[发明专利]一种平面复合结构空间大行程的柔顺铰链

说明书

本发明公开了一种平面复合结构空间大行程的柔顺铰链，包括用于实现平面外扭转功能的矩形平面单元和用于实现平面内旋转功能的叉形平面单元，所述叉形平面单元是由两条柔性的直梁薄板相交成带有夹角的叉状结构，所述矩形平面单元与叉形平面单元通过外联式或内嵌式连接。本发明克服了现有的平面结构柔顺铰链只能等效单自由度的大行程低运动副及现有的LEMs柔顺机构等效的多自由度柔顺铰链总体行程较小等问题，具有结构简单、易于加工、易于分析计算、等效大行程空间多自由度柔度等优点。

技术领域

本发明涉及柔顺机构的技术领域，尤其是指一种平面复合结构空间大行程的柔顺铰链。

背景技术

柔顺机构的是指一类利用自身弹性变形传递输入力或位移的机构。柔顺机构无间隙、无润滑、不需要装配、高精度、高刚度等优点早已被学者发现并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。而柔顺机构主流设计方法之一是刚体替代法，它的基本思想就是将传统的刚性机构的刚性铰链等效替换成相应的柔顺铰链，进而组成与之对应的柔顺机构。因此柔顺铰链的设计以及新型空间柔顺机构的设计一直是机构学的重点和热点。

近年来，随着柔顺机构在微机电加工技术领域的应用以及发展，具有平面结构的各类柔顺铰链以及柔顺机构均被提出。但大多平面结构的柔顺铰链或者机构也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又不是简单的平面的结构，这样使得空间柔顺机构或者柔顺铰链加工困难，不易实现小尺度加工或者制造。

LET柔顺铰链(LET,Lamina Emergent Torsional Joint)以及由LET柔顺铰链组成的LEMs柔顺机构(LEMs，Lamina Emergent Mechanisms)具有通过特殊的平面结构实现平面外运动的特点，这类柔顺机构引起了柔顺机构领域学者们的广泛关注并引起了重视(详见专利US 9,157,497B1)。LET柔顺铰链具体是一种是由薄板材料加工完成，具有窄边矩形形状的平面结构，它可实现平面外转动，是一类新型单自由度的柔顺铰链。LEMs柔顺机构是一种由LET柔顺铰链组成的柔顺机构，该类柔顺机构亦具有通过平面结构实现平面外空间运动的特点。LET柔顺铰链以及LEMs柔顺机构均可以实现较大变形，且加工简单，既可以用常规方法(如线切割、3D打印、激光切割)制造宏观尺度的机构或设备，也可用微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)领域的微加工技术制造出微观尺度的机构或设备。

LET铰链和LEMs机构为需要实现具备空间移动功能的空间柔顺机构以及空间微柔顺机构提供新的思路，但由于LET柔顺铰链等效的是刚性机构的单自由度关节，这使得LET柔顺铰链构成的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的空间多自由度柔顺机构中，LET柔顺铰链就具有一定的局限性，譬如需要多自由度关节的Delta机构、Gough-Stewart机构以及专利(201810223057.6)中所述的翻转多稳态柔顺机构则无法只用LET柔顺铰链组成上述的等效柔顺机构。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的平面结构柔顺铰链只能等效单自由度的大行程低运动副及现有的LEMs柔顺机构等效的多自由度柔顺铰链总体行程较小等问题，提出了一种平面复合结构空间大行程的柔顺铰链，具有结构简单、易于加工、易于分析计算、等效大行程空间多自由度柔度等优点。

为实现上述目的，本发明所提出的技术方案为：一种平面复合结构空间大行程的柔顺铰链，包括相连的矩形平面单元和叉形平面单元，所述矩形平面单元用于实现平面外扭转功能，该矩形平面单元是由两条柔性的长直梁和两条柔性的短直梁围成的矩形结构，其中一条长直梁的中心处为固定段，其两端分别为第一扭转段，另一条长直梁的中心处为第二扭转段，其两端分别为第三扭转段；所述叉形平面单元用于实现平面内旋转功能，该叉形平面单元是由两条柔性并相交叉的直梁薄板构成的叉状结构，所述叉状结构的外侧与第二扭转段通过外联式连接构成刚度高、结构稳定的三角形结构，用于连接叉状结构与矩形结构并传递力矩。