CN202360622U

CN202360622U - 新型大行程柔性虎克铰

Info

Publication number: CN202360622U
Application number: CN2011204692569U
Authority: CN
Inventors: 孙炜; 张宪民; 王念峰
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2011-11-23
Filing date: 2011-11-23
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2021-11-23

Abstract

本实用新型公开了一种虎克铰，包括柔性体一、柔性体二、支架一、支架二；柔性体一包括外圈一、外圈二、“Y”字构型簧片组一、“Y”字构型簧片组二和芯体；芯体一端通过“Y”字构型簧片组一与外圈一连接，另一端通过“Y”字构型簧片组二与外圈二连接；芯体上设有两个定位槽和两个定位片；柔性体二与柔性体一的结构相同，两者通过芯体上的定位槽和定位片垂直正交装配；外圈一、外圈二分别设有一个以上安装孔，支架一两端分别设有两个以上安装孔，支架一两端通过安装孔与柔性体一相连；支架二与支架一的结构相同，支架二两端通过安装孔与柔性体二相连。本虎克铰为多簧片柔性铰链结构，行程大、精度高，转动时轴心漂移小，适用于大行程精密控制构。

Description

新型大行程柔性虎克铰

技术领域

本实用新型涉及一种柔性铰链，特别是涉及一种组合式多簧片大行程柔性虎克铰，适用于精密机械、机器人等技术领域。

背景技术

柔性铰链是指在外部力或力矩的作用下，利用材料的弹性变形在相邻刚性杆之间产生相对运动的一种运动副结构形式，这与传统刚性运动副的结构有很大不同。较之于传统的刚性铰链(机构)，柔性铰链及柔性机构具有许多优点：（1）可以整体化(或一体化)设计和加工，故可简化结构、减小体积和重量、免于装配；（2）无间隙和摩擦，可实现高精度运动；（3）免于磨损，提高寿命；（4）免于润滑，避免污染；（5）可增大结构刚度。可应用于微定位及微进给、微姿态调整、微执行器、微操作及微装配等领域。

虎克铰又称万向铰，虎克铰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。虎克铰具有两个独立转角运动范围较大、间隙小及抗拉强度高等优点。

传统的柔性虎克铰大多为切口型柔性铰链，变形小，难以适应一些大转角大位移的场合，并且转动中心漂移严重，在大变形情况下难以提高其转动精度。针对这些问题，有学者提出了一些新型的柔性虎克铰，如申请号CN200710064993.9公开的具有虚拟转动中心的大变形柔性虎克铰，以及申请号CN201010566231.0公开的分布式多簧片大变形柔性虎克铰。虽有所改进，仍存在结构偏复杂、加工困难的问题，且柔性虎克铰的行程还需进一步增加。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种分布式大行程柔性虎克铰，通过如下技术方案实现：

一种新型大行程柔性虎克铰，包括柔性体一、柔性体二、支架一、支架二；柔性体一包括外圈一、外圈二、 “Y”字构型簧片组一、 “Y”字构型簧片组二和芯体；芯体一端通过 “Y”字构型簧片组一与外圈一连接，另一端通过 “Y”字构型簧片组二与外圈二连接；芯体上设有两个定位槽和两个定位片；柔性体二与柔性体一的结构相同，两者通过芯体上的定位槽和定位片垂直正交装配；外圈一、外圈二分别设有一个以上安装孔，支架一两端分别设有两个以上安装孔，支架一两端通过安装孔与柔性体一相连；支架二与支架一的结构相同，支架二两端通过安装孔与柔性体二相连。

优选的，外圈一、外圈二分别设有一个安装孔，支架一两端分别设有两个安装孔，支架二与支架一的结构相同。

为进一步实现本实用新型目的，柔性体上的四个外圈结构相同；柔性体一上的两个外圈位于一圆周相对的两段圆弧上，柔性体二上的两个外圈位于另一圆周相对的两段圆弧上，两圆周为垂直正交。

支架与柔性体通过螺纹连接。

所述芯体装配后为球形、立方体或多面体。

每组“Y”字构型簧片由1段直线簧片和2段曲线簧片组成，直线簧片一端连接芯体，另一端通过2个曲线簧片连接到外圈上；2个曲线簧片从相反的方向形成圆弧，构成一组“Y”字构型簧片。四组“Y”字构型簧片的直线簧片位于同一平面内，呈均匀阵列分布，相邻簧片的中心线夹角为90度。

本实用新型新型大行程柔性虎克铰本与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

（1）采用了中空设计，从而降低了结构的内应力，这样就提高了其转动范围以及疲劳寿命；

（2）可实现高精度、大角度的二维转动运动，可根据实际工作需求调整柔性虎克铰的结构尺寸，两个方向的最大转动范围为士5°~士15°；可用于精密柔性机械、机器人关节等领域；

（3）改善了铰链刚度特性，使其在完成大变形功能的同时，获得较好的刚度；

（4）采用直线与曲线复合簧片对称分布柔度设计，提高了铰链的轴向刚度和径向刚度，与传统的切口型柔性铰链相比，转动范围大大增加。并且在大角度转动有很高的轴向精度，两个外圈在转动时耦合很小，转动时轴心漂移很小；

（5）柔性体部分采用线切割机床一体化加工成型，避免了装配引入的误差。

附图说明

图1是本实用新型新型大行程柔性虎克铰的结构图。

图2是柔性体部分的结构图。

图3是支架的结构图。

图4是新型大行程柔性虎克铰的装配干线。

图1～4中示出：柔性体一1、柔性体二2、支架一3、支架二4、外圈一11、外圈二12、“Y”字构型簧片组一13、“Y”字构型簧片组二14、芯体15、定位槽16、定位片17。

具体实施方式

为更好理解本实用新型，下面结合附图对本实用新型做进一步的说明，但是本实用新型要求保护的范围并不局限于实施方式表示的范围。

如图1、2、3、4所示，一种新型大行程柔性虎克铰包括柔性体一1、柔性体二2、支架一3、支架二4；柔性体一1包括外圈一11、外圈二12、 “Y”字构型簧片组一13、 “Y”字构型簧片组二14和芯体15；芯体15一端通过 “Y”字构型簧片组一13与外圈一11连接，另一端通过 “Y”字构型簧片组二14与外圈二12连接；芯体15上设有两个定位槽16和两个定位片17；柔性体二2与柔性体一1的结构相同，两者通过芯体15上的定位槽16和定位片17垂直正交装配；外圈一11、外圈二12分别设有一个安装孔，支架一3两端分别设有两个安装孔，支架一3两端通过安装孔与柔性体一1相连；支架二4与支架一3的结构相同，支架二4两端通过安装孔与柔性体二2相连。支架与柔性体通过螺纹连接。安装孔的位置和数目，可根据实际使用情况下，与连杆以及底座的连接状况，在外圈和支架的圆周上调整。

如图1所示，柔性体一1上的两个外圈位于一圆周相对的两段圆弧上，柔性体二2上的两个外圈位于另一圆周相对的两段圆弧上，两圆周为垂直正交。

如图2所示，每组“Y”字构型簧片由1段直线簧片和2段曲线簧片组成，直线簧片一端连接芯体，另一端通过2个曲线簧片连接到外圈上；2个曲线簧片从相反的方向形成圆弧，构成一组“Y”字构型簧片。

四个“Y”字构型簧片组中，直线部分簧片的厚度均为t1，曲线部分簧片的厚度均为t2，曲线部分簧片的曲率半径也相同。

四组“Y”字构型簧片的直线簧片位于同一平面内，呈均匀阵列分布，相邻簧片的中心线夹角为90度。柔性体一1与柔性体二2芯体装配后为球形、立方体或多面体。

制备时，采用精密走丝线切割机床一体化加工有柔性体一1、柔性体二2、支架一1、支架二2及其上的安装孔。柔性体部分可整体采用精密走丝线切割机床一体化加工外圈一11、外圈二12、 “Y”字构型簧片组一13、 “Y”字构型簧片组二14和芯体15及外圈上的安装孔；也可分别用线切割加工外圈、芯体和簧片，用焊接的方法进行装配，或通过在芯体和外圈上开槽，然后将簧片插入进行装配。

新型大行程柔性虎克铰不但能实现的大角度的转动，而且能减小轴漂移，并增加了非功能方向上的刚度。柔性体一与柔性体二垂直正交装配，四组“Y”字构型簧片分别连接装配后的芯体及四个外圈，并且均匀对称分布，和与之固联的支架一、支架二垂一起形成新型大行程柔性虎克铰。薄板柔性单元的变形量本身就比较大，并且曲线薄板柔性单元可以实现双向变形，即可以向曲率增加的方向变形，也可以向曲率减小的方向变形。当固定与柔性体一固联的支架一，在与柔性体二固联的支架二上施加扭矩时，柔性体二的“Y”字构型簧片组就会发生弯曲变形；同时，柔性体一的“Y”字构型簧片组会发生扭转变形，以上的变形方式使得支架二可以绕芯体做大角度转动。由于四组“Y”字构型簧片几何结构相同，完全对称分布，假设铰链所用材料在受力变形时不存在材料非线性，当铰链中心受到转矩作用时，此转动柔性铰链没有转动中心的漂移。由于本柔性虎克铰的四个外圈及四个支架具有足够的厚度和刚度，四组“Y”字构型簧片在非功能方向上也具有一定宽度，因此，本柔性虎克铰在非功能方向上具有较好的刚度，能承受一定的载荷。

Claims

1.一种新型大行程柔性虎克铰，其特征在于：包括柔性体一（1）、柔性体二（2）、支架一（3）、支架二（4）；柔性体一（1）包括外圈一（11）、外圈二（12）、 “Y”字构型簧片组一（13）、 “Y”字构型簧片组二（14）和芯体（15）；芯体（15）一端通过 “Y”字构型簧片组一（13）与外圈一（11）连接，另一端通过 “Y”字构型簧片组二（14）与外圈二（12）连接；芯体（15）上设有两个定位槽（16）和两个定位片（17）；柔性体二（2）与柔性体一（1）的结构相同，两者通过芯体（15）上的定位槽（16）和定位片（17）垂直正交装配；外圈一（11）、外圈二（12）分别设有一个以上安装孔，支架一（3）两端分别设有两个以上安装孔，支架一（3）两端通过安装孔与柔性体一（1）相连；支架二（4）与支架一（3）的结构相同，支架二（4）两端通过安装孔与柔性体二（2）相连。

2.根据权利要求1所述的一种新型大行程柔性虎克铰，其特征在于：外圈一（11）、外圈二（12）分别设有一个安装孔，支架一（3）两端分别设有两个安装孔，支架二（4）与支架一（3）的结构相同。

3.根据权利要求1或2所述的一种新型大行程柔性虎克铰，其特征在于：所述柔性体上的四个外圈结构相同；柔性体一（1）上的两个外圈位于一圆周相对的两段圆弧上，柔性体二（2）上的两个外圈位于另一圆周相对的两段圆弧上，两圆周为垂直正交。

4.根据权利要求1或2所述的一种新型大行程柔性虎克铰，其特征在于：所述支架与柔性体通过螺纹连接。

5.根据权利要求1或2所述的一种新型大行程柔性虎克铰，其特征在于：所述芯体装配后为球形、立方体或多面体。

6.根据权利要求1或2所述的一种新型大行程柔性虎克铰，其特征在于：所述每组“Y”字构型簧片由1段直线簧片和2段曲线簧片组成，直线簧片一端连接芯体，另一端通过2个曲线簧片连接到外圈上；2个曲线簧片从相反的方向形成圆弧，构成一组“Y”字构型簧片。

7.根据权利要求6所述的一种新型大行程柔性虎克铰，其特征在于：四组“Y”字构型簧片的直线簧片位于同一平面内，呈均匀阵列分布，相邻簧片的中心线夹角为90度。