了一种基于Roberts机构的一体化柔性圆周导向机构。具体方案如下。

本发明提供了一种基于Roberts机构的圆周导向机构，包括外连接环；内连接环，所述内连接环和所述外连接环同轴；所述外连接环和内连接环之间分布有多个Roberts机构，所述多个Roberts机构将所述外连接环和所述内连接环连为一体。

在一些实施例中，所述外连接环与所述内连接环之间的多个Roberts机构在周向上呈均匀分布。

在一些实施例中，所述Roberts机构的数量至少为3个。

在一些实施例中，所述Roberts机构包括Roberts单元、串联有两个以上Roberts单元的Roberts机构、或混联有四个以上Roberts单元的Roberts机构。进一步优选地，所述Roberts机构为串联有两个Roberts单元的Roberts机构，和/或，所述Roberts机构为混联有四个Roberts单元的Roberts机构。

在一些实施例中，Roberts机构的数量为9个或12个。

在一些实施例中，所述外连接环和/或所述内连接环上设置有螺纹孔和/光孔，用于连接外部结构。

在一些实施例中，所述Roberts机构包括Roberts机构上连接端、Roberts机构下连接端、Roberts机构边缘连接杆、Roberts机构边缘横向刚性杆、Roberts机构柔性连接片、Roberts机构中间横向刚性杆、Roberts机构中间连接杆。进一步地，所述Roberts机构边缘连接杆、Roberts机构柔性连接片和Roberts机构中间连接杆均具备柔性变形能力。进一步地，所述Roberts机构包括两个Roberts机构柔性连接片，所述两个Roberts机构柔性连接片互为三角支撑。

本发明的技术方案与现有技术相比，具有有益效果在于：本发明的所提供的基于Roberts机构的圆周导向机构中的每个Roberts机构在圆周的切向方向具有良好的直线导向性能，在圆周的径向及轴向上的刚度远高于其在切向上的刚度；因此，在本发明中，柔性圆周导向机构在圆周方向的导向精度高，在径向、轴向上的运动约束好，柔性圆周导向机构中内连接环、外连接环的径向跳动、轴向跳动小。本发明的基于Roberts机构的圆周导向机构为全柔性结构，运转时无摩擦、无需润滑、无污染、无间隙、正反向转动转换时无回滞。本发明的基于Roberts机构的圆周导向机构为一体化结构，无需加工多个零件组装，采用电火花线切割工艺即可加工完成，加工制作简单，且易于实现较高的加工精度，进而利于提高导向精度。本发明的基于Roberts机构的圆周导向机构使用时与外部结构的连接简单、方便。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的Roberts单元的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的Roberts单元的变形示意图；

图3为根据本发明一个实施例的串联有两个Roberts单元的Roberts机构的结构示意图；

图4为根据本发明一个实施例的混联有四个Roberts单元的Roberts机构的结构示意图；

图5为根据本发明一个实施例的采用均布9个Roberts机构的基于Roberts机构的圆周导向机构的结构示意图；

图6为根据本发明一个实施例的采用均布12个Roberts机构的基于Roberts机构的圆周导向机构的结构示意图；

图7为根据本发明一个实施例的采用9个串联有两个Roberts单元的Roberts机构的基于Roberts机构的圆周导向机构的结构示意图；

图8为根据本发明一个实施例的采用混联有四个Roberts单元的Roberts机构的基于Roberts机构的圆周导向机构的结构示意图。

附图标记：100、基于Roberts机构的圆周导向机构，1、Roberts机构，1a、Roberts机构上连接端，1b、Roberts机构下连接端，1c、Roberts机构边缘连接杆，1d、Roberts机构边缘横向刚性杆，1e、Roberts机构柔性连接片，1f、Roberts机构中间横向刚性杆，1g、Roberts机构中间连接杆，2、外连接环，3、内连接环，4、串联有两个以上Roberts单元的Roberts机构，5、混联有四个以上Roberts单元的Roberts机构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1所示为根据本发明一个实施例的Roberts单元的结构示意图，在本发明中，所述Roberts机构1包括Roberts单元，所述Roberts单元为本领域常规使用的Roberts单元，所述Roberts单元包括Roberts机构上连接端1a、Roberts机构下连接端1b、Roberts机构边缘连接杆1c、Roberts机构边缘横向刚性杆1d、Roberts机构柔性连接片1e、Roberts机构中间横向刚性杆1f、Roberts机构中间连接杆1g。所述Roberts单元为可柔性变形的。为了与外连接环2和内连接环3连接，本发明增加了Roberts机构边缘横向刚性杆1d和Roberts机构边缘连接杆1c，Roberts机构上连接端1a和Roberts机构下连接端1b则直接用于与外部连接。常规使用时，Roberts机构边缘连接杆1c、Roberts机构边缘横向刚性杆1d、Roberts机构中间横向刚性杆1f、Roberts机构中间连接杆1g为不易变形的刚性连接件，Roberts机构柔性连接片1e为易于变形的柔性连接件。常规使用时，Roberts机构的变形主要发生在Roberts机构柔性连接片1e上，应力集中也主要产生于Roberts机构柔性连接片1e。

在本发明中，为了使Roberts机构的应力分散分布，不集中分布于某一构件，且为了增大Roberts机构的行程，进而增大柔性圆周导向机构的转动范围，可减小Roberts机构边缘连接杆1c、Roberts机构中间连接杆1g的杆件宽度，使其具备柔性变形能力。如图2所示为根据本发明一个实施例的Roberts单元的变形示意图。Roberts机构1中的Roberts机构边缘连接杆1c、Roberts机构柔性连接片1e和Roberts机构中间连接杆1g均具备柔性变形能力。P点为Roberts机构中间连接杆1g末端的一点，固定Roberts机构上连接端1a，在Roberts机构1的变形过程中，P点的运动轨迹为近似直线，其运动主要发生在横向，纵向的运动误差很小。在纵向上，Roberts机构1中的两个Roberts机构柔性连接片1e互为三角支撑，组合刚度大；其他构件在纵向方向的尺寸较大，刚度较大。因此，Roberts机构1在纵向上的刚度较大。在轴向上，Roberts机构1一般具备较大的厚度尺寸，Roberts机构1在轴向上的刚度亦较大。较大的纵向、轴向刚度，可使Roberts机构1在横向方向发生变形时，纵向和轴向上的位移很小。这一特征在多个Roberts机构1组合为柔性圆周导向机构时，可使得柔性圆周导向机构中的外连接环2、内连接环3具备很小的径向跳动和轴向跳动，利于形成高精度的圆周导向。

如图3所示为根据本发明一个实施例的串联有两个Roberts单元的Roberts机构的结构示意图，本发明的Roberts机构可采用图3所示的具有串联结构的Roberts机构。该具有串联结构的Roberts机构中的两个Roberts单元的下端相连，组合后，两个Roberts单元中的Roberts机构中间连接杆1g融为一体，形式上为两个Roberts机构1串联。具有串联两个Roberts单元的结构单元4具有更对称的结构，采用具有串联有两个Roberts单元的Roberts机构的一体化柔性圆周导向机构将具有更稳定的连接和更稳定的导向精度。图7为一种具体实施例子，为一种采用均布9个具有串联有两个Roberts单元的Roberts机构4的一体化柔性圆周导向机构示意图。

如图4所述为根据本发明一个实施例的混联有四个Roberts单元的Roberts机构5的结构示意图，本发明的Roberts机构可采用图4所示的具有混联有四个Roberts单元的Roberts机构5。该混联有四个Roberts单元的Roberts机构5为将两个具有串联有两个Roberts单元的Roberts机构4并联，组合后，两个具有串联有两个Roberts单元的Roberts机构4相邻侧的Roberts机构边缘连接杆1c融为一体，相邻侧的Roberts机构边缘横向刚性杆1d连接在一起，形式上为四个Roberts单元混联。该结构单元相比具有串联有两个Roberts单元的Roberts机构4，结构更加稳定，但结构更为复杂。采用具有混联有四个Roberts单元的Roberts机构5的一体化柔性圆周导向机构将具有更好的稳定连接和更好的导向精度。图8为一种具体实施例子，为一种采用均布9个具有混联有四个Roberts单元的Roberts机构5的一体化柔性圆周导向机构示意图。

如图5-8所示，在本发明中，基于Roberts机构的圆周导向机构100包括：外连接环2，内连接环3，所述内连接环3和所述外连接环2同轴；所述外连接环2和所述内连接环3之间分布有多个Roberts机构1，所述多个Roberts机构1将所述外连接环2和所述内连接环3连为一体。本发明的基于Roberts机构的圆周导向机构100为一体化柔性圆周导向机构，其利用Roberts机构1的柔性变形，可使外连接环2与内连接环3之间产生相对转动，在转动过程中，无构件间的相互摩擦，无需润滑，不会产生污染；在转动过程中，无构件间的间隙，正反向转动转换时无回滞。本发明所述的基于Roberts机构的圆周导向机构100可在整块材料上线切割加工完成，加工工艺简单。以外连接环2和内连接环3的径向间距为40mm为例，Roberts机构1在40mm的长度范围内，可产生±2mm以上的变形，位移分辨率可达到纳米级。若柔性圆周导向机构的转动半径为100mm，则柔性圆周导向机构的转动范围为±1.1°。柔性圆周导向机构的径向跳动和轴向跳动按综合5μm测算，机构的最大导向误差为10”，即柔性圆周导向机构的转动范围可到度级，转动精度可达秒级。

在具体的实施例中，所述外连接环2与所述内连接环3之间的多个Roberts机构1在周向上呈均匀分布。

在具体的实施例中，所述Roberts机构1的数量至少为3个，进一步优选地，所述Roberts机构1的数量为9个或12个。

在具体的实施例中，所述Roberts机构1包括Roberts单元，串联有两个以上Roberts单元的Roberts机构4，或混联有四个以上Roberts单元的Roberts机构。进一步优选地，所述Roberts机构1为串联有两个以上Roberts单元的Roberts机构4，和/或，所述Roberts机构为混联有四个以上Roberts单元的Roberts机构5。在本发明中，Roberts单元为Roberts机构的最小单元，所述Roberts机构可以为一个Roberts单元，也可以为多个Roberts单元串联或混联，如串联有两个以上Roberts单元的Roberts机构4、混联有四个以上Roberts单元的Roberts机构5。

在具体的实施例中，所述外连接环和/或所述内连接环上设置有螺纹孔(图中未示出)和/光孔(图中未示出)，用于连接外部结构。当本发明的基于Roberts机构的圆周导向机构需要与外部连接时，可在外连接环2和内连接环3上加工螺纹孔或光孔。也可在设计时将本发明的基于Roberts机构的圆周导向机构与外部结构统筹考虑，将外连接环2与内连接环3融入外部设计中，与外部结构组合成整体一体结构。

如图5所示为根据本发明一个实施例的采用均布9个Roberts机构1的基于Roberts机构的圆周导向机构100的结构示意图。如图6所示为根据本发明一个实施例的采用均布12个Roberts机构1的基于Roberts机构的圆周导向机构100的结构示意图。根据柔性圆周导向机构外部负荷转矩的需要，可调整Roberts机构1中各杆件的宽度尺寸，也可调整外连接环2和内连接环3间均布的Roberts机构1的数量。调整Roberts机构1中各杆件的宽度尺寸时，可增大柔性圆周导向机构承受的负荷转矩，但柔性圆周导向机构的转动范围会随之减小。但Roberts机构1的数量越多，柔性圆周导向机构承受的负荷转矩越大，柔性圆周导向机构的转动范围不变。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于Roberts机构的圆周导向机构，其特征在于，包括：

外连接环；

内连接环，所述内连接环和所述外连接环同轴；

所述外连接环和所述内连接环之间分布有多个Roberts机构，所述多个Roberts机构将所述外连接环和所述内连接环连为一体。

2.根据权利要求1所述的基于Roberts机构的圆周导向机构，其特征在于，所述外连接环与所述内连接环之间的多个Roberts机构在周向上呈均匀分布。

3.根据权利要求1所述的基于Roberts机构的圆周导向机构，其特征在于，所述Roberts机构的数量至少为3个。

4.根据权利要求1所述的基于Roberts机构的圆周导向机构，其特征在于，所述Roberts机构包括Roberts单元、串联有两个以上Roberts单元的Roberts机构、或混联有四个以上Roberts单元的Roberts机构。

5.根据权利要求4所述的基于Roberts机构的圆周导向机构，其特征在于，，所述Roberts机构为串联有两个Roberts单元的Roberts机构，和/或，所述Roberts机构为混联有四个Roberts单元的Roberts机构。

6.根据权利要求1所述的基于Roberts机构的圆周导向机构，其特征在于，所述Roberts机构的数量为9个或12个。

7.根据权利要求1所述的基于Roberts机构的圆周导向机构，其特征在于，所述外连接环和/或所述内连接环上设置有螺纹孔和/光孔，用于连接外部结构。

8.根据权利要求1所述的基于Roberts机构的圆周导向机构，其特征在于，所述Roberts机构包括Roberts机构上连接端、Roberts机构下连接端、Roberts机构边缘连接杆、Roberts机构边缘横向刚性杆、Roberts机构柔性连接片、Roberts机构中间横向刚性杆、Roberts机构中间连接杆。

9.根据权利要求8所述的基于Roberts机构的圆周导向机构，其特征在于，所述Roberts机构边缘连接杆、Roberts机构柔性连接片和Roberts机构中间连接杆均具柔性变形能力。

10.根据权利要求8或9所述的基于Roberts机构的圆周导向机构，其特征在于，所述Roberts机构包括两个Roberts机构柔性连接片，所述两个Roberts机构柔性连接片互为三角支撑。