CN112112885B - 双向不等刚度的柔性铰链 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双向不等刚度的柔性铰链，其包括第一柔性铰链主体和第二柔性铰链主体，第一柔性铰链主体的第一端和第二端分别设有第一矩形凸台和第二矩形凸台，第一矩形凸台和第二矩形凸台之间通过第一直线横梁连接，第二柔性铰链主体的第一端设有第三矩形凸台，第三矩形凸台的一侧设有第二直线横梁，第二柔性铰链主体设于第一柔性铰链主体的上方，且第一柔性铰链主体与第二柔性铰链主体之间通过预制螺栓和预制螺母连接。本发明采用组合式设计，并通过限位设计，将第一柔性铰链主体和第二柔性铰链主体连接在一起，工作时第二柔性铰链主体会阻止第一柔性铰链主体的向上变形，进而实现了柔性铰链特殊工作条件下的双向刚度不等能力。
Description
技术领域
本发明属于柔性铰链技术领域，特别涉及一种双向不等刚度的柔性铰链。
背景技术
柔顺机构依靠柔性构件的弹性变形来实现其运动，具有整体性加工制造、无摩擦、无磨损、免装配、免润滑、运动精度高等优点，而柔性铰链是柔顺机构的基础。目前针对柔性铰链的研究主要集中在提高铰链运动精度和增大铰链变形范围两个方面。柔性铰链是柔顺机构的最小单元，其性能的好坏将直接影响柔顺机构的性能。铰链的运动范围制约着其在某些领域的应用，使铰链具有大变形的能力，可以提高其灵活性和适应性。而在变刚度方面，使铰链具有变刚度的特性，可以帮助机器适应不同的工作需求，提高其适应性。因此提出了可以改变柔性铰链的转动柔度的柔性铰链。
发明内容
针对以上情况，本发明提供了一种双向不等刚度的柔性铰链，采用组合式设计，改变了传统柔性铰链设计时的一体式设计理念，并通过限位设计，将第一柔性铰链主体和第二柔性铰链主体连接在一起，工作时第二柔性铰链主体会阻止第一柔性铰链主体的向上变形，进而实现了柔性铰链特殊工作条件下的双向刚度不等能力。
本发明采用的技术方案是，一种双向不等刚度的柔性铰链，其包括第一柔性铰链主体和第二柔性铰链主体，所述第一柔性铰链主体的第一端和第二端分别设有第一矩形凸台和第二矩形凸台，所述第一矩形凸台和第二矩形凸台之间通过第一直线横梁连接，且所述第一矩形凸台、第二矩形凸台以及所述第一直线横梁共同构成所述第一柔性铰链主体的J型结构，所述第二柔性铰链主体的第一端设有第三矩形凸台，所述第三矩形凸台的一侧设有第二直线横梁，且所述第三矩形凸台与所述第二直线横梁共同构成所述第二柔性铰链主体的L型结构；以及所述第二柔性铰链主体设于所述第一柔性铰链主体的上方，且所述第一柔性铰链主体与所述第二柔性铰链主体固定连接。
进一步地，所述第一柔性铰链主体与所述第二柔性铰链主体之间通过预制螺栓和预制螺母连接，且所述预制螺栓的一端穿过所述第二矩形凸台和所述第三矩形凸台与所述预制螺母螺旋连接。
优选地，所述第一柔性铰链主体的第一端面与所述第二柔性铰链主体的第一端面重合，且所述第一柔性铰链主体的第一侧面与所述第二柔性铰链主体的第一侧面重合。
优选地，所述第一柔性铰链主体的宽度等于所述第二柔性铰链主体的宽度。
优选地，所述第一矩形凸台的高度等于所述第二矩形凸台与所述第三矩形凸台的高度之和。
本发明的第二方面采用的技术方案是，一种双向不等刚度的柔性铰链，其包括柔性铰链主体，所述柔性铰链主体为长方体结构，且所述柔性铰链主体的第一端和第二端分别设有第四矩形凸台和第五矩形凸台，所述第四矩形凸台和第五矩形凸台之间通过直线型横梁连接，且所述第五矩形凸台的上侧设有圆环形弧块，所述圆环形弧块侧面向上凸起，且所述圆环形弧块底端与所述直线型横梁之间留有间隙。
进一步地，所述柔性铰链主体宽度等于所述直线型横梁的宽度，且所述直线型横梁与所述第四矩形凸台以及第五矩形凸台的连接处均设有圆弧倒角。
优选地，所述第四矩形凸台的高度等于所述第五矩形凸台的高度，且所述圆环形弧块与所述第五矩形凸台相连的最高处，不超过所述第五矩形凸台的高度。
优选地，所述圆环形弧块底端半圆直径与所述圆环形弧块的圆环环宽相等。
本发明的特点和有益效果是：
1、本发明提供的一种双向不等刚度的柔性铰链，采用组合式设计，改变了传统柔性铰链设计时的一体式设计理念，充分发挥了柔性铰链的工作性能。
2、本发明提供的一种双向不等刚度的柔性铰链，通过限位设计，将第一柔性铰链主体和第二柔性铰链主体连接在一起，工作时第二柔性铰链主体会阻止第一柔性铰链主体的向上变形，进而实现了柔性铰链特殊工作条件下的双向刚度不等能力。
3、本发明提供的一种双向不等刚度的柔性铰链，采用混合柔性铰链设计理念，同时采用非对称式设计，在柔性铰链主体上设置圆环形弧块，工作时圆环形弧块会阻止柔性铰链主体的向上变形，进而实现了柔性铰链特殊工作条件下的双向刚度不等能力。
附图说明
图1是本发明实施例一的整体结构示意图；
图2是本发明实施例一的正视图；
图3是本发明实施例一的俯视图；
图4是本发明实施例一受力向下时的位移变形云图；
图5是本发明实施例一受力向上时的位移变形云图；
图6是本发明实施例二的整体结构示意图；
图7是本发明实施例二的正视图；
图8是本发明实施例二的俯视图；
图9是本发明实施例二受力向下时的位移变形云图；以及
图10是本发明实施例二受力向上时的位移变形云图。
主要附图标记：
第一柔性铰链主体1；第一矩形凸台11；第二矩形凸台12；第一直线横梁13；第二柔性铰链主体2；第三矩形凸台21；第二直线横梁22；预制螺栓3；预制螺母4；柔性铰链主体5；第四矩形凸台51；第五矩形凸台52；直线型横梁53；圆环形弧块54。
具体实施方式
为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。
本发明提供一种双向不等刚度的柔性铰链，如图1ˉ图3所示，其包括第一柔性铰链主体1和第二柔性铰链主体2，第一柔性铰链主体1的第一端和第二端分别设有第一矩形凸台11和第二矩形凸台12，第一矩形凸台11和第二矩形凸台12之间通过第一直线横梁13连接，且第一矩形凸台11、第二矩形凸台12以及第一直线横梁13共同构成第一柔性铰链主体1的J型结构，第二柔性铰链主体2的第一端设有第三矩形凸台21，第三矩形凸台21的一侧设有第二直线横梁22，且第三矩形凸台21与第二直线横梁22共同构成第二柔性铰链主体2的L型结构，同时第二直线横梁22远离第三矩形凸台21一端的下方切有倒角，此倒角为第一柔性铰链主体1在此对应位置处线切割时不平整预留下空间；第二柔性铰链主体2设于第一柔性铰链主体1的上方，且第一柔性铰链主体1与第二柔性铰链主体2固定连接。
第一柔性铰链主体1与第二柔性铰链主体2之间通过预制螺栓3和预制螺母4连接，且预制螺栓3的一端穿过第二矩形凸台12和第三矩形凸台21与预制螺母4螺旋连接，且预制螺栓3的公称直径要小于第二矩形凸台12和第三矩形凸台21的宽，预制螺栓3的长要大于第二矩形凸台12与第三矩形凸台21的高度之和。
第一柔性铰链主体1的第一端面与第二柔性铰链主体2的第一端面重合，且第一柔性铰链主体1的第一侧面与第二柔性铰链主体2的第一侧面重合。第一柔性铰链主体1的宽度等于第二柔性铰链主体2的宽度。
第一矩形凸台11的高度等于第二矩形凸台12与第三矩形凸台21的高度之和。
为实现柔性铰链双向刚度不等，第一柔性铰链主体1中的第一直线横梁13和第二柔性铰链主体2中的第二直线横梁22长宽高不一定相等，可以是不相等的形状。例如当第二柔性铰链主体2中第二直线横梁22的厚度比第一柔性铰链主体1中第一直线横梁13的厚度大很多时，该柔性铰链可以实现单向止动，类似超越轴承一样，只能实现位移向下的移动，而受向上的力时，第二柔性铰链主体2由于被限位不能移动，从而实现了限位止动；同样的，第二柔性铰链主体2中第二直线横梁22的长度也可以与第一柔性铰链主体1中第一直线横梁13的长度不等，例如当第二直线横梁22的长度为第一直线横梁13的长度的一半时，柔性铰链向上的柔度会比直线横梁长度相等时向上的柔度要大，同样随着第二直线横梁22长度的减小，其向上的柔度会增加，所以第二直线横梁22长度可以随意改变以改变此柔性铰链的柔度。而当宽度变化时，也可以影响铰链的柔度变化，例如，将第二直线横梁22的宽度增加第一直线横梁13的宽度不变时，由于第二直线横梁22的宽度增加使得第二直线横梁22的重量增大，即第一直线横梁13所受的向下压力增加，当受向上的力时，柔性铰链向上的柔度会变小。综上，当横梁部分的长度、宽度、厚度变化时，可以改变此柔性铰链的柔度。
将确定尺寸的双向不等刚度的柔性铰链导入到Sol idWorks仿真模块中，图中尺寸单位mm，材料设置为合金钢，铰链有特定螺栓一侧固定，另一侧分别施加方向向下和向上10N的力，可得到柔性铰链受力方向为向下和向上时的位移变形云图，分别如图4和图5所示，其对比结果如下表所示：
通过比较发现，本发明提供的一种双向不等刚度的柔性铰链，具有双向刚度不等特性，验证了本发明的有效性。
本发明可以应用在包括但不限于微位移平台中，由于在微位移平台中，若想改变铰链的输出位移，则一般需要改变其电压幅值或者激励波形式，不能通过简单的正弦波信号来改变铰链的输出位移，但若使用本发明所设计的柔性铰链，由于其上下刚度不等的特性，使得其通过简单的正弦波信号就可以改变其输出位移，这样可以简化输入信号，使得微位移平台更加小型化，更可以实现微位移平台微小的特点。
本发明的第二方面，提供的双向不等刚度的柔性铰链，如图6ˉ8所示，其包括柔性铰链主体5，柔性铰链主体5为长方体结构，且柔性铰链主体5的第一端和第二端分别设有第四矩形凸台51和第五矩形凸台52，第四矩形凸台51和第五矩形凸台52之间通过直线型横梁53连接，且第五矩形凸台52的上侧设有圆环形弧块54，圆环形弧块54侧面向上凸起，且圆环形弧块54底端与直线型横梁53之间留有间隙。
柔性铰链主体5宽度等于直线型横梁53的宽度，且直线型横梁3与第四矩形凸台51以及第五矩形凸台52的连接处均设有圆弧倒角。
为实现柔性铰链双向刚度不等，圆环形弧块54的最大圆半径可以改变，当最大圆弧半径变小时，其向上时的限位点靠向铰链右侧，从而使其向上的柔度变大，同样，当最大圆弧半径变大，但不超过铰链主体两侧长方体的高度时，其向上时的限位点靠向铰链左侧，从而使其向上的柔度变小。所以此铰链可以根据圆环形弧块54的最大圆半径的变化，引起其柔度的变化。同样，当改变其圆环形弧块54的圆环环宽即圆环的环向方向宽度时，也可以引起其向上柔度的变化。当环宽变窄时，圆环形弧块54对向上的力的抵抗变小，使得此铰链向上的柔度变大，相反，当环宽变宽时，圆环形弧块54对向上的力的抵抗变大，使得此铰链向上的柔度变小。所以此铰链也可以根据圆环形弧块54环宽的变化，引起其柔度的变化。
第四矩形凸台51的高度等于第五矩形凸台52的高度，且圆环形弧块54与第五矩形凸台52相连的最高处，不超过第五矩形凸台52的高度，圆环形弧块底54端半圆直径与圆环形弧块54的圆环环宽相等。
将确定尺寸的双向不等刚度的柔性铰链导入到Sol idWorks仿真模块中，图中尺寸单位mm，材料设置为合金钢，铰链一侧固定，另一侧分别施加方向向下和向上15N的力，可得到柔性铰链向下和向上的力时的位移变形云图，分别如图9和图10所示，其对比结果如下表所示：
通过比较发现，本发明提供的双向不等刚度的柔性铰链，具有双向刚度不等特性，验证了本发明的有效性。
本发明可以应用在包括但不限于微位移平台中，由于在微位移平台中，若想改变铰链的输出位移，则一般需要改变其电压幅值或者激励波形式，不能通过简单的正弦波信号来改变铰链的输出位移，但若使用本发明所设计的柔性铰链，由于其上下刚度不等的特性，使得其通过简单的正弦波信号就可以改变其输出位移，这样可以简化输入信号，使得微位移平台更加小型化，更可以实现微位移平台微小的特点。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (4)
1.一种双向不等刚度的柔性铰链，其特征在于，其包括第一柔性铰链主体和第二柔性铰链主体，
所述第一柔性铰链主体的第一端和第二端分别设有第一矩形凸台和第二矩形凸台，所述第一矩形凸台和第二矩形凸台之间通过第一直线横梁连接，且所述第一矩形凸台、第二矩形凸台以及所述第一直线横梁共同构成所述第一柔性铰链主体的J型结构，所述第二柔性铰链主体的第一端设有第三矩形凸台，所述第三矩形凸台的一侧设有第二直线横梁，且所述第三矩形凸台与所述第二直线横梁共同构成所述第二柔性铰链主体的L型结构；
所述第二柔性铰链主体设于所述第一柔性铰链主体的上方，
所述第一柔性铰链主体与所述第二柔性铰链主体之间通过预制螺栓和预制螺母连接，且所述预制螺栓的一端穿过所述第二矩形凸台和所述第三矩形凸台与所述预制螺母螺旋连接。
2.根据权利要求1所述的双向不等刚度的柔性铰链，其特征在于，所述第一柔性铰链主体的第一端面与所述第二柔性铰链主体的第一端面重合，且所述第一柔性铰链主体的第一侧面与所述第二柔性铰链主体的第一侧面重合。
3.根据权利要求1所述的双向不等刚度的柔性铰链，其特征在于，所述第一柔性铰链主体的宽度等于所述第二柔性铰链主体的宽度。
4.根据权利要求1所述的双向不等刚度的柔性铰链，其特征在于，所述第一矩形凸台的高度等于所述第二矩形凸台与所述第三矩形凸台的高度和。
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