专利名称：一种多簧片大变形柔性虎克铰的制作方法
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—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勻分布至少两对簧片；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勻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勻分布三个簧片对。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 簧片组在外圈内均勻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勻 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。
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。图中示出外圈一 1、A安装孔101、B安装孔102、A凹槽103、B凹槽104、簧片对 中心线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安装孔201、D安装孔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。
具体实施例方式为更好理解本发明，下面结合附图对本发明做进一步的说明，但是本发明要求保 护的范围并不局限于实施方式表示的范围。如图1、2、3所示，一种多簧片大变形柔性虎克铰包括外圈一 1、外圈二 2、芯体3和 两组簧片；垂直正交的外圈一 1和外圈二 2分别通过一组簧片与芯体3连接，外圈一 1和外 圈二 2为圆圈形；每组簧片在外圈内均勻分布至少三对簧片；每一对簧片由2个簧片组成， 每一个簧片成圆弧状连接在芯体和外圈一 1或外圈二 2上，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 1和外圈二 2上，构成一对簧片；外圈一 1和外圈二 2在相交处分别开有凹槽，其中外圈一 1凹槽开口向外，外圈二 2凹槽开口向向内，使外圈一 1 和外圈二 2在相交处保持间隔，其中外圈一 1位于外圈二 2外侧。外圈一 1和外圈二 2分别 至少设有一个安装孔，用于与连接杆和/或底座相连。如外圈一 1上设有A安装孔101和 B安装孔102，外圈二 2上设有的C安装孔201和D安装孔202。外圈一 1分别通过A安装 孔101和B安装孔102与连接杆和底座相连；外圈二 2通过C安装孔201和D安装孔202 与连接杆和底座相连。安装孔的位置和数目，可根据实际使用情况下，与连杆以及底座的连 接状况，在外圈的圆周上调整。芯体3可采用球形，也可采用立方体或多面体。外圈一 1上设有A凹槽103和B凹槽104 ；A凹槽103和B凹槽104两侧夹角为 30-50度；外圈二 2上设有C凹槽203和D凹槽204 ；C凹槽203和D凹槽204两侧夹角为 30-50度，用以保证本发明的多簧片大变形柔性虎克铰在转动过程中，外圈一与外圈二不会 发生干涉。A凹槽103、B凹槽104、C凹槽203和D凹槽204两侧夹角是指一个凹槽弧形长 度两端与球心连线的夹角，也就是用来限定凹槽的长度的。以球体轴线为中心，两组簧片中每组簧片在外圈内均勻阵列分布三个簧片对，每 对簧片的中心线夹角为120度。外圈一 1和芯体3之间设有三对连接簧片，分别是第一簧片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与第二簧片 112构成第一对簧片，第三簧片113与第四簧片114构成二对簧片，第五簧片115与第六簧 片116构第三对簧片，第一对、第二对、第三对簧片的中心线夹角为120度；其中一对簧片的 两个簧片其中心线对称分布，弯曲方向相反见图2。如第一簧片111与第二簧片112关于其 中心线对称分布，弯曲方向相反。两个簧片直接与芯体3和外圈一 1连接，可采用一体化加 工，也可分别加工外圈、球心和簧片，再进行装配。外圈二 2和芯体3之间设有三组连接簧片，分别是第七簧片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与第八簧片212 构成第四对簧片，第九簧片213与第十簧片214构成五对簧片，第十一簧片215与第十二簧 片216构第六对簧片，第四对、第五对、第六对簧片的中心线夹角为120度。簧片的分布同 第一簧片111与第二簧片112。每个簧片的厚度t与簧片的圆弧曲率半径R满足t < 0. 1R。如第一簧片111的 厚度与第一簧片111的曲率半径R1的关系为、< 0. IR1 ；其它十一个簧片厚度与第一簧片 111的厚度相同，曲率半径也相同。外圈一和外圈二的宽度w都是簧片厚度t的20 50倍，以保证外圈有足够的刚 度。即外圈一和外圈二的宽度20t < w < 50t。制备时，采用精密走丝线切割机床一体化加工有芯体3、外圈一 1及外圈二 2 ；在外 圈一 1上加工A安装孔101、B安装孔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安装孔201和D安装孔202 ；整个柔性虎克铰可采用精密走丝线切割机 床一体化加工，也可分别用线切割加工外圈、芯体和簧片，用焊接的方法进行装配，或通过 在芯体和外圈上开槽，然后将簧片插入进行装配。本发明多簧片大变形柔性虎克铰，有两种运动方式。运动方式一通过A安装孔101、B安装孔102固定外圈一 1，在外圈二 2上的C安 装孔201、D安装孔202上，施加以几何中心0点(即球体3的球心)为中心的转矩，使柔性虎克铰的外圈二 2产生以球体3的球心为中心的二维转动，具体来说就是外圈二 2在外圈 一 1所在的平面内以球体3的球心为中心产生了一维转动，以及外圈二 2在外圈二 2所在 的平面内以球体3的球心为中心产生了一维转动。两个方向的最大转动范围均为士 5° 士 10°，轴漂移接近于0，在非功能方向上具有较好的刚度。运动方式二 通过C安装孔201、D安装孔202固定外圈二 2，在外圈一 1上的A安 装孔101、B安装孔102上，施加以几何中心0点(即球体3的球心)为中心的转矩，使柔性 虎克铰的外圈一 1产生以球体3的球心为中心的二维转动，具体来说就是外圈一 1在外圈 一 1所在的平面内以球体3的球心为中心产生了一维转动，以及外圈一 1在外圈二 2所在 的平面内以球体3的球心为中心产生了一维转动。两个方向的最大转动范围均为士 5° 士 10°，轴漂移接近于0，在非功能方向上具有较好的刚度。多簧片大变形柔性虎克铰不但能实现的大角度的转动，而且能减小轴漂移，并增 加了非功能方向上的刚度。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以球体中心轴线对称，在外圈一 1内均勻分布；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以球体中心轴线 对称，在外圈二 2内均勻分布，形成外圈一和外圈二垂直正交分布的分布式多簧片大变形 柔性虎克铰。薄板柔性单元的变形量本身就比较大，并且曲线薄板柔性单元可以实现双向 变形，即可以向曲率增加的方向变形，也可以向曲率减小的方向变形，这就保证了通过曲线 簧片连接的外圈可以绕芯体做大角度转动。由于12个曲线簧片几何结构相同，完全对称分 布，假设铰链所用材料在受力变形时不存在材料非线性，当铰链中心受到转矩作用时，此转 动柔性铰链没有转动中心的漂移。由于本柔性虎克铰的两个外圈具有足够的厚度和刚度， 12个簧片在非功能方向上也具有一定宽度，因此，本柔性虎克铰在非功能方向上具有较好 的刚度，能承受一定的载荷。
权利要求
一种多簧片大变形柔性虎克铰，其特征在于包括外圈一(1)、外圈二(2)、芯体(3)和两组簧片；垂直正交的外圈一(1)和外圈二(2)分别通过一组簧片与芯体(3)连接，外圈一(1)和外圈二(2)为圆圈形；每组簧片在外圈一(1)和外圈二(2)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(1)或外圈二(2)上，构成一对簧片；外圈一(1)和外圈二(2)在相交处分别开有凹槽，其中外圈一(1)凹槽开口向外，外圈二(2)凹槽开口向向内，使外圈一(1)和外圈二(2)在相交处保持间隔，其中外圈一(1)位于外圈二(2)外侧；外圈一(1)和外圈二(2)分别至少设有一个安装孔，用于与连接杆和/或底座相连。
2.根据权利要求1所述的多簧片大变形柔性虎克铰，其特征在于每组簧片在外圈内 均勻阵列分布三对簧片，每对簧片的中心线夹角为120度。
3.根据权利要求1所述的多簧片大变形柔性虎克铰，其特征在于每个簧片的厚度t 与簧片的圆弧曲率半径R满足t < 0. 1R。
4.根据权利要求1所述的多簧片大变形柔性虎克铰，其特征在于外圈一和外圈二的 宽度w都是簧片厚度t的20 50倍。
5.根据权利要求1所述的多簧片大变形柔性虎克铰，其特征在于外圈一和外圈二的 凹槽两侧夹角为30-50度。
6.根据权利要求1所述的多簧片大变形柔性虎克铰，其特征在于所述芯体为球形、立 方体或多面体。
全文摘要
本发明公开了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三对簧片；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。本发明柔性虎克铰是一种多簧片柔性铰链结构，具有行程大、精度高的优点。并且在转动时轴心漂移很小，适用于大行程精密控制构。
文档编号F16D3/26GK101985960SQ20101056623
公开日2011年3月16日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者孙炜, 张宪民, 管怡生 申请人:华南理工大学