CN111365378B - 一种柔性虎克铰链 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种柔性虎克铰链，包括铰链主体以及安装在铰链主体上的第一连接轴和第二连接轴，所述铰链主体为由轴首尾相接形成的闭合结构，所述闭合结构具有若干个弯曲部，在所述轴上制有至少五组切口，且至少五组切口的轴线相交于同一点，每组包含两个呈镜像对称分布的切口。本发明的结构能够实现传统虎克铰链的全部功能，包括沿过同一点的两条垂直轴线的独立的转动运动，而且，力学性能和动力学性能更优，运动精度更高，装配更加方便、可靠，更加适用于微型化制造。

Description

一种柔性虎克铰链
技术领域
本发明涉及一种柔性铰链，具体涉及一种柔性虎克铰链，属于精密机械及机器人技术领域。
背景技术
随着现代机械不断向高精密方向发展，柔性铰链以其无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高等特点，受到越来越多机械行业者们的青睐，成为精密机械中的重要元件之一。柔性铰链是一种利用材料的弹性变形及其自回复特性来实现运动的新型铰链，较之于传统的刚性铰链,柔性铰链具有：易于一体化设计与加工，能够简化装配过程，降低成本；无磨擦与磨损，从而减少噪声与振动，提高寿命；无需润滑，可以避免污染等优点，因此被广泛应用于微操作机器人、精密光学仪器、航空航天器以及工业设备等领域。
传统虎克铰链是轴线通过同一点的两个转动副的组合，允许两构件沿着相互垂直的轴线有两个相对转动的自由度，用于运动过程中两轴之间的运动和力的传递。传统虎克铰链在结构上通常采用十字轴或者类似十字的支撑轴，其结构设计复杂，加工比较困难、工序多，导致了精度的降低和成本的增加。目前精密机械领域，特别是多自由度并联机器人，需要运动精度高、动力学性能好、轴线漂移小的虎克铰链，而传统虎克铰链很难满足使用要求，因此出现了一些柔性虎克铰链的设计。
经检索发现，专利号为201110375372.9的中国专利提供了一种新型大行程柔性虎克铰链，该虎克铰链为组合式多簧片柔性铰链结构，其结构设计复杂、部件较多、安装比较困难；专利号为201710639376.0的中国专利提供了一种基于柔性机构的复合虎克铰链，通过两个正交的等腰梯形结构实现运动，但其运动时会产生额外的转动惯量，导致铰链动力学性能差，所以不能看成理想的柔性虎克铰链。
综上可知，现有的柔性虎克铰链技术存在以下几个问题：
(1)结构设计复杂，部件较多，加工与安装都比较困难，同时不利于微型化制造；
(2)有机械摩擦，有间隙，难以保证较高的运动精度；
(3)实际工作时，一个驱动件的运动会带动另一驱动件的位置也发生变化，这会产生额外的转动惯量，导致铰链动力学性能差，不利于结构的长期使用。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的缺点，提出一种设计合理、使用方便、运动精度高、动力学性能好的柔性虎克铰链。
为了达到以上目的，本发明提供了一种柔性虎克铰链，包括铰链主体以及安装在铰链主体上的第一连接轴和第二连接轴，所述铰链主体为由轴首尾相接形成的闭合结构，所述闭合结构具有若干个弯曲部，在所述轴上制有至少五组切口，且至少五组切口的轴线相交于同一点，每组包含两个呈镜像对称分布的切口。
本发明的铰链主体为闭合的回路，在铰链主体上设有多组切口，铰链主体的非切口部分为刚体，相邻切口部分通过刚体连接，刚体部分弯曲多次后形成蛇形结构。切口部分可以转动，形成转动副，铰链主体具有多个转动副，使得铰链主体成为可以相对转动的铰链结构，进而保证第一连接轴相对于第二连接轴有两个方向的转动。
优选地，所述闭合结构由一根轴首尾相接形成，所述轴以90°弯曲若干次形成若干个直角结构。
优选地，所述闭合结构为多根轴通过弯头依次首尾连接而成，相邻两轴之间通过弯头相连成直角结构。
优选地，所述铰链主体上设有第一柔性转动副、第二柔性转动副、第三柔性转动副、第四柔性转动副和第五柔性转动副，所述第一柔性转动副的转动轴线与第三柔性转动副的转动轴线共线，所述第二柔性转动副的转动轴线与第五柔性转动副的转动轴线共线，所述第四柔性转动副的转动轴线分别与第一柔性转动副的转动轴线、第二柔性转动副的转动轴线、第三柔性转动副的转动轴线、第五柔性转动副的转动轴线相垂直，且五个柔性转动副的转动轴线始终交于一点。
本发明能保证柔性虎克铰链在运动过程中始终保持稳定状态，且两个构件沿着相互垂直的轴线有两个相对转动的自由度，转动中心的位置始终为第一柔性转动副转动轴线和第二柔性转动副转动轴线的交点。在实际工作时，一个驱动件的运动不会带动另一驱动件的位置发生变化，这有利于机构的长期使用。
优选地，所述第一柔性转动副、第二柔性转动副、第三柔性转动副、第四柔性转动副、第五柔性转动副分别包括一组切口，每组切口呈镜像对称分布，所述切口为内凹型结构，其切口形成面向内凹陷。
上述结构中，铰链主体的每个切口部分两端均具有刚性轴，该切口两端的刚性轴可相对转动，形成一转动副。
优选地，所述切口呈圆弧形，所述轴呈圆柱形，所述切口的圆弧直径小于轴的直径。
优选地，所述第一连接轴、第二连接轴的直径与轴的直径相同。
优选地，所述第一连接轴位于第一柔性转动副与第五柔性转动副之间，所述第二连接轴位于第二柔性转动副与第三柔性转动副之间，所述第一连接轴与第二连接轴在空间上相互垂直，且所述第一连接轴、第二连接轴垂直安装于所述轴。
优选地，所述第一连接轴、第一柔性转动副、第二柔性转动副以及第二连接轴组成柔性虎克铰链的第一支路；所述第二连接轴、第三柔性转动副、第四柔性转动副、第五柔性转动副以及第一连接轴组成柔性虎克铰链的第二支路。
优选地，所述第一连接轴固定连接有第一构件，所述第二连接轴固定连接有第二构件。
采用本发明后，能够解决传统技术的不足，带来如下有益效果：
(1)整体结构简单新颖，加工装配方便，适用于微型化制造；
(2)无机械摩擦，无间隙，受力特性好，可以实现高精度运动；
(3)实际工作时不会产生额外的转动惯量，动力学性能好，使用寿命长。
总之，本发明的结构能够实现传统虎克铰链的全部功能，包括沿过同一点的两条垂直轴线的独立的转动运动，而且，力学性能和动力学性能更优，运动精度更高，装配更加方便、可靠，更加适用于微型化制造。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明一个实施例的结构示意图。
图2为图1的主视图。
图3为图1的左视图。
图4为图1的俯视图。
图5为本发明中柔性转动副的结构示意图。
图6为本发明中第一支路的结构示意图。
图7为本发明中第二支路的结构示意图。
图8为本发明中铰链主体的结构示意图。
图中：1.铰链主体，2.第一柔性转动副，3.第二柔性转动副，4.第三柔性转动副，5.第四柔性转动副，6.第五柔性转动副，7.第一连接轴，8.第二连接轴，9.圆弧形切口。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
实施例一
如图1至图4所示，一种柔性虎克铰链，包括铰链主体1以及垂直安装在铰链主体1上的第一连接轴7和第二连接轴8。铰链主体1为一体化结构，是将一根带有五组圆弧形切口9的圆柱轴弯曲13个直角(即90°)而成。具体地，铰链主体1为由一根圆柱轴首尾相接形成的闭合结构，圆柱轴以90°弯曲13次形成13个直角结构；在弯曲后的圆柱轴上制有五组圆弧形切口9，每组包含两个呈镜像对称分布的圆弧形切口9。
如图8所示，将一根圆柱轴划分成13段圆柱形的节体，将13段节体依次标记为①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧、⑨、⑩、
Figure BDA0002417423920000051
Figure BDA0002417423920000052
两两节体通过弯曲成弧形的弯轴节相连，形成直角结构，节体和弯轴节直径相同。节体①、③、⑤、⑦、⑨、⑩、
Figure BDA0002417423920000053
水平布置，其中在水平面上，节体①斜向布置，节体③、⑦、⑩竖向布置，节体⑤、⑨、
Figure BDA0002417423920000054
横向布置，节体②、④、⑥、⑧、
Figure BDA0002417423920000055
竖直布置。
铰链主体1上设有第一柔性转动副2、第二柔性转动副3、第三柔性转动副4、第四柔性转动副5和第五柔性转动副6，第一柔性转动副2设于节体②上，第二柔性转动副3设于节体⑤上，第三柔性转动副4设于节体⑧上，第四柔性转动副5设于节体⑨上，第五柔性转动副6设于节体
Figure BDA0002417423920000061
上，五个柔性转动副的转动轴线分别为R1、R2、R3、R4、R5，第一柔性转动副2的转动轴线R1与第三柔性转动副4的转动轴线R3共线，第二柔性转动副3的转动轴线R2与第五柔性转动副6的转动轴线R5共线，第四柔性转动副的转动轴线R4分别与第一柔性转动副的转动轴线R1、第二柔性转动副的转动轴线R2、第三柔性转动副的转动轴线R3、第五柔性转动副的转动轴线R5相垂直，且五个柔性转动副的转动轴线始终交于一点O’。如图5所示，第一柔性转动副2、第二柔性转动副3、第三柔性转动副4、第四柔性转动副5、第五柔性转动副6均包括一组圆弧形切口9以及位于该组圆弧形切口9两端的一小段圆柱轴，圆弧形切口9的形成面向内凹陷，形成内凹型结构，每组的两个圆弧形切口9呈镜像对称分布，圆弧形切口9的圆弧直径小于圆柱轴的直径。
另外，第一连接轴7、第二连接轴8均呈圆柱体状，第一连接轴7、第二连接轴8的直径与铰链主体1圆柱轴的直径相同。第一连接轴7位于第一柔性转动副2与第五柔性转动副6之间，第二连接轴8位于第二柔性转动副3与第三柔性转动副4之间，第一连接轴7与第二连接轴8在空间上相互垂直，且第一连接轴7垂直安装于圆柱轴的节体①上，第二连接轴8垂直安装于圆柱轴的节体⑦上。
第一连接轴7固定连接有第一构件，第二连接轴8固定连接有第二构件，第一构件可以为机器人小臂，第二构件可以为机器人手腕。
根据方位特征集理论,由于若干个转动副串联起来可以组成一条支路，那么将柔性虎克铰链分为两个支路，第一支路包括第一连接轴7、第一柔性转动副2、第二柔性转动副3以及第二连接轴8(见图6)；第二支路包括第二连接轴8、第三柔性转动副4、第四柔性转动副5、第五柔性转动副6以及第一连接轴7(见图7)。为保证所设计的柔性虎克铰链满足传统虎克铰链的性能要求，证明过程如下：
①确定第1条支路末端构件上O’点的方位特征集(即输出运动的类型)M1：
Figure BDA0002417423920000071
其中，t0表示无移动，r1(//R1)表示绕R1轴线的一个转动，r1(//R2)表示绕R2轴线的一个转动，∪表示前后两组运动类型的合成。式中括号表示移动运动和转动运动的合成，上面表示移动的情况，下面表示转动的情况。
上式表明：第一个支路允许第二构件存在两个转动自由度，分别平行于R1和R2。
②确定第2条支路末端构件上O’点的方位特征集(即输出运动的类型)M2：
Figure BDA0002417423920000072
式中，r1(//R3)表示绕R3轴线的一个转动，r1(//R4)表示绕R4轴线的一个转动，r1(//R5)表示绕R5轴线的一个转动，r3表示绕空间三个任意轴线的独立转动。
上式表明：第二个支路允许第二构件存在三个独立转动自由度。
③确定独立回路(仅1个)的独立位移方程数ξL，也就是说计算上述两个支路在串联之后的独立运动：
Figure BDA0002417423920000073
其中，dim.表示计算独立运动的个数。
上式表明：机构存在3个过约束。也就是说，该发明中有3个运动和其他运动是重复的，不应该考虑进去的。
④根据下式计算自由度数：
Figure BDA0002417423920000081
式中，F表示该发明中真正的独立运动的个数，i表示第i个柔性转动副，fi表示第i个柔性转动副的自由度，本实施例中，fi的取值为1。
上式表明：第一构件相对于第二构件的自由度数等于2。
⑤确定第二构件的方位特征集MP，也就是说判断具体是哪两个独立运动：
Figure BDA0002417423920000082
其中，∩表示计算前后两组运动类型的公共部分。
表明：第二构件相对于第一构件的允许运动为两个转动，转轴分别平行于R1和R2。
本实施例所设计的柔性虎克铰链具有两种运动模式：从动模式与驱动模式。从动模式时，由其它零部件(例如：第一连接轴连接一个电机，第二连接轴连接另一个电机)带动铰链运动；驱动模式时，选取任意两个柔性转动副作为驱动副带动铰链运动，优选第一柔性转动副2和第五柔性转动副6，同时驱动方式优选压电驱动或磁致伸缩驱动。
实施例二
本实施例与实施例一的不同之处在于，铰链主体1为由13根圆柱轴通过弧形弯头依次连接成首尾闭合的封闭结构，且相邻两圆柱轴之间通过弧形弯头相连成直角结构。如图8所示，在圆柱轴②、⑤、⑧、⑨、
Figure BDA0002417423920000083
上分别设有一组圆弧形切口9，即为第一柔性转动副2、第二柔性转动副3、第三柔性转动副4、第四柔性转动副5和第五柔性转动副6，每组圆弧形切口9有两个，呈镜像对称分布。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种柔性虎克铰链，包括铰链主体以及安装在铰链主体上的第一连接轴和第二连接轴，其特征在于：所述铰链主体为由轴首尾相接形成的闭合结构，所述闭合结构具有若干个弯曲部，在所述轴上制有至少五组切口，且至少五组切口的轴线相交于同一点，每组包含两个呈镜像对称分布的切口；所述铰链主体上具有第一柔性转动副、第二柔性转动副、第三柔性转动副、第四柔性转动副和第五柔性转动副，所述第一柔性转动副的转动轴线与第三柔性转动副的转动轴线共线，所述第二柔性转动副的转动轴线与第五柔性转动副的转动轴线共线，所述第四柔性转动副的转动轴线分别与第一柔性转动副的转动轴线、第二柔性转动副的转动轴线、第三柔性转动副的转动轴线、第五柔性转动副的转动轴线相垂直，且五个柔性转动副的转动轴线始终交于一点。
2.根据权利要求1所述一种柔性虎克铰链，其特征在于：所述闭合结构由一根轴首尾相接形成，所述轴以90°弯曲若干次形成若干个直角结构。
3.根据权利要求1所述一种柔性虎克铰链，其特征在于：所述闭合结构为多根轴通过弯头依次首尾连接而成，相邻两轴之间通过弯头相连成直角结构。
4.根据权利要求1所述一种柔性虎克铰链，其特征在于：所述第一柔性转动副、第二柔性转动副、第三柔性转动副、第四柔性转动副、第五柔性转动副分别包括一组切口，每组切口呈镜像对称分布，所述切口为内凹型结构。
5.根据权利要求4所述一种柔性虎克铰链，其特征在于：所述切口呈圆弧形，所述轴呈圆柱形，所述切口的圆弧直径小于轴的直径。
6.根据权利要求5所述一种柔性虎克铰链，其特征在于：所述第一连接轴、第二连接轴的直径与轴的直径相同。
7.根据权利要求6所述一种柔性虎克铰链，其特征在于：所述第一连接轴位于第一柔性转动副与第五柔性转动副之间，所述第二连接轴位于第二柔性转动副与第三柔性转动副之间，所述第一连接轴与第二连接轴在空间上相互垂直。
8.根据权利要求7所述一种柔性虎克铰链，其特征在于：所述第一连接轴、第一柔性转动副、第二柔性转动副以及第二连接轴组成柔性虎克铰链的第一支路；所述第二连接轴、第三柔性转动副、第四柔性转动副、第五柔性转动副以及第一连接轴组成柔性虎克铰链的第二支路。
9.根据权利要求8所述一种柔性虎克铰链，其特征在于：所述第一连接轴固定连接有第一构件，所述第二连接轴固定连接有第二构件。
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