專利名稱：一種多簧片大變形柔性虎克鉸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
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(chǎn)生相對運動的一種運動副結(jié)構(gòu)形式，這與傳統(tǒng)剛性運動副的結(jié)構(gòu)有很大不同。較之于傳 統(tǒng)的剛性鉸鏈(機構(gòu))，柔性鉸鏈及柔性機構(gòu)具有許多優(yōu)點(1)可以整體化(或一體化) 設(shè)計和加工，故可簡化結(jié)構(gòu)、減小體積和重量、免于裝配；(2)無間隙和摩擦，可實現(xiàn)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(jié)構(gòu)剛度?？蓱糜谖?定位及微進給、微姿態(tài)調(diào)整、微執(zhí)行器、微操作及微裝配等領(lǐng)域。虎克鉸又稱萬向鉸，虎克鉸是軸線通過同一點的兩個轉(zhuǎn)動副的組合，允許兩構(gòu)件 沿著相互垂直的軸線有兩個相對轉(zhuǎn)動的自由度。由于虎克鉸具有兩個獨立轉(zhuǎn)角運動范圍較 大、間隙小及抗拉強度高等優(yōu)點，廣泛地應用在各種形式的并聯(lián)機器人中。柔性鉸鏈是柔性機構(gòu)中一種典型的柔性元素。而在微動領(lǐng)域，柔性虎克鉸的設(shè)計 卻并不多見。傳統(tǒng)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(zhuǎn)角大位移的場合，并且轉(zhuǎn)動中心漂移嚴 重，在大變形情況下難以提高其轉(zhuǎn)動精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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(xiàn)高精度、大角 度的二維轉(zhuǎn)動運動，最大行程為士 5° 士 10°。本發(fā)明目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)—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(nèi)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(gòu)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(nèi)，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(cè)；外圈一和外圈二分別至少設(shè)有 一個安裝孔，用于與連接桿和/或底座相連。為進一步實現(xiàn)本發(fā)明目的，每組簧片在外圈內(nèi)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(cè)夾角為30-50度。所述芯體為球形、立方體或多面體。
本發(fā)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(nèi)均勻分布三個簧片對。本發(fā)明采用曲線簧片對稱分布柔度設(shè)計，有較 高的軸向剛度和較好的徑向剛度，與傳統(tǒng)的切口型柔性鉸鏈相比，轉(zhuǎn)動范圍大大增加，并且 在轉(zhuǎn)動時軸心漂移很小，是一種性能優(yōu)良的大變形的柔性虎克鉸，實用于大行程精密控制 機構(gòu)。本發(fā)明多簧片大變形柔性虎克鉸的優(yōu)點在于(1)采用了中空設(shè)計，從而降低了結(jié)構(gòu)的內(nèi)應力，這樣就提高了其轉(zhuǎn)動范圍以及疲
勞壽命。(2)本發(fā)明設(shè)計的柔性虎克鉸可實現(xiàn)高精度、大角度的二維轉(zhuǎn)動運動，可根據(jù)實際 工作需求調(diào)整柔性虎克鉸的結(jié)構(gòu)尺寸，兩個方向的最大轉(zhuǎn)動范圍為士 5° 士 10° ；可用于 精密柔性機械、機器人關(guān)節(jié)等領(lǐng)域。(3)外圈一中的第一簧片與第二簧片構(gòu)成第一對簧片，第三簧片與第四簧片構(gòu)成 第二對簧片，第五簧片與第六簧片構(gòu)第三對簧片；外圈二中的第七簧片與第八簧片構(gòu)成第 四對簧片，第九簧片與第十簧片構(gòu)成五對簧片，第十一簧片與第十二簧片構(gòu)第六對簧片。每 個外圈內(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)動有很高的軸向精度，兩個外圈在轉(zhuǎn)動時耦合很小，且在轉(zhuǎn)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。


圖1是本發(fā)明多簧片大變形柔性虎克鉸的結(jié)構(gòu)圖。圖2是圖1的主視圖。圖3是圖2的左視圖。圖中示出外圈一 1、A安裝孔101、B安裝孔102、A凹槽103、B凹槽104、簧片對 中心線105、第一簧片111、第二簧片112、第三簧片113、第四簧片114、第五簧片115、第六 簧片116、外圈二 2、C安裝孔201、D安裝孔202、C凹槽203,D凹槽204、第七簧片211、第八 簧片212、第九簧片213、第十簧片214、第十一簧片215、第十二簧片216、球芯3。
具體實施例方式為更好理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的說明，但是本發(fā)明要求保 護的范圍并不局限于實施方式表示的范圍。如圖1、2、3所示，一種多簧片大變形柔性虎克鉸包括外圈一 1、外圈二 2、芯體3和 兩組簧片；垂直正交的外圈一 1和外圈二 2分別通過一組簧片與芯體3連接，外圈一 1和外 圈二 2為圓圈形；每組簧片在外圈內(nèi)均勻分布至少三對簧片；每一對簧片由2個簧片組成， 每一個簧片成圓弧狀連接在芯體和外圈一 1或外圈二 2上，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 1和外圈二 2上，構(gòu)成一對簧片；外圈一 1和外圈二 2在相交處分別開有凹槽，其中外圈一 1凹槽開口向外，外圈二 2凹槽開口向向內(nèi)，使外圈一 1 和外圈二 2在相交處保持間隔，其中外圈一 1位于外圈二 2外側(cè)。外圈一 1和外圈二 2分別 至少設(shè)有一個安裝孔，用于與連接桿和/或底座相連。如外圈一 1上設(shè)有A安裝孔101和 B安裝孔102，外圈二 2上設(shè)有的C安裝孔201和D安裝孔202。外圈一 1分別通過A安裝 孔101和B安裝孔102與連接桿和底座相連；外圈二 2通過C安裝孔201和D安裝孔202 與連接桿和底座相連。安裝孔的位置和數(shù)目，可根據(jù)實際使用情況下，與連桿以及底座的連 接狀況，在外圈的圓周上調(diào)整。芯體3可采用球形，也可采用立方體或多面體。外圈一 1上設(shè)有A凹槽103和B凹槽104 ；A凹槽103和B凹槽104兩側(cè)夾角為 30-50度；外圈二 2上設(shè)有C凹槽203和D凹槽204 ；C凹槽203和D凹槽204兩側(cè)夾角為 30-50度，用以保證本發(fā)明的多簧片大變形柔性虎克鉸在轉(zhuǎn)動過程中，外圈一與外圈二不會 發(fā)生干涉。A凹槽103、B凹槽104、C凹槽203和D凹槽204兩側(cè)夾角是指一個凹槽弧形長 度兩端與球心連線的夾角，也就是用來限定凹槽的長度的。以球體軸線為中心，兩組簧片中每組簧片在外圈內(nèi)均勻陣列分布三個簧片對，每 對簧片的中心線夾角為120度。外圈一 1和芯體3之間設(shè)有三對連接簧片，分別是第一簧片111、第二簧片112、 第三簧片113、第四簧片114、第五簧片115和第六簧片116 ；其中第一簧片111與第二簧片 112構(gòu)成第一對簧片，第三簧片113與第四簧片114構(gòu)成二對簧片，第五簧片115與第六簧 片116構(gòu)第三對簧片，第一對、第二對、第三對簧片的中心線夾角為120度；其中一對簧片的 兩個簧片其中心線對稱分布，彎曲方向相反見圖2。如第一簧片111與第二簧片112關(guān)于其 中心線對稱分布，彎曲方向相反。兩個簧片直接與芯體3和外圈一 1連接，可采用一體化加 工，也可分別加工外圈、球心和簧片，再進行裝配。外圈二 2和芯體3之間設(shè)有三組連接簧片，分別是第七簧片211、第八簧片212、第 九簧片213、第十簧片214、第十一簧片215、第十二簧片216，第七簧片211與第八簧片212 構(gòu)成第四對簧片，第九簧片213與第十簧片214構(gòu)成五對簧片，第十一簧片215與第十二簧 片216構(gòu)第六對簧片，第四對、第五對、第六對簧片的中心線夾角為120度?；善姆植纪?第一簧片111與第二簧片112。每個簧片的厚度t與簧片的圓弧曲率半徑R滿足t < 0. 1R。如第一簧片111的 厚度與第一簧片111的曲率半徑R1的關(guān)系為、< 0. IR1 ；其它十一個簧片厚度與第一簧片 111的厚度相同，曲率半徑也相同。外圈一和外圈二的寬度w都是簧片厚度t的20 50倍，以保證外圈有足夠的剛 度。即外圈一和外圈二的寬度20t < w < 50t。制備時，采用精密走絲線切割機床一體化加工有芯體3、外圈一 1及外圈二 2 ；在外 圈一 1上加工A安裝孔101、B安裝孔102、A凹槽103、B凹槽104 ；在外圈二上加工C凹槽 203、D凹槽204、C安裝孔201和D安裝孔202 ；整個柔性虎克鉸可采用精密走絲線切割機 床一體化加工，也可分別用線切割加工外圈、芯體和簧片，用焊接的方法進行裝配，或通過 在芯體和外圈上開槽，然后將簧片插入進行裝配。本發(fā)明多簧片大變形柔性虎克鉸，有兩種運動方式。運動方式一通過A安裝孔101、B安裝孔102固定外圈一 1，在外圈二 2上的C安 裝孔201、D安裝孔202上，施加以幾何中心0點(即球體3的球心)為中心的轉(zhuǎn)矩，使柔性虎克鉸的外圈二 2產(chǎn)生以球體3的球心為中心的二維轉(zhuǎn)動，具體來說就是外圈二 2在外圈 一 1所在的平面內(nèi)以球體3的球心為中心產(chǎn)生了一維轉(zhuǎn)動，以及外圈二 2在外圈二 2所在 的平面內(nèi)以球體3的球心為中心產(chǎn)生了一維轉(zhuǎn)動。兩個方向的最大轉(zhuǎn)動范圍均為士 5° 士 10°，軸漂移接近于0，在非功能方向上具有較好的剛度。運動方式二 通過C安裝孔201、D安裝孔202固定外圈二 2，在外圈一 1上的A安 裝孔101、B安裝孔102上，施加以幾何中心0點(即球體3的球心)為中心的轉(zhuǎn)矩，使柔性 虎克鉸的外圈一 1產(chǎn)生以球體3的球心為中心的二維轉(zhuǎn)動，具體來說就是外圈一 1在外圈 一 1所在的平面內(nèi)以球體3的球心為中心產(chǎn)生了一維轉(zhuǎn)動，以及外圈一 1在外圈二 2所在 的平面內(nèi)以球體3的球心為中心產(chǎn)生了一維轉(zhuǎn)動。兩個方向的最大轉(zhuǎn)動范圍均為士 5° 士 10°，軸漂移接近于0，在非功能方向上具有較好的剛度。多簧片大變形柔性虎克鉸不但能實現(xiàn)的大角度的轉(zhuǎn)動，而且能減小軸漂移，并增 加了非功能方向上的剛度。第一簧片111、第二簧片112、第三簧片113、第四簧片114、第五 簧片115、第六簧片116以球體中心軸線對稱，在外圈一 1內(nèi)均勻分布；第七簧片211、第八 簧片212、第九簧片213、第十簧片214、第十一簧片215、第十二簧片216以球體中心軸線 對稱，在外圈二 2內(nèi)均勻分布，形成外圈一和外圈二垂直正交分布的分布式多簧片大變形 柔性虎克鉸。薄板柔性單元的變形量本身就比較大，并且曲線薄板柔性單元可以實現(xiàn)雙向 變形，即可以向曲率增加的方向變形，也可以向曲率減小的方向變形，這就保證了通過曲線 簧片連接的外圈可以繞芯體做大角度轉(zhuǎn)動。由于12個曲線簧片幾何結(jié)構(gòu)相同，完全對稱分 布，假設(shè)鉸鏈所用材料在受力變形時不存在材料非線性，當鉸鏈中心受到轉(zhuǎn)矩作用時，此轉(zhuǎn) 動柔性鉸鏈沒有轉(zhuǎn)動中心的漂移。由于本柔性虎克鉸的兩個外圈具有足夠的厚度和剛度， 12個簧片在非功能方向上也具有一定寬度，因此，本柔性虎克鉸在非功能方向上具有較好 的剛度，能承受一定的載荷。
權(quán)利要求
一種多簧片大變形柔性虎克鉸，其特征在于包括外圈一(1)、外圈二(2)、芯體(3)和兩組簧片；垂直正交的外圈一(1)和外圈二(2)分別通過一組簧片與芯體(3)連接，外圈一(1)和外圈二(2)為圓圈形；每組簧片在外圈一(1)和外圈二(2)內(nèi)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(1)或外圈二(2)上，構(gòu)成一對簧片；外圈一(1)和外圈二(2)在相交處分別開有凹槽，其中外圈一(1)凹槽開口向外，外圈二(2)凹槽開口向向內(nèi)，使外圈一(1)和外圈二(2)在相交處保持間隔，其中外圈一(1)位于外圈二(2)外側(cè)；外圈一(1)和外圈二(2)分別至少設(shè)有一個安裝孔，用于與連接桿和/或底座相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多簧片大變形柔性虎克鉸，其特征在于每組簧片在外圈內(nèi) 均勻陣列分布三對簧片，每對簧片的中心線夾角為120度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多簧片大變形柔性虎克鉸，其特征在于每個簧片的厚度t 與簧片的圓弧曲率半徑R滿足t < 0. 1R。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多簧片大變形柔性虎克鉸，其特征在于外圈一和外圈二的 寬度w都是簧片厚度t的20 50倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多簧片大變形柔性虎克鉸，其特征在于外圈一和外圈二的 凹槽兩側(cè)夾角為30-50度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多簧片大變形柔性虎克鉸，其特征在于所述芯體為球形、立 方體或多面體。
全文摘要
本發(fā)明公開了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(nèi)均勻分布至少三對簧片；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(gòu)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(nèi)，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(cè)。本發(fā)明柔性虎克鉸是一種多簧片柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，具有行程大、精度高的優(yōu)點。并且在轉(zhuǎn)動時軸心漂移很小，適用于大行程精密控制構(gòu)。
文檔編號F16D3/26GK101985960SQ20101056623
公開日2011年3月16日 申請日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者孫煒, 張憲民, 管怡生 申請人:華南理工大學