[发明专利]球面三自由度转动柔性机构

摘要

本发明公开了一种球面三自由度转动柔性机构，由静平台1、动平台2、XYZ支链3、YZX支链4与ZXY支链5构成，每条支链由三个柔性铰链串联而成，各柔性铰链均由两个簧片组成。静平台1与动平台2分别位于同心的内球壳与外球壳。与固定的静平台1通过刚体连接的A铰链301、D铰链401及G铰链501为运动输入端，引出三条并联支链：XYZ支链3、YZX支链4与ZXY支链5，各支链串联的三铰链间，旋转轴线均两两垂直且交于一点(球心O)，可通过驱动A铰链301、D铰链401与G铰链501，使动平台2相对静平台1具有绕X轴、绕Y轴以及绕Z轴转动的3个自由度。本发明结构紧凑，且各构件旋转时位于既定球面，避免相互干涉，可由3D打印制造，变形大且运动解耦。

主权项

一种基于球面结构紧凑的三维转动柔性机构，其特征在于：由静平台(1)、动平台(2)、三条并联支链：XYZ支链(3)、YZX支链(4)于ZXY支链(5)组成。该机构可由3D打印制造而成。本发明的球面三自由度转动柔性机构具有一个虚拟的转动中心，其位于球体中心O上，在O点建立XYZ坐标系。坐标系XYZ中，静平台(1)固定不动。与静平台(1)通过刚体连接的A铰链(301)、D铰链(401)与G铰链(501)为运动输入端，分别引出三条并联支链：XYZ支链(3)、YZX支链(4)与ZXY支链(5)。每条支链均由X、Y、Z三个旋转方向上的不同柔性铰链通过刚体连接块串联而成，三条支链的末端C铰链(303)、F铰链(403)与I铰链(503)，通过刚体与动平台2连接。该机构由三条支链并联而成，每条支链由三个柔性铰链串联而成，共9个柔性铰链，每个柔性铰链均由两个簧片组成，各支链的铰链之间均通过刚体连接块连接，共6个连接块。9个柔性铰链是指A铰链(301)、B铰链(302)、C铰链(303)、D铰链(401)、E铰链(402)、F铰链(403)、G铰链(501)、H铰链(502)和I(503)铰链，各铰链结构与尺寸均相同；18个簧片是指A簧片(601)、B簧片(602)、C簧片(603)、D簧片(604)、E簧片(605)、F簧片(606)、G簧片(607)、H簧片(608)、I簧片(609)、J簧片(610)、K簧片(611)、L簧片(612)、M簧片(613)、N簧片(614)、O簧片(615)、P簧片(616)、Q簧片(617)与R簧片(618)，各簧片结构与尺寸均相同；6个连接块是指A连接块(304)、B连接块(305)、C连接块(404)、D连接块(405)、E连接块(504)与F连接块(505)，其中A、C、E连接块结构尺寸相同，为阶梯状，而B、D、F连接块结构相同，为弧面块状。所述柔性铰链每三个串联成一条支链：XYZ支链(3)、YZX支链(4)与ZXY支链(5)。所述XYZ支链(3)由A铰链(301)通过刚体A连接块(304)与B铰链(302)串联，B铰链(302)再通过B连接块(305)与C铰链(303)串联而成。A铰链(301)、B铰链(302)、C铰链(303)的转轴分别与X、Y、Z轴重合，两两垂直且均相交于O点(旋转中心)。为了实现运动解耦，A铰链(301)、B铰链(302)与C铰链(303)的结构参数均相同。A铰链(301)由A簧片(601)与B簧片(602)在球面上关于簧片中心呈90度交叉组成；B铰链(302)由C簧片(603)与D簧片(604)在球面上关于簧片中心呈90度交叉组成；球面上的E簧片(605)与F簧片(606)关于簧片中心呈90度交叉组成C铰链(303)。所述YZX支链(4)由D铰链(401)通过刚体C连接块(404)与E铰链(402)串联，E铰链(402)再通过刚体D连接块(405)与F铰链(403)串联而成。D铰链(401)、E铰链(402)、F铰链(403)的转轴分别与Y、Z、X轴重合，两两垂直且均相交于O点(旋转中心)。为了实现运动解耦，D铰链(401)、E铰链(402)与F铰链(403)的结构参数均相同。D铰链(401)由G簧片(607)与H簧片(608)在球面上关于簧片中心呈90度交叉组成；E铰链(402)由I簧片(609)与J簧片(610)在球面上关于簧片中心呈90度交叉组成；球面上的K簧片(611)与L簧片(612)关于簧片中心呈90度交叉组成F铰链(403)。所述ZXY支链(5)由G铰链(501)通过刚体E连接块(504)与H铰链(502)串联，H铰链(502)再通过刚体F连接块(505)与I铰链(503)串联而成。为了实现运动解耦，G铰链(501)、H铰链(502)与I铰链(503)的结构参数均相同。G铰链(501)由M簧片(613)与N簧片(614)在球面上关于簧片中心呈90度交叉组成；H铰链(502)由O簧片(615)与P簧片(616)在球面上关于簧片中心呈90度交叉组成；球面上的Q簧片(617)与R簧片(618)关于簧片中心呈90度交叉组成I铰链(503)。