一种用于微型机器人的小体积大转角柔性铰链及制备方法

1.本发明涉及柔性铰链技术领域，尤其涉及一种用于微型机器人的小体积大转角柔性铰链及制备方法。


背景技术：

2.柔性机构是柔性系统的重要组成部分，柔性机构通过柔性元件的弹性变形来传递或转换运动、力和能量。柔性机构的关键部件之一是柔性铰链，柔性铰链是指在外部力和力矩的作用下，利用的材料的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，其在柔性机构中的作用类似于转动副在刚性机构中的作用。柔性铰链及柔性机构具有整体设计与加工、无间隙和摩擦、无磨损和无需润滑的优点。目前针对柔性铰链的研究主要集中在提高铰链的运动精度和增大铰链变形范围两个方面。铰链的运动精度与柔性单元的长度呈反相关，在增大铰链变形范围这一性能指标上，目前采用的方法以改变柔性单元的结构尺寸为主。目前来看，现有的柔性铰链存在结构尺寸大、变形范围小、转动刚度大以及重量较大等问题，这些问题限制了柔性铰链在微型机器人领域的应用。


技术实现要素：

3.为了提高柔性铰链的柔度，扩大柔性铰链的转动范围，解决小体积大转角柔性铰链制作困难的问题，本发明提供一种用于微型机器人的小体积大转角柔性铰链，以及柔性铰链的制备方法。
4.本发明采用的技术方案如下：
5.本发明所提出的一种用于微型机器人的小体积大转角柔性铰链，包括刚性体和柔性体；所述柔性体设置在两个刚性体之间；所述柔性体的刚度小于刚性体的刚度；所述柔性体由两根以上的柔性梁构成；所述柔性梁的两端分别嵌入到两个刚性体中；所述刚性体的横截面面积远大于单个柔性梁的横截面面积，且大于所有柔性梁横截面的面积之和。
6.进一步的，两个刚性体之间的柔性梁采用相互平行或相互交叉的方式布置。
7.进一步的，所述柔性梁采用相互平行的方式布置时，各柔性梁之间相互平行且均处于同一平面。
8.进一步的，所述柔性梁采用相互交叉的方式布置时，各柔性梁在两刚性体形成的空间中交叉设置，且交叉点位于同一条直线上，使得柔性铰链以此条直线为转动中心。
9.进一步的，所述柔性梁的截面形状为圆形或矩形。
10.进一步的，所述刚性体为高弹性模量非金属材料；所述柔性体为高韧性材料。
11.进一步的，所述刚性体的材料为pla或凝固后的水晶胶；所述柔性体的材料为尼龙。
12.一种用于微型机器人的小体积大转角柔性铰链的制备方法，包括以下步骤：
13.步骤1：将设计完成的柔性铰链模型导入到3d打印机中，启动3d打印机；
14.步骤2：打印柔性铰链至设计的进度，暂停3d打印机；
15.步骤3：铺上柔性体，涂上胶水，使柔性体粘结在打印的零件上；
16.步骤4：继续打印零件；
17.步骤5：根据所设计的柔性铰链，重复步骤2、3、4，直到所设计的零件加工完毕。
18.一种用于微型机器人的小体积大转角柔性铰链的制备方法，包括以下步骤：
19.步骤1：制作不包括柔性体的模具；
20.步骤2：利用步骤1制造的模具制作软材料模具；
21.步骤3：按照设计的柔性铰链将柔性体嵌入到软材料模具中；
22.步骤4：将按照一定比例混合搅拌均匀的溶液注入到软材料模具中；
23.步骤5：拆除软材料模具即可得到柔性铰链。
24.一种用于微型机器人的小体积大转角柔性铰链的制备方法，包括以下步骤：
25.步骤1：制作所设计柔性铰链的模具；
26.步骤2：利用步骤1制造的模具制作组合模具；
27.步骤3：将柔性体装配到组合模具中；
28.步骤4：将按照一定比例混合搅拌均匀的溶液注入到组合模具中；
29.步骤5：拆卸组合模具即可得到柔性铰链。
30.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
31.1、本发明提供了一种小体积大转角柔性铰链，由2种弹性模量不同的材料组成，改变了传统由一种材料设计柔性铰链的理念，与传统的由金属制成的柔性铰链相比，在相同尺寸下，本发明柔性铰链具有更大的转动范围，更轻的重量和更小的转动刚度。
32.2、本发明提供了三种制备小体积大转角柔性铰链的方法，其分别具有的优点如下：3d打印制作法具有制作效率高、可快速定制制作的优点；整体模具制作法具有可大批量化、成件品质优的优点；组合模具制作法具有可大批量化、模具可重复使用的优点。
附图说明
33.图1是圆形柔性梁平行布置的柔性铰链示意图。
34.图2是矩形柔性梁平行布置的柔性铰链示意图。
35.图3是两根圆形柔性梁交叉布置的柔性铰链示意图。
36.图4是两根矩形柔性梁交叉布置的柔性铰链示意图。
37.图5是四根圆形柔性梁空间交叉布置的柔性铰链示意图。
38.图6是四根矩形柔性梁空间交叉布置的柔性铰链示意图。
39.图7是3d打印机法制作圆形柔性梁平行布置柔性铰链的主要过程示意图。
40.图8是3d打印机法制作矩形柔性梁平行布置柔性铰链的主要过程示意图。
41.图9是3d打印机法制作两根圆形柔性梁交叉布置柔性铰链的主要过程示意图。
42.图10是3d打印机法制作两根矩形柔性梁交叉布置柔性铰链的主要过程示意图。
43.图11是整体模具法制作圆形柔性梁平行布置柔性铰链的主要过程示意图。
44.图12是整体模具法制作矩形柔性梁平行布置柔性铰链的主要过程示意图。
45.图13是整体模具法制作两根圆形柔性梁交叉布置柔性铰链的主要过程示意图。
46.图14是整体模具法制作两根矩形柔性梁交叉布置柔性铰链的主要过程示意图。
47.图15是组合模具法制作圆形柔性梁平行布置柔性铰链的主要过程示意图。
48.图16是组合模具法制作矩形柔性梁平行布置柔性铰链的主要过程示意图。
49.图17是组合模具法制作两根圆形柔性梁交叉布置柔性铰链的主要过程示意图。
50.图18是组合模具法制作两根矩形柔性梁交叉布置柔性铰链的主要过程示意图。
51.其中，附图标记：1-第一刚性体；2-第二刚性体；3-柔性梁。
具体实施方式
52.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
53.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。
54.本发明所提出的一种用于微型机器人的小体积大转角柔性铰链包括第一刚性体1、第二刚性体2和柔性体；所述柔性体设置在第一刚性体1和第二刚性体2之间；所述柔性体的弹性模量小于刚性体的弹性模量，即刚性体的刚度大于柔性体的刚度；所述第一刚性体1和第二刚性体2为pla或凝固后的水晶胶等高弹性模量非金属材料，所述柔性体为尼龙等高韧性材料；所述柔性体由至少两根的柔性梁3构成，所述柔性梁3的截面形状为圆形或矩形；所述柔性梁的两端分别嵌入到第一刚性体1和第二刚性体2中；所述刚性体的横截面面积要远大于单个柔性梁3的横截面面积，且大于所有柔性梁3横截面的面积之和。
55.两个刚性体之间的柔性梁采用相互平行或相互交叉的方式布置；所述柔性梁3采用相互平行的方式布置时，各柔性梁3之间相互平行且均处于同一平面；所述柔性梁3采用相互交叉的方式布置时，各柔性梁3在第一刚性体1和第二刚性体2形成的空间中交叉设置，且交叉点位于同一条直线上，使得柔性铰链以此条直线为转动中心。
56.下面结合结合相关附图对本发明作进一步说明，参见图1和图2，为柔性梁3平行布置的铰链的具体实施方式，柔性铰链的两端是第一刚性体1和第二刚性体2，中间通过两根柔性梁3连接，在同一柔性铰链中，柔性梁3之间的位置关系相互平行且处于同一平面，所述柔性梁3的截面形状为圆形或矩形，所述柔性梁3贯穿第一刚性体1和第二刚性体2，当第一刚性体1和第二刚性体2受到外力的作用时，由于第一刚性体1和第二刚性体2的刚性比柔性梁3的刚度大，所以柔性梁3发生变形使第一刚性体1和第二刚性体2发生相对运动，可以通过调整柔性梁3的长度来调整柔性铰链运动的范围和精度。
57.参见图3至图6，为柔性梁3交叉布置的铰链的具体实施方式，其中，图3和图4所示的柔性铰链是包括两根柔性梁3，两根柔性梁3形成相互交叉的位置关系，其只有一个转动轴；图5和图6所示的柔性铰链包括四根柔性梁3，四根柔性梁3形成空间相互交叉的位置关系，其有两个互相垂直的转动轴，可以通过调整柔性梁3的长度和交叉角度来调整柔性铰链运动的范围和精度。
58.另外，本发明还提供了三种制备上述柔性铰链的方式，分别为：
59.一种用于微型机器人的小体积大转角柔性铰链的制备方法，该方法是利用3d打印
机制备，参见图7至图10，以两根柔性梁3为例，具体柔性铰链的制备步骤如下：
60.步骤1：将设计完成的柔性铰链模型导入到3d打印机中，启动3d打印机，打印材质为pla；
61.步骤2：打印柔性铰链至设计的进度，如图7(1)、图8(1)、图9(1),和图10(1)所示，然后暂停3d打印机；
62.步骤3：铺上一根尼龙材质的柔性梁，涂上胶水，使柔性梁粘结在打印的零件上；如图7(2)、图8(2)、图9(2)和图10(2)所示；
63.步骤4：继续打印零件至下一个进度，如图7(3)、图8(3)、图9(3)和图10(3)所示；
64.步骤5：铺上另外一根柔性梁，涂上胶水，使柔性梁粘结在打印的零件上；如图7(4)、图8(4)、图9(4)和图10(4)所示；
65.步骤6：继续打印，直至柔性铰链制作完成，如图7(5)、图8(5)、图9(5)、图10(5)所示。
66.一种用于微型机器人的小体积大转角柔性铰链的制备方法，该方法是利用模具制备，参见图11至图14，以两根柔性梁3为例，具体柔性铰链的制备步骤如下：
67.步骤1：制作不包括柔性体的材质为pla的铰链模具，如图11(1)、图12(1)、图13(1)和图14(1)所示；
68.步骤2：将由两种成分混合而成的硅胶溶液导入步骤1的模具中，制作硅胶模具，如图11(2)、图12(2)、图13(2)和图14(2)所示；
69.步骤3：按照设计的柔性铰链将两根柔性梁嵌入到硅胶模具中，如图11(3)、图12(3)、图13(3)和图14(3)所示；
70.步骤4：将按照一定比例混合搅拌均匀的水晶胶注入到硅胶模具中，等待其凝固；
71.步骤5：拆除硅胶模具即可得到柔性铰链，如图11(4)、图12(4)、图13(4)和图14(4)所示。
72.一种用于微型机器人的小体积大转角柔性铰链的制备方法，该方法是利用组合模具进行制备，参见图15至图18，以两根柔性梁3为例，具体柔性铰链的制备步骤如下：
73.步骤1：制作所设计的柔性铰链的模具，如图15(1)、图16(1)、图17(1)和图18(1)所示；
74.步骤2：利用步骤1制作的模具制作组合模具，如图15(2)、图16(2)、图17(2)和图18(2)所示；
75.步骤3：将两根柔性梁装配到组合模具中，如图15(3)、图16(3)、图17(3)和图18(3)所示；
76.步骤4：将按照一定比例混合搅拌均匀的溶液注入到步骤3中装配完成的组合模具中，如图15(4)、图16(4)、图17(4)和图18(4)所示；
77.步骤5：拆卸组合模具即可得到柔性铰链，如图15(5)、图16(5)、图17(5)和图18(5)所示。
78.本发明未尽事宜为公知技术。
79.以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。