CN113107959A - 一种螺旋式柔性铰链 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种螺旋式柔性铰链。其包括至少一个螺旋式柔性铰链单元，螺旋式柔性铰链单元包括第一传动件、中间传动件、第二传动件、第一螺旋件、第二螺旋件，第一螺旋件和第二螺旋件结构相同，均由至少两个旋向相同的螺旋弹簧旋合而成，第一螺旋件的螺旋弹簧的旋向与第二螺旋件的螺旋弹簧的旋向相反，第一螺旋件的一端与第一传动件连接，第一螺旋件的另一端与中间传动件的一端连接，第二螺旋件的一端与中间传动件的另一端连接，第二螺旋件的另一端与第二传动件连接，第一传动件、第一螺旋件、中间传动件、第二螺旋件、第二传动件同轴线设置。本发明可实现大角度旋转，且轴漂小，可满足柔度与精度要求，可以满足大行程、高精度的需求。

Description

一种螺旋式柔性铰链
技术领域
本发明涉及一种螺旋式柔性铰链，属于铰链技术领域。
背景技术
随着柔性铰链的应用范围不断扩大，传统柔性铰链在技术应用过程中，其柔度与精度的问题显著，其在柔度方面存在转角范围小的问题，在精度方面存在轴漂的问题。这些缺陷影响了柔性铰链的应用，尤其是在大行程的应用场合中，传统的柔性铰链的轴漂问题更为突出，很难满足高精度的需求。
在机器人等技术领域，为满足大行程和高精度的要求，需要采用能实现更大转角、零漂移的柔性铰链，现有的柔性铰链无法满足需求。为解决对大行程与高精度柔性铰链的需求，本发明提出了一种新的柔性铰链。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种可实现大转角、轴漂小的柔性铰链。
本发明是通过如下技术方案来实现的：一种螺旋式柔性铰链，其特征是：包括至少一个螺旋式柔性铰链单元，所述螺旋式柔性铰链单元包括第一传动件、中间传动件、第二传动件、第一螺旋件、第二螺旋件，所述第一螺旋件和所述第二螺旋件结构相同，均由至少两个旋向相同的螺旋弹簧旋合而成，所述第一螺旋件的螺旋弹簧的旋向与所述第二螺旋件的螺旋弹簧的旋向相反，所述第一螺旋件的一端与所述第一传动件连接，所述第一螺旋件的另一端与所述中间传动件的一端连接，所述第二螺旋件的一端与所述中间传动件的另一端连接，所述第二螺旋件的另一端与所述第二传动件连接，第一传动件、第一螺旋件、中间传动件、第二螺旋件、第二传动件同轴线设置。
螺旋弹簧在受到弯矩作用时会发生变形，即当受到弯矩作用时，螺旋弹簧会发生扩张或收缩。对于单螺旋弹簧而言，在受到弯矩作用时，均会发生中心轴漂和轴向位移，而且，会因为螺旋弹簧的受力点位置不同，其中心轴漂也会发生变化。根据实验可知，两个相同的螺旋弹簧，受相同弯矩作用时，在受力点位置相反时，其中心轴漂的数值相反。因此将两个螺旋弹簧旋合在一起形成一个螺旋件后，两个螺旋弹簧在受到同一弯矩作用时，两个螺旋弹簧所产生的中心轴漂会相互抵消，使得螺旋件的中心轴漂为零，但此时螺旋件依然存在轴向位移，即当螺旋件受到弯矩作用而发生扩张或收缩时，其在轴向会伸长或压缩而导致轴向位移。当两个螺旋旋向相反的螺旋件同轴连接时，在受到同一弯矩作用时，两个螺旋件所产生的轴向位移相反，两者产生的轴向位移相互抵消，使得连接件整体实现零轴漂。本发明中，柔性铰链可实现大角度旋转运动和零轴漂。由于第一螺旋件的螺旋弹簧与第二螺旋件的螺旋弹簧的旋向相反，当传动件受到弯矩作用时，第一螺旋件的螺旋弹簧向内侧收敛时则第二螺旋件的螺旋弹簧向外侧扩张，当第一螺旋件的螺旋弹簧向外侧扩张时则第二螺旋件的螺旋弹簧向内侧收敛，第一螺旋件的螺旋弹簧的扩张量或收缩量与第二螺旋件的螺旋弹簧的收缩量/扩张量一致时，所产生的轴向位移相互抵消，从而使得柔性铰链的整体结构防止了轴线的漂移，可以实现零漂移。由于螺旋式柔性铰链单元中采用了两个旋向相反的螺旋件，其可以实现大角度旋转。
进一步的，为减少轴线的漂移，所述第一螺旋件和所述第二螺旋件均由偶数个螺旋弹簧旋合而成。
更优选的是，所述第一螺旋件和所述第二螺旋件均由两个或四个螺旋弹簧旋合而成。
进一步的，为保证实现零轴漂，所述第一螺旋件和所述第二螺旋件的尺寸及材质相同。
进一步的，包括相串联的多个螺旋式柔性铰链单元，所有的螺旋式柔性铰链单元均同轴线设置，并且相邻的两个螺旋式柔性铰链单元的连接端共用一个传动件。采用多个同轴线、串联的螺旋式柔性铰链单元组成的柔性铰链可实现更大转角，并同时实现零轴漂。
进一步的，为便于连接及便于保证各部件同轴性，中间传动件为圆环结构。
本发明的有益效果是：本发明的柔性铰链在受到弯矩作用时，其轴漂小，甚至可实现零轴漂，并可实现大角度旋转，从而可满足柔度与精度要求。本发明可以实现柔性铰链大行程的同时，限制中心轴漂，达到高精度的要求，可以满足大行程、高精度的需求。本发明可用于机器人等领域，实现更大转角、零轴漂的旋转运动。此外，本发明结构简单，装配简单，降低了生产装配难度。
附图说明
图1是具体实施方式中本发明的结构示意图；
图2是具体实施方式中本发明中的螺旋件的结构示意图(二线制)；
图3是具体实施方式中本发明中的中间传动件的结构示意图；
图4是具体实施方式中本发明中的中间传动件与螺旋件的连接示意图；
图5是图4的主视图；
图6是图5的俯视图；
图7是具体实施方式中本发明的螺旋式柔性铰链受正弯矩作用时的试验结果；
图8是具体实施方式中本发明的螺旋式柔性铰链受负弯矩作用时的试验结果；
图9是具体实施方式中本发明的螺旋式柔性铰链受纯弯矩作用时的中心轴漂图；
图中，1、第一传动件，2、中间传动件，3、第二传动件，4、第一螺旋件，5、第二螺旋件。
具体实施方式
下面通过非限定性的实施例并结合附图对本发明作进一步的说明：
如附图所示，一种螺旋式柔性铰链，包括至少一个螺旋式柔性铰链单元，所述螺旋式柔性铰链单元包括第一传动件1、中间传动件2、第二传动件3、第一螺旋件4、第二螺旋件5，所述第一螺旋件4和所述第二螺旋件5结构相同，均由至少两个旋向相同的螺旋弹簧旋合而成，所述第一螺旋件4的螺旋弹簧的旋向与所述第二螺旋件5的螺旋弹簧的旋向相反，所述第一螺旋件4的一端与所述第一传动件1连接，所述第一螺旋件4的另一端与所述中间传动件2的一端连接，所述第二螺旋件5的一端与所述中间传动件2的另一端连接，所述第二螺旋件5的另一端与所述第二传动件3连接，第一传动件1、第一螺旋件4、中间传动件2、第二螺旋件5、第二传动件3同轴线设置。本发明中的第一螺旋件4和第二螺旋件5均可由两个以上的螺旋弹簧旋合而成，本实施例所示的第一螺旋件4和第二螺旋件5均是由两个螺旋弹簧旋合而成。
为减少轴线的漂移，优选的是，本发明中的所述第一螺旋件4和所述第二螺旋件5均由偶数个螺旋弹簧旋合而成，例如可以为2个或4个或6个等。由于螺旋弹簧数量越多，整个结构就会越大，结构也会更复杂，因此优选2个或4个螺旋弹簧旋合而成为好。
为减少轴线的漂移，优选的是，所述第一螺旋件4和所述第二螺旋件5的尺寸及材质相同，从而保证第一螺旋件4和第二螺旋件5在受到弯矩作用时两者所产生的各种位移量相等，能够相互抵消，保证柔性铰链的零轴漂。
为便于连接及便于保证各部件的同轴性，优选的是，中间传动件2为圆环结构。
本发明中的螺旋式柔性铰链单元可以串联连接形成多级串联柔性铰链，多个螺旋式柔性铰链单元串联连接时，所有的螺旋式柔性铰链单元均同轴线设置，并且相邻的两个螺旋式柔性铰链单元的连接端共用一个传动件。采用多个螺旋式柔性铰链单元串联连接的柔性铰链，铰链的旋转转角大大增加，同时实现零轴漂。
对于本发明中的螺旋式柔性铰链做转动角度试验和轴漂试验。试验方法和数据，是通过有限元方法进行仿真得到的。试验中采用的柔性铰链的材质为铝合金，其屈服极限为505MPa。
如图7-图8所示，使柔性铰链的一端作为固定端，在另一端加逐渐增大的转矩，得到柔性铰链的转动范围，其中图7所示是柔性铰链受正弯矩作用时的试验结果，图8所示是柔性铰链受负弯矩作用时的试验结果。根据试验，在转角达到±150度时，柔性铰链的最大应力为447MPa,不会发生塑性变形，即该柔性铰链可以实现正负150度旋转，其旋转角度远远大于现有技术中的柔性铰链40度-50度的转角范围。
对柔性铰链施加纯弯矩M，取值范围-44—44N.mm。柔性铰链进行旋转，其中心轴漂随M变化而产生变化，根据有限元模型仿真结果，纯弯矩M下的中心轴漂仿真数据，如图9所示，由附图9可知本发明中的柔性铰链实现了整体的中心轴漂的限制,最大才0.023mm。
由此可见，本发明的螺旋式柔性铰链可以实现大角度旋转，且轴漂小，能够达到高精度的要求，可以满足大行程、高精度的需求。本发明可用于机器人等领域，实现更大转角、零轴漂的旋转运动。
本实施例中的其他部分均为现有技术，在此不再赘述。

Claims (6)

1.一种螺旋式柔性铰链，其特征是：包括至少一个螺旋式柔性铰链单元，所述螺旋式柔性铰链单元包括第一传动件(1)、中间传动件(2)、第二传动件(3)、第一螺旋件(4)、第二螺旋件(5)，所述第一螺旋件(4)和所述第二螺旋件(5)结构相同，均由至少两个旋向相同的螺旋弹簧旋合而成，所述第一螺旋件(4)的螺旋弹簧的旋向与所述第二螺旋件(5)的螺旋弹簧的旋向相反，所述第一螺旋件(4)的一端与所述第一传动件(1)连接，所述第一螺旋件(4)的另一端与所述中间传动件(2)的一端连接，所述第二螺旋件(5)的一端与所述中间传动件(2)的另一端连接，所述第二螺旋件(5)的另一端与所述第二传动件(3)连接，第一传动件(1)、第一螺旋件(4)、中间传动件(2)、第二螺旋件(5)、第二传动件(3)同轴线设置。
2.根据权利要求1所述的螺旋式柔性铰链，其特征是：所述第一螺旋件(4)和所述第二螺旋件(5)均由偶数个螺旋弹簧旋合而成。
3.根据权利要求2所述的螺旋式柔性铰链，其特征是：所述第一螺旋件(4)和所述第二螺旋件(5)均由两个或四个螺旋弹簧旋合而成。
4.根据权利要求1所述的螺旋式柔性铰链，其特征是：所述第一螺旋件(4)和所述第二螺旋件(5)的尺寸及材质相同。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的螺旋式柔性铰链，其特征是：包括相串联的多个螺旋式柔性铰链单元，所有的螺旋式柔性铰链单元均同轴线设置，并且相邻的两个螺旋式柔性铰链单元的连接端共用一个传动件。
6.根据权利要求5所述的螺旋式柔性铰链，其特征是：中间传动件(2)为圆环结构。
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