專利名稱：用于柔性弧形滑軌的具有虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心的柔性鉸鏈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種柔性鉸鏈，更特別地說，是指一種用于柔性弧形滑軌的、具有虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心O的柔性鉸鏈。
背景技術(shù)：
柔性鉸鏈?zhǔn)侵冈谕獠苛蛄氐淖饔孟?，利用材料的彈性變形在相鄰剛性桿之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的一種運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)形式，這與傳統(tǒng)剛性運(yùn)動(dòng)副的結(jié)構(gòu)有很大不同。較之于傳統(tǒng)的剛性鉸鏈(機(jī)構(gòu))，柔性鉸鏈及柔性機(jī)構(gòu)具有許多優(yōu)點(diǎn)(1)可以整體化(或一體化)設(shè)計(jì)和加工，故可簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減小體積和重量、免于裝配；(2)無間隙和摩擦，可實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)；(3)免于磨損，提高壽命；(4)免于潤(rùn)滑，避免污染；(5)可增大結(jié)構(gòu)剛度。可應(yīng)用于微定位及微進(jìn)給、微姿態(tài)調(diào)整、微執(zhí)行器、微操作及微裝配等領(lǐng)域。
在機(jī)構(gòu)學(xué)中，轉(zhuǎn)動(dòng)是基本的運(yùn)動(dòng)形式之一，轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件與轉(zhuǎn)動(dòng)中心通常都靠一個(gè)物理的實(shí)際運(yùn)動(dòng)副連接。不過，也有例外，一小部分機(jī)構(gòu)的一構(gòu)件可繞空間上的一固定點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，此固定點(diǎn)處不存在實(shí)際的轉(zhuǎn)動(dòng)副，而且該虛擬的固定點(diǎn)在機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)端。這種機(jī)構(gòu)可以稱為虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心(Remote Center of Motion，RCM)機(jī)構(gòu)。RCM機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是一種少自由度的功能機(jī)構(gòu)，它保證機(jī)構(gòu)在整個(gè)操作過程中始終圍繞一個(gè)固定的虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)中心運(yùn)動(dòng)。RCM機(jī)構(gòu)可以單獨(dú)作為機(jī)器人機(jī)構(gòu)，也可作為多自由度機(jī)器人系統(tǒng)的一個(gè)模塊。在某些特定的應(yīng)用領(lǐng)域如微創(chuàng)外科手術(shù)等，該類機(jī)構(gòu)具有明顯的不可替代性。RCM機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)不僅體現(xiàn)于此，它同柔性機(jī)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，將會(huì)形成新的柔性鉸鏈——RCM柔性鉸鏈。
目前常見的RCM柔性鉸鏈為等腰梯形柔性鉸鏈，這種結(jié)構(gòu)也應(yīng)用于RCC(Remote Center of Compliance，虛擬柔順中心)裝置中。但是等腰梯形柔性鉸鏈的虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)中心點(diǎn)距離鉸鏈底邊不能太遠(yuǎn)，否則會(huì)減小轉(zhuǎn)動(dòng)范圍和精度，使得性能惡化。
除了在需要轉(zhuǎn)動(dòng)中心空缺的特殊情況，如調(diào)平，對(duì)準(zhǔn)等應(yīng)用，RCM柔性鉸鏈還可以引入一些傳統(tǒng)柔性鉸鏈不具備的特點(diǎn)，如由于轉(zhuǎn)動(dòng)中心是虛擬的，并無實(shí)際鉸鏈存在，因此RCM柔性鉸鏈更便于多個(gè)疊加，增大轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，縮小體積，這將會(huì)成為柔性鉸鏈大行程設(shè)計(jì)的新的突破口。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心的柔性鉸鏈，該柔性鉸鏈通過簧片式設(shè)計(jì)，提供繞虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。并可通過鉸鏈的串聯(lián)實(shí)現(xiàn)高精度、大行程的虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明是一種用于柔性弧形滑軌的具有虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心的柔性鉸鏈，由左簧片、右簧片、上剛性片和下剛性片組成，左簧片與右簧片對(duì)稱設(shè)置在上剛性片、下剛性片之間；左簧片、右簧片的上下兩端與上剛性片、下剛性片的八條相交線的延長(zhǎng)線交于虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心O；左簧片的前端面、后端面，與右簧片的前端面、后端面位于中心為虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心O點(diǎn)的同心球面上且位于球面同側(cè)。在球面坐標(biāo)系下左簧片、右簧片平行。
所述的柔性鉸鏈，其前視面中左簧片、右簧片為扇環(huán)形狀，且左簧片的前端面的弧長(zhǎng)短于后端面的弧長(zhǎng)，右簧片的前端面的弧長(zhǎng)短于后端面的弧長(zhǎng)。
所述的柔性鉸鏈，其左簧片、右簧片沿著半徑方向的截面厚度是不相等的，其截面形狀為以虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心O點(diǎn)為圓心的扇環(huán)，在精度要求較低時(shí)，為了加工方便可將弧線取直。
所述的柔性鉸鏈可以多個(gè)串接，并將每個(gè)柔性鉸鏈的虛擬中心點(diǎn)重合，構(gòu)成多個(gè)組合柔性鉸鏈，其行程成倍數(shù)增加。
本發(fā)明柔性鉸鏈的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明設(shè)計(jì)的柔性鉸鏈具有虛擬的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，鉸鏈可以距離虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心O較遠(yuǎn)，且具有較高精度。
(2)將多個(gè)本發(fā)明設(shè)計(jì)的柔性鉸鏈串接，并將它們的虛擬中心點(diǎn)重合，則可以組成一個(gè)新的RCM柔性鉸鏈，其行程成倍數(shù)提高，可作為柔性弧形滑軌使用。這將會(huì)成為柔性鉸鏈大行程設(shè)計(jì)的新的突破口。
(3)本發(fā)明的柔性鉸鏈通過簧片設(shè)計(jì)，行程較大，并且鉸鏈的內(nèi)應(yīng)力減小，壽命提高。
(4)本發(fā)明的柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，可采用線切割機(jī)床一體化成形，減少裝配誤差。
(5)本發(fā)明柔性鉸鏈的簧片采用變截面設(shè)計(jì)，突破了僅從構(gòu)形上設(shè)計(jì)柔性鉸鏈的局限。


圖1是本發(fā)明柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)視圖。
圖1A是本發(fā)明柔性鉸鏈的另一結(jié)構(gòu)視圖。
圖2是本發(fā)明柔性鉸鏈的前視圖。
圖3是本發(fā)明柔性鉸鏈的仰視圖。
圖4是三個(gè)本發(fā)明柔性鉸鏈單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1.左簧片 101.后端面102.前端面2.右簧片201.后端面202.前端面3.上剛性片4.下剛性片5.A中間剛性片6.靜剛性片7.動(dòng)剛性片8.B中間剛性片具體實(shí)施方式
請(qǐng)參見圖1所示，本發(fā)明是一種用于柔性弧形滑軌的具有虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心的柔性鉸鏈，由左簧片1、右簧片2、上剛性片3和下剛性片4組成，左簧片1與右簧片2設(shè)置在上剛性片3、下剛性片4之間，且在球面坐標(biāo)系(以虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心O點(diǎn)為球心的球面)下左簧片1、右簧片2平行；左簧片1、右簧片2的上下兩端與上剛性片3、下剛性片4的八條相交線的延長(zhǎng)線交于虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心O；左簧片1的前端面102、后端面101，與右簧片2的前端面202、后端面201位于中心為虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心O點(diǎn)的同心球面上且在球面同側(cè)。在單個(gè)的本發(fā)明柔性鉸鏈中，只需保證左簧片1、右簧片2的形狀，而對(duì)上剛性片3、下剛性片4的形狀、寬度、厚度不作特定要求，如圖1A所示，上剛性片延長(zhǎng)一段。
本發(fā)明的柔性鉸鏈，當(dāng)下剛性片4固定在基座上，上剛性片3可繞著虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，即在以虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心O點(diǎn)為球心的球面上移動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)等價(jià)于剛性的弧形滑軌，所以本發(fā)明的柔性鉸鏈可作為柔性機(jī)構(gòu)中的弧形滑軌使用。本發(fā)明的柔性鉸鏈作為柔性弧形滑軌使用時(shí)，與其他柔性RCM機(jī)構(gòu)(如等腰梯形柔性鉸鏈)相比，其優(yōu)點(diǎn)與剛性弧形滑軌相似，即鉸鏈形狀為遠(yuǎn)離虛擬中心點(diǎn)的扇環(huán)，可以在保證運(yùn)動(dòng)精度的前提下距離虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心O較遠(yuǎn)，并且結(jié)構(gòu)緊湊。但是，單個(gè)本發(fā)明柔性鉸鏈運(yùn)動(dòng)范圍有限，可通過多個(gè)本發(fā)明柔性鉸鏈單元的串聯(lián)構(gòu)成的多個(gè)組合柔性鉸鏈來增加其行程。
請(qǐng)參見圖2所示，本發(fā)明柔性鉸鏈的前視面中左簧片1、右簧片2為扇環(huán)形狀，且左簧片1的前端面102的弧長(zhǎng)短于后端面101的弧長(zhǎng)，右簧片2的前端面202的弧長(zhǎng)短于后端面201的弧長(zhǎng)。
請(qǐng)參見圖3所示，本發(fā)明柔性鉸鏈的仰視面中上剛性片3、下剛性片4可以為扇環(huán)形狀。在本發(fā)明中，只需保證左簧片1、右簧片2的形狀，而對(duì)上剛性片3、下剛性片4的形狀、寬度、厚度不作特定要求。
在本發(fā)明中，左簧片1、右簧片2沿著球面坐標(biāo)系半徑方向的截面厚度是不相等的，它們的截面形狀為以虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心O點(diǎn)為圓心的扇環(huán)，在精度要求較低時(shí)，為了加工方便可將弧線取直。
請(qǐng)參見圖4所示，是一個(gè)采用三個(gè)本發(fā)明柔性鉸鏈單元串聯(lián)構(gòu)成的一個(gè)用于大行程柔性弧形滑軌的柔性鉸鏈(為了方便以下區(qū)別說明，稱作三串聯(lián)柔性鉸鏈)。其結(jié)構(gòu)特征為第一個(gè)柔性鉸鏈單元的上剛性片與第二個(gè)柔性鉸鏈單元的上剛性片連接構(gòu)成A中間剛性片5，第二個(gè)柔性鉸鏈單元的下剛性片與第三個(gè)柔性鉸鏈單元的下剛性片連接構(gòu)成B中間剛性片8。在這個(gè)三串聯(lián)柔性鉸鏈中，動(dòng)剛性片7是第三個(gè)柔性鉸鏈單元的上剛性片，靜剛性片6則是第一個(gè)柔性鉸鏈單元的下剛性片。這三個(gè)柔性鉸鏈單元的虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心點(diǎn)是重合的。當(dāng)靜剛性片6固定在基座上時(shí)，動(dòng)剛性片7可繞著虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍(最大行程)是單個(gè)本發(fā)明柔性鉸鏈單元的3倍。
當(dāng)采用2個(gè)本發(fā)明柔性鉸鏈單元串聯(lián)時(shí)(稱作雙串聯(lián)柔性鉸鏈)，第一個(gè)柔性鉸鏈單元的上剛性片與第二個(gè)柔性鉸鏈單元的上剛性片通過剛性片連接構(gòu)成中間剛性片，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)柔性鉸鏈單元的下剛性片固定在基座上時(shí)，第二個(gè)柔性鉸鏈單元的下剛性片則繞著虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍是單個(gè)本發(fā)明柔性鉸鏈單元的2倍。
當(dāng)采用多個(gè)本發(fā)明柔性鉸鏈單元串聯(lián)時(shí)(稱作多串聯(lián)柔性鉸鏈)，若本發(fā)明柔性鉸鏈單元的數(shù)目為偶數(shù)時(shí)，其結(jié)構(gòu)特征與雙串聯(lián)柔性鉸鏈相似；若本發(fā)明柔性鉸鏈單元的數(shù)目為奇數(shù)時(shí)，其結(jié)構(gòu)特征與三串聯(lián)柔性鉸鏈相似。多串聯(lián)柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍與單個(gè)本發(fā)明柔性鉸鏈單元相比成倍數(shù)增加，可作為大行程的弧線柔性滑軌。
權(quán)利要求
1.一種用于柔性弧形滑軌的具有虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心的柔性鉸鏈，其特征在于由左簧片(1)、右簧片(2)、上剛性片(3)和下剛性片(4)組成，左簧片(1)與右簧片(2)對(duì)稱設(shè)置在上剛性片(3)、下剛性片(4)之間；左簧片(1)、右簧片(2)的上下兩端與上剛性片(3)、下剛性片(4)的八條相交線的延長(zhǎng)線交于虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心O；左簧片(1)的前端面(102)、后端面(101)，與右簧片(2)的前端面(202)、后端面(201)位于中心為虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心O點(diǎn)的同心球面上且位于球面同側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性鉸鏈，其特征在于在球面坐標(biāo)系下左簧片(1)、右簧片(2)平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性鉸鏈，其特征在于前視面中左簧片(1)、右簧片(2)為扇環(huán)形狀，且左簧片(1)的前端面(102)的弧長(zhǎng)短于后端面(101)的弧長(zhǎng)，右簧片(2)的前端面(202)的弧長(zhǎng)短于后端面(201)的弧長(zhǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性鉸鏈，其特征在于左簧片1、右簧片2沿著半徑方向的截面厚度是不相等的，其截面形狀為以虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心O點(diǎn)為圓心的扇環(huán)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性鉸鏈，其特征在于采用2個(gè)所述柔性鉸鏈串接，并將這2個(gè)柔性鉸鏈的虛擬中心點(diǎn)重合，構(gòu)成雙串聯(lián)柔性鉸鏈，其行程為單個(gè)柔性鉸鏈的2倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性鉸鏈，其特征在于采用3個(gè)所述柔性鉸鏈串接，并將這3個(gè)柔性鉸鏈的虛擬中心點(diǎn)重合，構(gòu)成三串聯(lián)柔性鉸鏈，其行程為單個(gè)柔性鉸鏈的3倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性鉸鏈，其特征在于采用多個(gè)所述柔性鉸鏈串接，并將每個(gè)柔性鉸鏈的虛擬中心點(diǎn)重合，構(gòu)成多串聯(lián)柔性鉸鏈，其行程成倍數(shù)增加。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于柔性弧形滑軌的具有虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心的柔性鉸鏈，由左簧片(1)、右簧片(2)、上剛性片(3)和下剛性片(4)組成，左簧片(1)與右簧片(2)設(shè)置在上剛性片(3)、下剛性片(4)之間；左簧片(1)、右簧片(2)的上下兩端與上剛性片(3)、下剛性片(4)的八條相交線的延長(zhǎng)線交于虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心O，所述左右簧片采用變截面設(shè)計(jì)；左簧片(1)的前端面(102)、后端面(101)，與右簧片(2)的前端面(202)、后端面(201)位于中心為虛擬遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心O點(diǎn)的同心球面上。本發(fā)明的柔性鉸鏈可以多個(gè)串接，并將它們的虛擬中心點(diǎn)重合，則可以組成一個(gè)新的組合柔性鉸鏈，其行程成倍數(shù)提高，可作為柔性弧形滑軌使用。
文檔編號(hào)B25J9/00GK101025190SQ20071006516
公開日2007年8月29日 申請(qǐng)日期2007年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月5日
發(fā)明者宗光華, 裴旭, 于靖軍, 畢樹生 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)