CN109732584B - 一种平面复合结构空间大行程的柔顺铰链 - Google Patents

一种平面复合结构空间大行程的柔顺铰链 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种平面复合结构空间大行程的柔顺铰链，包括用于实现平面外扭转功能的矩形平面单元和用于实现平面内旋转功能的叉形平面单元，所述叉形平面单元是由两条柔性的直梁薄板相交成带有夹角的叉状结构，所述矩形平面单元与叉形平面单元通过外联式或内嵌式连接。本发明克服了现有的平面结构柔顺铰链只能等效单自由度的大行程低运动副及现有的LEMs柔顺机构等效的多自由度柔顺铰链总体行程较小等问题，具有结构简单、易于加工、易于分析计算、等效大行程空间多自由度柔度等优点。

Description

一种平面复合结构空间大行程的柔顺铰链
技术领域
本发明涉及柔顺机构的技术领域，尤其是指一种平面复合结构空间大行程的柔顺铰链。
背景技术
柔顺机构的是指一类利用自身弹性变形传递输入力或位移的机构。柔顺机构无间隙、无润滑、不需要装配、高精度、高刚度等优点早已被学者发现并广泛应用于航空航天、机械工程、机器人科学、医疗设备等多个领域。而柔顺机构主流设计方法之一是刚体替代法，它的基本思想就是将传统的刚性机构的刚性铰链等效替换成相应的柔顺铰链，进而组成与之对应的柔顺机构。因此柔顺铰链的设计以及新型空间柔顺机构的设计一直是机构学的重点和热点。
近年来，随着柔顺机构在微机电加工技术领域的应用以及发展，具有平面结构的各类柔顺铰链以及柔顺机构均被提出。但大多平面结构的柔顺铰链或者机构也只能实现其结构所在的平面内的运动，而具有空间运动能力的柔顺机构和铰链往往又不是简单的平面的结构，这样使得空间柔顺机构或者柔顺铰链加工困难，不易实现小尺度加工或者制造。
LET柔顺铰链(LET,Lamina Emergent Torsional Joint)以及由LET柔顺铰链组成的LEMs柔顺机构(LEMs，Lamina Emergent Mechanisms)具有通过特殊的平面结构实现平面外运动的特点，这类柔顺机构引起了柔顺机构领域学者们的广泛关注并引起了重视(详见专利US 9,157,497B1)。LET柔顺铰链具体是一种是由薄板材料加工完成，具有窄边矩形形状的平面结构，它可实现平面外转动，是一类新型单自由度的柔顺铰链。LEMs柔顺机构是一种由LET柔顺铰链组成的柔顺机构，该类柔顺机构亦具有通过平面结构实现平面外空间运动的特点。LET柔顺铰链以及LEMs柔顺机构均可以实现较大变形，且加工简单，既可以用常规方法(如线切割、3D打印、激光切割)制造宏观尺度的机构或设备，也可用微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)领域的微加工技术制造出微观尺度的机构或设备。
LET铰链和LEMs机构为需要实现具备空间移动功能的空间柔顺机构以及空间微柔顺机构提供新的思路，但由于LET柔顺铰链等效的是刚性机构的单自由度关节，这使得LET柔顺铰链构成的LEMs柔顺机构的等效的刚性机构往往是由低运动副构成的空间少自由度机构。因此在设计平面薄片复合的大行程的空间多自由度柔顺机构中，LET柔顺铰链就具有一定的局限性，譬如需要多自由度关节的Delta机构、Gough-Stewart机构以及专利(201810223057.6)中所述的翻转多稳态柔顺机构则无法只用LET柔顺铰链组成上述的等效柔顺机构。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的平面结构柔顺铰链只能等效单自由度的大行程低运动副及现有的LEMs柔顺机构等效的多自由度柔顺铰链总体行程较小等问题，提出了一种平面复合结构空间大行程的柔顺铰链，具有结构简单、易于加工、易于分析计算、等效大行程空间多自由度柔度等优点。
为实现上述目的，本发明所提出的技术方案为：一种平面复合结构空间大行程的柔顺铰链，包括相连的矩形平面单元和叉形平面单元，所述矩形平面单元用于实现平面外扭转功能，该矩形平面单元是由两条柔性的长直梁和两条柔性的短直梁围成的矩形结构，其中一条长直梁的中心处为固定段，其两端分别为第一扭转段，另一条长直梁的中心处为第二扭转段，其两端分别为第三扭转段；所述叉形平面单元用于实现平面内旋转功能，该叉形平面单元是由两条柔性并相交叉的直梁薄板构成的叉状结构，所述叉状结构的外侧与第二扭转段通过外联式连接构成刚度高、结构稳定的三角形结构，用于连接叉状结构与矩形结构并传递力矩。
进一步，所述矩形平面单元为窄矩形结构，即所述长直梁和短直梁的长宽比大，从而长直梁的扭转刚度降低，能够实现矩形平面单元平面外大范围的弯曲变形，且长直梁的宽度与整个柔顺铰链的厚度之比不超过0.35；所述两条直梁薄板构成的叉状结构朝向长直梁的夹角为30-90度，且直梁薄板的宽度与长直梁的宽度相近，并与整个柔顺铰链的厚度之比不超过0.31，从而使矩形平面单元的扭转柔度与叉形平面单元的转动柔度相当。
进一步，所述第一扭转段的长度大于短直梁的长度，所述第一扭转段的宽度小于短直梁的宽度，第一扭转段的宽度与整个柔顺铰链的厚度之比为0.1～0.35，所述直梁薄板的长度分别与固定段的长度和第二扭转段的长度相等，其变形长度不超过固定段长度的1.414倍，所述直梁薄板的宽度与整个柔顺铰链的厚度之比为0.1～0.25。
进一步，所述矩形平面单元的扭转柔度与叉形平面单元的弯曲柔度之比为0.2～1。
一种平面复合结构空间大行程的柔顺铰链，包括相连的矩形平面单元和带有连接梁的叉形平面单元，所述矩形平面单元用于实现平面外扭转功能，该矩形平面单元是由两条柔性的长直梁和两条柔性的短直梁围成的矩形结构，其中一条长直梁的中心处为固定段，其两端分别为第一扭转段，另一条长直梁的中心处为第二扭转段，其两端分别为第三扭转段；带有连接梁的叉形平面单元用于实现平面内旋转功能，该叉形平面单元是由两条柔性并相交叉的直梁薄板构成的叉状结构，所述连接梁将叉状结构靠近矩形结构一侧的两个端部相连接，该连接梁的中心处为第四扭转段，其两侧为第五扭转段，所述叉状结构的内侧，即第四扭转段与第二扭转段通过内嵌式连接构成三角形结构，且叉状结构的外侧不与任何结构连接，该三角形结构用于连接叉状结构与矩形结构并传递力矩，且该三角形结构位于直梁薄板上的部分能够实现平面内的弯曲变形，其与矩形结构连接的部分实现平面外的扭转变形。
进一步，所述矩形平面单元为窄矩形结构，即所述长直梁和短直梁的长宽比大，从而长直梁的扭转刚度降低，能够实现矩形平面单元平面外大范围的弯曲变形，且长直梁的宽度与整个柔顺铰链的厚度之比不超过0.35；所述两条直梁薄板构成的叉状结构朝向长直梁的夹角为30-90度，且直梁薄板的宽度与长直梁的宽度相近，并与整个柔顺铰链的厚度之比不超过0.31，从而使矩形平面单元的扭转柔度与叉形平面单元的转动柔度相当。
进一步，所述第一扭转段的长度大于短直梁的长度，所述第一扭转段的宽度小于短直梁的宽度，第一扭转段的宽度与整个柔顺铰链的厚度之比为0.1～0.35，所述直梁薄板的长度分别与固定段的长度和第二扭转段的长度相等，其变形长度不超过固定段长度的1.414倍，所述直梁薄板的宽度与整个柔顺铰链的厚度之比为0.1～0.25。
进一步，所述矩形平面单元的扭转柔度与叉形平面单元的弯曲柔度之比为0.2～1。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明可以等效两自由度转动关节，既可以通过叉形平面单元的弯曲实现平面内的大范围转动，又可以通过矩形平面单元的扭转变形实现平面外的大范围转动。
2、本发明的矩形平面单元为窄矩形结构，长直梁的扭转刚度降低，能够实现矩形平面单元平面外大范围的弯曲变形。
3、采用本发明的柔顺机构可以实现平面外大的变形以及运动，具有一个或者多个平面自由度。
附图说明
图1为本发明外联式柔顺铰链的立体结构图。
图2为本发明外联式柔顺铰链的平面结构图。
图3为本发明内嵌式柔顺铰链的立体结构图。
图4为本发明内嵌式柔顺铰链的平面结构图。
图5为采用本发明所设计的翻转多稳态柔顺机构的平面结构示意图。
图6为上述翻转多稳态柔顺机构的四个稳态示意图。
图7为采用本发明等效设计的柔顺折展delta机构的俯视图。
图8为上述柔顺折展delta机构的展开工作示意图一。
图9为上述柔顺折展delta机构的展开工作示意图二。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示，本实施例所提出的一种平面复合结构空间大行程的柔顺铰链，包括相连的矩形平面单元1和叉形平面单元2，所述矩形平面单元1用于实现平面外扭转功能，该矩形平面单元1是由两条柔性的长直梁和两条柔性的短直梁102围成的矩形结构，其中一条长直梁的中心处为固定段100，其两端分别为第一扭转段101，另一条长直梁的中心处为第二扭转段103,其两端分别为第三扭转段104；所述叉形平面单元2用于实现平面内旋转功能，该叉形平面单元2是由两条柔性并相交叉的直梁薄板201构成的叉状结构，所述叉状结构的外侧与第二扭转段103通过外联式连接构成刚度高、结构稳定的三角形结构，用于连接叉状结构与矩形结构并传递力矩。本发明的主要特点是可以等效两自由度转动关节，既可以通过叉形平面单元2的弯曲实现平面内的大范围转动，平面内大范围的转动是指在本发明结构初始状态所在的平面上的大范围的转动运动，又可以通过矩形平面单元1的扭转变形实现平面外的大范围转动，平面外大范围的转动是指在本发明结构所在初始平面外的且等效转动轴与平面法向量垂直的大范围转动运动。
外联式的柔顺铰链在整个变形过程中三角形结构平面内的弯曲变形较大、平面外的扭转变形较小，矩形平面单元1只能绕Y轴002和叉形平面单元2只能绕Z轴003转动变形能力，通过这两种变形使本发明具有解耦的空间大变形能力，其主要变形部分为长直梁的第一扭转段101，其主要功能是使整个矩形平面单元1只具有绕Y轴002的转动能力，因此矩形平面单元1沿着Y轴002的转动柔度明显大于其沿着X轴001和Z轴003的转动柔度，叉形平面单元2主要实现绕Z轴003的转动，因此叉形平面单元2沿Z轴003的转动柔顺明显大于沿X轴001和Y轴002的转动柔度。
为了实现上述性能其几何尺寸关系需作如下约束：
1)矩形平面单元1为窄矩形结构，即所述长直梁和短直梁102的长宽比大，从而长直梁的扭转刚度降低，能够实现矩形平面单元1平面外大范围的弯曲变形，其中，第一扭转段101的长度也要大于短直梁102的长度，第一扭转段101的宽度小于短直梁102的宽度，且第一扭转段101的宽度要小于整个铰链的厚度，考虑到加工的复杂程度，第一扭转段101的宽度与整个铰链的厚度之比应为0.1～0.35。
2)所述两条直梁薄板201构成的叉状结构朝向长直梁的夹角204为30-90度，直梁薄板201的宽度与长直梁的宽度相近，并与整个铰链的厚度之比不超过0.31，考虑到加工难度，它们的数值之比应为0.1～0.25，从而使所矩形平面单元1的扭转柔度与叉形平面单元2的转动柔度相当，所述直梁薄板201的长度分别与固定段100的长度和第二扭转段103的长度相等，其变形长度不超过固定段100长度的1.414倍。
考虑到矩形平面单元1可以通过串联的方式增加柔度，因此矩形平面单元1的扭转柔度与叉形平面单元2的弯曲柔度之比应为0.2～1。最后通过条件约束优化各尺寸参数可以得到满足上述要求的外联式连接的所述柔顺铰链。
如图3、图4所示，本实施例所提出的另一种平面复合结构空间大行程的柔顺铰链，包括相连的矩形平面单元1和带有连接梁的叉形平面单元2，所述矩形平面单元1用于实现平面外扭转功能，该矩形平面单元1是由两条柔性的长直梁和两条柔性的短直梁102围成的矩形结构，其中一条长直梁的中心处为固定段100，其两端分别为第一扭转段101，另一条长直梁的中心处为第二扭转段103，其两端分别为第三扭转段104；带有连接梁的叉形平面单元2用于实现平面内旋转功能，该叉形平面单元2是由两条柔性并相交叉的直梁薄板201构成的叉状结构，所述连接梁将叉状结构靠近矩形结构一侧的两个端部相连接，该连接梁的中心处为第四扭转段202，其两侧为第五扭转段203，所述叉状结构的内侧，即第四扭转段202与第二扭转段103通过内嵌式连接构成三角形结构，且叉状结构的外侧不与任何结构连接，该三角形结构用于连接叉状结构与矩形结构并传递力矩，且该三角形结构位于直梁薄板201上的部分能够实现平面内的弯曲变形，其与矩形结构连接的部分实现平面外的扭转变形。本发明的主要特点是可以等效两自由度转动关节，既可以通过叉形平面单元2的弯曲实现平面内的大范围转动，平面内大范围的转动是指在本发明结构初始状态所在的平面上的大范围的转动运动，又可以通过矩形平面单元1的扭转变形实现平面外的大范围转动，平面外大范围的转动是指在本发明结构所在初始平面外的且等效转动轴与平面法向量垂直的大范围转动运动。
内嵌式柔顺铰链在整个变形过程中主要变形部分为长直梁的第一扭转段101和叉形平面单元2内侧的第五扭转段203，其主要功能是使整个矩形平面单元1只具有绕Y轴002的转动能力，矩形平面单元1沿着Y轴002的转动柔度也大于其沿着X轴001和Z轴003的转动柔度，所述叉形平面单元2主要实现绕Z轴003的转动，因此叉形平面单元2沿着Z轴003的转动柔度也大于沿着X轴001和Y轴002的转动柔度。
为了实现上述性能其几何尺寸关系需作如下约束：
1)矩形平面单元1为窄矩形结构，即所述长直梁和短直梁102的长宽比大，从而长直梁的扭转刚度降低，能够实现矩形平面单元1平面外大范围的弯曲变形，所述第一扭转段101的长度也要大于短直梁102的长度，所述第一扭转段101的宽度小于短直梁102的宽度，第一扭转段101的宽度要小于整个铰链的厚度，考虑到加工的复杂程度，第一扭转段101的宽度与整个铰链的厚度之比应为0.1～0.35。
2)所述两条直梁薄板201构成的叉状结构朝向长直梁的夹角204为30-90度，直梁薄板201的宽度与长直梁的宽度相近，并与整个铰链的厚度之比不超过0.31，考虑到加工难度，它们的数值之比应为0.1～0.25，从而使所矩形平面单元1的扭转柔度与叉形平面单元2的转动柔度相当，所述直梁薄板201的长度分别与固定段100的长度和第二扭转段103的长度相等，其变形长度不超过固定段100长度的1.414倍。
考虑到矩形平面单元1可以通过串联的方向增加柔度，因此矩形平面单元1的扭转柔度与叉形平面单元2的弯曲柔度之比应为0.2～1。最后通过条件约束优化各尺寸参数可以得到满足上述要求的内嵌式连接的所述柔顺铰链。
以上两种外联式或内嵌式平面结构的柔顺铰链在分别满足以上特征要求后，还可以根据实际工况需求，通过参数微调或者尺寸优化的方式对整个结构具体柔度值进行调整，最后获得所述柔顺铰链的最终结构参数值。
由多个本发明所述的外联式或内嵌式柔顺铰链和其他传统平面铰链通过串联或者并联连接构成，可以实现平面外大的变形以及运动，具有一个或者多个平面自由度。通过刚体替代法的思想等效诸如多稳态翻转机构、delta机构等具有空间多自由度运动特点的大行程柔顺折展机构。
本发明所等效的是一种两自由度铰链，且两个方向的转动柔度相当，因此可以用于专利号(201810223057.6)中所述的翻转多稳态柔顺机构，如图5所示，501即是该翻转机构的一组变形单元，即本发明所提出的平面复合结构空间大行程的柔顺铰链。经理论分析和实验验证，采用ABS工程塑料制作本发明所述柔顺铰链各个方向均可以转动22.5度，因此只需要首位串联16个本发明所述的柔顺铰链即可设计成专利号(201810223057.6)中所述的翻转多稳态柔顺机构，该柔顺机构具有四个稳态，其稳态状态如图6中所示的601、602、603、604，通过X轴001、Y轴002和Z轴003可以从图中区分整体结构的变形的朝向。
如图7为采用本发明柔顺铰链所等效设计的柔顺折展delta机构折叠成平面状态的俯视图，701即为采用本发明柔顺铰链所设计的delta机构末端连杆的胡克铰链部分，由图可知这种平面结构极大的简化了delta机构的加工工艺。
如图8、图9为本发明柔顺铰链所等效设计的柔顺折展delta机构的两个展开状态，该机构展开后可以实现空间X、Y和Z方向的三个方向的移动，具有移动位移大、动平台惯性质量小、定位精度高等优点。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种平面复合结构空间大行程的柔顺铰链，其特征在于：包括相连的矩形平面单元和叉形平面单元，所述矩形平面单元用于实现平面外扭转功能，该矩形平面单元是由两条柔性的长直梁和两条柔性的短直梁围成的矩形结构，其中一条长直梁的中心处为固定段，其两端分别为第一扭转段，另一条长直梁的中心处为第二扭转段，其两端分别为第三扭转段；所述叉形平面单元用于实现平面内旋转功能，该叉形平面单元是由两条柔性并相交叉的直梁薄板构成的叉状结构，所述叉状结构的外侧与第二扭转段通过外联式连接构成刚度高、结构稳定的三角形结构，用于连接叉状结构与矩形结构并传递力矩。
2.根据权利要求1所述的一种平面复合结构空间大行程的柔顺铰链，其特征在于：所述矩形平面单元为窄矩形结构，即所述长直梁和短直梁的长宽比大，从而长直梁的扭转刚度降低，能够实现矩形平面单元平面外大范围的弯曲变形，且长直梁的宽度与整个柔顺铰链的厚度之比不超过0.35；所述两条直梁薄板构成的叉状结构朝向长直梁的夹角为30-90度，且直梁薄板的宽度与长直梁的宽度相近，并与整个柔顺铰链的厚度之比不超过0.31，从而使矩形平面单元的扭转柔度与叉形平面单元的转动柔度相当。
3.根据权利要求2所述的一种平面复合结构空间大行程的柔顺铰链，其特征在于：所述第一扭转段的长度大于短直梁的长度，所述第一扭转段的宽度小于短直梁的宽度，第一扭转段的宽度与整个柔顺铰链的厚度之比为0.1～0.35，所述直梁薄板的长度分别与固定段的长度和第二扭转段的长度相等，其变形长度不超过固定段长度的1.414倍，所述直梁薄板的宽度与整个柔顺铰链的厚度之比为0.1～0.25。
4.根据权利要求1所述的一种平面复合结构空间大行程的柔顺铰链，其特征在于：所述矩形平面单元的扭转柔度与叉形平面单元的弯曲柔度之比为0.2～1。
5.一种平面复合结构空间大行程的柔顺铰链，其特征在于：包括相连的矩形平面单元和带有连接梁的叉形平面单元，所述矩形平面单元用于实现平面外扭转功能，该矩形平面单元是由两条柔性的长直梁和两条柔性的短直梁围成的矩形结构，其中一条长直梁的中心处为固定段，其两端分别为第一扭转段，另一条长直梁的中心处为第二扭转段，其两端分别为第三扭转段；带有连接梁的叉形平面单元用于实现平面内旋转功能，该叉形平面单元是由两条柔性并相交叉的直梁薄板构成的叉状结构，所述连接梁将叉状结构靠近矩形结构一侧的两个端部相连接，该连接梁的中心处为第四扭转段，其两侧为第五扭转段，所述叉状结构的内侧，即第四扭转段与第二扭转段通过内嵌式连接构成三角形结构，且叉状结构的外侧不与任何结构连接，该三角形结构用于连接叉状结构与矩形结构并传递力矩，且该三角形结构位于直梁薄板上的部分能够实现平面内的弯曲变形，其与矩形结构连接的部分实现平面外的扭转变形。
6.根据权利要求5所述的一种平面复合结构空间大行程的柔顺铰链，其特征在于：所述矩形平面单元为窄矩形结构，即所述长直梁和短直梁的长宽比大，从而长直梁的扭转刚度降低，能够实现矩形平面单元平面外大范围的弯曲变形，且长直梁的宽度与整个柔顺铰链的厚度之比不超过0.35；所述两条直梁薄板构成的叉状结构朝向长直梁的夹角为30-90度，且直梁薄板的宽度与长直梁的宽度相近，并与整个柔顺铰链的厚度之比不超过0.31，从而使矩形平面单元的扭转柔度与叉形平面单元的转动柔度相当。
7.根据权利要求6所述的一种平面复合结构空间大行程的柔顺铰链，其特征在于：所述第一扭转段的长度大于短直梁的长度，所述第一扭转段的宽度小于短直梁的宽度，第一扭转段的宽度与整个柔顺铰链的厚度之比为0.1～0.35，所述直梁薄板的长度分别与固定段的长度和第二扭转段的长度相等，其变形长度不超过固定段长度的1.414倍，所述直梁薄板的宽度与整个柔顺铰链的厚度之比为0.1～0.25。
8.根据权利要求5所述的一种平面复合结构空间大行程的柔顺铰链，其特征在于：所述矩形平面单元的扭转柔度与叉形平面单元的弯曲柔度之比为0.2～1。
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