[發明專利]一種多簧片大變形柔性虎克鉸

無效

• 申請號: 201010566231.0
• 申請日: 2010-11-30
• 公開（公告）號: CN101985960A
• 公開（公告）日: 2011-03-16
• 發明（設計）人: 孫煒;張憲民;管怡生
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: F16D3/26
• 分類號: F16D3/26
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 李衛東

技術領域

本發明涉及一種柔性鉸鏈，特別是涉及一種多簧片大變形柔性虎克鉸，適用于精密機械、機器人等技術領域。

背景技術

柔性鉸鏈是指在外部力或力矩的作用下，利用材料的彈性變形在相鄰剛性桿之間產生相對運動的一種運動副結構形式，這與傳統剛性運動副的結構有很大不同。較之于傳統的剛性鉸鏈(機構)，柔性鉸鏈及柔性機構具有許多優點：(1)可以整體化(或一體化)設計和加工，故可簡化結構、減小體積和重量、免于裝配；(2)無間隙和摩擦，可實現高精度運動；(3)免于磨損，提高壽命；(4)免于潤滑，避免污染；(5)可增大結構剛度。可應用于微定位及微進給、微姿態調整、微執行器、微操作及微裝配等領域。

虎克鉸又稱萬向鉸，虎克鉸是軸線通過同一點的兩個轉動副的組合，允許兩構件沿著相互垂直的軸線有兩個相對轉動的自由度。由于虎克鉸具有兩個獨立轉角運動范圍較大、間隙小及抗拉強度高等優點，廣泛地應用在各種形式的并聯機器人中。

柔性鉸鏈是柔性機構中一種典型的柔性元素。而在微動領域，柔性虎克鉸的設計卻并不多見。傳統的柔性鉸鏈中，有一些有類似虎克鉸功能的鉸鏈，但大多為切口型柔性鉸鏈，這種切口型柔性鉸鏈變形小，難以適應一些大轉角大位移的場合，并且轉動中心漂移嚴重，在大變形情況下難以提高其轉動精度。

發明內容

本發明的目的是提供一種分布式大變形柔性虎克鉸，該虎克鉸實現高精度、大角度的二維轉動運動，最大行程為士5°～士10°。

本發明目的通過如下技術方案實現：

一種多簧片大變形柔性虎克鉸，包括外圈一、外圈二、芯體和兩組簧片；垂直正交的外圈一和外圈二分別通過一組簧片與芯體連接，外圈一和外圈二為圓圈形；每組簧片在外圈一和外圈二內均勻分布至少兩對簧片；每一對簧片由2個簧片組成，兩個簧片從芯體接近的位置從相反的方向形成圓弧連接到外圈一或外圈二上，構成一對簧片；外圈一和外圈二在相交處分別開有凹槽，其中外圈一凹槽開口向外，外圈二凹槽開口向向內，使外圈一和外圈二在相交處保持間隔，其中外圈一位于外圈二外側；外圈一和外圈二分別至少設有一個安裝孔，用于與連接桿和/或底座相連。

為進一步實現本發明目的，每組簧片在外圈內均勻陣列分布三個簧片對，每對簧片的中心線夾角為120度。

每個簧片的厚度t與簧片的圓弧曲率半徑R滿足t＜0.1R。

外圈一和外圈二的寬度w都是簧片厚度t的20～50倍。

外圈一和外圈二的凹槽兩側夾角為30-50度。

所述芯體為球形、立方體或多面體。

本發明在芯體上以球體軸線為中心，垂直正交分布外圈一和外圈二及兩組簧片，每個簧片組在外圈內均勻分布三個簧片對。本發明采用曲線簧片對稱分布柔度設計，有較高的軸向剛度和較好的徑向剛度，與傳統的切口型柔性鉸鏈相比，轉動范圍大大增加，并且在轉動時軸心漂移很小，是一種性能優良的大變形的柔性虎克鉸，實用于大行程精密控制機構。

本發明多簧片大變形柔性虎克鉸的優點在于：

(1)采用了中空設計，從而降低了結構的內應力，這樣就提高了其轉動范圍以及疲勞壽命。

(2)本發明設計的柔性虎克鉸可實現高精度、大角度的二維轉動運動，可根據實際工作需求調整柔性虎克鉸的結構尺寸，兩個方向的最大轉動范圍為士5°～士10°；可用于精密柔性機械、機器人關節等領域。

(3)外圈一中的第一簧片與第二簧片構成第一對簧片，第三簧片與第四簧片構成第二對簧片，第五簧片與第六簧片構第三對簧片；外圈二中的第七簧片與第八簧片構成第四對簧片，第九簧片與第十簧片構成五對簧片，第十一簧片與第十二簧片構第六對簧片。每個外圈內的三對曲線簧片緊密對向布置，改善了鉸鏈剛度特性，使其在完成大變形功能的同時，獲得較好的剛度。

(4)在球體上以球體軸線為中心，垂直正交分布外圈一和外圈二及兩組簧片，每個簧片組在外圈內均勻陣列分布三個簧片對。將三個曲線簧片對以球體的中心軸線進行均勻陣列分布，提高了鉸的軸向剛度和徑向剛度。并且這種柔性單元的分布形式使得柔性鉸鏈在大角度轉動有很高的軸向精度，兩個外圈在轉動時耦合很小，且在轉動時軸心漂移很小。

(5)采用線切割機床一體化加工成型，避免了裝配引入的誤差。

附圖說明

圖1是本發明多簧片大變形柔性虎克鉸的結構圖。

圖2是圖1的主視圖。

圖3是圖2的左視圖。