CN113090638A - 一种柔性铰链及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种柔性铰链及应用，包括第一连接件和第二连接件，第一连接件和第二连接件之间设有扭簧，所述扭簧由中心向两端的直径逐渐减小，所述扭簧两端通过第一扭臂与第一连接件连接，扭簧中心位置通过第二扭臂与第二连接件连接，本发明的柔性铰链能够实现较大范围行程的同时，能够减少轴漂量。
Description
技术领域
本发明涉及柔顺机构技术领域，具体涉及一种柔性铰链及应用。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
柔性铰链是一种利用材料弹性变形而传递力、运动和能量的特殊运动副，具有无机械摩擦、无运动间隙和灵敏度高等优点，被广泛应用于微机电系统等领域。但发明人发现，受限于弹性变形，传统切口型柔性铰链的运动范围很小，已经越来越难以满足生物医学操作、光学调整、跨尺度纳米定位等超精密工程领域的应用需求。
对于传统切口型柔性铰链，切口截面形状和设计参数严重影响着切口型铰链的运动精度和运动范围，因此成为柔性铰链研究领域的热点。但是值得注意的是，各类缺口型柔性铰链会发生应力的集中，从而导致整个铰链的转动范围小，无法实现大行程的要求。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种柔性铰链，能够实现较大范围的转接，而且可以大大减小转动轴漂。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明的实施例提供了一种柔性铰链，包括第一连接件和第二连接件，第一连接件和第二连接件之间设有扭簧，所述扭簧由中心向两端的直径逐渐减小，所述扭簧两端通过第一扭臂与第一连接件连接，扭簧中心位置通过第二扭臂与第二连接件连接。
可选的，所述扭簧包括对称设置的第一扭簧部和第二扭簧部，第一扭簧部和第二扭簧部均为变径扭簧，第一扭簧部和第二扭簧部直径较大的端部与第一扭臂固定，直径较小的端部与第二扭臂固定。
可选的，所述扭簧设置多组。
可选的，多组扭簧同轴设置。
可选的，相邻扭簧相互靠近的端部与同一个第一扭臂固定连接。
可选的，所述第一连接件与第一扭臂采用一体式连接，第二连接件与第二扭臂采用一体式连接，第一扭臂、第二扭臂与扭簧采用一体式连接。
可选的，所述柔性铰链采用3D打印工艺制作而成。
可选的，所述柔性铰链采用光敏树脂或铝合金材料制成。
可选的，所述扭簧的截面为矩形，相应的，所述第一扭臂和第二扭臂为截面为矩形的板状结构。
第二方面，本发明的实施例公开了第一方面所述的柔性铰链在微机电设备的应用，所述第一连接件与微机电设备的固定部件连接，所述第二连接件与微机电设备的运动部件连接。
本发明的有益效果：
1.本发明的柔性铰链，由于扭簧直径较大的中心部位通过第二扭臂与第二连接件固定，当第一连接件固定时，第二连接件能够利用扭簧的扭转特性实现较大范围角度的转动，进而实现了柔性铰链输出较大范围的转角。
2.本发明的柔性铰链，由于扭簧直径较小的端部通过第一扭臂与第一连接件连接，相对于采用等直径的扭簧，变径扭簧在直径变小时结构的紧密性更好，保证了柔性铰链转动过程中的回转轴线保持不动，能够最大限度的减小扭簧转动过程中产生的轴漂现象。
3.本发明的柔性铰链，通过设置多组扭簧，提高了柔性铰链在与第一连接件和第二连接件垂直方向的抗拉伸压缩型及绕扭簧轴线旋转的刚度，使得整个柔性铰链的寄生运动得到显著限制。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1为本发明实施例1整体结构示意图；
图2为本发明实施例1整体结构主视图；
图3为本发明实施例1第二连接件转动90°时有限元分析图；
图4为本发明实施例1第二连接件转动-90°时有限元分析图；
图5为本发明实施例1在不同弯矩下的中心轴漂图；
其中，1.第一连接件，2.第二连接件，3.第一扭臂，4.第二扭臂，5.第一扭簧部，6.第二扭簧部。
具体实施方式
实施例1
本实施例公开了一种柔性铰链，如图1所示，包括第一连接件1和第二连接件2，原始状态下，第一连接件和第二连接件平行设置，所述第一连接件和第二连接件之间设有扭簧，第一连接件和第二连接件能够通过扭簧产生相对转动。
在第一连接件、第二连接件和扭簧处于自然状态下，垂直于第一连接件和第二连接件的反向为Y方向，扭簧轴线的方向为Z方向，垂直与Y方向和Z方向的为X方向。
本实施例中，所述扭簧采用变径扭簧，优选的，扭簧自中心部位向两端的直径逐渐变小，所述扭簧直径较小的两个端部通过第一扭臂3与第一连接件连接，扭簧直径较大的中心部位通过第二扭臂4与第二连接件连接。
优选的，所述扭簧包括对称设置且旋向相反的第一扭簧部5和第二扭簧部6，所述第一扭簧部和第二扭簧部同轴设置，且第一扭簧部和第二扭簧部为变径扭簧，均为一端直径较大，另一端直径较小的扭簧，且第一扭簧部和第二扭簧部直径较大的端部靠近设置，第一扭簧部和第二扭簧部形成一个由中心向两端直径逐渐减小的结构。
所述第一扭簧部和第二扭簧部直径较大的端部与第二扭臂的一端固定连接，第二扭臂的另一端与第二连接件固定连接，所述第一扭簧部和第二扭簧部直径较小的端部与第一扭臂的一端固定连接，第一扭臂的另一端与第一连接件固定连接。
在一种实施方式中，所述扭簧的截面形状为矩形，即第一扭簧部和第二扭簧部的截面形状均为矩形，相应的第一扭臂的截面形状为与扭簧截面形状相匹配的矩形，因此第一扭臂为截面为矩形的板状结构，第一扭臂的截面尺寸与扭矩的截面尺寸相同，相应的，所述第二扭臂的截面形状为矩形，第二扭臂的为截面为矩形的板状结构。
在其他一些实施方式中，所述扭簧的截面形状可以为圆形，相对应的，所述第一扭臂和第二扭臂为截面为圆形的圆柱状结构。
进一步的，为了提高整个柔性铰链在沿Y方向的抗拉伸压缩性及绕X方向的转动刚度，在第一连接件和第二连接件之间设置多个扭簧，使得整个柔性铰链的寄生运动得到显著的限制。
优选的，本实施例中，在第一连接件和第二连接件之间设置两个扭簧，两个扭簧相对于X方向和Y方向形成的平面对称设置。
两个扭簧的结构相同，均包括所述的第一扭簧部和第二扭簧部，两个扭簧相互靠近的直径较小的端部与同一个第一扭臂的一端固定连接，在此种实施方式中，该第一扭臂的截面形状及尺寸要满足连接两个扭簧端部的需求，优选的，将第一扭臂的截面尺寸设置为2倍的扭簧的截面尺寸。
本实施例中，所述第一连接件与第一扭臂设置为一体式，第二连接件和第二扭臂设置为一体式，第一扭臂和、第二扭臂与扭簧设置为一体式连接，采用此种设置方式，可以将整个柔性铰链采用3D打印的方法进行加工，加工制作快捷方便。
进一步的，当柔性铰链采用3D打印方式进行加工时，所述柔性铰链的材料可采用光敏树脂或铝合金，本领域技术人员可根据实际需要进行选择。
本实施例的柔性铰链，当第一连接件固定，第二连接件产生转动时，其通过第二扭臂对扭簧直径最大位置处施加扭转力，相对于等直径的较小直径的扭簧，第二连接件能够实现较大的转动范围。
本实施例的柔性铰链，由于固定的第一连接件通过第一扭臂固定住扭簧直径较小的端部，相对于等直径扭簧，能够实现较小的轴漂。
因此本实施例的柔性铰链，扭簧通过变截面设置，相对于等直径扭簧，在实现最大范围转角的同时，能够最大程度的减小轴漂，解决了柔性铰链无法兼顾大行程和小轴漂的问题。
采用本实施例的柔性铰链，转动范围能够达到正负90°，满足生物医学操作、光学调整、跨尺度纳米定位等超精密工程领域的应用需求。
根据本实施例的柔性铰链建立有限元分析模型，设置柔性铰链采用铝合金材质，对其进行有限元分析，通过图3和图4可以看出，当第二连接件转动角度达到正负90°时，扭簧的最大应力为411Mpa左右，扭簧不会发生塑性变形，满足了使用需求。
对柔性铰链施加纯弯矩，在本分析模型中，纯弯矩的取值范围为-47-47N.mm，扭簧的中心轴漂随弯矩变化而产生变化，根据有限元模型仿真结果，纯弯矩下中心轴漂仿真数据如图5所示，中心轴漂的最大值小于0.8mm，达到了高精度的需求。
本实施例中，采用不同直径的等直径扭簧制成的柔性铰链施加90°转角时产生的轴漂量如下表1所示：
表1：不同直径扭簧制成柔性铰链时施加弯矩时的轴漂量
| 直径10mm | 直径6mm | 直径3mm | |
| X方向位移 | -0.5661mm | -0.23184mm | -0.0612199mm |
| Y方向位移 | 1.676mm | 0.564625mm | 0.260895mm |
采用本实施例结构制成的柔性铰链与采用等直径扭簧制成柔性铰链施加90°转角时轴漂量对比如表2所示：
通过表2可以看出，采用本实施例的的柔性铰链相对于采用等直径扭簧制成的柔性铰链能够显著降低轴漂量，提高了精度。
实施例2：
本实施例公开了一种实施例1所述的柔性铰链在微机电设备上的应用，所述微机电设备采用现有的微机电设备即可，例如航空用设备、医疗用设备等，所述第一连接件根据需要与微机电设备的固定部件连接，所述第二连接件与微机电设备的运动部件连接，通过柔性铰链实现运动部件与固定部件的相对运动。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种柔性铰链，其特征在于，包括第一连接件和第二连接件，第一连接件和第二连接件之间设有扭簧，所述扭簧由中心向两端的直径逐渐减小，所述扭簧两端通过第一扭臂与第一连接件连接，扭簧中心位置通过第二扭臂与第二连接件连接。
2.如权利要求1所述的柔性铰链，其特征在于，所述扭簧包括对称设置的第一扭簧部和第二扭簧部，第一扭簧部和第二扭簧部均为变径扭簧，第一扭簧部和第二扭簧部直径较大的端部与第一扭臂固定，直径较小的端部与第二扭臂固定。
3.如权利要求1所述的柔性铰链，其特征在于，所述扭簧设置多组。
4.如权利要求3所述的柔性铰链，其特征在于，多组扭簧同轴设置。
5.如权利要求3所述的柔性铰链，其特征在于，相邻扭簧相互靠近的端部与同一个第一扭臂固定连接。
6.如权利要求1所述的柔性铰链，其特征在于，所述第一连接件与第一扭臂采用一体式连接，第二连接件与第二扭臂采用一体式连接，第一扭臂、第二扭臂与扭簧采用一体式连接。
7.如权利要求6所述的柔性铰链，其特征在于，所述柔性铰链采用3D打印工艺制作而成。
8.如权利要求7所述的柔性铰链，其特征在于，所述柔性铰链采用光敏树脂或铝合金材料制成。
9.如权利要求1所述的柔性铰链，其特征在于，所述扭簧的截面为矩形，相应的，所述第一扭臂和第二扭臂为截面为矩形的板状结构。
10.一种权利要求1-9任一项所述的柔性铰链在微机电设备的应用，其特征在于，所述第一连接件与微机电设备的固定部件连接，所述第二连接件与微机电设备的运动部件连接。
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