CN110439922A - 一种大行程转动柔性铰链 - Google Patents

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张宪民
张洪川
李海
朱本亮
王日鑫
陈必成
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    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C11/00—Pivots; Pivotal connections
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Abstract

本发明涉及柔性铰链的技术领域，尤其是指一种大行程转动柔性铰链，包括一组柔性薄片组和两个转接块，该组柔性薄片组由两个U形柔性薄片组成，该两个U形柔性薄片呈镜像对称的置于两个平行对称的转接块之间，两个U形柔性薄片的开口方向相反，且每个U形柔性薄片的侧边与两个转接块为可拆卸式连接；或包括两组柔性薄片组和三个转接块，该三个转接块彼此平行且等间距的设为一排，两两相邻的转接块之间可拆卸式连接有一组柔性薄片组，两组柔性薄片组的中心轴相互异面正交。本发明具有加工工艺简单、行程大、不易应力集中、不易被破坏、运动精度高等优点。

Description

一种大行程转动柔性铰链
技术领域
本发明涉及柔性铰链的技术领域，尤其是指一种大行程转动柔性铰链。
背景技术
柔顺机构的是指一类利用自身弹性变形传递力或位移的装置。柔顺机构具有无间隙、无润滑、不需要装配、高精度、高刚度等优点。这些优点也被广泛应用于机器人科学、精密定位、医疗工程等多个领域。根据其结构变形的分布形式，柔顺机构可以分为：分布式柔顺机构和集中式柔顺机构。分布式柔顺机构通过结构的整体变形实现相应功能。集中式柔顺机构主要通过其结构的一些部位局部变形实现相应功能，这些局部变形的部位相当于传统刚性机构的关节铰链，因而被称作柔性铰链。
近年来，随着柔性铰链在集中式柔顺机构的应用及发展，各类柔性铰链均被设计并提出。其中有以缺口型柔性铰链为代表的V型柔性铰链、半圆型柔性铰链(CN2459740)和椭圆型柔性铰链等，这些铰链往往具有加工简单、运动精度高等有点，已被运用于各种平面精密定位平台(CN02281262.8、CN200410080465.9)、位移放大机构(CN201310112375.2)等中，但这些铰链也往往由于行程小、应力集中、容易被破坏等缺点，使得柔顺定位平台的物理尺寸往往要比实际所需工作空间大很多，很难实现紧凑性设计。另外的一种柔性铰链则是以薄片式柔性铰链为代表的直梁型柔性铰链(CN201810223057.6)、叉型柔性铰链、车轮型柔性铰链(CN201210558414.7，CN201610357255.2)、叶片形转动柔性铰链(CN200710176113.7)、周期波纹型柔性铰链(CN201710436668.4、CN201420641408.2)等，这些铰链具有行程大、不易应力集中、不易被破坏等的优点，但由于其结构较复杂对加工工艺要求较高，为了获取大行程且寄生位移小的柔性铰链，一般都要求柔性铰链柔性部分具有较大的宽高比，很多时候甚至要求有0.1甚至以下的加工工艺要求，这对传统机械加工方法具有极大的挑战。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大行程转动柔性铰链，具有加工工艺简单、行程大、不易应力集中、不易被破坏、运动精度高等优点。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种大行程转动柔性铰链，包括一组柔性薄片组和两个转接块，该组柔性薄片组由两个U形柔性薄片组成，该两个U形柔性薄片呈镜像对称的置于两个平行对称的转接块之间，两个U形柔性薄片的开口方向相反，且每个U形柔性薄片的侧边与两个转接块为可拆卸式连接。
进一步，所述转接块为方形结构，其上开有多个固定孔；所述U形柔性薄片由方形的平面薄片在其弹性变形范围内预压弯曲成型，并储存弹性势能，该U形柔性薄片的两个侧边为刚性固定区域，所述刚性固定区域上设有与固定孔一一对应的安装孔，通过安装孔与相对应的固定孔相连接，所述U形柔性薄片的弧形底边为柔性变形区域。
进一步，所述U形柔性薄片的弧形底边的厚度与弧形底边的宽度之比不超过0.1。
本发明所提出的另一种技术方案为：一种大行程转动柔性铰链，包括两组柔性薄片组和三个转接块，该三个转接块彼此平行且等间距的设为一排，两两相邻的转接块之间可拆卸式连接有一组柔性薄片组，其中，每组柔性薄片组包括两个U形柔性薄片，两个U形柔性薄片呈镜像对称结构，且该两个U形柔性薄片的开口端方向相反，每个U形柔性薄片的侧边与相应的两个转接块相连接，两组柔性薄片组的中心轴相互异面正交。
进一步，所述转接块为圆形，其上开有多个固定孔；所述U形柔性薄片由圆角矩形的平面薄片在其弹性变形范围内预压弯曲成型，并储存弹性势能，该U形柔性薄片整体为柔性，其侧边上设有多个与固定孔一一对应的安装孔，通过安装孔与相对应的固定孔相连接。
进一步，所述U形柔性薄片的厚度与宽度之比不超过0.1。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明的加工工艺简单，U形柔性薄片是由平面薄片经过预压弯曲制成，因此通过简单的激光切割等传统加工方法就能得到宽高比不超过0.1的柔性结构，实现柔性铰链的高柔度和大的转动范围比。
2、本发明的行程大、不易应力集中、不易被破坏且运动精度高。
附图说明
图1为本发明实施例1的立体结构图。
图2为本发明实施例1的主视图。
图3为本发明实施例1的***图。
图4为本发明实施例1的U形柔性薄片恢复成平面薄片原状的示意图。
图5为本发明实施例2的立体结构图。
图6为本发明实施例2的***图。
图7为本发明实施例2的U形柔性薄片恢复成平面薄片原状的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1至图4所示，本实施例所述的大行程转动柔性铰链，包括一组柔性薄片组和两个转接块2，该组柔性薄片组由两个U形柔性薄片1组成，该两个U形柔性薄片1呈镜像对称的置于两个平行对称的转接块2之间，所述转接块2是柔性铰链连接其他构件的转接部分，两个U形柔性薄片1的开口方向相反，且每个U形柔性薄片1的侧边11与两个转接块2为可拆卸式连接；其中，所述转接块2为方形结构，其上开有多个固定孔21；所述U形柔性薄片1的两个侧边11为刚性固定区域，所述刚性固定区域上设有与固定孔21一一对应的安装孔12，通过安装孔12与相对应的固定孔21相连接，其弧形底边13为柔性变形区域。
本实施例所述的两个U形柔性薄片1分别由两个大小形状相同的方形平面薄片3在其弹性变形范围内预压弯曲成型(弹性变形范围是指U形柔性薄片1在卸载后能够恢复成原状的变形范围)，并安装在两个转接块2之间，具有一定的应变能，该柔性铰链便因此具有一定的弹性势能并具有较高转动精度，这两个U形柔性薄片1在其卸载后仍可受力平衡；当所述柔性铰链转动方向受到弯曲力矩时，两个U形柔性薄片1的平衡状态破坏，其中顺着力矩方向弯曲的U形柔性薄片1被进一步弯曲，而另一个U形柔性薄片1随着柔性铰链的弯曲变形被逐步释放，最终两个U形柔性薄片1的弯曲变形不再对称并与外力矩形成新的平衡状态，此时，柔性铰链便因外载荷转动了一定的角度，所转动的角度与外载荷的比值即为柔性铰链的柔度，两个转接块2在受到外力矩时的相对转角即为该柔性铰链的转动角度，本实施例的柔性铰链的转动角度不小于10度。
柔度比是指柔性铰链主转轴方向的柔度与其他转轴的柔度，本实施例的主转动轴为Z转轴111，因此柔性铰链沿着Z转轴111的转动柔度要明显大于其他两个Y转轴112和X转轴110方向上的转动柔度，进而Z转轴111和Y转轴112(或X转轴110)的柔度比要足够大，一般柔度比至少为10。所述U形柔性薄片1的弧形底边13的厚度与其宽度之比不超过0.1，因此柔性铰链的柔性变形区域有小的宽高比，从而实现高的柔度和大的转动范围比。
实施例2
如图5至图7所示，本实施例所述的大行程转动柔性铰链，为由两组柔性薄片组和三个转接块2组成的类虎克铰空间转动结构，其中，三个转接块2彼此平行且等间距的设为一排，两两相邻的转接块2之间可拆卸式连接有一组柔性薄片组，每组柔性薄片组包括两个U形柔性薄片1，两个U形柔性薄片1呈镜像对称结构，且该两个U形柔性薄片1的开口端方向相反，每个U形柔性薄片1的侧边11与相应的两个转接块2相连接，两组柔性薄片组的中心轴相互异面正交，该柔性铰链能够绕这对异面正交的中心轴进行大范围转动；所述转接块2为圆形，其上开有多个固定孔21；所述U形柔性薄片1由圆角矩形的平面薄片3在其弹性变形范围内预压弯曲成型，并储存弹性势能，该U形柔性薄片1整体为柔性，且其两侧边11上分别设有多个与固定孔21一一对应的安装孔12，通过安装孔12与相对应的固定孔21相连接，所述U形柔性薄片1的厚度与宽度之比不超过0.1；其中，所述弹性变形范围是指U形柔性薄片1在卸载后能够恢复成平面薄片3原状的变形范围，与实施例1类似本实施例的柔性铰链在Z转轴111和Y转轴112具有较大的柔度。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种大行程转动柔性铰链，其特征在于：包括一组柔性薄片组和两个转接块，该组柔性薄片组由两个U形柔性薄片组成，该两个U形柔性薄片呈镜像对称的置于两个平行对称的转接块之间，两个U形柔性薄片的开口方向相反，且每个U形柔性薄片的侧边与两个转接块为可拆卸式连接。
2.根据权利要求1所述的一种大行程转动柔性铰链，其特征在于：所述转接块为方形结构，其上开有多个固定孔；所述U形柔性薄片由方形的平面薄片在其弹性变形范围内预压弯曲成型，并储存弹性势能，该U形柔性薄片的两个侧边为刚性固定区域，所述刚性固定区域上设有与固定孔一一对应的安装孔，通过安装孔与相对应的固定孔相连接，所述U形柔性薄片的弧形底边为柔性变形区域。
3.根据权利要求1或2所述的一种大行程转动柔性铰链，其特征在于：所述U形柔性薄片的弧形底边的厚度与弧形底边的宽度之比不超过0.1。
4.一种大行程转动柔性铰链，其特征在于：包括两组柔性薄片组和三个转接块，该三个转接块彼此平行且等间距的设为一排，两两相邻的转接块之间可拆卸式连接有一组柔性薄片组，其中，每组柔性薄片组包括两个U形柔性薄片，两个U形柔性薄片呈镜像对称结构，且该两个U形柔性薄片的开口端方向相反，每个U形柔性薄片的侧边与相应的两个转接块相连接，两组柔性薄片组的中心轴相互异面正交。
5.根据权利要求4所述的一种大行程转动柔性铰链，其特征在于：所述转接块为圆形结构，其上开有多个固定孔；所述U形柔性薄片由圆角矩形的平面薄片在其弹性变形范围内预压弯曲成型，并储存弹性势能，该U形柔性薄片整体为柔性，其侧边上设有多个与固定孔一一对应的安装孔，通过安装孔与相对应的固定孔相连接。
6.根据权利要求4或5所述的一种大行程转动柔性铰链，其特征在于：所述U形柔性薄片的厚度与宽度之比不超过0.1。
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