球面三自由度轉動柔性機構的製作方法
2023-05-28 02:34:56 2
本發明涉及一種柔性機構。屬於精密定位領域，具體來說，是一種基於球面的具有大變形、高精度、運動解耦的三自由度轉動柔性機構。
背景技術：
柔性機構是指在外部載荷的作用下，利用材料的彈性變形在相鄰剛體間傳遞力和能量，從而產生相對平移或轉動的一種結構形式。與傳統的剛性機構相比，柔性機構由一塊材料整體切割而成，其利用材料的彈性變形產生旋轉運動，與傳統轉動單元相比不需裝配沒有間隙和摩擦，因此能實現更高的轉動精度，同時避免磨損，提高壽命，免於潤滑，避免汙染。可應用於各種精密定位以及為姿態調整等領域。
三自由度轉動柔性機構具有大變形、高精度等特點，有著較大的應用需求。然而現有三維轉動機構或為缺口型，精度不高，行程小；或為複雜的並聯柔性機構，行程較小，工作空間中存在杆件幹涉，且整體裝配誤差大。
技術實現要素：
本發明針對現有三自由度轉動機構構型單一，轉動剛度、徑向剛度、行程、轉動精度等綜合性能有待提高等問題，提出了一種基於球面的三自由度轉動柔性機構，由3條中心對稱的柔性支鏈並聯構成，每條支鏈由位於球面的X、Y、Z三方向的柔性鉸鏈串聯而成，具有設計緊湊、行程大、剛度大、承載能力高、運動解耦等特點。
本發明的優點在於：
1、三條支鏈以並聯形式對稱布置，使整體機構具有並聯機構剛度高的特點，且承載能力加強，固有頻率較高。
2、每條支鏈由位於球面的X、Y、Z三方向的柔性鉸鏈串聯而成，具有運動解耦的優點。
3、靜平臺與輸入端鉸鏈位於內層球殼，動平臺與輸出端鉸鏈位於外層球殼，各鉸鏈沿各自球面發生旋轉運動，避免相互幹涉。
4、本發明設計的機構為中空結構，利於減輕重量，並且易於加工。
5、本發明設計的球面三自由度轉動柔性機構可由3D列印製造而成。
6、本發明設計的球面三自由度轉動柔性機構在轉動剛度、徑向剛度、行程、轉動精度上具有良好的綜合性能。
附圖說明
圖1為本發明球面三自由度轉動柔性機構整體結構等軸測圖。
圖2為本發明球面三自由度轉動柔性機構三條支鏈爆炸圖。
圖3為本發明球面三自由度轉動柔性機構整體球面示意圖。
圖4位本發明球面三自由度轉動柔性機構XYZ支鏈3示意圖。
圖5為本發明球面三自由度轉動柔性機構YZX支鏈4示意圖。
圖6為本發明球面三自由度轉動柔性機構ZXY支鏈5示意圖。
圖中：
1-靜平臺 2-動平臺 3-XYZ支鏈
4-YZX支鏈 5-ZXY支鏈 301-A鉸鏈
302-B鉸鏈 303-C鉸鏈 304-A連接塊
305-B連接塊 401-D鉸鏈 402-E鉸鏈
403-F鉸鏈 404-C連接塊 405-D連接塊
501-G鉸鏈 502-H鉸鏈 503-I鉸鏈
504-E連接塊 505-F連接塊 601-A簧片
602-B簧片 603-C簧片 604-D簧片
605-E簧片 606-F簧片 607-G簧片
608-H簧片 609-I簧片 610-J簧片
611-K簧片 612-L簧片 613-M簧片
614-N簧片 615-O簧片 616-P簧片
617-Q簧片 618-R簧片
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明。
參見圖1、圖2所示，本發明球面三自由度轉動柔性機構，由靜平臺1、動平臺2、XYZ支鏈3、YZX支鏈4與ZXY支鏈5構成，每條支鏈由三個柔性鉸鏈串聯而成，共9個柔性鉸鏈，每個柔性鉸鏈均由兩個簧片組成。本發明的球面三自由度轉動柔性機構具有一個虛擬的轉動中心，其位於球體中心O上，在O點建立XYZ坐標系。
坐標系XYZ中，靜平臺1固定不動。與靜平臺1通過剛體連接的A鉸鏈301、D鉸鏈401與G鉸鏈501為運動輸入端，分別引出三條並聯支鏈：XYZ支鏈3、YZX支鏈4與ZXY支鏈5，如圖2所示。每條支鏈均由X、Y、Z三個旋轉方向上的不同柔性鉸鏈通過剛體連接塊串聯而成，三條支鏈的末端C鉸鏈303、F鉸鏈403與I鉸鏈503，通過剛體與動平臺2連接，如圖2所示。
圖1中，靜平臺1與動平臺2分別屬於兩個同心(轉動中心為O點)的球殼，靜平臺1位於內球殼，動平臺2位於外球殼上。兩同心球殼間為了防止運動幹涉，具有一定間隙，且為了方便所有鉸鏈的加工與製造，兩球殼厚度相同。在圖3中，所有鉸鏈均位於該兩個同心球殼上，其中A鉸鏈301、D鉸鏈401與G鉸鏈501位於內層球殼，其它B鉸鏈302、C鉸鏈303、E鉸鏈402與F鉸鏈403，以及H鉸鏈502、I鉸鏈503均位於外層球殼上。位於內層球殼的A鉸鏈301與位於外層球殼的F鉸鏈403中心過X軸，均位於X軸負半軸，其在YOZ平面投影重合(完全重合的十字交叉型)。位於內層球殼的D鉸鏈401與位於外層球殼的I鉸鏈503中心過Y軸，且位於Y軸負半軸，其在XOZ平面投影相重合(完全重合的十字交叉型)。位於內層球殼的G鉸鏈501與位於外層球殼的C鉸鏈303中心過Z軸，均位於Z軸負半軸，其在XOY平面投影重合(完全重合的十字交叉型)。在外層球殼上的B鉸鏈302的中心位於Y軸正半軸，其在XOZ平面投影為相互垂直的十字交叉型，E鉸鏈402的中心位於Z軸正半軸，其在XOY平面的投影為相互垂直的十字交叉型，H鉸鏈502的中心在X軸正半軸上，其在YOZ平面的投影為相會垂直的十字交叉型。
在三條並聯支鏈的布置上，如前述為三條外形構造完全一樣的支鏈：XYZ支鏈3、YZX支鏈4與ZXY支鏈5。整體結構緊湊，各支鏈分別由兩個位於外層球殼的柔性鉸鏈與一個位於內層球殼的柔性鉸鏈串聯而成。分內外層球殼，保證各構件旋轉時在既定球面上運動，避免相互幹涉。
參見圖4，所述XYZ支鏈3由A鉸鏈301通過剛體A連接塊304與B鉸鏈302串聯，B鉸鏈302再通過B連接塊305與C鉸鏈303串聯而成。A鉸鏈301、B鉸鏈302、C鉸鏈303的轉軸分別與X、Y、Z軸重合，兩兩垂直且均相交於O點(旋轉中心)。
串聯的三個鉸鏈中，B鉸鏈302與C鉸鏈303均位於外層球殼，為避免鉸鏈運動時與其它構件發生幹涉，B連接塊305為外層球殼面裁剪而成；而A鉸鏈301位於內層球殼，其與B鉸鏈302所在球殼層不同，通過階梯狀的曲面剛體塊A連接塊304將內外層球殼上的A鉸鏈301與B鉸鏈302連接在一起。為了實現運動解耦，A鉸鏈301、B鉸鏈302與C鉸鏈303的結構參數均相同。A鉸鏈301由A簧片601與B簧片602在球面上關於簧片中心呈90度交叉組成；B鉸鏈302由C簧片603與D簧片604在球面上關於簧片中心呈90度交叉組成；球面上的E簧片605與F簧片606關於簧片中心呈90度交叉組成C鉸鏈303。當輸入端，即與靜平臺1相連的A鉸鏈301繞X軸順時針(逆時針)旋轉時，動平臺具有繞X軸轉動的一個自由度，可繞X軸順時針(逆時針)轉動相同角度。
參見圖5，所述YZX支鏈4由D鉸鏈401通過剛體C連接塊404與E鉸鏈402串聯，E鉸鏈402再通過剛體D連接塊405與F鉸鏈403串聯而成。D鉸鏈401、E鉸鏈402、F鉸鏈403的轉軸分別與Y、Z、X軸重合，兩兩垂直且均相交於O點(旋轉中心)。
串聯的三個鉸鏈中，E鉸鏈402與F鉸鏈403均位於外層球殼，為避免鉸鏈運動時與其它構件發生幹涉，D連接塊405為外層球殼面裁剪而成；而D鉸鏈401位於內層球殼，其與E鉸鏈402所在球殼層不同，通過階梯狀的曲面剛體塊C連接塊404將內外層球殼上的D鉸鏈401與E鉸鏈402連接在一起。為了實現運動解耦，D鉸鏈401、E鉸鏈402與F鉸鏈403的結構參數均相同。D鉸鏈401由G簧片607與H簧片608在球面上關於簧片中心呈90度交叉組成；E鉸鏈402由I簧片609與J簧片610在球面上關於簧片中心呈90度交叉組成；球面上的K簧片611與L簧片612關於簧片中心呈90度交叉組成F鉸鏈403。當輸入端，即與靜平臺1相連的D鉸鏈401繞Y軸順時針(逆時針)旋轉時，動平臺具有繞Y軸轉動的一個自由度，可繞Y軸順時針(逆時針)轉動相同角度。
參見圖6，所述ZXY支鏈5由G鉸鏈501通過剛體E連接塊504與H鉸鏈502串聯，H鉸鏈502再通過剛體F連接塊505與I鉸鏈503串聯而成。G鉸鏈501、H鉸鏈502、I鉸鏈503的轉軸分別與Z、X、Y軸重合，兩兩垂直且均相交於O點(旋轉中心)。
串聯的三個鉸鏈中，H鉸鏈402與I鉸鏈403均位於外層球殼，為避免鉸鏈運動時與其它構件發生幹涉，F連接塊505為外層球殼面裁剪而成；而G鉸鏈501位於內層球殼，其與H鉸鏈502所在球殼層不同，通過階梯狀的曲面剛體快E連接塊504將內外層球殼上的G鉸鏈501與H鉸鏈502連接在一起。為了實現運動解耦，G鉸鏈501、H鉸鏈502與I鉸鏈503的結構參數均相同。G鉸鏈501由M簧片613與N簧片614在球面上關於簧片中心呈90度交叉組成；H鉸鏈502由O簧片615與P簧片616在球面上關於簧片中心呈90度交叉組成；球面上的Q簧片617與R簧片618關於簧片中心呈90度交叉組成I鉸鏈503。當輸入端，即與靜平臺1相連的G鉸鏈501繞Z軸順時針(逆時針)旋轉時，動平臺具有繞Z軸轉動的一個自由度，可繞Z軸順時針(逆時針)轉動相同角度。
對於上述結構球面三自由度轉動柔性機構來說，可通過驅動A鉸鏈301、D鉸鏈401、G鉸鏈501，使柔性機構動平臺2相對柔性機構靜平臺1具有繞X軸轉動和繞Y軸轉動以及繞Z軸轉動的3個自由度，其一個突出優點是三維轉動運動解耦。
本發明採用的球面柔性鉸鏈301、302、303與401、402、403，以及501、502、503共9個鉸鏈沿轉軸投影為十字交叉型，也可以根據實際需要設計成其他球面柔性鉸鏈，但需要滿足轉軸的相對位置關係。