CN110566614B - 一种单向平面扭簧 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单向平面扭簧，包括扭簧外圈、扭簧内圈以及多个扭簧弹性体；扭簧内圈位于扭簧外圈的内侧，并且扭簧外圈与扭簧内圈之间存在间隙，多个扭簧弹性体分布在扭簧外圈与扭簧内圈之间的间隙中，其中扭簧弹性体从扭簧外圈的内周面引出，沿着扭簧内圈的外周方向以环绕曲线为延伸基准，延展连接至扭簧内圈的外周面，扭簧内圈的外周面设有抵接部，扭簧外圈的内周面设有与抵接部配合的止挡部，并且止挡部位于扭簧弹性体切线方向的正方向前方。本发明的单向平面扭簧一方面增大了平面扭簧中扭簧内圈、扭簧外圈的单向相对转动角度，另一方面平面扭簧中扭簧内圈、扭簧外圈相对转动时的整体刚度基本不变，具有结构简单、实用性强的优点。

Description

一种单向平面扭簧

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种单向平面扭簧。

背景技术

近年来，人们通过阻抗控制、传感器感知、串联弹性驱动器等方式，来实现在人类与机器人之间建立安全交互的***。其中，采用串联弹性驱动的关节具有较好的抗冲击性，使得关节从机械结构上具备柔性，得到广泛的应用，这种柔性关节的主要方式是采用平面扭簧形式的串联弹性驱动形式，具有关节的紧凑化、小型化的优点。

基于平面扭簧特性的柔性关节是依靠内外圈的相对旋转、配合弹性部分的变形实现关节的柔性，平面扭簧的结构形式主要为扭簧内圈、扭簧外圈以及中间的扭簧弹性体的结构，基于平面扭簧特性的柔性关节是依靠扭簧内、外圈的相对旋转，弹性体变形实现关节的柔性。

在扭簧应用于关节的开发上，哈尔滨工业大学的杨德财等人提出了一种基于扭簧特性的变刚度关节(公开号CN105345839A)，哈尔滨工程大学的王立权等人提出了双串联弹性驱动器(公开号CN101318331A)，这些扭簧均为传统螺旋状弹簧，难以实现机器人关节结构的紧凑化。

浙江大学的朱秋国等人提出了一种适用于机器人关节的平面扭簧(公开号CN102632508A)，在国内第一次开发出适用于机器人关节的平面扭簧，解决了传统扭簧占用空间大、结构松散的问题。

浙江大学的林群祐等人公开了柔性关节的平面扭簧(公开号CN103836101A)，旨在提升最大扭矩值和相对旋转角度，同时增加限位索来保护平面扭簧。

前述的平面扭簧的工作模式一般为，在关节正向驱动时，内圈带动弹性部分正向变形，当产生的力矩大于负载力矩时，外圈正向转动；当关节反向驱动时，内圈先反向转动，带动弹性部分首先回到平衡位置，随后继续反向旋转变形，当产生的力矩大于负载力矩时，驱动外圈反向转动。

现有技术中的平面扭簧为满足双向变形的要求，采用对称结构，这样的平面扭簧在设计时需要考虑双向变形时弹性体所需的变形，并为之预留足够的变形空间，这就造成了在一些特殊的场合，例如搬运设备、农业机械(插秧机、割草机)等，设备只有单向力矩输出的需求，在使用现有技术中的柔性结构时，对称设计的平面扭簧会极大浪费扭簧内外圈之间的空间，不能很好地满足柔性关节对较大相对转动角度的要求。

此外，现有技术中的平面扭簧，多用限位索实现限位功能，即使绳索受拉来限制平面扭簧的最大相对转动角度，这种形式依赖于绳索的强度，且绳索在未被拉伸(不受拉力)时的状态不易控制，柔软的绳索可能会与其他结构发生干涉，使得限位索的作用失效，降低限位功能的可靠性。

现有技术中平面扭簧的刚度会随着平面扭簧内、外圈的相对转动而变化，刚度不为常值，并且很难进行确定，这增大了柔性关节力矩输出的控制难度，不能满足实际的使用需求；目前为获取关节的输出力矩，需加装价格昂贵的力矩传感器，提高了成本，增添了结构的复杂程度。

基于此，本申请提供了一种单向平面扭簧。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种单向平面扭簧，一方面增大了平面扭簧中扭簧内圈、扭簧外圈的单向相对转动角度，另一方面平面扭簧中扭簧内圈、扭簧外圈相对转动时的整体刚度基本不变，结构简单，实用性强。

为了实现上述目的，本发明提供了一种单向平面扭簧，包括扭簧外圈、扭簧内圈以及多个扭簧弹性体；扭簧内圈位于扭簧外圈的内侧，并且扭簧外圈与扭簧内圈之间存在间隙，多个扭簧弹性体分布在扭簧外圈与扭簧内圈之间的间隙中，其中扭簧弹性体从扭簧外圈的内周面引出，沿着扭簧内圈的外周方向以环绕曲线为延伸基准，延展连接至扭簧内圈的外周面，扭簧内圈的外周面设有抵接部，扭簧外圈的内周面设有与抵接部配合的止挡部，并且止挡部位于扭簧弹性体切线方向的正方向前方。

在本发明的上述技术方案中，环绕曲线为沿着扭簧内圈的外周单向延伸的曲线，即该环绕曲线的切线方向的正方向始终不变(例如为顺时针或者逆时针方向)，其环绕的角度根据设计需要进行选择。这里的延伸基准是指扭簧弹性体的投影所呈现出来的主要轮廓方向，而非限定扭簧弹性体的具体形状。

进一步的，在扭簧内圈与扭簧外圈相对旋转至设定的角度范围后(这个过程扭簧弹性体会产生变形，并且储存能量以实现关节的柔性)，抵接部会与止挡部接触，并且被止挡部限位，起到限位、保护扭簧结构的作用；此时止挡部与抵接部之间的配合，可以阻止扭簧弹性体进一步产生变形，使得该平面扭簧的刚度急剧增大至近似表现为刚性。

根据本发明的另一种具体实施方式，扭簧弹性体的环绕曲线为平面螺旋线，其中，扭簧弹性体的数目为两个以上，例如为M个(M为大于等于2的整数)，优选的，M个扭簧弹性体均匀分布于扭簧内圈的圆周或者相对设置，通过选择不同的M值可以改变扭簧整体的刚度；通过改变平面螺旋线的螺距p和圈数q可以调整扭簧弹性体的外扩速率以及终止位置，进而适应不同尺寸的扭簧内圈与扭簧外圈的结构，具体的，扭簧弹性体的壁厚可以根据具体需求调整，以更好地适应对不同刚度的需求。

根据本发明的另一种具体实施方式，扭簧弹性体任一位置点与扭簧外圈的最小间距，设置为不超过该位置点与扭簧内圈的最小间距。

进一步的，扭簧弹性体任一位置点与扭簧外圈的最小间距，与该位置点与扭簧内圈的最小间距之间的距离比是1：1￣1：5，例如二者之间的距离比为1：2。

根据本发明的另一种具体实施方式，抵接部具有朝向扭簧内圈的外周面突出的抵接弧面，止挡部具有与抵接弧面配合的止挡弧面，抵接弧面与止挡弧面之间线-线抵接配合。

本方案中抵接部与止挡部之间的弧形面结构形式，可以节省空间，便于进行结构设计，尤其是在承载不太大的场合具有优良的使用效果。

根据本发明的另一种具体实施方式，抵接部具有朝向扭簧内圈的外周面突出形成的抵接平面，止挡部具有与平面配合的止挡平面，抵接平面与止挡平面之间面-面抵接配合。

本方案中抵接部与止挡部之间的平面(斜面)结构形式，可以有效提高抵接的强度，并且能够承受较大的负载，尤其适用于需要进行重载的机械结构中。

根据本发明的另一种具体实施方式，抵接部设有第一槽，第一槽与扭簧外圈、扭簧内圈之间的间隙连通或者不连通；止挡部设有第二槽，第二槽与扭簧外圈、扭簧内圈之间的间隙连通或者不连通。

根据本发明的另一种具体实施方式，扭簧内圈的内周面上、扭簧外圈的外周面上均设有连接键槽。

本发明具备以下有益效果：

1、本发明中的扭簧弹性体使用平面螺旋线，通过改变螺旋线的螺距和圈数可以很方便地进行参数化设计，便于确定扭簧弹性体的形式，使得弹性体有更好的参数性能；

2、本发明中通过抵接部、止挡部之间的相对位置来限制平面扭簧的最大转动角度，同时起到限位、保护扭簧结构的作用，此外还具有结构稳定、可靠性高的优点；

3、本发明中扭簧弹性体的结构形式，平面扭簧的整体刚度在扭簧内圈、扭簧外圈相对转动时近似保持不变，便于获取关节的力矩，大大降低成本；

4、本发明的平面扭簧结构形式设计更加合理，增大了扭簧弹性体单向变形时的变形空间，扭簧的扭矩承载量更高，最大相对转动范围更大。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明单向平面扭簧的整体结构示意图；

图2是本发明单向平面扭簧的结构示意图；

图3是本发明单向平面扭簧的刚度变化图；

图4是本发明单向平面扭簧中扭簧弹性体发生弹性变形状态下的示意图；

图5是对比例的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1－5所示，一种单向平面扭簧，包括扭簧外圈1、扭簧内圈2、多个扭簧弹性体3，在扭簧外圈1与扭簧内圈2之间存在间隙空间a，多个扭簧弹性体3分布在扭簧外圈1与扭簧内圈2之间的间隙空间a中。

扭簧弹性体3的一端从扭簧外圈1的内周面引出，沿着扭簧内圈2的外周方向以环绕曲线为延伸基准，扭簧弹性体3的另一端延展至扭簧内圈2的外周面，扭簧内圈2与扭簧外圈1之间的沿扭簧弹性体3延伸方向的相对转动，会引起扭簧弹性体3的变形，扭簧弹性体发生弹性变形的状态如图4所示。

下面以图2示出的三个扭簧弹性体3呈圆周分布为例，进行详细的阐述如下：

三个相同的扭簧弹性体3均匀分布在间隙空间a内，并且优选为接近布满该环形间隙空间，其中，每个扭簧弹性体3以平面螺旋线为基准延伸形成，本实施例中的平面螺旋线的螺距p取值为2，圈数q取值为0.25。

在扭簧内圈2的外周面设有抵接部4，在扭簧外圈1的内周面设有止挡部5，止挡部5位于扭簧弹性体3切线方向的正方向前方，其中止挡部5与抵接部4之间的配合，可以阻止扭簧弹性体3进一步产生变形，使得该平面扭簧的刚度急剧增大至近似表现为刚性。

再次参见图2，抵接部4与止挡部5之间设置为线-线抵接配合方式，即抵接部4设有抵接弧面4a，止挡部5设有止挡弧面5a，二者之间的弧形面结构形式，可以节省空间，便于进行结构设计，其中通过调整抵接部4和止挡部5在圆周上的相对位置，可以调整本实施例所需的限位量，即扭簧内圈2、扭簧外圈1之间的相对转动角度。

进一步的，扭簧弹性体3任一位置点与扭簧外圈1的最小间距，设置为不超过该位置点与扭簧内圈2的最小间距，例如图2中位置点与扭簧外圈1的最小间距为L1，位置点与扭簧内圈2的最小间距为L2，L1设置为不大于L2，本实施例中的L1：L2为1：2。

具体的，还可以在抵接部4上设置第一槽4b、在止挡部5上设置第二槽5b，第一槽4b与扭簧外圈1、扭簧内圈2之间的间隙连通或者不连通第二槽5b与扭簧外圈1、扭簧内圈2之间的间隙连通或者不连通，设置第一槽4b、第二槽5b的目的之一是进行减少使用的材料，目的之二是通过与间隙的连通情况以及槽孔的形状调节整体的刚度，便于后续的力矩计算。

本实施例中的扭簧弹性体3的主体部分为片状结构，在本发明的其他示例中，还可以将扭簧弹性体3的主体部分为设置为波纹形状，例如在本实施例中片状结构的表面设置有沿其宽度方向的分布的槽或者凸起，再或者是在该本实施例中片状结构上设有镂空等。

再进一步的，在本发明的其他优选示例中，为了提高承载能力，抵接部4与止挡部5之间还可以设置为面-面抵接配合方式，即抵接部4设有抵接平面，止挡部5设有止挡平面，二者之间的平面(斜面)结构形式，可以有效提高抵接的强度，并且能够承受较大的负载，尤其适用于需要进行重载的机械结构中。

为了实现与外部结构件的连接，本实施例中扭簧内圈2的内周面上、扭簧外圈1的外周面上均设有多个连接键槽6，例如图1中示出的扭簧内圈2上设置有六个连接键槽6。

下面以图5中示出的平面扭簧作为对比例，以公开号为CN106641057A中的平面扭簧的公开参数作为参考例，再次详细介绍本实施例的性能：

本实施例中的平面扭簧的材料为50CrVA，具体物理参数如下：

密度：7850kg/m3

泊松比：0.33

弹性模量：20500MPa

屈服强度：1130MPa

强度极限：1275MPa

抗剪模量：78500MPa

本实施例中，扭簧内圈的直径为38mm，扭簧内圈壁厚3mm，扭簧弹性体壁厚0.9mm，扭簧外径为80mm，扭簧外圈壁厚为3mm，扭簧弹性体的个数为3个，螺距p取值为2，圈数q取值为0.25，分析得到的扭簧刚度为8.89N.m/°。

对比例为平面扭簧的原理性设计方案，对比例的内圈及其厚度、外圈及其厚度、扭簧弹性体壁厚、扭簧弹性体数量以及材料与实施例完全一致，分析时固定扭簧内圈，并在扭簧外圈上施加40N.m的外力矩，从而得到扭簧内、外圈的相对转动量、最大转动量和刚度。

下面通过ANSYSWorkbench15.0进行有限元分析，对比本实施例与对比例、参考例的性能如下表所示：

名称	实施例	对比例	参考例
				最大转动角度d(°)	6.92	4.68	35
最大扭矩T(N.m)	61.51	35	4.68
				刚度K(N.m/°)	8.89	43.69	未标出

上表中，最大转动角度是达到最大扭矩时扭簧内、外圈的相对转动角度，最大扭矩是扭簧材料达到屈服极限前所承受的最大扭矩，刚度是对平面扭簧施加不同的力矩，得到不同相对转动角度，并以此绘制成的相对转动角度-扭矩曲线，该曲线的斜率即为平面扭簧的刚度。

其中参考例中扭簧使用的材料是50CrV，最大扭矩为弹性单元断裂前承受的最大扭矩，即将材料的强度极限作为判定依据，由于本实施例的扭簧弹性体不会发生断裂的情况，因此以材料的屈服极限作为分析最大扭矩的判定依据，扭簧达到屈服极限时会发生永久塑性变形，此时，扭簧已失效。

由上表可知，对比例的刚度过大，在力矩较小时的相对转动角度过小，不能满足实际使用要求，且在使用材料屈服强度计算得到的最大扭矩明显高于使用强度极限计算的参考例，使用软件分析得到的本实施例的平面扭簧具有较好的综合性能。

通过ANSYS Workbench 15.0对本实施例进行有限元分析，固定扭簧内圈，在扭簧外圈施加不同的外力矩，时扭簧产生不同的相对转动角度可得到相对转动角度-扭矩的图像，如图3所示，其斜率即为平面扭簧的刚度，由图3可知，扭簧的刚度几乎为定值，可以满足柔性关节对恒定刚度的需求。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (3)

1.一种单向平面扭簧，其特征在于，包括：

扭簧外圈；

扭簧内圈，位于所述扭簧外圈的内侧，并且所述扭簧外圈与所述扭簧内圈之间存在间隙；

以及多个扭簧弹性体，分布在所述扭簧外圈与所述扭簧内圈之间的间隙内，其中所述扭簧弹性体的环绕曲线为平面螺旋线，位于所述扭簧外圈与所述扭簧内圈之间的多个所述扭簧弹性体呈圆形阵列分布或者相对设置；

其中所述扭簧弹性体从所述扭簧外圈的内周面引出，沿着所述扭簧内圈的外周方向以环绕曲线为延伸基准，延展连接至所述扭簧内圈的外周面；

其中所述扭簧内圈的外周面设有抵接部，所述扭簧外圈的内周面设有与所述抵接部配合的止挡部，并且所述止挡部位于所述扭簧弹性体切线方向的正方向前方；

所述抵接部具有朝向所述扭簧内圈的外周面突出的抵接弧面，所述止挡部具有与所述抵接弧面配合的止挡弧面，所述抵接弧面与所述止挡弧面之间线—线抵接配合；或所述抵接部具有朝向所述扭簧内圈的外周面突出形成的抵接平面，所述止挡部具有与所述平面配合的止挡平面，所述抵接平面与所述止挡平面之间面—面抵接配合；

在所述扭簧内圈与所述扭簧外圈相对旋转至设定的角度范围后，所述抵接部会与所述止挡部接触，并且被所述止挡部限位，此时所述止挡部与所述抵接部之间的配合，阻止所述扭簧弹性体进一步产生变形，使得平面扭簧的刚度急剧增大至表现为刚性；

其中所述抵接部设有第一槽，所述第一槽与所述扭簧外圈、所述扭簧内圈之间的间隙连通或者不连通；所述止挡部设有第二槽，所述第二槽与所述扭簧外圈、所述扭簧内圈之间的间隙连通或者不连通；

其中所述扭簧弹性体任一位置点与所述扭簧外圈的最小间距，设置为不超过该位置点与所述扭簧内圈的最小间距；所述扭簧弹性体任一位置点与所述扭簧外圈的最小间距，与该位置点与所述扭簧内圈的最小间距之间的距离比是1：1 ~ 1：5。

2.如权利要求1所述的单向平面扭簧，其特征在于，所述扭簧弹性体的数目为两个以上。

3.如权利要求1所述的单向平面扭簧，其特征在于，所述扭簧内圈的内周面上、所述扭簧外圈的外周面上均设有连接键槽。

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