CN110296144B - 一种零刚度柔性铰链 - Google Patents

Abstract

一种零刚度柔性铰链，属于柔性铰链技术领域，包括负刚度模块、内外环柔性铰链和内环输出接口，内外环柔性铰链由至少三个基本层叠件层叠在一起组成，包括外环结构和内环结构，负刚度模块包括外环输出接口、矩形片簧串、菱形四杆机构和接口板，外环输出接口底部与外环结构上侧固连，接口板一面与内环结构上侧固连，菱形四杆机构的其中两个对角节点分别与外环结构和接口板连接，菱形四杆机构的另外两个对角节点与矩形片簧串的两端连接，内环输出接口与内外环柔性铰链的内环结构底侧固连。本发明通过设置菱形四杆机构和矩形片簧串等，抵消掉柔性铰链内外环转动产生的恢复力矩，这样就能使铰链可以停留在行程范围内的任意位置。

Description

一种零刚度柔性铰链

技术领域

本发明属于柔性铰链技术领域，特别是指一种零刚度柔性铰链。

背景技术

柔性铰链(或称柔性枢轴、柔性轴承、十字弹簧轴承)是一种结构简单、形状较为规则的弹性支承，具有和几何中心轴重合的回转中心，依靠在圆周径向均布的弹性薄片的有限变形进行工作，在扭转载荷下，绕其回转中心在有限角度范围内产生回转运动。

普通柔性铰链内外环结构相对转动时，会产生恢复力矩，并且需要另外配驱动力来平衡铰链的恢复力矩，繁琐且不方便，也容易使结构的复杂度提高。

所以，本发明将提供一种零刚度柔性铰链，来解决上述问题。

发明内容

针对上述不足，本发明提供了一种零刚度柔性铰链。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种零刚度柔性铰链，包括负刚度模块、内外环柔性铰链和内环输出接口；所述内外环柔性铰链由至少三个基本层叠件层叠在一起组成，包括外环结构和内环结构；所述负刚度模块包括外环输出接口、矩形片簧串、菱形四杆机构和接口板，所述外环输出接口底部与内外环柔性铰链的外环结构上侧固连，所述接口板一面与内外环柔性铰链的内环结构上侧固连，所述菱形四杆机构的其中两个对角节点分别与外环结构和接口板连接，所述菱形四杆机构的另外两个对角节点与矩形片簧串的两端连接；所述内环输出接口与内外环柔性铰链的内环结构底侧固连。

优选的，所述内外环柔性铰链的基本层叠件数量为至少三个，所述基本层叠件包括外圈法兰环、内圈法兰环和簧片，所述内圈法兰环为不完全圆环，所述簧片为矩形薄片，簧片的一端连接到外圈法兰环的内侧壁，另一端通过内圈法兰环的缺口连接到内圈法兰环的内侧壁；所述基本层叠件依次层叠，层叠后多个簧片圆周均匀分布，所述内外环柔性铰链的外环结构是由多个基本层叠件的外圈法兰环层叠在一起组成，所述内环结构是由多个基本层叠件的内圈法兰环层叠在一起组成。

优选的，所述接口板包括接口板圆柱孔和转接法兰盘，所述转接法兰盘的侧边对称分布有两个接口板圆柱孔。

优选的，所述外环输出接口包括输出法兰盘、固定法兰盘和外环圆柱孔，所述固定法兰盘为法兰环结构，其上部连接固定着输出法兰盘，所述外环圆柱孔数量为两个，对称分布于固定法兰盘的内边缘。

优选的，所述接口板与内外环柔性铰链的最上层的基本层叠件连接，即与最上层的基本层叠件的内圈法兰环连接；所述内环输出接口与内外环柔性铰链的最下层的基本层叠件连接，即与最下层的基本层叠件的内圈法兰环连接。

优选的，所述外环输出接口的固定法兰盘与最上层的基本层叠件的外圈法兰环连接。

优选的，所述矩形片簧串包括固定孔和矩形片簧组合，其数量为两个，所述矩形片簧组合是由第一矩形片簧和第二矩形片簧组成的，所述第一矩形片簧和第二矩形片簧同为弧形板簧，第一矩形片簧和第二矩形片簧长边缘两端固连，中间弧形的谷底部位远离；多个矩形片簧组合通过中间位置串联，位于两端的矩形片簧组合的侧边各设有一个固定孔。

优选的，所述菱形四杆机构数量为两个，菱形四杆机构的其中两个对角节点中，其中一个节点与外环圆柱孔铰接，另一个节点与接口板圆柱孔铰接，另外两个对角节点分别与矩形片簧串的两个固定孔铰接。

与现有技术相比，该发明的有益之处为：

1.本发明通过设置负刚度模块来实现柔性铰链零刚度的效果，最关键的结构为菱形四杆机构和矩形片簧串，普通柔性铰链在转动时会存在恢复力矩，零刚度柔性铰链通过负刚度模块自身特性抵消掉这个恢复力矩，这样就能使铰链可以停留在行程范围内的任意位置。

2.本发明设置菱形四杆机构和矩形片簧串，结构简单，但是非常巧妙，在现有技术中并没有应用此结构的柔性铰链。

3.本发明通过设置外环输出接口和内环输出结构，方便连接相对转动的零件，方便安装和拆卸。

4.本发明的内外环柔性铰链至少三个基本层叠件，根据实际需求可以增减基本层叠件的数量，灵活方便。

5.本发明具备普通轴承不具备的优势，无摩擦，无须润滑，结构简单，精度高，传动效率高等优点。

附图说明

图1为本发明的整体机构爆炸示意图；

图2为本发明的整体结构示意图；

图3为本发明的负刚度模块结构示意图；

图4为本发明的负刚度模块结构示意图；

图5为本发明的外环接口结构示意图；

图6为本发明的接口板结构示意图；

图7为本发明的矩形片簧串结构示意图；

图8为本发明的菱形四杆机构示意图；

图9为本发明的内外环柔性铰链结构示意图；

图10为本发明的基本层叠件结构示意图；

图11为本发明的内外环柔性铰链俯视图；

图12为本发明的内环输出接口结构示意图。

图中，1-负刚度模块，11-外环输出接口，111-输出法兰盘，112-固定法兰盘，113-外环圆柱孔，12-矩形片簧串，121-固定孔，122-矩形片簧组合，1221- 第一矩形片簧，1222-第二矩形片簧，13-菱形四杆机构，14-接口板，141-接口板圆柱孔，142-转接法兰盘，2-内外环柔性铰链，21-基本层叠件，211-外圈法兰环， 212-内圈法兰环，213-簧片，3-内环输出接口。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1—12所示，一种零刚度柔性铰链，包括负刚度模块1、内外环柔性铰链2和内环输出接口3；所述内外环柔性铰链2由至少三个基本层叠件 21层叠在一起组成，包括外环结构和内环结构；所述负刚度模块1包括外环输出接口11、矩形片簧串12、菱形四杆机构13和接口板14，所述外环输出接口 11底部与内外环柔性铰链2的外环结构上侧固连，所述接口板14一面与内外环柔性铰链2的内环结构上侧固连，所述菱形四杆机构13的其中两个对角节点分别与外环结构和接口板14连接，所述菱形四杆机构13的另外两个对角节点与矩形片簧串12的两端连接；所述内环输出接口3与内外环柔性铰链2的内环结构底侧固连。

优选的，所述内外环柔性铰链2的基本层叠件21数量为至少三个，所述基本层叠件21包括外圈法兰环211、内圈法兰环212和簧片213，所述内圈法兰环212为不完全圆环，所述簧片213为矩形薄片，簧片213的一端连接到外圈法兰环211的内侧壁，另一端通过内圈法兰环212的缺口连接到内圈法兰环212 的内侧壁；所述基本层叠件21依次层叠，层叠后多个簧片213圆周均匀分布，所述内外环柔性铰链2的外环结构是由多个基本层叠件21的外圈法兰环211层叠在一起组成，所述内环结构是由多个基本层叠件21的内圈法兰环212层叠在一起组成。

优选的，所述接口板14包括接口板圆柱孔141和转接法兰盘142，所述转接法兰盘142的侧边对称分布有两个接口板圆柱孔141。

优选的，所述外环输出接口11包括输出法兰盘111、固定法兰盘112和外环圆柱孔113，所述固定法兰盘112为法兰环结构，其上部连接固定着输出法兰盘111，所述外环圆柱孔113数量为两个，对称分布于固定法兰盘112的内边缘。

优选的，所述接口板14与内外环柔性铰链2的最上层的基本层叠件21连接，即与最上层的基本层叠件21的内圈法兰环212连接；所述内环输出接口3 与内外环柔性铰链2的最下层的基本层叠件21连接，即与最下层的基本层叠件 21的内圈法兰环212连接。

优选的，所述外环输出接口11的固定法兰盘112与最上层的基本层叠件 21的外圈法兰环211连接。

优选的，所述矩形片簧串12包括固定孔121和矩形片簧组合122，其数量为两个，所述矩形片簧组合122是由第一矩形片簧1221和第二矩形片簧1222 组成的，所述第一矩形片簧1221和第二矩形片簧1222同为弧形板簧，第一矩形片簧1221和第二矩形片簧1222长边缘两端固连，中间弧形的谷底部位远离；多个矩形片簧组合122通过中间位置串联，位于两端的矩形片簧组合122的侧边各设有一个固定孔121。

优选的，所述菱形四杆机构13数量为两个，菱形四杆机构13的其中两个对角节点中，其中一个节点与外环圆柱孔113铰接，另一个节点与接口板圆柱孔141铰接，另外两个对角节点分别与矩形片簧串12的两个固定孔121铰接。

本发明的工作原理如下：通过内环输出接口3和外环输出接口11连接到需要此柔性铰链或者两个相对转动的零件上，假设运动是从内环结构传递到外环结构再传递出去，内外环结构相对转动时内外环结构之间的簧片213会产生一个恢复力矩。

菱形四杆机构13的两个对角节点分别固定在外环圆柱孔113和接口板圆柱孔141上，即为分别与外环结构和内环结构固定，内外环结构相对转动时，菱形四杆机构也会相应的产生变形，即菱形连杆之间距离发生变化，最终引起矩形片簧串12的变形量改变，这样就会产生一个转动力矩与内外环结构的恢复力矩平衡，最终实现零刚度，即在允许的行程范围内，内外环结构可以转动到一个角度并停留在那个位置。

这样就跟传统的需要另外配驱动力来平衡铰链的恢复力矩的普通柔性铰链不同，即通过内部安装一个菱形四杆机构13和矩形片簧串12来改变需要额外驱动力矩的情况。

对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种零刚度柔性铰链，其特征在于，包括负刚度模块(1)、内外环柔性铰链(2)和内环输出接口(3)；所述内外环柔性铰链(2)由至少三个基本层叠件(21)层叠在一起组成，包括外环结构和内环结构；所述负刚度模块(1)包括外环输出接口(11)、矩形片簧串(12)、菱形四杆机构(13)和接口板(14)，所述外环输出接口(11)底部与内外环柔性铰链(2)的外环结构上侧固连，所述接口板(14)一面与内外环柔性铰链(2)的内环结构上侧固连，所述菱形四杆机构(13)的其中两个对角节点分别与外环结构和接口板(14)连接，所述菱形四杆机构(13)的另外两个对角节点与矩形片簧串(12)的两端连接；所述内环输出接口(3)与内外环柔性铰链(2)的内环结构底侧固连；所述内外环柔性铰链(2)的基本层叠件(21)数量为至少三个，所述基本层叠件(21)包括外圈法兰环(211)、内圈法兰环(212)和簧片(213)，所述内圈法兰环(212)为不完全圆环，所述簧片(213)为矩形薄片，簧片(213)的一端连接到外圈法兰环(211)的内侧壁，另一端通过内圈法兰环(212)的缺口连接到内圈法兰环(212)的内侧壁；所述基本层叠件(21)依次层叠，层叠后多个簧片(213)圆周均匀分布，所述内外环柔性铰链(2)的外环结构是由多个基本层叠件(21)的外圈法兰环(211)层叠在一起组成，所述内环结构是由多个基本层叠件(21)的内圈法兰环(212)层叠在一起组成；所述接口板(14)包括接口板圆柱孔(141)和转接法兰盘(142)，所述转接法兰盘(142)的侧边对称分布有两个接口板圆柱孔(141)；所述外环输出接口(11)包括输出法兰盘(111)、固定法兰盘(112)和外环圆柱孔(113)，所述固定法兰盘(112)为法兰环结构，其上部连接固定着输出法兰盘(111)，所述外环圆柱孔(113)数量为两个，对称分布于固定法兰盘(112)的内边缘；所述接口板(14)与内外环柔性铰链(2)的最上层的基本层叠件(21)连接，即与最上层的基本层叠件(21)的内圈法兰环(212)连接；所述内环输出接口(3)与内外环柔性铰链(2)的最下层的基本层叠件(21)连接，即与最下层的基本层叠件(21)的内圈法兰环(212)连接；所述外环输出接口(11)的固定法兰盘(112)与最上层的基本层叠件(21)的外圈法兰环(211)连接；所述矩形片簧串(12)包括固定孔(121)和矩形片簧组合(122)，其数量为两个，所述矩形片簧组合(122)是由第一矩形片簧(1221)和第二矩形片簧(1222)组成的，所述第一矩形片簧(1221)和第二矩形片簧(1222)同为弧形板簧，第一矩形片簧(1221)和第二矩形片簧(1222)长边缘两端固连，中间弧形的谷底部位远离；多个矩形片簧组合(122)通过中间位置串联，位于两端的矩形片簧组合(122)的侧边各设有一个固定孔(121)；所述菱形四杆机构(13)数量为两个，菱形四杆机构(13)的其中两个对角节点中，其中一个节点与外环圆柱孔(113)铰接，另一个节点与接口板圆柱孔(141)铰接，另外两个对角节点分别与矩形片簧串(12)的两个固定孔(121)铰接。

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