[发明专利]一种多簧片大变形柔性虎克铰

说明书

技术领域

本发明涉及一种柔性铰链，特别是涉及一种多簧片大变形柔性虎克铰，适用于精密机械、机器人等技术领域。

背景技术

柔性铰链是指在外部力或力矩的作用下，利用材料的弹性变形在相邻刚性杆之间产生相对运动的一种运动副结构形式，这与传统刚性运动副的结构有很大不同。较之于传统的刚性铰链(机构)，柔性铰链及柔性机构具有许多优点：(1)可以整体化(或一体化)设计和加工，故可简化结构、减小体积和重量、免于装配；(2)无间隙和摩擦，可实现高精度运动；(3)免于磨损，提高寿命；(4)免于润滑，避免污染；(5)可增大结构刚度。可应用于微定位及微进给、微姿态调整、微执行器、微操作及微装配等领域。

虎克铰又称万向铰，虎克铰是轴线通过同一点的两个转动副的组合，允许两构件沿着相互垂直的轴线有两个相对转动的自由度。由于虎克铰具有两个独立转角运动范围较大、间隙小及抗拉强度高等优点，广泛地应用在各种形式的并联机器人中。

柔性铰链是柔性机构中一种典型的柔性元素。而在微动领域，柔性虎克铰的设计却并不多见。传统的柔性铰链中，有一些有类似虎克铰功能的铰链，但大多为切口型柔性铰链，这种切口型柔性铰链变形小，难以适应一些大转角大位移的场合，并且转动中心漂移严重，在大变形情况下难以提高其转动精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种分布式大变形柔性虎克铰，该虎克铰实现高精度、大角度的二维转动运动，最大行程为士5°～士10°。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种多簧片大变形柔性虎克铰，包括外圈一、外圈二、芯体和两组簧片；垂直正交的外圈一和外圈二分别通过一组簧片与芯体连接，外圈一和外圈二为圆圈形；每组簧片在外圈一和外圈二内均匀分布至少两对簧片；每一对簧片由2个簧片组成，两个簧片从芯体接近的位置从相反的方向形成圆弧连接到外圈一或外圈二上，构成一对簧片；外圈一和外圈二在相交处分别开有凹槽，其中外圈一凹槽开口向外，外圈二凹槽开口向向内，使外圈一和外圈二在相交处保持间隔，其中外圈一位于外圈二外侧；外圈一和外圈二分别至少设有一个安装孔，用于与连接杆和/或底座相连。

为进一步实现本发明目的，每组簧片在外圈内均匀阵列分布三个簧片对，每对簧片的中心线夹角为120度。

每个簧片的厚度t与簧片的圆弧曲率半径R满足t＜0.1R。

外圈一和外圈二的宽度w都是簧片厚度t的20～50倍。

外圈一和外圈二的凹槽两侧夹角为30-50度。

所述芯体为球形、立方体或多面体。

本发明在芯体上以球体轴线为中心，垂直正交分布外圈一和外圈二及两组簧片，每个簧片组在外圈内均匀分布三个簧片对。本发明采用曲线簧片对称分布柔度设计，有较高的轴向刚度和较好的径向刚度，与传统的切口型柔性铰链相比，转动范围大大增加，并且在转动时轴心漂移很小，是一种性能优良的大变形的柔性虎克铰，实用于大行程精密控制机构。

本发明多簧片大变形柔性虎克铰的优点在于：

(1)采用了中空设计，从而降低了结构的内应力，这样就提高了其转动范围以及疲劳寿命。

(2)本发明设计的柔性虎克铰可实现高精度、大角度的二维转动运动，可根据实际工作需求调整柔性虎克铰的结构尺寸，两个方向的最大转动范围为士5°～士10°；可用于精密柔性机械、机器人关节等领域。

(3)外圈一中的第一簧片与第二簧片构成第一对簧片，第三簧片与第四簧片构成第二对簧片，第五簧片与第六簧片构第三对簧片；外圈二中的第七簧片与第八簧片构成第四对簧片，第九簧片与第十簧片构成五对簧片，第十一簧片与第十二簧片构第六对簧片。每个外圈内的三对曲线簧片紧密对向布置，改善了铰链刚度特性，使其在完成大变形功能的同时，获得较好的刚度。

(4)在球体上以球体轴线为中心，垂直正交分布外圈一和外圈二及两组簧片，每个簧片组在外圈内均匀阵列分布三个簧片对。将三个曲线簧片对以球体的中心轴线进行均匀阵列分布，提高了铰的轴向刚度和径向刚度。并且这种柔性单元的分布形式使得柔性铰链在大角度转动有很高的轴向精度，两个外圈在转动时耦合很小，且在转动时轴心漂移很小。

(5)采用线切割机床一体化加工成型，避免了装配引入的误差。

附图说明

图1是本发明多簧片大变形柔性虎克铰的结构图。

图2是图1的主视图。

图3是图2的左视图。