CN113227596B - 平面扭转弹簧 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是一种具有扁平结构的扭转弹簧的新构造，能够确保响应线性、造型容易和精度、多用途，同时保护沿传动/扭转轴的导线或任何附属组件的内部通道的可能性。

Description

平面扭转弹簧
描述
技术领域
本发明的目的是一种具有平面结构的扭转弹簧的新构造。
背景技术
在工程领域中，一个经常出现的需求是布置具有最相异功能的弹簧，其中包括预加载、储能、低通机械滤波功能，以及获得对给定载荷的弹性响应。
当机械设计的紧凑性是一个高度制约因素时，例如在诸如可穿戴机器人领域中的高级项目中，问题出现于难以在性能和弹簧的总体尺寸之间找到折衷，而不忽略美学因素。弹簧在其机械单元中所起的功能作用越重要，这种折衷就越关键。
各种子问题在一般的背景中具有显著的重要性，并且更具体地涉及旋转致动的情况，并且因此涉及具有扭转载荷的传递的弹性元件。弹簧必须具有线性响应、易于建模、可牢固连接到负载输入和输出，以消除间隙的存在，而无需通过环形螺母或反向弹簧引入预加载，并且允许杆或其它机械元件、导线等在其中通过。
对于上述问题，具有一般平面构造的扭转弹簧可能是一个令人关注的选择。此外，已知类型的平面扭转弹簧不能对上述所有临界状态提供令人满意的响应。
已知的平面弹簧包括具有线圈结构的弹簧，例如Furnémont等所示的，TORSIONMACCEPA：一种围绕驱动轴设计的新型紧凑型柔性致动器-IEEE机器人技术国际会议(ICRA2015)。缺乏对称性、涉及各种量的几何参数化、弹簧在扭转下的挠曲产生的径向应力的发生率，这些都是影响该解决方案的性能和设计效率的方面。如Stienen等所示的双线圈解决方案，用于上肢康复的动力骨骼的旋转式水弹性致动器的设计-生物医学工程学报(第57卷，第3期，2010年3月)避免驱动杆上的径向应力，但除此之外，基本上具有与先前考虑的情况相似的缺陷，此外，弹簧仍然根据旋转方向以不同的方式变形，刚度产生元件在载荷极限之前彼此接触，从而增加在任何情况下低于前述极限的扭矩载荷的刚度。
另一组已知的解决方案提供了包括内环、外环(在其上分别施加输入扭转载荷和输出扭转载荷，或反之亦然)和主要由径向展开元件组成的系统的平面构造，其连接这些环并且具有有传动任务的弹性弯曲。这样的径向元件可以包括径向构件，其沿着圆周方向以瓣状结构展开，如Tagliamonte等所述，可穿戴机器人用可变阻抗差动致动器的设计-IEEE/RSI智能机器人和系统国际会议(IROS2010)，或径向构件从外环分离，然后以蛇形方式向内环发展，如在dos Santos等，用于膝关节康复的旋转系列弹性致动器的扭矩控制特性-16TH2013年高级机器人国际会议(ICAR)。此外，这类解决方案在绝对效率和/或设计模型方面也不完全令人满意，应利用减少数量的均匀量来考虑(而不是在这些已知的情况下)，以便精细地覆盖所需的最广泛的性能/刚性范围。
在中国专利公开CN106078791中也公开了一种已知的平面型扭转弹簧。该弹簧包括具有平面结构的单一主体，其中内环和外环分别用于将主体连接到致动机构和被致动机构，以弹性地响应于围绕传递轴的扭转应力，传递轴正交于主体在其上展开的平面。所述两个环由通过从所述主体去除材料而形成的梁状图案连接，遵循蛇形路径并连接从所述外环和所述内环交替延伸的主径向构件，两个连续的主径向构件限定所述图案的模块化部分。因此，蛇形从主径向构件的径向外端和连续接着的主径向构件的径向内端，以对称的方式在两个模块之间发展，两个模块在主径向构件上相邻，主径向构件分隔该模块(并且在模块之间共用)。在每个主径向构件中，只有一个且相同的端部，内部或外部，是相应相邻模块的两个蛇形的连接端部，并且由两个蛇形共用。所述环分别与另一端成一体；从这个意义上说，外圈仅与外端是一体的，内圈仅与内端是一体的。
这种配置提供了令人注意的性能，但就应力平衡和使用的多功能性而言，但可能显示出一些问题。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种具有平面结构的扭转弹簧，其提供了相对于已知的平面弹簧的有利的替代方案，特别是在响应线性度、建模方便性和准确性、使用的多功能性方面。
通过根据本发明的平面扭转弹簧来实现这些和其它目的，平面扭转弹簧的基本特征由所附权利要求中的第一项限定。其他重要的可选特征由从属权利要求定义。
附图说明
根据本发明的平面扭转弹簧的特征和优点将从以下对其实施例的描述中显而易见，所述实施例以非限制性示例的方式进行，并参考附图，其中：
-图1和图2是根据现有技术的弹簧的前视图和轴测图；
-图3和图4是本发明两个不同实施例中弹簧的前视图；
-图5a和5b是根据本发明的弹簧的概念方案，对应于图3和图4的实施例；
-图6a和6b是在悬臂梁系统和相对等效弹簧系统的概念术语内的根据本发明的弹簧的示意图；
-图7a、7b、8a、8b分别以轴测图和侧视图示出了通过分别并联(图7)和串联(图8)连接根据本发明的多个弹簧而获得的弹性组件，这里特别是根据图3的实施例的弹簧。
具体实施方式
参照图1和图2，根据本发明的弹簧的概念性总体方案与已知弹簧的方案相似，并将在下文中参照刚刚提到的图中所示的进行描述。弹簧包括具有平面结构的单一主体(unitary body)1，该单一主体主要在与传递轴(transmissive axis)Z正交的平面XY上展开，扭转载荷用于沿着该传递轴Z在致动元件和被致动元件(未示出)之间交换，单一主体1布置并连接在这些元件之间，如下文所述。
主体1在平面XY上由圆形(如在这种情况下)或多边形主轮廓c1限定，以传递轴Z为中心包围并基本上限定(但不排除可能的单独的突出元件)主体本身的外周。通过去除材料在主体1上获得多个空腔，在同一主体上限定包括偶数n个模块M的波束形图案，每个模块占据由上述主轮廓c1和两个半径r1、r2所标识的部分并形成2×π/n的中心角。模块的数量n通常且有利地大于或等于4，尽管不一定。
每个模块M包括沿相应的半径r1、r2布置并在相邻模块之间共用的两个主径向构件11、11'，每个所述构件具有径向内端11a、11a'和径向外端11b、11b'。模块还包括连接部分12，连接部分12在两个主径向构件的两个内端或外端之间发展，并且仅与两个主径向构件的两个内端或外端连接，连接部分12对称地在相对于将它们分开的半径r1、r2相邻的两个模块之间发展，并且使得在每个主径向构件11中，仅有一个且相同的内端11a、11a'或外端11b、11b'在相应相邻模块的两个连接部分12之间共用。优选地，每个模块中的连接部分12是作为蛇形发展的部分，并且包括通过相应的周向构件14连接到主构件的一个或多个次径向构件13，在存在两个或多个这样的次径向构件12的情况下。
参考所示的示例，在图1中单独的模块M中，蛇形部分从第一主径向构件11的径向外端11b开始，然后与一个或多个次径向构件13(在本实施例中为两个)一起发展，并穿过一个或多个周向构件14，它连接同一模块的第二(另一个)主径向构件的径向内端11a'。连接部分的发展在连续/相邻模块中从同一端对称地连续，对于上述第一主径向构件上游的发展也可以说是相同的。
同样参照同一模块，在相对于与连接部分12连接的端部的相对端部11a、11b′处，在模块的主构件上设置有连接装置，用于将弹簧连接到致动元件/机构和被致动元件/机构，由此产生上述扭转载荷。
在这里考虑的已知的解决方案中，这种连接装置由外环2和内芯3表示，它们的内边缘和外边缘分别位于主轮廓c1外和次轮廓c2(依次是圆形或多边形)内，次轮廓c2相对于主轮廓更多地朝向中心，并因此在内部限定主体1。特别地，主径向构件(11，11')交替地成一体，一个与外环2成一体，一个与内芯3成一体，内芯3在此设置有中心通道3a，因此沿其周向顺序依次构造成环的形状。环和相关机构之间的机械连接通过本领域技术人员公知的任何合适的机械连接装置清楚地发生，并且同样未示出(此外，根据元件的具体配置是可变的)。
基于上述已知的解决方案，清楚的是，由于环连接主构件的内部端和外部端，扭矩的传递以载荷输入和输出之间径向交错的方式发生，这是因为如果致动通过外环输入，则输出在内环上，反之亦然。
相反，根据本发明，在具有与所描述的已知弹簧共同的基本特征的一般布置中，公开了一种具体地不同的解决方案，如图3和4所示，其中对应于已描述的已知弹簧的元件的元件具有相应的附图标记(按百的次序)。
可以理解的是，根据本发明，连接装置去掉了环或类似的系统，分别使主构件的内端或外端彼此成为一体。因此，主径向构件上和主径向构件之间的连接件的布置将遵循不同的分布和构造(例如，但不一定具有基本上蛇形的连接部分)。
这里的连接装置是相关的主径向构件的相同的自由端，优选地采取接合构造，例如在径向构件的端部处的简单孔102、103，每个构件可以有一个以上的孔，不一定在轮廓c1内并且不一定在与传递轴Z相同距离处。通常可以提供不同的和等效的解决方案，例如突起、浮雕、成形部件等。
根据本发明，与连接部分连接的端部相对的主构件的(自由)端部，并且因此连接装置，不是以交替的顺序外-内-外等，而是全部位于径向外部位置(第一实施例，图3)或全部位于径向内部位置(第二实施例，图4)。优选地，如在这两种情况中所示，所有位置与传递轴的距离相同。
以这种方式，显然扭转应力在与中心轴线基本相同距离的点处的输入和输出之间交换，在由于传递而建立的力/应力场的平衡方面具有明显的优点。在任何情况下，随着弹簧外周向/圆周向的发展，输入载荷和输出载荷交替总是有利的，这种情况由不同的数字指示示出，数字指示将用于载荷输入(致动元件的连接)的孔102与用于输出载荷(被致动元件的连接)的孔103区分开来。自由端还可以在从相关的主径向构件分支的一个或多个部件上，超出在径向外部连接装置的情况下朝向中心径向移位(相对于典型端部)的分支节点，或者超出在内部连接装置的情况下远离中心径向移位的分支节点。例如，分支可以包括沿周向或倾斜定向的分支，这允许将连接装置(例如孔)分配在甚至可以相对于相关主径向构件的中轴错开的位置。
更详细地涉及本发明的结构构造，这里还值得注意的是在两个主径向构件之间限定的模块，并且相关连接部分112由次径向构件113和周向构件114的蛇形部(serpentines)限定。周向构件114用它们的外边缘(在更周边的构件的情况下)和它们的内边缘(在更靠近中心的构件的情况下)分别限定，用主轮廓c1和次轮廓c2分别限定，次要轮廓c2在这里是中心通道的周边。在两个实施例中，为了易于解释，不同的组件由同质的数字索引来指定，尽管它们遵循总体上不是全等的结构组织(换句话说，它们在不同的对象上实现)。
根据上述两个实施例的弹簧的概念方案示于自说明的图5a和5b中。然而，这样的实施例并没有穷尽本发明实现的可能性，其可能不会为两个主构件之间的连接部分提供蛇形形状，与所示实施例相反，该蛇形形状甚至不会在两个轮廓c1、c2之间的大致整个半径差中延伸。换句话说，连接部分可以遵循不同于蛇形(各种几何形状的折线、螺旋等)的任何发展或图案，同时仍然符合结构所依赖的对称的配置和条件。
如上所述，通常，两个主轮廓线和次轮廓线之间的连接部分的路径是被认为是有利的构造选择。在这种情况下，同样有利的是，至少主径向构件径向延伸到所述主轮廓c1和所述次轮廓c2之间的最大径向距离的至少一半。
根据具体应用，主径向构件可以至少有利地具有基本薄片状(laminar)的结构，因为在平面XY上测量的厚度相对于根据该轴的长度测量减小(例如，以1/5或更小的比率)，平面XY横向于构件(或梁形图案的类似细长部件)的伸长的轴。此外，适当地注意到，当讨论平面结构时，它是指其中主轮廓的最大宽度与沿传递轴测量的厚度之比大于或等于5的主体。
在所有情况下由本发明产生的一个重要优点是可以容易地确定弹簧的等效扭转刚度，这显然使得设计模型简单和精确。这种等效刚度的计算基于这样的考虑：作为最佳近似，根据图6a和6b中的示意图，弹簧的有效组件，特别是上述示例中的梁形组件，可以被认为是悬臂梁的合适组合。图6a具体地描绘了作为串联和并联的弹簧的组件的系统的示意图，其在输入和输出之间的扭转载荷之后操作弯曲(具有单独的弯曲因子Kn)，而图6b是将前述示意图简化单个弹簧的串联，每个弹簧与等效刚度因子Kn-eq相关联。如这里所图示的系统的数学解析度基于该领域的专家所熟知的定律是清楚的。
所需的刚性可以通过作用于各种几何参数，特别是梁形段或构件的厚度和尺寸来优化。显然，获得所需特性的一个基本变量是所使用的材料：最合适的材料是通常用于机械结构的金属材料。这些包括钢、铝合金和钛合金。首先，一旦选择基本尺寸以获得元件的刚度特征，就可以在杨氏模量中识别材料。所用材料的选择，除了所需的刚性外，还直接遵循接头所能支撑的载荷的实体和所要获得的尺寸紧凑程度。
具体地说，空腔和缺口可以用激光切割系统在由金属材料制成的原始平面体上制作，一般优选的，耐弯曲钢，例如弹簧用钢或谐波钢(例如，马氏体时效钢DIN 1.6358-X2NiCoMo 18-9-5，杨氏模量：193GPa，屈服应力di 1815MPa)。与空腔和整个主体的尺寸相适应，通过切屑去除加工的处理是可能的。
由于它们的结构，根据本发明的几个弹簧有利地特别适合于彼此关联以形成弹性系统，弹性系统提供在公共传递轴Z的轴向方向上并排的多个弹簧，并且与各种性质的装置连接，装置在任何情况下在组件的一个弹簧和连续的弹簧之间形成轴向延伸的桥。参照图7a至图8b，这样的桥接构件例如可以是简单的线性连杆4、5，线性连杆在诸如图3中的弹簧的主径向构件的孔102、103之间延伸，很清楚的是，由于可以作用在所有位于相同径向位置的连接点上，使得连接特别有效(并且弹簧包/组件上的应力场特别平衡)。
从附图中值得注意的是，桥接构件的组织是如何使得并联(图7a、7b)或串联(图8a、8b)的弹簧对扭转载荷作出反应的。在第一种情况下，轴向内部连杆4相互连接所有对应的主构件111(即，根据平行于传递轴Z的准线对齐)，而在第二种情况下，内部连杆4被布置为使得在第一弹簧和连续(第二)弹簧之间仅连接一个或一些对应的主要径向构件，而在第二弹簧和连续(第三)弹簧之间，连杆在未被前一连杆涉及的方向上连接径向构件，依此类推。出于对称性和工程效率的原因，用于使系统串联的特别有利的解决方案提供了一个弹簧和连续弹簧之间的内部连接链在沿传递轴Z移动时逐渐偏移圆周位置。通常，从联接的起始/结束弹簧突出的外部链5被设计用于分别将系统与致动元件(输入)和被致动元件(输出)连接。
原则上，也可以提供根据本发明的两个或多个共面布置的弹簧的组件，一个同心地嵌套到另一个(多个)中，以在任何情况下形成有利地可优化的弹性系统-这里再次根据串联或并联方案-基于应力和负担需求。
从上面可以清楚地看出由使用根据本发明的弹簧所产生的优点，并且概括地包括：
-特征线性型荷载-挠曲函数；
-通过追溯已知的物理模型和基本分辨率(弯曲加载梁系统)，容易标注的尺寸；
-可在减轻重量和外形尺寸的情况下获得更高的刚性；
-由于可能使用相对通用的加工技术(激光切割、双轴铣削、电蚀切割等)，遏制生产成本；
-由于主要的平面路径，产生具有减小的轴向发展的单元的可能性；
-能够准确预测的内部载荷和变形(挠度)的分布，尤其是，由于径向对称的配置，顺时针方向和逆时针方向的扭转载荷相等；
-一个特别平衡的应力场，由此将带来更好的性能、更长的寿命和可靠性；
-多功能和易于实现串联和并联弹簧的封装/组件。
根据本发明的弹簧可以具有应用，特别(但不限于)在可穿戴机器人技术中。它们的尺寸与刚性和可传递扭矩的特征成比例，并且易于与其它元件建立接口，使其成为用于制造可穿戴机器人和一般机器人的弹性致动器的高效元件。
参考优选实施例描述本发明。在本文所附权利要求的保护范围内，意图存在与同一发明核心相关的其他实施例。

Claims (16)

1.一种扭转弹簧，其特征在于，所述扭转弹簧包括主体(101)和所述主体与致动元件以及与被致动元件的连接装置(102、103)，以对绕传递轴(Z)变换的扭转载荷弹性地反应，其中所述主体是具有平面结构的单一主体，其主要在与所述传递轴(Z)正交的平面(XY)上展开，并且在所述平面中基本上由圆形或多边形假想轮廓(c1)限定，所述假想轮廓(c1)限定所述主体的外周，以所述传递轴(Z)为中心，通过去除材料在所述主体上形成多个空腔，所述空腔在同一所述主体上限定包括偶数n个模块的梁状图案，每个模块占据由所述轮廓(c1)和两个半径(r1、r2)限定的部分，形成2×π/n的中心角，每个模块包括：两个主径向构件(111)，所述主径向构件沿分别的半径(r1、r2)布置并在相邻模块之间共用，每个主径向构件具有径向内端(11a、11a')和径向外端(11b、11b')；以及连接部分(112)，所述连接部分(112)在所述模块的两个所述主要径向构件的两个内端或外端发展，并且只与所述模块的两个所述主要径向构件的两个内端或外端连接，所述连接部分(112)相对于将它们分开的任一半径(r1、r2)在两个相邻的模块之间对称地发展，并且使得在每个主径向构件111中，仅有一个且相同的内端(11a、11a')或外端(11b、11b')在相应相邻模块的两个连接部分(112)之间共用，所述连接装置设置在所述主径向构件(111)的自由端处，所述自由端相对于所述连接部分(112)源其发展的端相反，所述自由端是所有的径向外端或径向内端。
2.根据权利要求1所述的弹簧，其特征在于，在所述自由端处的所述连接装置都与所述传递轴(Z)相距相同的距离。
3.根据权利要求1所述的弹簧，其特征在于，在所述自由端的所述连接装置与所述传递轴(Z)相距不同的距离。
4.根据前述权利要求中任一项所述的弹簧，其特征在于，所述自由端布置在一个或多个分支节点之外。
5.根据权利要求1所述的弹簧，其特征在于，所述连接装置包括形成在所述主径向构件(11、11')的相应所述自由端(11b、11b')处的一个或多个孔(102)。
6.根据权利要求5所述的弹簧，其特征在于，所述主体还基本上由以所述传递轴(Z)为中心的小圆形或多边形假想轮廓(c2)限定，由此所述模块占据在主轮廓和次小轮廓之间限定的相应部分。
7.根据权利要求6所述的弹簧，其特征在于，所述连接部分以蛇形方式发展并包括一个或多个次径向构件(113)，所述次径向构件(113)连接到所述主径向构件，并且，如果适用，通过相应的周向构件(114)彼此连接。
8.根据权利要求7所述的弹簧，其特征在于，至少所述主径向构件径向延伸主轮廓(c1)和次轮廓(c2)之间的最大径向距离的至少一半。
9.根据权利要求8所述的弹簧，其特征在于，所述周向构件(114)的外边缘和内边缘分别由所述主轮廓(c1)和所述次轮廓(c2)限定。
10.根据权利要求9所述的弹簧，其特征在于，所述次轮廓(c2)限定所述主体(1)的中心内部通道(104)。
11.根据权利要求1所述的弹簧，其特征在于，至少所述径向构件具有薄片状结构。
12.根据权利要求1所述的弹簧，其特征在于，所述模块的偶数大于或等于4。
13.根据前述权利要求8或9中任一项所述的弹簧，其特征在于，所述主轮廓(c1)的最大宽度与沿所述传递轴(Z)测量的所述主体的厚度之间的比率大于或等于5。
14.一种弹性系统，其特征在于，包括多个根据前述权利要求中任一项所述的弹簧，多个所述弹簧沿着公共的传递轴(Z)按顺序并排布置；以及桥接构件，所述桥接构件轴向延伸以相互连接顺序相邻的每对弹簧的连接装置。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述桥接构件配置在多个所述弹簧中的至少两个连续弹簧之间，使得串联的弹簧反应于所述扭转载荷。
16.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述桥接构件配置在多个所述弹簧中的至少两个连续弹簧之间，使得并联的弹簧反应于所述扭转载荷。
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