平面复合结构空间大行程柔顺铰链及柔顺并联机构
阅读说明：本技术 平面复合结构空间大行程柔顺铰链及柔顺并联机构 (Planar composite structure space large-stroke flexible hinge and flexible parallel mechanism ) 是由 张宪民 张洪川 吴衍傧 詹镇辉 李海 朱本亮 于 2020-12-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种平面复合结构空间大行程柔顺铰链及柔顺并联机构,其中,平面复合结构空间大行程柔顺铰链包括有铰链本体、固定在铰链本体上的移动副单元和若干转动副单元,其中,移动副单元通过一对固定梁的一对变形梁构成平行四边形结构,变形梁弯曲变形后能够实现对平面内的弯曲运动的传递,再者,转动副单元设置为矩形结构,且转动副单元的厚度与铰链本体的厚度之比不大于0.5,故转动副单元的扭转柔度高,通过其扭转变形能实现平面外的大范围转动,在转动副单元和移动副单元的配合下,使该柔顺铰链得以进行平面外大行程转动和平面内大行程移动的复合运动。(The invention discloses a planar composite structure space large-stroke flexible hinge and a flexible parallel mechanism, wherein the planar composite structure space large-stroke flexible hinge comprises a hinge body, a moving auxiliary unit and a plurality of rotating auxiliary units, wherein the moving auxiliary units and the rotating auxiliary units are fixed on the hinge body, wherein, the mobile auxiliary unit forms a parallelogram structure through a pair of deformation beams of a pair of fixed beams, the deformation beams can realize the transmission of bending motion in a plane after bending deformation, moreover, the rotary auxiliary unit is arranged to be a rectangular structure, and the ratio of the thickness of the rotary pair unit to the thickness of the hinge body is not more than 0.5, so that the rotary pair unit has high torsional flexibility, can realize out-of-plane large-range rotation through torsional deformation, under the coordination of the rotating auxiliary unit and the moving auxiliary unit, the flexible hinge can perform compound motion of out-of-plane large-stroke rotation and in-plane large-stroke movement.)
技术领域
本发明涉及柔顺机构领域，特别涉及一种平面复合结构空间大行程柔顺铰链及柔顺并联机构。
背景技术
柔顺机构指一类利用自身弹性变形传递输入力或位移的机构。由于柔顺机构具备无间隙、无润滑、不需要装配、高精度、高刚度等优点，因此已被广泛应用于航空航天、机械工程、机器人科学、医疗设备等多个领域。
大多数平面结构的柔顺铰链或者机构只能实现其结构所在的平面内的运动，而具有空间运动能力的柔顺机构和铰链往往不是简单的平面结构，这导致空间柔顺机构或柔顺铰链加工困难，不易实现小尺度加工或者制造。
对于上述问题，现有技术中出现了由LET柔顺铰链组成的LEMs柔顺机构，其具备通过平面结构实现平面外空间运动的特点，可以实现较大变形，且加工简单。然而，由于LET柔顺铰链等效的是刚性机构的单自由度关节，这使得LEMs柔顺机构的等效的刚性机构往往是由低运动副构成的空间少自由度机构，因此在设计平面薄片复合的大行程空间多自由度柔顺机构中，LET柔顺铰链就具有无法实现结构平面的法线方向的转动柔度的局限性。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种结构简单且转动柔度高的平面复合结构空间大行程柔顺铰链。
本发明还提供一种具有上述平面复合结构空间大行程柔顺铰链的柔顺并联机构。
根据本发明的第一方面实施例的平面复合结构空间大行程柔顺铰链，包括铰链本体；移动副单元，安装在所述铰链本体上，所述移动副单元具备一对固定梁和一对变形梁，所述固定梁与所述变形梁连接构成平行四边形结构；以及若干转动副单元，分别嵌设在所述铰链本体上，所述转动副单元的横截面形状为矩形，所述转动副单元包括一对长梁和一对短梁，所述长梁的宽度与所述铰链本体的厚度之比不大于0.5。
根据本发明实施例的平面复合结构空间大行程柔顺铰链，至少具有如下有益效果：此平面复合结构空间大行程柔顺铰链，包括有铰链本体、固定在铰链本体上的移动副单元和若干转动副单元，其中，移动副单元通过一对固定梁的一对变形梁构成平行四边形结构，变形梁弯曲变形后能够实现对平面内的弯曲运动的传递；再者，转动副单元设置为矩形结构，其长梁的宽度与铰链本体的厚度之比不大于0.5，使转动副单元具备高的扭转柔度，通过其扭转变形能实现平面外的大范围转动，在转动副单元和移动副单元的配合下，使该柔顺铰链得以进行平面外大行程转动和平面内大行程移动的复合运动。
根据本发明的一些实施例，所述长梁的宽度与所述铰链本体的厚度之比为0.3～0.5。
根据本发明的一些实施例，所述长梁与所述短梁的长度之比为2～5。
根据本发明的一些实施例，所述长梁的宽度小于所述短梁的宽度。
根据本发明的一些实施例，各所述长梁的中段固接在所述铰链本体上，且各所述长梁的两端与所述铰链本体分离。
根据本发明的一些实施例，所述变形梁的宽度与所述长梁的宽度相等，且所述变形梁的长度大于所述固定梁的长度。
根据本发明的一些实施例，所述变形梁与所述固定梁的长度之比的范围为[3，4]。
根据本发明的一些实施例，所述移动副单元的横截面形状为矩形。
根据本发明的一些实施例，各所述转动副单元在所述铰链本体上相互平行。
根据本发明的第二方面实施例的柔顺并联机构，包括末端平台及三组本发明的第一方面实施例的平面复合结构空间大行程柔顺铰链，三组平面复合结构空间大行程柔顺铰链围绕所述末端平台分布并分别与所述末端平台连接，相邻所述平面复合结构空间大行程柔顺铰链之间通过固定结构相连。
根据本发明的第二方面实施例的柔顺并联机构，通过配置本发明的第一方面实施例的平面复合结构空间大行程柔顺铰链，使其在空间三自由度的平动运动得到了实现。
根据本发明的一些实施例，各所述平面复合结构空间大行程柔顺铰链绕所述末端平台等角度分布。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；
图1为本发明实施例的柔顺并联机构的45度角俯视图；
图2为本发明实施例的柔顺并联机构的展开平面图；
图3为本发明实施例的柔顺并联机构的展开工作示意图一；
图4为本发明实施例的柔顺并联机构的展开工作示意图二。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、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，而不是指示或暗示所指的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，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本发明实施例的平面复合结构空间大行程柔顺铰链，包括铰链本体、移动副单元4及若干转动副单元3，其中，铰链本体为金属薄片，移动副单元4和各转动副单元3均安装在铰链本体上。
具体地，移动副单元4则具备一对固定梁和一对变形梁，固定梁与变形梁连接构成平行四边形结构，与此同时，各转动副单元3的横截面形状均为矩形，各转动副单元3分别包括一对长梁和一对短梁，且长梁的宽度与铰链本体的厚度之比不大于0.5。
根据本发明实施例的平面复合结构空间大行程柔顺铰链，其包括有铰链本体、固定在铰链本体上的移动副单元4和若干转动副单元3，其中，移动副单元4通过一对固定梁的一对变形梁构成平行四边形结构，变形梁弯曲变形后能够实现对平面内的弯曲运动的传递；再者，转动副单元3设置为矩形结构，其长梁的宽度与铰链本体的厚度之比不大于0.5，使转动副单元3具备高的扭转柔度，通过其扭转变形能实现平面外的大范围转动，在转动副单元3和移动副单元4的配合下，使该柔顺铰链得以进行平面外大行程转动和平面内大行程移动的复合运动。需要说明的是，以本实施例的平面复合结构空间大行程柔顺铰链所在的平面即为整体机构的参考平面，平面外的转动是指柔顺铰链的末端绕参考平面内某一的轴线转动变形；平面内大行程移动则是指柔顺铰链末端在参考平面内的的移动。
在一些实施例中，各长梁的中段固接在铰链本体上，且各长梁的两端与铰链本体分离；如此设置，各转动副单元3的其中一条长梁的中段为固定段且其两端分别为第一扭转段，另一条长梁的中段为第二扭转段并其两端分别为第三扭转段。更为具体地，为了降低长梁的扭转刚度，使之能够实现平面外大范围的弯曲变形，需要长梁和短梁之间具备较大的比值，此实施例当中的长梁与短梁的长度之比设置为3。进一步地，该实施例中，长梁的宽度和铰链本体的厚度之比为0.3～0.5，如此设置，更好地提高了转动副单元3的扭转柔度，为平面外大范围的弯曲变形的实现提供有效的保障。
更进一步地，此实施例中，变形梁的宽度与长梁的宽度相等，且变形梁的长度大于固定梁的长度，与此同时，移动副单元4的横截面形状为矩形，即移动副单元4呈矩形结构，如此设置，变形梁和固定梁之间相互垂直，利用变形梁的弯曲变形能够实现平面内的弯曲运动的传递。可以理解的是，该实施例中的移动副单元4为窄矩形结构，即变形梁和固定梁之间的长宽比大，以此使变形梁的弯曲刚度降低，方便其实现平面内的弯曲变形，其中，变形梁与固定梁的长度之比具体为3或4。
本实施例的移动副单元4及各转动副单元3均嵌固在作为铰链本体的金属薄片上，移动副单元4、各转动副单元3和金属薄片变形前处于同一平面上。更具体地，各转动副单元3在铰链本体上相互平行，移动副单元4与其中一转动副单元3相连，且移动副单元4的变形梁和转动副单元3的相互垂直。
参照图1至图4，根据本发明的第二方面实施例的柔顺并联机构，包括末端平台2及三组本发明实施例的平面复合结构空间大行程柔顺铰链，三组平面复合结构空间大行程柔顺铰链围绕所述末端平台2分布并分别与末端平台2连接，相邻平面复合结构空间大行程柔顺铰链之间通过固定结构1相连。
根据本发明的第二方面实施例的柔顺并联机构，通过配置本发明实施例的平面复合结构空间大行程柔顺铰链，使其在空间三自由度的平动运动得到了实现。
更为具体地，如图2所示，固定结构1呈片状结构，且各平面复合结构空间大行程柔顺铰链绕末端平台2等角度分布。可以理解的是，为了提高该柔顺并联机构的整体刚度和稳定性，在铰链本体和固定结构1(即非变形区域)上分别覆盖固定块；实际操作中，固定块可采用亚克力块。
如图3，本发明实施例的柔顺并联机构类似于普通Delta机构，为3-RRRRP结构，组成其的平面复合结构空间大行程柔顺铰链中，移动副单元的功能相当于普通Delta机构的平行四杆机构，且位于中部后端的两个转动副和位于一侧的两个转动副配合后实现的功能与普通Delta机构的鱼眼轴承的功能相同；同时，此实施例中，位于两侧的四个转动副单元为共轴转动副，通过冗余约束提高了整体结构的稳定性。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
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