一种交叉簧片柔性关节组成的虎克铰的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种交叉簧片柔性关节组成的虎克铰，涉及一种柔顺机构技术领域。
【背景技术】
[0002]传统的机构都是由刚性构件以运动副的形式连接而成的，组成运动副的构件间不可避免的存在间隙和摩擦，无法满足机构的高速、高精密、微型化等性能要求。柔顺机构利用自身的弹性变形传递运动和力，因此无机械摩擦、无需润滑，运动平稳，可一体化加工，便于维护，使其具有高精度和高分辨率等特点。
[0003]虎克铰由两个转动副组合而成，有两个相对转动的自由度，两个转动的轴线相互垂直。由于虎克铰两个转角独立，运动范围较大，因而广泛地应用在各种形式的并联机器人中。普通虎克铰的转轴处存在间隙，降低了其绝对定位精度，采用柔顺机构制成的虎克铰，可以有效避免因构件间的间隙而引起的运动失真。中国专利CN 101985960 A公开了一种多簧片式柔性虎克铰，可以满足高精度的要求，但是由于受到材料特性的限制，该柔顺机构的最大行程为±5—±10°，难以适应一些大转角的场合。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种交叉簧片柔性关节组成的虎克铰，以解决目前该柔顺机构的最大行程为±5至±10°，难以适应一些大转角的场合的问题。
[0005]本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是:虎克铰包括支架一、支架二、芯体和四个柔性转动关节组成，每个柔性转动关节包括第一壳体、第二壳体、第一柔性板和第二柔性板，第一柔性板为工字形，第二柔性板为方形板且该方形板开有方形通孔，第一壳体和第二壳体结构相同，第一壳体由210°圆弧板和90°圆弧板制成一体，210°圆弧板的侧壁与90°圆弧板侧壁连接制成一体且90°圆弧板的厚度小于210°圆弧板的厚度，第一壳体的210°圆弧板设在第二壳体的90°圆弧板的外部且第一壳体的90°圆弧板设在第二壳体210°圆弧板的内部且第一壳体与第二壳体之间形成缝隙，第一壳体的内壁沿纵向开有二个第一通槽，第二壳体的内壁沿纵向开有二个第二通槽，第一柔性板通过第一通槽和第二通槽插接在第一壳体和第二壳体内部，第二柔性板通过余下的第一通槽和第二通槽插接在第一壳体和第二壳体的内部；
[0006]芯体上有四个安装定位孔，分别与四个柔性转动关节的一端相连，四个柔性转动关节分别定义为柔性转动关节一、柔性转动关节二、柔性转动关节三和柔性转动关节四，柔性转动关节一和柔性转动关节三的另一端与支架一连接，同时柔性转动关节二和柔性转动关节四的另一端与支架二固接。
[0007]本发明具有以下有益效果:1、本发明所设计的柔性虎克铰结构紧凑，安装方便，可以在小尺寸下保持无间隙、无摩擦的运动，运动精度高。
[0008]2、交叉分布的簧片(即第一柔性板和第二柔性板)，可以在运动时产生较大的弹性变形，从而使柔铰具有较大的运动行程，最大运动行程可达±30°，可用于精密机械，机器人关节等领域。
[0009]3、该虎克铰的两个支架采用正交方式布置，运动耦合小，同时在非转动方向上的刚度大，提高了机构的抗干扰特性。
[0010]4、圆柱型外壁缺口尺寸限制柔铰的运动范围，可以起到限位保护的作用。
【附图说明】
[0011]图1是本发明装置的结构示意图，图2是簧片式柔性关节结构示意图，图3是本发明柔板安装示意图，图4是弓状环形间隙电解加工视图。
【具体实施方式】
[0012]【具体实施方式】一:结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式虎克铰包括支架一5、支架二 6、芯体7和四个柔性转动关节8组成，每个柔性转动关节8包括第一壳体1、第二壳体2、第一柔性板3和第二柔性板4，第一柔性板3为工字形，第二柔性板4为方形板且该方形板开有方形通孔4-1，第一壳体I和第二壳体2结构相同，第一壳体由210°圆弧板和90°圆弧板制成一体，210°圆弧板的侧壁与90°圆弧板侧壁连接制成一体且90°圆弧板的厚度小于210°圆弧板的厚度，第一壳体的210°圆弧板设在第二壳体的90°圆弧板的外部且第一壳体的90°圆弧板设在第二壳体210°圆弧板的内部且第一壳体与第二壳体之间形成缝隙，第一壳体I的内壁沿纵向开有二个第一通槽1-1，第二壳体2的内壁沿纵向开有二个第二通槽2-1，第一柔性板3通过第一通槽1-1和第二通槽插2-1接在第一壳体I和第二壳体2内部，第二柔性板4通过余下的第一通槽1-1和第二通槽2-1插接在第一壳体I和第二壳体2的内部；
[0013]芯体7上有四个安装定位孔，分别与四个柔性转动关节8的一端相连，四个柔性转动关节分别定义为柔性转动关节一、柔性转动关节二、柔性转动关节三和柔性转动关节四，柔性转动关节一和柔性转动关节三的另一端与支架一 5连接，同时柔性转动关节二和柔性转动关节四的另一端与支架二6固接。
[0014]【具体实施方式】二:结合图1说明本实施方式第一柔性板3和第二柔性板4均为6061铝合金板，此材质具有优良的焊接特性且韧性高。其它实施方式与【具体实施方式】一相同。
[0015]【具体实施方式】三:结合图1说明本实施方式第一柔性板3的竖直梁穿过方形通孔4-1内且第一柔性板3的两个横梁分别设在第二柔性板4的两侧。其它实施方式与【具体实施方式】一相同。
[0016]【具体实施方式】四:结合图1说明本实施方式第一柔性板3的竖直梁的宽度等于第二柔性板4上端面和下端面的宽度之和。其它实施方式与【具体实施方式】一相同。
[0017]【具体实施方式】五:结合图1说明本实施方式第一柔性板3和第二柔性板4的厚度相同。其它实施方式与【具体实施方式】一相同。
[0018]【具体实施方式】六:结合图1说明本实施方式由柔性转动关节一和柔性转动关节三组成的转动副与柔性转动关节二和柔性转动关节四组成的转动副互相正交。其它实施方式与【具体实施方式】一相同。
[0019]工作原理:本发明中，所使用的第一柔性板3和第二柔性板4的结构示意图，主体为圆柱形，柔性板的两侧分别固定在两个外壁上，通过两个交叉的平面柔板的弹性变形，可以实现绕单轴的双向有限转动。将外壁一 A固定，在外壁二 B上施加转矩，固连在外壁二 B上的弹性柔板会发生弹性变形，进而实现外壁一 A与外壁二 B之间的无间隙转动，反之亦然。本实施例中所使用的四个柔性关节完全相同，通过改变柔性板的结构形式和柔板之间的夹角可以满足不同的转角和转动刚度要求。
[0020]在柔性关节的制备过程中，为了保证柔板的安装定位精度，本发明中采用先固定柔板，再切割圆柱型外壁得到柔铰的运动空间的方式。具体的方式如下，第一柔性板3和第二柔性板4的材料为铝合金，通过冲压的方法得到对应的形状。第一柔性板3和第二柔性板4交叉垂直放置后插入到圆筒的插槽中，柔性板与外壳采用一定的工艺(焊接、化学粘贴等)固定。外壁一 A、外壁二 B是由同一段空心圆柱通过一定的去除材料的方式得到的。
[0021]在本实施例中采用的是电解加工的方式。加工方法如下:弓状环形间隙一、弓状环形间隙二是一个角度为210°的圆筒，在两端有弧度为30°径向延伸的凸起部分，通过电解方法去除环形间隙内的金属，加工至空心圆筒的中1/2处(I为圆柱长度)，从而在外壳加工出弓形环形间隙和轴向延伸的凹槽。将装配体颠倒，转到对角面进行加工，加工深度不变，在圆筒两端形成了两个成对角分布的运动空间。最后从中间切开空心圆柱，从而得到两个圆柱部件。两个部件间的间隙正好为柔性关节提供运动空间，同时也可以起到限位保护的功能。
[0022]芯体7的主要功能是连接四个柔性关节，通过改变芯体7四个安装定位孔的相对位置和尺寸，可以得到不同性能要求的柔性虎克铰。支架一 5和支架二 6为虎克铰与其他部件的连接接口，具体的安装形式通过实际情况确定。
[0023]本发明设计的虎克铰可以实现高精度、高分辨率、大角度的双向二维转动，最大运动行程可达±30°，特别适用于需要提供精密大行程转动的场合。
【主权项】
1.一种交叉簧片柔性关节组成的虎克铰，其特征在于所述虎克铰包括支架一(5)、支架二(6)、芯体(7)和四个柔性转动关节(8)组成，每个柔性转动关节(8)包括第一壳体(I)、第二壳体(2)、第一柔性板(3)和第二柔性板(4)，第一柔性板(3)为工字形，第二柔性板(4)为方形板且该方形板开有方形通孔(4-1)，第一壳体(I)和第二壳体(2)结构相同，第一壳体由210°圆弧板和90°圆弧板制成一体，210°圆弧板的侧壁与90°圆弧板侧壁连接制成一体且90°圆弧板的厚度小于210°圆弧板的厚度，第一壳体的210°圆弧板设在第二壳体的90°圆弧板的外部且第一壳体的90°圆弧板设在第二壳体210°圆弧板的内部且第一壳体与第二壳体之间形成缝隙，第一壳体(I)的内壁沿纵向开有二个第一通槽(1-1)，第二壳体(2)的内壁沿纵向开有二个第二通槽(2-1)，第一柔性板(3)通过第一通槽(1-1)和第二通槽插2-1接在第一壳体(I)和第二壳体(2)内部，第二柔性板(4)通过余下的第一通槽(1-1)和第二通槽(2-1)插接在第一壳体(I)和第二壳体(2)的内部； 芯体(7)上有四个安装定位孔，分别与四个柔性转动关节⑶的一端相连，四个柔性转动关节分别定义为柔性转动关节一、柔性转动关节二、柔性转动关节三和柔性转动关节四，柔性转动关节一和柔性转动关节三的另一端与支架一(5)连接，同时柔性转动关节二和柔性转动关节四的另一端与支架二(6)固接。
2.根据权利要求1所述的一种交叉簧片柔性关节组成的虎克铰，其特征在于第一柔性板(3)和第二柔性板(4)均为6061铝合金板。
3.根据权利要求1或2所述的一种交叉簧片柔性关节组成的虎克铰，其特征在于第一柔性板(3)的竖直梁穿过方形通孔(4-1)内且第一柔性板(3)的两个横梁分别设在第二柔性板⑷的两侧。
4.根据权利要求3所述的一种交叉簧片柔性关节组成的虎克铰，其特征在于第一柔性板(3)的竖直梁的宽度等于第二柔性板(4)上端面和下端面的宽度之和。
5.根据权利要求4所述的一种双簧片大转角柔性关节，其特征在于第一柔性板(3)和第二柔性板(4)的厚度相同。
6.根据权利要求5所述的一种交叉簧片柔性关节组成的虎克铰，其特征在于由柔性转动关节一和柔性转动关节三组成的转动副与柔性转动关节二和柔性转动关节四组成的转动副互相正交。
【专利摘要】一种交叉簧片柔性关节组成的虎克铰，涉及一种柔顺机构技术领域。该关节解决目前该柔顺机构的最大行程为±5至±10°，难以适应一些大转角的场合的问题。方案：芯体上有四个安装定位孔，分别与四个柔性转动关节的一端相连，四个柔性转动关节分别定义为柔性转动关节一、柔性转动关节二、柔性转动关节三和柔性转动关节四，柔性转动关节一和柔性转动关节三的另一端与支架一连接，同时柔性转动关节二和柔性转动关节四的另一端与支架二固接。本发明用于大行程精密传动机构和柔性传动领域。
【IPC分类】F16D3-26
【公开号】CN104728288
【申请号】CN201510137124
【发明人】董为, 杜志江, 杨淼
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月26日