CN109973515B - 一种纯滚动接触的rcm柔性铰链 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纯滚动接触的RCM(Remote Center of Motion)柔性铰链结构，主要用于精密传动领域，可用作需承受较大压力载荷的转动副。其特征包括：固定端滚动刚体模块，中间滚动刚体模块，载荷端滚动刚体模块，以及柔性连接模块。实现方法包括：通过设计铰链整体外形为等腰梯形，使其的转动轴心位于z轴远点处，形成虚拟转动中心机构，进而降低轴心偏移对转动位姿的影响；通过改进柔性纯滚动接触机构，将其模块化，并以此取代普通柔性铰链的簧片结构，增大其压力承载能力，进而延长其使用寿命；通过交叉安装的簧片组固连各滚动刚体模块，利用簧片的柔性特征约束滚动刚体的运动轨迹，保证其纯滚动接触，消除滑移、摩擦等因素的影响。本发明可广泛用于精密传动中。

Description

一种纯滚动接触的RCM柔性铰链

技术领域

本发明属于精密传动领域，涉及一种虚拟转动中心的整体机构构型，具体来说，是一种基于纯滚动接触模块的RCM(Remote Center of Motion)柔性铰链。

背景技术

在现今的科技背景下，转动定位平台和多关节机构的精密控制需要各铰链结构的转动作为支撑，尤其在平衡调节及微小调节中，对铰链传动的稳定性和精确性有更高的要求。因此，应设计一种高精度高稳定性的铰链结构，以满足日益发展的精密仪器产业的需求。

相比于传统铰链结构，柔性铰链具有无摩擦、承载力高、可一体化加工等优点，因此受到广泛研究及应用。其中，RCM柔性铰链更因其具有远距虚拟转动中心的特性，在转动过程中轴心位置偏移较小，且在一定条件下弯矩刚度近似为常值，兼具良好的灵敏度和精度。尤其是载荷作用点低于其转动轴心时，RCM柔性铰链稳定性较好，具有快速回稳的特性。然而，一般的RCM铰链由簧片连接支撑固定端与载荷端，承载能力较弱。为此，需引入刚体结构作为支撑，在保证原有柔性铰链转动刚度较小、精度高的前提下，增大其承载能力。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明通过将纯滚动转动模块应用于RCM结构，提出一种兼具高精度与大承载能力的柔性铰链，使其得以用于精密仪器的传动结构。

(2)技术方案

本发明提供了一种纯滚动刚体支撑的RCM柔性铰链，即在保留RCM柔性铰链的整体结构的同时，利用两曲面轮廓相切的刚体进行纯滚动时的转动特性，引入纯滚动刚体模块，代替簧片承担载荷，进而增大该柔性铰链的承载能力。其中簧片用作模块间的连接组合，并利用其柔性特征对刚体模块纯滚动进行约束。每两个簧片为一组，通过在滚动刚体前后两侧的交叉安装完成约束目的。

可选地，根据柔性铰链目标转角和刚度特性确定簧片尺寸及材料，并根据其挠度曲线设计其固定面的圆角轮廓。

可选地，刚体轮廓以实现曲线相切为要求，可设计圆弧、椭圆线及渐开线三种轮廓曲线，并分别设计了三种不同的簧片安装要求，以对不同轮廓的刚体纯滚动模块进行约束。

可选地，在固定端及载荷端支架上设计安装孔，以不影响各刚体相对位置为前提条件，同时保证不会对铰链转动产生干涉。

(3)本发明的优点

RCM柔性铰链是柔性机构与RCM概念结合，具有虚拟转动中心，结构简单，具有大行程、高精度的特点；

两个簧片一组的交叉约束结构保证了滚动刚体的运动路径，同时具有稳定性高、响应时间短等优点；

滚动刚体模块起到了承担载荷的作用，避免了一般RCM铰链的簧片直接承载的状况，有利于提高转动精度高、延长使用寿命长。

附图说明

图1为本发明纯滚动接触的RCM柔性铰链各不同模块沿z轴爆炸分离后的示意图；

图2为本发明纯滚动接触的RCM柔性铰链的结构示意图；

图3为本发明固定端纯滚动接触模块示意图；

图4为本发明中间纯滚动接触模块示意图；

图5为本发明载荷端纯滚动接触模块示意图；

图6为本发明柔性连接模块示意图(图6a为等轴测视图，图6b为正视图)；

图7为本发明RCM柔性铰链中各支撑刚体与虚拟转动中心的位置关系示意图；

图8为本发明纯滚动接触的圆面构型原理图；

图9为本发明纯滚动接触的椭圆面构型原理图；

图10为本发明纯滚动接触的渐开线构型原理图。

附图标记解释：

1—固定端滚动刚体模块；

2a—左侧中间滚动刚体模块，2b—右侧中间滚动刚体模块；

3—载荷端滚动刚体模块；

4a—左下方柔性连接模块，4b—右下方柔性连接模块，4c—左上方柔性连接模块，4d—右上方柔性连接模块；

111—前侧固定端支架，112—后侧固定端支架；

121—左侧固定端滚动刚体，122—右侧固定端滚动刚体；

1111—固定端支架侧面固定螺纹孔；

1112—固定端支架上表面螺纹孔；

1113—固定端支架侧面安装螺纹孔；

1211—固定端滚动刚体侧面固定螺纹孔；

2a11—左侧中间滚动刚体模块的前侧支架，2a12—左侧中间滚动刚体模块的后侧支架；

2a2—左侧中间滚动刚体；

2a111—中间支架侧面螺纹孔；

2a112—中间支架上表面螺纹孔；

2a21—中间滚动刚体侧面螺纹孔；

2b11—右侧中间滚动刚体模块的前侧支架，2b12—右侧中间滚动刚体模块的后侧支架；

2b2—右侧中间滚动刚体；

311—前侧载荷端支架，312—后侧载荷端支架；

321—左侧载荷端滚动刚体，322—右侧载荷端滚动刚体；

3111—载荷端支架侧面固定螺纹孔；

3211—载荷端滚动刚体侧面固定螺纹孔；

41—前侧交叉簧片；

42—后侧交叉簧片；

P—虚拟转动中心；

θ—铰链单侧支撑参考线与竖直方向夹角；

C—滚动刚体平衡接触点；

C＇—滚动刚体动态接触点；

O—底部滚动刚体与其支架的固连参考点；

O₁—顶部滚动刚体与其支架的初始固连参考点；

O₁＇—顶部滚动刚体与其支架的动态固连参考点。

具体实施方案

下面结合附图对本发明作进一步说明。

(1)整体结构介绍

本发明公开了一种纯滚动接触的RCM柔性铰链，参阅图1，在外形结构方面，其组成部件有：固定端滚动刚体模块(1)；中间滚动刚体模块，包括左侧中间滚动刚体模块(2a)和右侧中间滚动刚体模块(2b)；载荷端滚动刚体模块(3)；柔性连接模块，包括左下方柔性连接模块(4a)，右下方柔性连接模块(4b)，左上方柔性连接模块(4c)，右上方柔性连接模块(4d)。

如图2所示，本发明提供柔性铰链装配完成后，整体结构为等腰梯形，载荷端和固定端分别位于该等腰梯形构型的顶边和底边，中间滚动刚体模块则作为承接部件，对称布置在该等腰梯形的左右两腰处。本发明所述的柔性铰链整体的虚拟转动中心在z方向远点处，呈RCM柔性铰链构型。

如图3所示，固定端滚动刚体模块(1)，包括前侧固定端支架(111)、后侧固定端支架(112)、左侧固定端滚动刚体(121)、右侧固定端滚动刚体(122)；固定端支架侧面固定螺纹孔(1111)与固定端滚动刚体侧面固定螺纹孔(1211)规格相同且同轴心装配，以实现固定端支架对固定端滚动刚体定位和固定的目的；此外，固定端支架上表面左右两端均有圆角过渡的两个平滑表面，可结合固定端支架上表面螺纹孔(1112)实现与柔性连接模块的固连。

如图4所示，左侧中间滚动刚体模块(2a)和右侧中间滚动刚体模块(2b)具有相同的形状结构，且关于XOZ平面对称布置。如图4a所示，左侧中间滚动刚体模块(2a)，包括左侧中间滚动刚体模块的前侧支架(2a11)、左侧中间滚动刚体模块的后侧支架(2a12)、左侧中间滚动刚体(2a2)；其中，中间支架通过中间支架侧面螺纹孔(2a111)和中间支架上表面螺纹孔(2a112)的同轴心装配，对中间滚动刚体进行定位和固定；此外，左侧中间支架的上下两表面均为有圆角过渡的两个平滑表面，分别固连于左上方柔性连接模块(4c)和左下方柔性连接模块(4a)。如图4b所示，右侧中间滚动刚体模块(2b)，包括右侧中间滚动刚体模块的前侧支架(2b11)、左侧中间滚动刚体模块的后侧支架(2b12)、左侧中间滚动刚体(2b2)；其中，中间支架与中间滚动刚体装配关系与左侧中间滚动刚体(2a)相同；此外，右侧中间支架的上下两个平滑表面，分别固连于右上方柔性连接模块(4d)和左下方柔性连接模块(4b)。

如图5所示，载荷端滚动刚体模块(3)，包括前侧载荷端支架(311)、后侧载荷端支架(312)、左侧载荷端滚动刚体(321)、右侧载荷端滚动刚体(322)，载荷端支架通过固定端支架侧面固定螺纹孔(1111)和固定端支架上表面螺纹孔(1112)的同轴心装配，对载荷端滚动刚体进行定位和固定；此外，载荷端支架下表面左右两端均有圆角过渡的两个平滑表面，通过螺纹孔实现分别固连于左上方柔性连接模块(4c)和右上方柔性连接模块(4d)。

如图6所示，左下方柔性连接模块(4a)，包括前侧交叉簧片(41)和后侧交叉簧片(42)，两簧片沿宽度方向在y轴层叠，并在YOZ平面的投影相交叉，分别固连于刚体前后两侧的支架上，用作柔性连接并形成刚体的滚动约束。

在柔性连接模块中，两簧片呈空间交叉位姿，任一组簧片均分布于滚动刚体前后两侧，用于连接载荷端、中间、固定端三滚动刚体模块中的支架构件，再通过对应端支架在滚动刚体前后两侧的夹紧及固定，最终确保滚动刚体曲面轮廓的接触状态。在铰链完成装配要求后，左侧固定端滚动刚体(121)的上表面与左侧中间滚动刚体(2a2)的下表面接触，左侧中间滚动刚体(2a2)的上表面与左侧载荷端滚动刚体(321)的下表面接触；与之对称地，右侧固定端滚动刚体(122)的上表面与左侧中间滚动刚体(2b2)的下表面接触，左侧中间滚动刚体(2b2)的上表面与左侧载荷端滚动刚体(322)的下表面接触。利用簧片的柔性特征，互相接触的滚动刚体在铰链整体偏转的过程中只能发生纯滚动，进一步强化了柔性铰链无摩擦传动的优势；同时铰链所受压力主要由滚动刚体承担，可增大铰链的承载能力。此外，RCM构型使其具有远距的虚拟转动中心，兼具较高的灵敏性和稳定性。

需注意，本发明所提出的柔性铰链在装配时应确保左右对称，未受载时，簧片近似处于平直状态，且连接在同一中间支架上的两簧片互相平行，以保证其受载特性的一致性；同时，各支架与簧片固连位置为有相切圆弧过渡的光滑平面，既能保证簧片的固连状态，也避免簧片受载弯曲时出现集中应力集中。

如图7所示，示意图中仅保留了正视于该柔性铰链时各模块中滚动刚体轮廓线的相切关系，分别连接图中左右两侧的两个切点，得到该柔性铰链左右两侧的两条支撑参考线，将两支撑参考线向上方延长，相交于一点(P)即为该柔性铰链的虚拟转动中心，。显然，调节各刚体间的位置关系，会改变铰链单侧支撑参考线与竖直方向夹角(θ)，进而调节虚拟转动中心到载荷端的距离。

(2)纯滚动刚体模块——接触曲线设计方案

本发明对于纯滚动刚体模块这一转动支撑结构提出了三种可用的理论构型，图8、图9和图10分别对应圆，椭圆和渐开线作为滚动刚体做纯滚动接触的轮廓线。

如图8所示，两接触的滚动刚体轮廓均为半圆形，在此滚动刚体模块下，两个全等大半圆为进行纯滚动接触的滚动刚体，两个全等小半圆为支架。以两圆形轮廓的圆心在同一竖直线上的虚线轮廓，为上方刚体受载前初始位置。受平面顺时针力矩作用时，以下方半圆刚体及支架为固定端，上方半圆刚体及支架为载荷端，则上方半圆刚体沿下方半圆轮廓滚动。受载过程中的具体表现为，底部滚动刚体与其支架的固连参考点(O)位置不变，滚动刚体平衡接触点(C)随着两刚体圆弧轮廓的切点偏移至滚动刚体动态接触点(C＇)，顶部滚动刚体与其支架的初始固连参考点(O₁)随载荷端刚体的纯滚动偏移至顶部滚动刚体与其支架的动态固连参考点(O₁＇)。需注意，在此方案中，两对大小半圆分别为同心圆，簧片两端分别固连于两个小半圆支架上，同时，簧片未与小半圆重合部分为自然伸直状态(此时不考虑簧片的塑性形变)，并且是两个小半圆的公切线，则可保证两刚体间相对运动有且仅有纯滚动。可选地，根据该滚动刚体模块所需转角，仅保留支架的部分圆形轮廓，将与刚体固连区域设计为支架圆形轮廓的切线，以便簧片在支架上的固定。

如图9所示，两接触的滚动刚体轮廓均为椭圆形，需注意两支架圆的圆心分别为两全等椭圆自身长短轴的交点，同样的，两支架圆也需全等。由椭圆的长短轴特性，在图4虚线位置附近小角度转动时，此椭圆轮廓线的转动刚体稳定性较圆形轮廓线更优。

如图10所示，两接触的滚动刚体轮廓均为渐开线，需注意上下两刚体轮廓为轴对称关系，且支架圆分别为两渐开线轮廓的基圆，以保证在簧片固连且不产生塑性形变时，两刚体做纯滚动。

综上所述，本发明提供了一种纯滚动接触的RCM柔性铰链通过交叉簧片结构这一柔性部分，将滚动刚体模块的位置及运动状态确定，使其只能在簧片的弹性变形下进行相互间的纯滚动，进而带动载荷端完成转动输出。同时该机构之间不存在进行力传递的连杆机构，是通过柔性部分直接将固定端与载荷端相连接，因此结构紧凑，响应迅速，例如，在静平衡仪中，可以在载荷作用后快速回稳，另外该柔性铰链转动输出时，其转动轴心偏移几乎可以忽略不计，转动刚度近似为常量，更容易实现精确控制。

Claims (9)

1.一种柔性铰链结构，其特征包括：

固定端滚动刚体模块(1)，包括前侧固定端支架(111)、后侧固定端支架(112)、左侧固定端滚动刚体(121)、右侧固定端滚动刚体(122)；

左侧中间滚动刚体模块(2a)和右侧中间滚动刚体模块(2b)，两模块具有相同的形状结构，且关于XOZ平面对称布置，均包括前侧中间支架、后侧中间支架、中间滚动刚体，中间支架对中间滚动刚体进行定位和固定，此外，中间支架的上下两表面均为有圆角过渡的两个平滑表面，分别与两个柔性连接模块固连；

载荷端滚动刚体模块(3)，包括前侧载荷端支架(311)、后侧载荷端支架(312)、左侧载荷端滚动刚体(321)、右侧载荷端滚动刚体(322)，载荷端支架对载荷端滚动刚体进行定位和固定，此外，载荷端支架下表面左右两端均有圆角过渡的两个平滑表面，可结合螺纹孔实现与柔性连接模块的固定；

柔性连接模块，包括前侧交叉簧片(41)和后侧交叉簧片(42)，两簧片呈空间交叉位姿，分别固连于刚体前后两侧的支架上，用作柔性连接并作为滚动刚体间做纯滚动的约束。

2.根据权利要求1所述的柔性铰链结构，其特征在于，所述铰链整体构型为等腰梯形，转动轴心位于z方向远点处形成虚拟转动中心，呈RCM(Remote Center of Motion)结构，该结构在转动过程中虚拟转动中心随转动角度的偏移量较小。

3.根据权利要求1所述的柔性铰链结构，用滚动刚体模块的接触支撑替换了一般RCM结构中单一的簧片支撑结构；

固定端滚动刚体模块、中间滚动刚体模块和载荷端滚动刚体模块中对应的滚动刚体在柔性连接模块的约束下，保持两两接触的状态，且接触位置的曲面轮廓呈相切关系。

4.根据权利要求1所述的柔性铰链结构，通过柔性连接模块连接各类滚动刚体，约束滚动刚体在未受载状态下的初始位置，维持其曲面相互接触的位置关系；

保证两两接触的滚动刚体在铰链整体转动的过程中只能发生纯滚动，强化了柔性铰链无摩擦传动的优势，所述铰链在此结构下所受压力主要由滚动刚体承担，可增大铰链的承载能力。

5.根据权利要求1所述的柔性铰链结构，铰链所受压力主要由滚动刚体承担，簧片所受压力载荷较小，可延长其使用寿命。

6.根据权利要求1所述的柔性铰链结构，固连在同一支架上下两平滑表面的两柔性连接模块，在未加载状态下两柔性连接模块中的两对应簧片分别互相平行，以保证其受载特性的一致性。

7.根据权利要求1所述的柔性铰链结构，各支架与对应滚动刚体的侧面固定螺纹孔规格相同且同轴心装配，以实现支架与对应滚动刚体定位和固定的目的。

8.根据权利要求1所述的柔性铰链结构，各支架与簧片固连位置为有相切圆弧过渡的光滑平面，既能保证簧片的固连状态，也避免簧片受载弯曲时出现应力集中。

9.根据权利要求1所述的柔性铰链结构，调节各刚体间的位置关系，可调节虚拟转动中心到载荷端的距离，以满足不同的应用需求。

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