[實(shí)用新型]一種平面復(fù)合結(jié)構(gòu)空間大行程的柔順鉸鏈

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201920240606.0
• 申請(qǐng)日: 2019-02-26
• 公開（公告）號(hào): CN209755206U
• 公開（公告）日: 2019-12-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張憲民;張洪川;朱本亮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號(hào): B25J9/10
• 分類號(hào): B25J9/10
• 代理公司: 44245 廣州市華學(xué)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 馮炳輝

本實(shí)用新型公開了一種平面復(fù)合結(jié)構(gòu)空間大行程的柔順鉸鏈，包括用于實(shí)現(xiàn)平面外扭轉(zhuǎn)功能的矩形平面單元和用于實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)功能的叉形平面單元，所述叉形平面單元是由兩條柔性的直梁薄板相交成帶有夾角的叉狀結(jié)構(gòu)，所述矩形平面單元與叉形平面單元通過外聯(lián)式或內(nèi)嵌式連接。本實(shí)用新型克服了現(xiàn)有的平面結(jié)構(gòu)柔順鉸鏈只能等效單自由度的大行程低運(yùn)動(dòng)副及現(xiàn)有的LEMs柔順機(jī)構(gòu)等效的多自由度柔順鉸鏈總體行程較小等問題，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工、易于分析計(jì)算、等效大行程空間多自由度柔度等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及柔順機(jī)構(gòu)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種平面復(fù)合結(jié)構(gòu)空間大行程的柔順鉸鏈。

背景技術(shù)

柔順機(jī)構(gòu)的是指一類利用自身彈性變形傳遞輸入力或位移的機(jī)構(gòu)。柔順機(jī)構(gòu)無間隙、無潤(rùn)滑、不需要裝配、高精度、高剛度等優(yōu)點(diǎn)早已被學(xué)者發(fā)現(xiàn)并廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械工程、機(jī)器人科學(xué)、醫(yī)療設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域。而柔順機(jī)構(gòu)主流設(shè)計(jì)方法之一是剛體替代法，它的基本思想就是將傳統(tǒng)的剛性機(jī)構(gòu)的剛性鉸鏈等效替換成相應(yīng)的柔順鉸鏈，進(jìn)而組成與之對(duì)應(yīng)的柔順機(jī)構(gòu)。因此柔順鉸鏈的設(shè)計(jì)以及新型空間柔順機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)一直是機(jī)構(gòu)學(xué)的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

近年來，隨著柔順機(jī)構(gòu)在微機(jī)電加工技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用以及發(fā)展，具有平面結(jié)構(gòu)的各類柔順鉸鏈以及柔順機(jī)構(gòu)均被提出。但大多平面結(jié)構(gòu)的柔順鉸鏈或者機(jī)構(gòu)也只能實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)所在的平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，而具有空間運(yùn)動(dòng)能力的柔順機(jī)構(gòu)和鉸鏈往往又不是簡(jiǎn)單的平面的結(jié)構(gòu)，這樣使得空間柔順機(jī)構(gòu)或者柔順鉸鏈加工困難，不易實(shí)現(xiàn)小尺度加工或者制造。

LET柔順鉸鏈(LET,Lamina Emergent Torsional Joint)以及由LET柔順鉸鏈組成的LEMs柔順機(jī)構(gòu)(LEMs，Lamina Emergent Mechanisms)具有通過特殊的平面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)平面外運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，這類柔順機(jī)構(gòu)引起了柔順機(jī)構(gòu)領(lǐng)域?qū)W者們的廣泛關(guān)注并引起了重視(詳見專利US 9,157,497 B1)。LET柔順鉸鏈具體是一種是由薄板材料加工完成，具有窄邊矩形形狀的平面結(jié)構(gòu)，它可實(shí)現(xiàn)平面外轉(zhuǎn)動(dòng)，是一類新型單自由度的柔順鉸鏈。LEMs柔順機(jī)構(gòu)是一種由LET柔順鉸鏈組成的柔順機(jī)構(gòu)，該類柔順機(jī)構(gòu)亦具有通過平面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)平面外空間運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。LET柔順鉸鏈以及LEMs柔順機(jī)構(gòu)均可以實(shí)現(xiàn)較大變形，且加工簡(jiǎn)單，既可以用常規(guī)方法(如線切割、3D打印、激光切割)制造宏觀尺度的機(jī)構(gòu)或設(shè)備，也可用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)領(lǐng)域的微加工技術(shù)制造出微觀尺度的機(jī)構(gòu)或設(shè)備。

LET鉸鏈和LEMs機(jī)構(gòu)為需要實(shí)現(xiàn)具備空間移動(dòng)功能的空間柔順機(jī)構(gòu)以及空間微柔順機(jī)構(gòu)提供新的思路，但由于LET柔順鉸鏈等效的是剛性機(jī)構(gòu)的單自由度關(guān)節(jié)，這使得LET柔順鉸鏈構(gòu)成的LEMs柔順機(jī)構(gòu)的等效的剛性機(jī)構(gòu)往往是由低運(yùn)動(dòng)副構(gòu)成的空間少自由度機(jī)構(gòu)。因此在設(shè)計(jì)平面薄片復(fù)合的大行程的空間多自由度柔順機(jī)構(gòu)中，LET柔順鉸鏈就具有一定的局限性，譬如需要多自由度關(guān)節(jié)的Delta機(jī)構(gòu)、Gough-Stewart機(jī)構(gòu)以及專利(201810223057.6)中所述的翻轉(zhuǎn)多穩(wěn)態(tài)柔順機(jī)構(gòu)則無法只用LET柔順鉸鏈組成上述的等效柔順機(jī)構(gòu)。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有的平面結(jié)構(gòu)柔順鉸鏈只能等效單自由度的大行程低運(yùn)動(dòng)副及現(xiàn)有的LEMs柔順機(jī)構(gòu)等效的多自由度柔順鉸鏈總體行程較小等問題，提出了一種平面復(fù)合結(jié)構(gòu)空間大行程的柔順鉸鏈，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工、易于分析計(jì)算、等效大行程空間多自由度柔度等優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所提出的技術(shù)方案為：一種平面復(fù)合結(jié)構(gòu)空間大行程的柔順鉸鏈，包括相連的矩形平面單元和叉形平面單元，所述矩形平面單元用于實(shí)現(xiàn)平面外扭轉(zhuǎn)功能，該矩形平面單元是由兩條柔性的長(zhǎng)直梁和兩條柔性的短直梁圍成的矩形結(jié)構(gòu)，其中一條長(zhǎng)直梁的中心處為固定段，其兩端分別為第一扭轉(zhuǎn)段，另一條長(zhǎng)直梁的中心處為第二扭轉(zhuǎn)段，其兩端分別為第三扭轉(zhuǎn)段；所述叉形平面單元用于實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)功能，該叉形平面單元是由兩條柔性并相交叉的直梁薄板構(gòu)成的叉狀結(jié)構(gòu)，所述叉狀結(jié)構(gòu)的外側(cè)與第二扭轉(zhuǎn)段通過外聯(lián)式連接構(gòu)成剛度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)，用于連接叉狀結(jié)構(gòu)與矩形結(jié)構(gòu)并傳遞力矩。