CN217582966U

CN217582966U - 一种新型平面弹簧

Info

Publication number: CN217582966U
Application number: CN202221572669.4U
Authority: CN
Inventors: 付兵; 廖洪议; 韦思成; 覃菲菲
Original assignee: Guangxi University
Current assignee: Guangxi University
Priority date: 2022-06-22
Filing date: 2022-06-22
Publication date: 2022-10-14
Anticipated expiration: 2032-06-22

Abstract

本实用新型涉及机器人技术领域。一种新型平面弹簧，包括内环和相对于所述内环同轴布置的外环，所述的内环和外环之间具有空白间隙；所述空白间隙内设有两弹性体，两所述扭转弹簧体位于中心线的相对两侧且呈对称设置；两所述弹性体之间具有一间距，每一所述弹性体包括弹簧片和辐条；所述辐条包括连接外环的外环辐条和连接内环的内环辐条，所述弹簧片设置在外环辐条和内环辐条之间；所述弹簧片呈波浪型，所述弹簧片由若干个圆弧依次串联构成，且所述圆弧在所述空白间隙内按圆周方向均匀分布；所述内环和外环上均开设有若干个安装孔。本实用新型的新型平面弹簧能够实现准确的扭力控制，并减少弹簧受扭力时应力集中的问题。

Description

一种新型平面弹簧

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，特别涉及一种新型平面弹簧。

背景技术

由于近年来机器人发展迅速，市场发展前景广阔，对机器人的柔顺性的要求也就越来越高，而在机器人驱动系统中引入固有柔顺性元件，则可提高驱动系统的安全性和动态适应性。此外，在用于步态辅助的穿戴式机器人中，利用保守的弹性元件作为能量缓冲器，便可以模拟腿在运动过程中的内在动力学特性。然而，在保证低刚度和紧凑轻量化设计的同时，商业上可用的弹性元件却通常不能满足理想的峰值负载要求，而这往往则是步态辅助所需要的。所以为提高机器人的柔顺性，在其驱动器中引入弹性环节，由此产生了对弹性元件具备线性扭力输出特性、扁平紧凑的结构、轻量化体积小的需求。对于普通螺旋弹簧由于其体积偏大，且其输出端输入端较难与负载对接等缺点，而产生了对平面弹簧的研究。

目前所知的平面弹簧结构，如中国专利CN111197635A公开了平面弹簧及旋转式串联弹性致动器，该平面弹簧有一内环与一外环以及呈螺旋状的以内环圆心对称的两弹性体所组成；该平面弹簧虽然有通过扭转输出的特性，然而其为非镜像对称结构，在施加正负扭矩时其扭转角度与输出扭力呈非线性关系，而存在难以准确测量扭力输出的问题，加之在平面弹簧受较大扭力形变时，常存在应力集中的问题，而使弹性体受损坏。中国专利CN113227596A公开了平面扭转弹簧，该平面扭转弹簧为镜像对称结构，通过串联弹簧组固定同一对对称孔，而给另一对对称孔施加扭力，但是这两对对称孔均位于同一理想圆上，导致弹簧的强度较低。因此，如何提高平面弹簧的强度以及扭力控制，并减少弹簧受扭力时的集中应力，已经成为本领域技术人员急需解决的重要问题。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决上述背景技术中提出的技术问题之一，提供一种新型平面弹簧，其结构合理，实现准确的扭力控制，并减少弹簧受扭力时应力集中的问题。

为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

一种新型平面弹簧，包括内环和相对于所述内环同轴布置的外环，所述内环界定有一中心点以及通过该中心点的一中心线；所述的内环和外环之间具有空白间隙；所述空白间隙内设有两弹性体，两所述扭转弹簧体位于所述中心线的相对两侧且呈对称设置；两所述弹性体之间具有一间距，每一所述弹性体包括弹簧片和辐条；所述辐条包括连接外环的外环辐条和连接内环的内环辐条，所述弹簧片设置在外环辐条和内环辐条之间；所述弹簧片呈波浪型，所述弹簧片由若干个圆弧依次串联构成，且所述圆弧在所述空白间隙内按圆周方向均匀分布；所述内环和外环上均开设有若干个安装孔。

作为本实用新型的进一步改进，所述任一弹性体的外环辐条与内环辐条之间的基准线夹角为150°～180°。

作为本实用新型的进一步改进，所述外环辐条与所述弹簧片上端的圆弧相切连接，且连接处为圆角平滑过渡；所述内环辐条与所述弹簧片下端的圆弧相切连接，且连接处为圆角平滑过渡。

作为本实用新型的进一步改进，任一所述弹簧片的相邻两个圆弧之间通过相切线段连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述弹簧片各处的厚度均匀一致。

作为本实用新型的进一步改进，所述弹簧片的圆弧圆心均位于经过内环圆心的假想直线及以内环圆心为圆心的假想圆上。

由于采用上述技术方案，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型为一种新型的平面弹簧，其由内环与外环及两环之间的一对镜像对称的弹性体构成，弹性体包括外环辐条、内环辐条和弹簧片，弹簧片通过加厚的辐条与内外环连接，每一连接处均设置圆倒角，所述弹簧片设计成多段圆弧与线段相切的线条包绕内环的结构。通过该结构，使得弹簧的扭转角与扭力成线性关系，而以此达到精确的扭矩测量、扭力输出控制，又减少了在输出扭力时应力集中的问题，可应用于需精确控制扭力输出、保持内在柔性的机械臂及康复机器人等领域。

2、本实用新型的新型平面弹簧具备稳定准确的柔性输出特性。所述平面弹簧的弹簧片，呈镜像对称、多段圆弧与线段相切的线形结构，弹簧片各部分材料均匀径向尺寸一致，使在接受扭力输入时，具有稳定的扭转角输出效果，在正向及逆向扭转时，扭转角与扭力呈线性关系而可以达到精确的扭力控制，具备良好的柔性性能。

3、本实用新型具有减小扭力输出时应力集中的效果。所述平面弹簧在内外环与各自对应连接的辐条连接处设置圆倒角，且弹簧片呈多段圆弧与线段相切的线形，转折处平顺，由此在弹簧受扭力时拥有可达到减小应力集中的效果。

4、本实用新型具有大范围线性转角对扭力输出性能。所述平面弹簧，其轴向尺寸既能满足所需刚度要求的同时，又能因其扁平结构在承受扭力时可产生大范围的线性转角，而具备更好的扭力输出性能。

5、由于弹性体的多段圆弧与线段相切的线形的结构，可避免在弹性体扭转变形时各外凸圆弧产生干涉。

6、本实用新型的平面弹簧进一步的可设置圆弧的个数，满足所需的扭转刚度，达到所需求的扭力输出效果，并且具备多层次的扭转角与扭力输出线性关系的选择，内外环所设安装孔，可将负载与该弹簧稳定连接。

附图说明

图1为本实用新型一种新型平面弹簧的立体结构示意图；

图2为本实用新型一种新型平面弹簧的平面结构示意图；

图3为本实用新型内环和弹性体的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参阅图1-图3，一种新型平面弹簧，包括内环1和相对于所述内环1同轴布置的外环2，所述内环1界定有一中心点10以及通过该中心点10的一中心线11；所述的内环1和外环2之间具有空白间隙；所述空白间隙内设有两弹性体，两所述扭转弹簧体位于所述中心线11的相对两侧且呈对称设置；两所述弹性体之间具有一间距，每一所述弹性体包括弹簧片3和辐条4；所述辐条4包括连接外环的外环辐条和连接内环的内环辐条，所述弹簧片3设置在外环辐条和内环辐条之间；所述弹簧片3呈波浪型，所述弹簧片3由若干个圆弧依次串联构成，且所述圆弧在所述空白间隙内按圆周方向均匀分布；所述内环1和外环2上均开设有若干个安装孔5，便于与负载结合，安装孔5沿中心点10周向均匀设置。

作为本实用新型的进一步改进，所述任一弹性体的外环辐条与内环辐条之间的基准线夹角为150°～180°。即同一扭转弹簧体上的辐条4置于经过内环1圆心的两假想直线41上，两假想直线间隔角度小于180度而大于150度。

作为本实用新型的进一步改进，所述外环辐条与所述弹簧片3上端的圆弧相切连接，且连接处为圆角平滑过渡；且该上端圆弧可为内凹圆弧302或外凸圆弧301；所述内环辐条与所述弹簧片3下端的圆弧相切连接，且连接处为圆角平滑过渡；且该下端圆弧可为内凹圆弧或外凸圆弧。所述圆弧之间平滑过渡。任一所述弹簧片3的相邻两个圆弧之间通过相切线段连接，所述弹簧片3的圆弧圆心均位于经过内环1圆心的假想直线及以内环1圆心为圆心的假想圆上。本实用新型实施例中，弹簧片3呈多段圆弧与线段相切的线条，其外凸圆弧301的圆心均设于以中心点10为圆心的较大假想圆311和经过中心点10的各假想直线32上，形成各外凸圆弧3011、3012、3013；内凹圆弧302的圆心均设于以中心点10为圆心的较小假想圆312和经过中心点10的各假想直线32上，形成各内凹圆弧3021、3022、3023；各假想直线32间隔匀角度分布。各外凸圆弧301与各内凹圆弧302通过指向内环1圆心的呈匀角度分布的线段相切连接而呈波浪状。

本实施例中，所述弹簧片3各处的厚度均匀一致，外环辐条和内环辐条的厚度均大于弹簧片3，所使用材料可通过实际情况下各种几何参数的计算而获取所需的刚性特征，由此在杨氏模量中识别所需材料。

在实际应用中，将该平面弹簧通过外环2上的安装孔5固定于驱动器，于内环1施加扭力而产生形变，也可固定内环1孔而施加扭力于外环2孔，施加载荷于平面弹簧，得到其扭转角度进而得到精确扭力输出结果，达到控制精确扭力输出的效果。

本实用新型的弹性体包括连接外环2的外环辐条、连接内环1的内环辐条以及设置在外环辐条和内环辐条之间的弹簧片3，且所述弹簧片3由若干个圆弧依次串联构成，这种结构的弹簧应力主要集中于扭转弹簧体，在承受较大扭矩的情况下，具有较大的内环1与外环2的相对扭转角度，并且在一环固定，另一环受到径向力或者轴向力的时候，偏心的幅度很小，在相同载荷下，本实用新型的平面弹簧结构拥有更高的强度；在相同扭矩作用下，本实用新型的平面弹簧具有更大的扭转角输出，更好的线性扭转特性。

本实用新型的弹性体结构紧凑，所使用的弹簧片3曲线圆弧简单，便于模型的构建，也便于加工，能够满足机器人驱动关节对弹性元件具备线性扭力输出特性、扁平紧凑的结构、轻量化体积小的需求。

上述说明是针对本实用新型较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本实用新型的专利申请范围，凡本实用新型所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本实用新型所涵盖专利范围。

Claims

1.一种新型平面弹簧，包括内环和相对于所述内环同轴布置的外环，其特征在于：所述内环界定有一中心点以及通过该中心点的一中心线；所述的内环和外环之间具有空白间隙；所述空白间隙内设有两弹性体，两所述弹性体位于所述中心线的相对两侧且呈对称设置；两所述弹性体之间具有一间距，每一所述弹性体包括弹簧片和辐条；所述辐条包括连接外环的外环辐条和连接内环的内环辐条，所述弹簧片设置在外环辐条和内环辐条之间；所述弹簧片呈波浪型，所述弹簧片由若干个圆弧依次串联构成，且所述圆弧在所述空白间隙内按圆周方向均匀分布；所述内环和外环上均开设有若干个安装孔。

2.根据权利要求1所述的一种新型平面弹簧，其特征在于：任一所述弹性体的外环辐条与内环辐条之间的基准线夹角为150°～180°。

3.根据权利要求1所述的一种新型平面弹簧，其特征在于：所述外环辐条与所述弹簧片上端的圆弧相切连接，且连接处为圆角平滑过渡；所述内环辐条与所述弹簧片下端的圆弧相切连接，且连接处为圆角平滑过渡。

4.根据权利要求1所述的一种新型平面弹簧，其特征在于：任一所述弹簧片的相邻两个圆弧之间通过相切线段连接。

5.根据权利要求1所述的一种新型平面弹簧，其特征在于：所述弹簧片各处的厚度均匀一致。

6.根据权利要求1所述的一种新型平面弹簧，其特征在于：所述弹簧片的圆弧圆心均位于经过内环圆心的假想直线及以内环圆心为圆心的假想圆上。