基于柔性机构的复合虎克铰

摘要

本发明提供了一种基于柔性机构的复合虎克铰，包括若干通过螺钉紧固于复合虎克铰基座上的若干回转中心重合的虎克铰；所述的虎克铰包括上梯形结构和下梯形结构，上梯形下底与下梯形上底通过螺钉正交紧固。本发明通过两个正交的等腰梯形结构实现传动并消除间隙，且易于实现复合虎克铰，原理明了、结构简单、装配方便、成本低廉、传动精度高，特别适用于小行程高精度并联机器人的传动和定位。

权利要求

1.一种基于柔性机构的复合虎克铰，其特征在于：包括若干通过螺钉（17）紧固于复合虎克铰基座（18）上的若干回转中心重合的虎克铰；所述的虎克铰包括上梯形结构和下梯形结构，上梯形下底（4）与下梯形上底（11）通过螺钉（17）正交紧固；

所述的上梯形结构包括上梯形上底（3）和上梯形下底（4），在左侧，螺钉（17）通过上梯形左钢片上压板（5）将上梯形左钢片（1）的上端紧固于上梯形上底（3）的左端，螺钉（17）通过上梯形左钢片下压板（7）将上梯形左钢片（1）的下端紧固于上梯形下底（4）的左端，在右侧，螺钉（17）通过上梯形右钢片上压板（6）将上梯形右钢片（2）的上端紧固于上梯形上底（3）的右端，螺钉（17）通过上梯形右钢片下压板（8）将上梯形右钢片（2）的下端紧固于上梯形下底（4）的右端；

所述的下梯形结构包括下梯形上底（11）和下梯形下底（12），在左侧，螺钉（17）通过下梯形左钢片上压板（13）将下梯形左钢片（9）的上端紧固于下梯形上底（11）的左端，螺钉（17）通过下梯形左钢片下压板（15）将下梯形左钢片（9）的下端紧固于下梯形下底（12）的左端，在右侧，螺钉（17）通过下梯形右钢片上压板（14）将下梯形右钢片（10）的上端紧固于下梯形上底（11）的右端，螺钉（17）通过下梯形右钢片下压板（16）将下梯形右钢片（10）的下端紧固于下梯形下底（12）的右端。

说明书

基于柔性机构的复合虎克铰

技术领域

[0001] 本发明涉及精密机构与精密机械领域，具体是一种基于柔性机构的复合虎克铰, 尤其适用于精密并联机器人系统的传动和定位机构。

背景技术

[0002] 虎克铰，又称Cardan铰链、万向铰链或万向联轴节，常用于运动的两轴之间的运动和力的传递。传统虎克铰结构通常由十字轴和两个垂直的铰链座组成，十字轴的四端安装滚动轴承；虎克铰的回转中心位于十字轴中心。在机器人机构学研究中，由于其简单的结构及具有两个转动自由度的特点，虎克铰成为常用的基本铰链。目前精密机械领域，特别是多自由度精密并联机器人，需要精度高、无间隙、无摩擦、结构紧凑的虎克铰，且往往需要采用复合虎克铰，即多个虎克铰集成在一起且具有共同回转中心。现有的多种虎克铰，其结构上大多有一个十字轴或类似于十字的支撑轴，一般均采用轴承传动和螺纹配合，不能消除传动中的间隙问题；另外，结构较大零件较多，加工工艺要求特殊，导致虎克铰成本较高精度较低；又因传统虎克铰回转中心位于十字轴中心，无法实现具有共同互转中心的复合虎克铰，因此，不适于高精度并联机器人的特殊应用需求。

发明内容

[0003] 本发明为了解决现有技术所存在的工艺性较差，结构尺寸较大、特别是传动精度低和不能实现复合虎克铰的问题，提供了一种基于柔性机构的复合虎克铰，通过两个正交的等腰梯形结构实现传动并消除间隙，且易于实现复合虎克铰，原理明了、结构简单、装配方便、成本低廉、传动精度高，特别适用于小行程高精度并联机器人的传动和定位。

[0004] 本发明包括若干通过螺钉紧固于复合虎克铰基座上的若干回转中心重合的虎克铰；所述的虎克铰包括上梯形结构和下梯形结构，上梯形下底与下梯形上底通过螺钉正交紧固。

[0005] 所述的上梯形结构包括上梯形上底和上梯形下底，在左侧，螺钉通过上梯形左钢片上压板将上梯形左钢片的上端紧固于上梯形上底的左端，螺钉通过上梯形左钢片下压板将上梯形左钢片的下端紧固于上梯形下底的左端，在右侧，螺钉通过上梯形右钢片上压板将上梯形右钢片的上端紧固于上梯形上底的右端，螺钉通过上梯形右钢片下压板将上梯形右钢片的下端紧固于上梯形下底的右端。

[0006] 所述的下梯形结构包括下梯形上底和下梯形下底，在左侧，螺钉通过下梯形左钢片上压板将下梯形左钢片的上端紧固于下梯形上底的左端，螺钉通过下梯形左钢片下压板将下梯形左钢片的下端紧固于下梯形下底的左端，在右侧，螺钉通过下梯形右钢片上压板将下梯形右钢片的上端紧固于下梯形上底的右端，螺钉通过下梯形右钢片下压板将下梯形右钢片的下端紧固于下梯形下底的右端。

[0007] 本发明有益效果在于：

[0008] 1、本发明采用柔性钢片机构和分体式结构，原理简洁明了、结构简单紧凑、装配方便、成本低廉，具有无间隙、无摩擦、高精度、高刚度、免维护等优点，特别适用于小行程高精度并联机器人的传动和定位。

[0009] 2、本发明基于柔性机构的虎克铰具有回转中心在其机构本体之外的特点，为设计拥有共同回转中心的复合虎克铰提供了方便，非常适用于多自由度并联机器人中几根驱动杆拥有同一个回转中心的结构。

附图说明

[0010] 图1 等腰梯形机构原理图。

[0011] 图2 基于柔性薄钢片机构的虎克铰上部小等腰梯形单元铰链。

[0012] 图3 基于柔性薄钢片机构的虎克铰下部大等腰梯形单元铰链。

[0013] 图4 基于柔性薄钢片机构的虎克铰正视图。

[0014] 图5基于柔性薄钢片机构的虎克铰侧视图。

[0015] 图6 基于柔性薄钢片机构的虎克铰3D轴侧示意图。

[0016] 图7 基于柔性薄钢片机构的复合虎克铰示意图（含有三个虎克铰）。

[0017] 图中：1-上梯形左钢片；2-上梯形右钢片；3-上梯形上底；4-上梯形下底；5-上梯形左钢片上压板；6-上梯形右钢片上压板；7-上梯形左钢片下压板；8-上梯形右钢片下压板；9-下梯形左钢片；10-下梯形右钢片；11-下梯形上底；12-下梯形下底；13-下梯形左钢片上压板；14-下梯形右钢片上压板；15-下梯形左钢片下压板；16-下梯形右钢片下压板；17-螺钉；18-复合虎克铰基座。

具体实施方式

[0018] 下面结合附图对本发明作进一步说明。

[0019] 平面等腰梯形机构原理如图1所示，当等腰梯形上底固定，则在纸面内，等腰梯形的下底可在小角度范围内绕等腰梯形的两腰的延长线交点O作回转，即形成了一个转动副或铰链。然后，基于平面等腰梯形机构原理，提出一种基于柔性机构的虎克铰，参见图2至图5，其特征在于该虎克铰由两个平面等腰梯形单元机构错位正交组成，每个等腰梯形单元机构均为一个转动副，称为单元铰链；两个单元铰链轴线相交于铰链外的同一点，称为回转中心，从而构成了一个具有两个回转自由度的虎克铰。

[0020] 具体而言，两个等腰梯形一大一小，但两腰夹角相同，将上部较小的等腰梯形的下底与下部较大的等腰梯形的上底居中正交并固连，且确保两个等腰梯形单元铰链机构回转中心重合。

[0021] 由于等腰梯形单元铰链机构回转中心设计在机构本体之外，便于将不同虎克铰的回转中心设置在同一点，因此很方便实现复合虎克铰，即由多个具有两个单元等腰梯形铰链的虎克铰集成在一起，并具有共同回转中心。

[0022] 工艺实现方案：平面等腰梯形单元铰链机构采用柔性机构实现。可采用线切割技术，在一块适当厚度的弹簧钢板上切割出等腰梯形，使得上下底在平面内具有较大的尺寸，从而具有足够刚度和强度；而使两腰在平面内的尺寸较小，从而具有较好的柔性，可实现弹性变形，形成柔性等腰梯形单元铰链。参见图2至图5，还可以采用柔性薄钢片机构作等腰梯形的腰实现组合式柔性等腰梯形单元铰链。而等腰梯形的两底采用适当尺寸，从而具有足够的刚度和强度，并在其侧面制有联接螺纹孔，将两片柔性薄钢片分别通过压板和螺钉紧固于两底的两侧。这样，当上底固定时，利用两腰的薄钢片在等腰梯形平面内具有良好的柔度，而在与等腰梯形垂直的面内具有良好的刚度，从而实现柔性等腰梯形单元铰链机构。这样，参见图4、图5和图6，如上所述，制作两个一大一小的柔性等腰梯形单元铰链，且两腰夹角相同，将它们正交组合，即将上部较小的等腰梯形的下底与下部较大的等腰梯形的上底居中正交并固连，并确保两个等腰梯形单元铰链机构回转中心重合，从而构成了一个具有两个回转自由度的柔性虎克铰。参见图7，由于这种基于等腰梯形单元铰链的柔性虎克铰回转中心设计在机构本体之外，因此可将多个这种基于柔性机构的虎克铰在空间确保它们的回转中心重合，从而构成基于柔性机构的复合虎克铰。

[0023] 本发明具体实施方式如下：

[0024] 一种基于柔性机构的复合虎克铰，包括若干通过螺钉17紧固于复合虎克铰基座18上的若干回转中心重合的虎克铰；所述的虎克铰包括上梯形结构和下梯形结构，上梯形下底4与下梯形上底11通过螺钉17正交紧固。

[0025] 所述的上梯形结构包括上梯形上底3和上梯形下底4，在左侧，螺钉17通过上梯形左钢片上压板5将上梯形左钢片1的上端紧固于上梯形上底3的左端，螺钉17通过上梯形左钢片下压板7将上梯形左钢片1的下端紧固于上梯形下底4的左端，在右侧，螺钉17通过上梯形右钢片上压板6将上梯形右钢片2的上端紧固于上梯形上底3的右端，螺钉17通过上梯形右钢片下压板8将上梯形右钢片2的下端紧固于上梯形下底4的右端。

[0026] 所述的下梯形结构包括下梯形上底11和下梯形下底12，在左侧，螺钉17通过下梯形左钢片上压板13将下梯形左钢片9的上端紧固于下梯形上底11的左端，螺钉17通过下梯形左钢片下压板15将下梯形左钢片9的下端紧固于下梯形下底12的左端，在右侧，螺钉17通过下梯形右钢片上压板14将下梯形右钢片10的上端紧固于下梯形上底11的右端，螺钉17通过下梯形右钢片下压板16将下梯形右钢片10的下端紧固于下梯形下底12的右端。

[0027] 本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。