CN105605090A - 一种零轴漂大转角交叉簧片式柔性铰链 - Google Patents

Abstract

本发明属于柔顺机构领域，涉及一种零轴漂大转角交叉簧片铰链式柔性铰链，至少包括左外转动件(1)、右外转动件(2)、刚性中间件(3)、左交叉簧片(4)和右交叉簧片(5)；左交叉簧片(4)和右交叉簧片(5)按交叉线共线的方式放置，右交叉簧片(5)的簧片排列方式与左交叉簧片(4)的簧片排列方式沿交叉线对称；左交叉簧片(4)的上端或下端连接左外转动件(1)，下端或上端连接刚性中间件(3)；右交叉簧片(5)的上端或下端连接右外转动件(2)，下端或上端连接刚性中间件(3)；左外转动件(1)与刚性中间件(3)通过左交叉簧片(4)连接形成左柔性铰链体，右外转动件(2)与刚性中间件(3)通过右交叉簧片(5)连接形成右柔性铰链体，左柔性铰链体和右柔性铰链体的理想转动中心轴同轴。

Description

一种零轴漂大转角交叉簧片式柔性铰链

技术领域

本发明属于柔顺机构领域，涉及一种柔性铰链，具体为一种零轴漂大转角交叉簧片式柔性铰链，可代替传统的轴承或刚性铰链，用于机器人等领域。

背景技术

柔性铰链是一种能在外部载荷作用下、借助自身材料的弹性变形在相邻两个刚性构件之间产生相对转动的运动副结构形式。与传统的刚性运动副相比，柔性铰链具有零件数少、结构简单、无间隙、无摩擦、减少装配和维护工作量、提高运动精度和机构寿命等优点，故可应用于精密定位、精密传动以及机器人系统等领域。然而，由于自身结构的限制，柔性铰链在转动过程中，其材料的弹性变形是分布式的而不是集中于一点，所以其理想转动中心会随着转角的变化而发生一定程度的漂移，称为轴漂。交叉簧片式柔性铰链可以提供相对较大的转角范围，但转动过程中理想转动中心存在上述轴漂，且随着转角增大轴漂迅速增大，严重影响运动精度，这在实际应用中无法克服。

发明内容

本发明的目的是提供一种零轴漂大转角交叉簧片式柔性铰链，以便代替传统的轴承或刚性铰链，用于机器人等领域，实现更大转角范围、零轴漂的旋转运动。

本发明所采用的技术方案是：一种零轴漂大转角交叉簧片式柔性铰链，至少包括左外转动件、右外转动件、刚性中间件、左交叉簧片和右交叉簧片；左交叉簧片和右交叉簧片按交叉线共线的方式放置，右交叉簧片的簧片排列方式与左交叉簧片的簧片排列方式沿交叉线对称；左交叉簧片的上端或下端连接左外转动件，下端或上端连接刚性中间件；右交叉簧片的上端或下端连接右外转动件，下端或上端连接刚性中间件；左外转动件和刚性中间件通过左交叉簧片连接形成左柔性铰链体，右外转动件和刚性中间件通过右交叉簧片连接形成右柔性铰链体，左柔性铰链体和右柔性铰链体的理想转动中心轴同轴；当左柔性铰链体或右柔性铰链体分别连接不同的物体且任何一端受到外部转矩作用时，左交叉簧片和右交叉簧片受力发生弯曲变形，使左外转动件和右外转动件之间产生相对转动。两组交叉簧片平均承担外部转矩，产生的弯曲变形大小相同，而簧片对称排列使其弯曲变形的方向相反，可通过刚性中间件的移动而实现左外转动件和右外转动件保持转动中心位置不变，即零轴漂。

所述的左交叉簧片和右交叉簧片具有相同的结构，左交叉簧片和右交叉簧片由两个平板状簧片以一定的角度交叉放置构成；两组交叉簧片的交叉角度相同，交叉线在簧片长度方向的几何中心处。左交叉簧片的排列方式与右交叉簧片的排列方式沿交叉线形成的轴线对称。

所述的左外转动件、右外转动件和刚性中间件是刚体结构。

所述的柔性铰链为两个串联连接，两个串联连接柔性铰链结构尺寸相同，两个串联连接柔性铰链转动轴共线放置，中间相邻的两个外转动件固接构成两级串联柔性铰链；固定两端的两个外转动件，在中间的外转动件上施加转矩，则中间的外转动件相对于两端的外转动件有转动，且轴漂为零。

所述的柔性铰链或为多个串联连接使用，将多个柔性铰链的转动中心轴重合，相邻的两个外转动件固接构成多级串联柔性铰链，其转角成倍数增加，轴漂仍为零。

本发明的有益效果是：（1）采用两个柔性铰链体借助一个刚性中间件连接构成，转动过程中两个柔性铰链体的转角叠加，从而实现两个外转动件之间更大的相对转动（转角范围可达-45°-45°）；（2）两个柔性铰链体在转角相同的情况下轴漂相等，沿柔性铰链理想转动中心轴对称的簧片排列方式使得两个柔性铰链体的轴漂方向相反，可以互相抵消而实现本发明柔性铰链的零轴漂，大幅提高转动精度；（3）可以多级串联使用实现更大角度的转动，轴漂仍然为零；（4）结构部件少，减少装配引起的误差。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

附图说明

图1是零轴漂大转角交叉簧片式柔性铰链实施例一的示意图，图1（a）是外观示意图，图1（b）是内部结构示意图；

图2是实施例1的外转动件的示意图；

图3是实施例1的刚性中间件的示意图；

图4是实施例1的两组交叉簧片的示意图；

图5是实施例1的柔性铰链转动情况示意图，图5（a）是外观示意图，图5（b）是转动情况下的左视图；

图6是零轴漂大转角交叉簧片式柔性铰链实施例二的示意图，图6（a）是外观示意图，图6（b）是内部结构示意图；

图7是实施例2的外转动件的示意图；

图8是实施例2的刚性中间件的示意图；

图9是实施例2的两组交叉簧片的示意图；

图10是零轴漂大转角交叉簧片式柔性铰链实施例三的外观示意图；

图11是实施例3的外转动件和刚性中间件示意图；

图12是实施例3的两组交叉簧片示意图；

图13是零轴漂大转角交叉簧片式柔性铰链实施例四两个柔性铰链串联连接的示意图，图13（a）是外观示意图，图13（b）是内部结构示意图；

图14是实施例4两个柔性铰链串联连接的转动情况示意图，图14（a）是两端固定中间受转矩情况的转动示意图，图14（b）是一端固定另一端受转矩情况的转动示意图。

图中：1、左外转动件；2、右外转动件；3、刚性中间件；4、左交叉簧片；5、右交叉簧片。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种零轴漂大转角交叉簧片式柔性铰链，至少包括左外转动件1、右外转动件2、刚性中间件3、左交叉簧片4和右交叉簧片5；左外转动件1、刚性中间件3和右外转动件2依次按左中右同轴放置，左外转动件1和右外转动件2与刚性中间件3之间有一定的间隙，以保证刚性中间件3相对于左外转动件1和右外转动件2运动的过程中不发生接触和摩擦，也允许刚性中间件3沿垂直于柔性铰链转动轴方向有一定的窜动；左交叉簧片4和右交叉簧片5按交叉线共线的方式放置，右交叉簧片5的簧片排列方式与左交叉簧片4的簧片排列方式沿交叉线对称；左交叉簧片4的上端或下端连接左外转动件1，下端或上端连接刚性中间件3；右交叉簧片5的上端或下端连接右外转动件2，下端或上端连接刚性中间件3；左外转动件1和刚性中间件3通过左交叉簧片4连接形成左柔性铰链体，右外转动件2和刚性中间件3通过右交叉簧片5连接形成右柔性铰链体，左柔性铰链体和右柔性铰链体的理想转动中心轴同轴；当左外转动件1和右外转动件2分别连接不同的物体且任何一端受到外部转矩作用时，左交叉簧片4和右交叉簧片5发生弯曲变形，使左外转动件1和右外转动件2之间产生相对转动。

如图2所示，左外转动件1是圆环状中空刚体结构，其内壁上连接左交叉簧片4的上端或下端。右外转动件2是圆环状中空刚体结构，其结构尺寸可与左外转动件1相同，也可不同，内壁上连接右交叉簧片5的上端或下端。

如图3所示，刚性中间件3是圆环状中空刚体结构，内壁上有圆弧形轴向凸起分别可向左、向右伸入左外转动件1和右外转动件2的腔体内，其内壁上连接左交叉簧片4和右交叉簧片5的下端或上端。

如图4所示，左交叉簧片4和右交叉簧片5分别由两个平板状簧片以一定的角度交叉放置构成，簧片厚度远小于其长度和宽度，受力易发生弯曲变形。左交叉簧片4的交叉角度α和右交叉簧片5的交叉角度β相同，交叉线在簧片长度方向的几何中心处，簧片之间无连接。左交叉簧片4的交叉线和右交叉簧片5的交叉线共线并形成了柔性铰链的理想转动中心轴O。左交叉簧片4和右交叉簧片5的簧片尺寸相同，排列方式沿柔性铰链的理想转动中心轴线方向对称，即在图4所示的视角中，左交叉簧片4和右交叉簧片5的四个簧片按从左到右的顺序其方向依次是左上-右下倾斜、右上-左下倾斜、右上-左下倾斜、左上-右下倾斜。

图5（a）是本发明的转动情况示意图。设右外转动件2固定，当左外转动件1受外部转矩作用绕柔性铰链的理想转动中心轴转动时，左交叉簧片4发生弯曲变形，同时带动刚性中间件3绕转动轴转动。刚性中间件3转动迫使右交叉簧片5也发生弯曲变形，与左交叉簧片4一起提供了左外转动件1的转动。

本发明使用两组交叉簧片获得转动，其转角由左交叉簧片4和右交叉簧片5的转角叠加提供，可以实现大转角转动。

图5（b）是本发明转动情况下的左视图。由于右交叉簧片5的弯曲变形并不是集中在其几何中心轴线处，所以在转动过程中，右交叉簧片5的弯曲变形会使刚性中间件3发生漂移而偏离柔性铰链的理想转动中心轴（即固定的右外转动件2的中心轴），该漂移即为普通交叉簧片式柔性铰链不可避免的寄生运动——轴漂。轴漂迫使刚性中间件3在垂直于转动轴的方向发生移动，并迫使左交叉簧片4弯曲变形。由于左交叉簧片4的交叉角度α与右交叉簧片5的交叉角度β相同且结构尺寸相同，在转动过程中左交叉簧片4也会产生弯曲变形而使刚性中间件3发生轴漂，该轴漂与由右交叉簧片5引起的轴漂大小相同，但左交叉簧片4和右交叉簧片5的排列方式沿转动轴方向对称，相当于借助刚性中间件3反向串联了左柔性铰链体和右柔性铰链体，所以由左交叉簧片4引起的轴漂和由右交叉簧片5引起的轴漂方向相反，可以互相抵消而使左外转动件1的中心轴不偏离其理想转动中心轴，即柔性铰链的轴漂为零，大幅提高了本发明的转动精度。

实施例2

如图6所示，一种零轴漂大转角交叉簧片式柔性铰链，至少包括左外转动件1、右外转动件2、刚性中间件3、左交叉簧片4和右交叉簧片5；左外转动件1和右外转动件2依次左右同中心轴放置，刚性中间件3伸入左外转动件1和右外转动件2的腔体内；左外转动件1和右外转动件2与刚性中间件3之间有一定的间隙，以保证刚性中间件3相对于左外转动件1和右外转动件2运动的过程中不发生接触和摩擦；左外转动件1与刚性中间件3通过左交叉簧片4连接形成左柔性铰链体，右外转动件2与刚性中间件3通过右交叉簧片5连接形成右柔性铰链体，左交叉簧片4和右交叉簧片5的排列方式沿柔性铰链体的理想转动中心轴对称；当左外转动件1和右外转动件2分别连接不同的物体且任何一端受到外部转矩作用时，左交叉簧片4和右交叉簧片5发生弯曲变形，使左外转动件1和右外转动件2之间产生相对转动。

如图7所示，左外转动件1是矩形中空刚体结构，其内壁上侧连接左交叉簧片4的上端或下端。右外转动件2是矩形中空刚体结构，其结构尺寸可与左外转动件1相同，也可不同，内壁上侧连接右交叉簧片5的上端或下端。

如图8所示，刚性中间件3是刚体结构，可向左、向右伸入左外转动件1和右外转动件2的腔体内，其上侧连接左交叉簧片4和右交叉簧片5的下端或上端。

如图9所示，左交叉簧片4和右交叉簧片5分别由两个平板状簧片以一定的角度交叉放置构成，簧片厚度远小于其长度和宽度，受力易发生弯曲变形。左交叉簧片4的交叉角度α和右交叉簧片5的交叉角度β相同，交叉线在簧片长度方向的几何中心处，簧片之间无连接。左交叉簧片4的交叉线和右交叉簧片5的交叉线共线并形成了柔性铰链的理想转动中心轴O。左交叉簧片4和右交叉簧片5的簧片排列方式沿柔性铰链的转动轴线方向对称，右交叉簧片5相对于左交叉簧片4可绕转动中心轴O旋转一个较小的角度。

设右外转动件2固定，当左外转动件1受外部转矩作用绕柔性铰链的理想转动中心轴转动时，左交叉簧片4发生弯曲变形，同时带动刚性中间件3绕理想转动中心轴转动并迫使右交叉簧片5也发生弯曲变形，实现了左外转动件1的转动；由于左交叉簧片4和右交叉簧片5的结构尺寸相同而排列方式沿转动轴方向对称，转动过程中由左交叉簧片4引起的轴漂与由右交叉簧片5引起的轴漂大小相等、方向相反，可以互相抵消而使左外转动件1的中心轴不偏离柔性铰链的理想转动中心轴，即柔性铰链的轴漂为零。

实施例3

如图10所示，一种零轴漂大转角交叉簧片式柔性铰链，至少包括左外转动件1、右外转动件2、刚性中间件3、左交叉簧片4和右交叉簧片5；左交叉簧片4和右交叉簧片5按交叉线共线的方式放置，右交叉簧片5的簧片排列方式与左交叉簧片4的簧片排列方式沿交叉线对称；左交叉簧片4的上端或下端连接左外转动件1，下端或上端连接刚性中间件3；右交叉簧片5的上端或下端连接右外转动件2，下端或上端连接刚性中间件3；左外转动件1与刚性中间件3通过左交叉簧片4连接形成左柔性铰链体，右外转动件2与刚性中间件3通过右交叉簧片5连接形成右柔性铰链体，左柔性铰链体和右柔性铰链体的理想转动中心轴同轴；当左外转动件1和右外转动件2分别连接不同的物体且任何一端受到外部转矩作用时，左交叉簧片4和右交叉簧片5发生弯曲变形，使左外转动件1和右外转动件2之间产生相对转动。

如图11所示，左外转动件1是矩形刚体结构，其一侧连接左交叉簧片4的上端或下端。右外转动件2是矩形刚体结构，其结构尺寸可与左外转动件1相同，也可不同，其一侧连接右交叉簧片5的上端或下端。刚性中间件3是刚体结构，其一侧连接左交叉簧片4和右交叉簧片5的下端或上端。

如图12所示，左交叉簧片4和右交叉簧片5分别由两个平板状簧片以一定的角度交叉放置构成，簧片厚度远小于其长度和宽度。左交叉簧片4的交叉角度α和右交叉簧片5的交叉角度β相同，交叉线在簧片长度方向的几何中心处，簧片之间无连接。左交叉簧片4和右交叉簧片5的簧片的排列方式沿柔性铰链的理想转动中心轴O方向对称，右交叉簧片5相对于左交叉簧片4可绕理想转动中心轴O旋转一个较小的角度。

设右外转动件2固定，当左外转动件1受外部转矩作用绕柔性铰链的理想转动中心轴转动时，左交叉簧片4和右交叉簧片5发生弯曲变形，与刚性中间件3同时绕理想转动中心轴转动而实现左外转动件1相对于右外转动件2的大转角转动。由于左交叉簧片4和右交叉簧片5的排列方式沿转动轴方向对称，在转动过程中由左交叉簧片4引起的轴漂与由右交叉簧片5引起的轴漂大小相同但方向相反，可以互相抵消而实现柔性铰链的轴漂为零。

实施例4

如图13所示，两个相同的本发明柔性铰链可以串联连接使用。即实施例四包括两组左外转动件1、右外转动件2、刚性中间件3、左交叉簧片4和右交叉簧片5；两组左外转动件1、刚性中间件3和右外转动件2依次按左中右同轴连接，其中两个相邻的左外转动件1固接。

如图14（a）所示，可以固定两端的两个右外转动件2，在中间的左外转动件1上施加转矩，则簧片弯曲变形使中间的左外转动件1可以相对于两端的两个右外转动件2转动，转角与单个柔性铰链的转角相等，轴漂为零。

如图14（b）所示，也可以固定一端的一个右外转动件2，在另一端的右外转动件2上施加转矩，则簧片弯曲变形使两个右外转动件2之间有相对转动，转角是单个柔性铰链的2倍，轴漂为零。

亦可多个相同的柔性铰链串联连接使用，从而获得更大的转角，轴漂仍为零。

由于这种交叉簧片式柔性铰链转角大、无轴漂、精度高、转动中心稳定，可实现无摩擦、无间隙转动，所以可以广泛应用于机器人等领域中。

Claims (5)

1.一种零轴漂大转角交叉簧片式柔性铰链，其特征是：至少包括左外转动件(1)、右外转动件(2)、刚性中间件(3)、左交叉簧片(4)和右交叉簧片(5)；左交叉簧片(4)和右交叉簧片(5)按交叉线共线的方式放置，右交叉簧片(5)的簧片排列方式与左交叉簧片(4)的簧片排列方式沿交叉线对称；左交叉簧片(4)的上端或下端连接左外转动件(1)，下端或上端连接刚性中间件(3)；右交叉簧片(5)的上端或下端连接右外转动件(2)，下端或上端连接刚性中间件(3)；左外转动件(1)与刚性中间件(3)通过左交叉簧片(4)连接形成左柔性铰链体，右外转动件(2)与刚性中间件(3)通过右交叉簧片(5)连接形成右柔性铰链体，左柔性铰链体和右柔性铰链体的理想转动中心轴同轴；当左外转动件(1)和右外转动件(2)分别连接不同的物体且任何一端受到外部转矩作用时，左交叉簧片(4)和右交叉簧片(5)发生弯曲变形，使左外转动件(1)和右外转动件(2)产生相对转动。

2.根据权利要求1所述的一种零轴漂大转角交叉簧片式柔性铰链，其特征是：所述的左外转动件(1)是刚体结构，其一侧连接左交叉簧片(4)的上端或下端；右外转动件(2)是刚体结构，其结构尺寸可与左外转动件(1)相同，也可不同，其一侧连接右交叉簧片(5)的上端或下端；刚性中间件(3)是刚体结构，其一侧连接左交叉簧片(4)和右交叉簧片(5)的下端或上端；左外转动件(1)、右外转动件(2)、和刚性中间件(3)可以是环状结构，也可以是矩形、六边形等其他结构形式；左外转动件(1)和右外转动件(2)与刚性中间件(3)之间有一定的间隙。

3.根据权利要求1所述的一种零轴漂大转角交叉簧片式柔性铰链，其特征是：所述的左交叉簧片(4)和右交叉簧片(5)分别由两个平板状簧片以一定的角度交叉放置构成，簧片厚度远小于其长度和宽度，受力易发生弯曲变形；左交叉簧片(4)的交叉角度α和右交叉簧片(5)的交叉角度β相同，交叉线在簧片长度方向的几何中心处，簧片之间无连接；左交叉簧片(4)和右交叉簧片(5)的簧片尺寸相同，交叉线共线，排列方式沿柔性铰链的理想转动中心轴线方向对称。

4.根据权利要求1所述的一种零轴漂大转角交叉簧片式柔性铰链，其特征是：所述的柔性铰链为两个串联连接，两个串联连接柔性铰链结构尺寸相同，两个串联连接柔性铰链转动轴共线放置，中间相邻的两个外转动件固接构成两级串联柔性铰链；固定两端的两个外转动件，在中间的外转动件上施加转矩，则中间的外转动件相对于两端的外转动件有转动，且轴漂为零。

5.根据权利要求1所述的一种零轴漂大转角交叉簧片式柔性铰链，其特征是：所述的柔性铰链或为多个串联连接使用，将多个柔性铰链的转动中心轴重合，相邻的两个外转动件固接构成多级串联柔性铰链，其转角成倍数增加，轴漂仍为零。