一種零軸漂大轉(zhuǎn)角交叉簧片式柔性鉸鏈的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于柔順機構(gòu)領(lǐng)域，涉及一種柔性鉸鏈，具體為一種零軸漂大轉(zhuǎn)角交叉簧片式柔性鉸鏈，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的軸承或剛性鉸鏈，用于機器人等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]柔性鉸鏈?zhǔn)且环N能在外部載荷作用下、借助自身材料的彈性變形在相鄰兩個剛性構(gòu)件之間產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動的運動副結(jié)構(gòu)形式。與傳統(tǒng)的剛性運動副相比，柔性鉸鏈具有零件數(shù)少、結(jié)構(gòu)簡單、無間隙、無摩擦、減少裝配和維護工作量、提高運動精度和機構(gòu)壽命等優(yōu)點，故可應(yīng)用于精密定位、精密傳動以及機器人系統(tǒng)等領(lǐng)域。然而，由于自身結(jié)構(gòu)的限制，柔性鉸鏈在轉(zhuǎn)動過程中，其材料的彈性變形是分布式的而不是集中于一點，所以其理想轉(zhuǎn)動中心會隨著轉(zhuǎn)角的變化而發(fā)生一定程度的漂移，稱為軸漂。交叉簧片式柔性鉸鏈可以提供相對較大的轉(zhuǎn)角范圍，但轉(zhuǎn)動過程中理想轉(zhuǎn)動中心存在上述軸漂，且隨著轉(zhuǎn)角增大軸漂迅速增大，嚴(yán)重影響運動精度，這在實際應(yīng)用中無法克服。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種零軸漂大轉(zhuǎn)角交叉簧片式柔性鉸鏈，以便代替?zhèn)鹘y(tǒng)的軸承或剛性鉸鏈，用于機器人等領(lǐng)域，實現(xiàn)更大轉(zhuǎn)角范圍、零軸漂的旋轉(zhuǎn)運動。
[0004]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種零軸漂大轉(zhuǎn)角交叉簧片式柔性鉸鏈，至少包括左外轉(zhuǎn)動件、右外轉(zhuǎn)動件、剛性中間件、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線共線的方式放置，右交叉簧片的簧片排列方式與左交叉簧片的簧片排列方式沿交叉線對稱;左交叉簧片的上端或下端連接左外轉(zhuǎn)動件，下端或上端連接剛性中間件;右交叉簧片的上端或下端連接右外轉(zhuǎn)動件，下端或上端連接剛性中間件；左外轉(zhuǎn)動件和剛性中間件通過左交叉簧片連接形成左柔性鉸鏈體，右外轉(zhuǎn)動件和剛性中間件通過右交叉簧片連接形成右柔性鉸鏈體，左柔性鉸鏈體和右柔性鉸鏈體的理想轉(zhuǎn)動中心軸同軸；當(dāng)左柔性鉸鏈體或右柔性鉸鏈體分別連接不同的物體且任何一端受到外部轉(zhuǎn)矩作用時，左交叉簧片和右交叉簧片受力發(fā)生彎曲變形，使左外轉(zhuǎn)動件和右外轉(zhuǎn)動件之間產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。兩組交叉簧片平均承擔(dān)外部轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生的彎曲變形大小相同，而簧片對稱排列使其彎曲變形的方向相反，可通過剛性中間件的移動而實現(xiàn)左外轉(zhuǎn)動件和右外轉(zhuǎn)動件保持轉(zhuǎn)動中心位置不變，即零軸漂。
[0005]所述的左交叉簧片和右交叉簧片具有相同的結(jié)構(gòu)，左交叉簧片和右交叉簧片由兩個平板狀簧片以一定的角度交叉放置構(gòu)成;兩組交叉簧片的交叉角度相同，交叉線在簧片長度方向的幾何中心處。左交叉簧片的排列方式與右交叉簧片的排列方式沿交叉線形成的軸線對稱。
[0006]所述的左外轉(zhuǎn)動件、右外轉(zhuǎn)動件和剛性中間件是剛體結(jié)構(gòu)。
[0007]所述的柔性鉸鏈為兩個串聯(lián)連接，兩個串聯(lián)連接柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)尺寸相同，兩個串聯(lián)連接柔性鉸鏈轉(zhuǎn)動軸共線放置，中間相鄰的兩個外轉(zhuǎn)動件固接構(gòu)成兩級串聯(lián)柔性鉸鏈；固定兩端的兩個外轉(zhuǎn)動件，在中間的外轉(zhuǎn)動件上施加轉(zhuǎn)矩，則中間的外轉(zhuǎn)動件相對于兩端的外轉(zhuǎn)動件有轉(zhuǎn)動，且軸漂為零。
[0008]所述的柔性鉸鏈或為多個串聯(lián)連接使用，將多個柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動中心軸重合，相鄰的兩個外轉(zhuǎn)動件固接構(gòu)成多級串聯(lián)柔性鉸鏈，其轉(zhuǎn)角成倍數(shù)增加，軸漂仍為零。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:(I)采用兩個柔性鉸鏈體借助一個剛性中間件連接構(gòu)成，轉(zhuǎn)動過程中兩個柔性鉸鏈體的轉(zhuǎn)角疊加，從而實現(xiàn)兩個外轉(zhuǎn)動件之間更大的相對轉(zhuǎn)動(轉(zhuǎn)角范圍可達-45°-45° ) ; (2)兩個柔性鉸鏈體在轉(zhuǎn)角相同的情況下軸漂相等，沿柔性鉸鏈理想轉(zhuǎn)動中心軸對稱的簧片排列方式使得兩個柔性鉸鏈體的軸漂方向相反，可以互相抵消而實現(xiàn)本發(fā)明柔性鉸鏈的零軸漂，大幅提高轉(zhuǎn)動精度；(3)可以多級串聯(lián)使用實現(xiàn)更大角度的轉(zhuǎn)動，軸漂仍然為零;(4)結(jié)構(gòu)部件少，減少裝配引起的誤差。
[0010]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。
【附圖說明】
[0011]圖1是零軸漂大轉(zhuǎn)角交叉簧片式柔性鉸鏈實施例一的示意圖，圖1(a)是外觀示意圖，圖1(b)是內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是實施例1的外轉(zhuǎn)動件的示意圖；
圖3是實施例1的剛性中間件的示意圖；
圖4是實施例1的兩組交叉簧片的示意圖；
圖5是實施例1的柔性鉸鏈轉(zhuǎn)動情況示意圖，圖5(a)是外觀示意圖，圖5(b)是轉(zhuǎn)動情況下的左視圖；
圖6是零軸漂大轉(zhuǎn)角交叉簧片式柔性鉸鏈實施例二的示意圖，圖6(a)是外觀示意圖，圖6(b)是內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7是實施例2的外轉(zhuǎn)動件的示意圖；
圖8是實施例2的剛性中間件的示意圖；
圖9是實施例2的兩組交叉簧片的示意圖；
圖10是零軸漂大轉(zhuǎn)角交叉簧片式柔性鉸鏈實施例三的外觀示意圖；
圖11是實施例3的外轉(zhuǎn)動件和剛性中間件示意圖；
圖12是實施例3的兩組交叉簧片示意圖；
圖13是零軸漂大轉(zhuǎn)角交叉簧片式柔性鉸鏈實施例四兩個柔性鉸鏈串聯(lián)連接的示意圖，圖13(a)是外觀示意圖，圖13(b)是內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
圖14是實施例4兩個柔性鉸鏈串聯(lián)連接的轉(zhuǎn)動情況示意圖，圖14(a)是兩端固定中間受轉(zhuǎn)矩情況的轉(zhuǎn)動示意圖，圖14(b)是一端固定另一端受轉(zhuǎn)矩情況的轉(zhuǎn)動示意圖。
[0012]圖中:1、左外轉(zhuǎn)動件；2、右外轉(zhuǎn)動件；3、剛性中間件；4、左交叉簧片；5、右交叉簧片。
【具體實施方式】
[0013]實施例1
如圖1所示，一種零軸漂大轉(zhuǎn)角交叉簧片式柔性鉸鏈，至少包括左外轉(zhuǎn)動件1、右外轉(zhuǎn)動件2、剛性中間件3、左交叉簧片4和右交叉簧片5;左外轉(zhuǎn)動件1、剛性中間件3和右外轉(zhuǎn)動件2依次按左中右同軸放置，左外轉(zhuǎn)動件I和右外轉(zhuǎn)動件2與剛性中間件3之間有一定的間隙，以保證剛性中間件3相對于左外轉(zhuǎn)動件I和右外轉(zhuǎn)動件2運動的過程中不發(fā)生接觸和摩擦，也允許剛性中間件3沿垂直于柔性鉸鏈轉(zhuǎn)動軸方向有一定的竄動;左交叉簧片4和右交叉簧片5按交叉線共線的方式放置，右交叉簧片5的簧片排列方式與左交叉簧片4的簧片排列方式沿交叉線對稱;左交叉簧片4的上端或下端連接左外轉(zhuǎn)動件I，下端或上端連接剛性中間件3;右交叉簧片5的上端或下端連接右外轉(zhuǎn)動件2，下端或上端連接剛性中間件3;左外轉(zhuǎn)動件I和剛性中間件3通過左交叉簧片4連接形成左柔性鉸鏈體，右外轉(zhuǎn)動件2和剛性中間件3通過右交叉簧片5連接形成右柔性鉸鏈體，左柔性鉸鏈體和右柔性鉸鏈體的理想轉(zhuǎn)動中心軸同軸；當(dāng)左外轉(zhuǎn)動件I和右外轉(zhuǎn)動件2分別連接不同的物體且任何一端受到外部轉(zhuǎn)矩作用時，左交叉簧片4和右交叉簧片5發(fā)生彎曲變形，使左外轉(zhuǎn)動件I和右外轉(zhuǎn)動件2之間產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。
[0014]如圖2所示，左外轉(zhuǎn)動件I是圓環(huán)狀中空剛體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)壁上連接左交叉簧片4的上端或下端。右外轉(zhuǎn)動件2是圓環(huán)狀中空剛體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)尺寸可與左外轉(zhuǎn)動件I相同，也可不同，內(nèi)壁上連接右交叉簧片5的上端或下端。
[0015]如圖3所示，剛性中間件3是圓環(huán)狀中空剛體結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁上有圓弧形軸向凸起分別可向左、向右伸入左外轉(zhuǎn)動件I和右外轉(zhuǎn)動件2的腔體內(nèi)，其內(nèi)壁上連接左交叉簧片4和右交叉簧片5的下端或上端。
[0016]如圖4所示，左交叉簧片4和右交叉簧片5分別由兩個平板狀簧片以一定的角度交叉放置構(gòu)成，簧片厚度遠(yuǎn)小于其長度和寬度，受力易發(fā)生彎曲變形。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，交叉線在簧片長度方向的幾何中心處，簧片之間無連接。左交叉簧片4的交叉線和右交叉簧片5的交叉線共線并形成了柔性鉸鏈的理想轉(zhuǎn)動中心軸O。左交叉簧片4和右交叉簧片5的簧片尺寸相同，排列方式沿柔性鉸鏈的理想轉(zhuǎn)動中心軸線方向?qū)ΨQ，即在圖4所示的視角中，左交叉簧片4和右交叉簧片5的四個簧片按從左到右的順序其方向依次是左上-右下傾斜、右上-左下傾斜、右上-左下傾斜、左上-右下傾斜。
[0017]圖5(a)是本發(fā)明的轉(zhuǎn)動情況示意圖。設(shè)右外轉(zhuǎn)動件2固定，當(dāng)左外轉(zhuǎn)動件I受外部轉(zhuǎn)矩作用繞柔性鉸鏈的理想轉(zhuǎn)動中心軸轉(zhuǎn)動時，左交叉簧片4發(fā)生彎曲變形，同時帶動剛性中間件3繞轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動。剛性中間件3轉(zhuǎn)動迫使右交叉簧片5也發(fā)生彎曲變形，與左交叉簧片4 一起提供了左外轉(zhuǎn)動件I的轉(zhuǎn)動。
[0018]本發(fā)明使用兩組交叉簧片獲得轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)角由左交叉簧片4和右交叉簧片5的轉(zhuǎn)角疊加提供，可以實現(xiàn)大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動。
[0019]圖5(b)是本發(fā)明轉(zhuǎn)動情況下的左視圖。由于右交叉簧片5的彎曲變形并不是集中在其幾何中心軸線處，所以在轉(zhuǎn)動過程中，右交叉簧片5的彎曲變形會使剛性中間件3發(fā)生漂移而偏離柔性鉸鏈的理想轉(zhuǎn)動中心軸(即固定的右外轉(zhuǎn)動件2的中心軸)，該漂移即為普通交叉簧片式柔性鉸鏈不可避免的寄生運動一一軸漂。軸漂迫使剛性中間件3在垂直于轉(zhuǎn)動軸的方向發(fā)生移動，并迫使左交叉簧片4彎曲變形。由于左交叉簧片4的交叉角度α與右交叉簧片5的交叉角度β相同且結(jié)構(gòu)尺寸相同，在轉(zhuǎn)動過程中左交叉簧片4也會產(chǎn)生彎曲變形而使剛性中間件3發(fā)生軸漂，該軸漂與由右交叉簧片5引起的軸漂大小相同，但左交叉簧片4和右交叉簧片5的排列方式沿轉(zhuǎn)動軸方向?qū)ΨQ，相當(dāng)于借助剛性中間件3反向串聯(lián)了左柔性鉸鏈體和右柔性鉸鏈體，所以由左交叉簧片4引起的軸漂和由右交叉簧片5引起的軸漂方向相反，可以互相抵消而使左外轉(zhuǎn)動件I的中心軸不偏離其理想轉(zhuǎn)動中心軸，即柔性鉸鏈的軸漂為零，大幅提高了本發(fā)明的轉(zhuǎn)動精度。
[0020]實施例2
如圖6所示，一種零軸漂大轉(zhuǎn)角交叉簧片式柔性鉸鏈，至少包括左外轉(zhuǎn)動件1、右外轉(zhuǎn)動件2、剛性中間件3、左交叉簧片4和右交叉簧片5;左外轉(zhuǎn)動件I和右