CN112145544A - 串联结构的固定旋转中心多轴全柔性铰链 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种串联结构的固定旋转中心多轴全柔性铰链，包括上连接部、n个单轴柔性铰、n‑1个中间连接部和下连接部。其中，n个单轴柔性铰的回转轴线相交于空间中一点，使得多轴全柔性铰链具有固定的旋转中心。柔性铰的数量不同时，多轴全柔性铰链可以实现不同的铰功能；当n为2时可充当虎克铰；当n为3时可充当球铰。本发明具有结构简单、尺寸小，无运动间隙和空回，运动空间范围大，易于加工和集成、成本低等优点，解决了微精密机械和微机器人等应用中多轴柔性铰的设计与集成问题。

Description

串联结构的固定旋转中心多轴全柔性铰链
技术领域
本发明涉及柔顺机构领域，具体涉及柔性铰链。
背景技术
面向精密机械结构和微型机器人的小型化、轻量化发展需要，传统的刚性关节，如十字万向节联轴器、球头关节轴承等，存在质量大、体积大，无法一体化制造，运动过程存在摩擦和磨损等缺点，越来越难以满足精密机械和微型机器人领域的需要，无法采用其实现高精度定位。采用柔顺机构实现关节是解决上述问题的一种有效方法。柔性铰主要通过机构中柔顺杆件的变形来实现连接部的回转，具有质量小、无摩擦、无运动间隙、无滞后、无需装配、不需要润滑等优点，已经在精密机械和微型机器人领域得到了越来越广泛的应用，构成了各种高精度定位机构和系统。
常见的柔性铰主要是单轴柔性铰，通常是通过慢走丝工艺在金属材料上加工出一段矩形直梁或圆弧形切口构成回转轴。在此基础上，人们设计出了通过在金属材料两个方向上切出圆弧切口构成的双轴柔性铰，以及通过在圆柱形金属材料上加工出细颈切口的三轴柔性球铰。但是，为了降低其旋转刚度以接近理想的铰，这些柔性铰需要将切口处尽可能的减薄。这样就导致加工要求高、成品率低；工作时应力过于集中，承载力非常有限，极易被破坏，难以保证系统的安全稳定工作。因此，通过多个单轴柔性铰串联构成多轴柔性铰是一种可行的解决思路，可以避免上述多轴柔性铰存在的切口处太薄的问题。但是，现有的方案都是将多个单轴柔性铰简单串联，导致柔性铰的旋转中心难以确定，并在工作时会发生移动。因此，亟需设计一种具有固定旋转中心、回转精度高、加工简便的多轴柔性铰链。
发明内容
本发明的目的是提出一种串联结构的固定旋转中心多轴全柔性铰链，以解决在精密机械领域应用中传统多轴柔性铰存在的回转中心不固定、加工难度大等问题。
本发明的技术方案如下：
本发明所述的一种串联结构的固定旋转中心多轴全柔性铰链，包括通过n个单轴柔性铰依次串联的上连接部、n-1个中间连接部和下连接部；所述n个单轴柔性铰的回转轴线相交于空间中一点，使多轴全柔性铰链具有固定旋转中心。
作为优选，所述的单轴柔性铰为连接于两个连接部之间的长条状薄壁结构，长条状薄壁结构的长度方向中心线即为回转轴的轴心线。这里的连接部就是指的上连接部、下连接部和中间连接部。
作为优选，所述连接部为包含上下两块硬质板，以及中间的柔性薄膜的三层复合结构，柔性薄膜与单轴柔性铰为一体，同时作为单轴柔性铰的薄壁结构。
所述单轴柔性铰的数量不同时，多轴全柔性铰链可以实现不同类型的铰功能，当n为2时可充当虎克铰；当n为3时可充当球铰。
本发明所述串联结构的固定旋转中心多轴全柔性铰链优点在于：由于设计将n个单轴柔性铰的回转轴线相交于空间中一点，使得铰链具有固定旋转中心，其结构简单、尺寸小，无运动间隙和空回，运动空间范围大，易于加工和集成、成本低，具有更大的承载能力，不易损坏，且可以采用平面加工工艺实现，能够实现批量化和一体化集成加工。解决了微精密机械和微机器人等应用中多轴柔性铰的设计与集成问题。
附图说明
图1为本发明中实施例一的结构示意图；
图2为本发明中实施例二的结构示意图；
图3为本发明中实施例一和二所述的复合板及切削得到的柔性铰的剖面图；
图4为本发明中实施例三的结构示意图；
图5为本发明中实施例四的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例一：
本实施例如图1所示，串联结构的固定旋转中心多轴全柔性铰链包括用三个柔性铰（3）依次串联的上连接部（2）、两个中间连接部（4）和下连接部（5）。上连接部（2）和下连接部（5）上有方便与其他机构相连的上端连接孔（1）和下端连接孔（6）。上连接部（2）、中间连接部（4）和下连接部（5）均为三层复合结构，包含上下两块硬质板，以及中间的柔性薄膜。三个柔性铰（3）通过在两个连接部之间将复合板正反面在同一位置切割一块长条，露出中间的柔性薄膜，形成两头贯穿的长条状薄壁结构而得到，使柔性铰两边的连接部能绕长条状薄壁结构做回转运动。三个柔性铰（3）的回转轴线和上、下连接部的安装轴线交于空间中一点，形成了铰链的固定旋转中心，上、下连接部的安装轴线为上、下连接部与使用本铰链的其他机构相连状态下其上端连接孔（1）和下端连接孔（6）与空间中交点的连线。本实施例中，该串联结构的固定旋转中心多轴全柔性铰链可充当球铰。
实施例二：
本实施例如图2所示，串联结构的固定旋转中心多轴全柔性铰链包括用两个柔性铰（3）依次串联的上连接部（2）、中间连接部（4）和下连接部（5），上连接部（2）和下连接部（5）上有方便与其他机构相连的上端连接孔（1）和下端连接孔（6）。中间连接部（4）、上连接部（2）和下连接部（5）均为三层复合结构，包含上下两块硬质板，以及中间的柔性薄膜。两个柔性铰（3）通过在两个连接部之间将复合板正反面在同一位置切割一块长条，露出中间的柔性薄膜，形成两头贯穿的长条状薄壁结构而得到，使柔性铰两边的连接部能绕长条状薄壁结构做回转运动。两个柔性铰（3）的回转轴线和上、下连接部的安装轴线交于空间中一点，形成了铰链的固定旋转中心，上、下连接部的安装轴线为上、下连接部与使用本铰链的其他机构相连状态下其上端连接孔（1）和下端连接孔（6）与空间中交点的连线。本实施例中，该串联结构的固定旋转中心多轴全柔性铰链可充当虎克铰。
实施例一和实施例二所用的复合板及切削得到的柔性铰如图3所示，复合板以硬质板（7）作上下两层，柔性薄膜（8）作中间层通过叠合、热压构成。在复合板正反面同一位置切去硬质板材料，即可得到长条状薄壁结构的柔性铰（3）。
实施例三：
本实施例如图4所示，串联结构的固定旋转中心多轴全柔性铰链为一个整体，通过在板状材料上直接加工出三个长条状凹槽构成柔性铰（3），三个柔性铰（3）的回转轴线交于空间中一点，空间中交点为多轴全柔性铰链的固定旋转中心。该串联结构的固定旋转中心多轴全柔性铰链可充当球铰。
实施例四：
本实施例如图5所示，串联结构的固定旋转中心多轴全柔性铰链为一个整体，通过在长方体材料上直接加工出三个双面长条状圆弧槽柔性铰（3）构成，三个柔性铰（3）的回转轴线交于空间中一点，该交点为多轴全柔性铰链的固定旋转中心。各柔性铰间的连接部为异形结构，以减轻重量和满足美观性要求。该串联结构的固定旋转中心多轴全柔性铰链可充当球铰。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，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。本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (5)

1.串联结构的固定旋转中心多轴全柔性铰链，其特征在于：包括通过n个单轴柔性铰（3）依次串联的上连接部（2）、n-1个中间连接部（4）和下连接部（5）；所述n个单轴柔性铰的回转轴线相交于空间中一点，使多轴全柔性铰链具有固定的旋转中心。
2.根据权利要求1所述的串联结构的固定旋转中心多轴全柔性铰链，其特征在于：所述的单轴柔性铰（3）为连接于两个连接部之间的长条状薄壁结构，长条状薄壁结构的长度方向中心线即为单轴柔性铰的回转轴线。
3.根据权利要求2所述的串联结构的固定旋转中心多轴全柔性铰链，其特征在于：所述连接部为包含上下两块硬质板以及中间的柔性薄膜的三层复合结构，连接部中间层的柔性薄膜与所述单轴柔性铰（3）为一体，同时作为单轴柔性铰的薄壁结构。
4.根据权利要求1、2或3所述的串联结构的固定旋转中心多轴全柔性铰链，其特征在于：所述单轴柔性铰（3）的数量n等于2。
5.根据权利要求1、2或3所述的串联结构的固定旋转中心多轴全柔性铰链，其特征在于：所述的单轴柔性铰（3）的数量n等于3。
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