[发明专利]一种纯滚动接触的RCM柔性铰链

说明书

本发明公开了一种纯滚动接触的RCM(Remote Center of Motion)柔性铰链结构，主要用于精密传动领域，可用作需承受较大压力载荷的转动副。其特征包括：固定端滚动刚体模块，中间滚动刚体模块，载荷端滚动刚体模块，以及柔性连接模块。实现方法包括：通过设计铰链整体外形为等腰梯形，使其的转动轴心位于z轴远点处，形成虚拟转动中心机构，进而降低轴心偏移对转动位姿的影响；通过改进柔性纯滚动接触机构，将其模块化，并以此取代普通柔性铰链的簧片结构，增大其压力承载能力，进而延长其使用寿命；通过交叉安装的簧片组固连各滚动刚体模块，利用簧片的柔性特征约束滚动刚体的运动轨迹，保证其纯滚动接触，消除滑移、摩擦等因素的影响。本发明可广泛用于精密传动中。

技术领域

本发明属于精密传动领域，涉及一种虚拟转动中心的整体机构构型，具体来说，是一种基于纯滚动接触模块的RCM(Remote Center of Motion)柔性铰链。

背景技术

在现今的科技背景下，转动定位平台和多关节机构的精密控制需要各铰链结构的转动作为支撑，尤其在平衡调节及微小调节中，对铰链传动的稳定性和精确性有更高的要求。因此，应设计一种高精度高稳定性的铰链结构，以满足日益发展的精密仪器产业的需求。

相比于传统铰链结构，柔性铰链具有无摩擦、承载力高、可一体化加工等优点，因此受到广泛研究及应用。其中，RCM柔性铰链更因其具有远距虚拟转动中心的特性，在转动过程中轴心位置偏移较小，且在一定条件下弯矩刚度近似为常值，兼具良好的灵敏度和精度。尤其是载荷作用点低于其转动轴心时，RCM柔性铰链稳定性较好，具有快速回稳的特性。然而，一般的RCM铰链由簧片连接支撑固定端与载荷端，承载能力较弱。为此，需引入刚体结构作为支撑，在保证原有柔性铰链转动刚度较小、精度高的前提下，增大其承载能力。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明通过将纯滚动转动模块应用于RCM结构，提出一种兼具高精度与大承载能力的柔性铰链，使其得以用于精密仪器的传动结构。

(2)技术方案

本发明提供了一种纯滚动刚体支撑的RCM柔性铰链，即在保留RCM柔性铰链的整体结构的同时，利用两曲面轮廓相切的刚体进行纯滚动时的转动特性，引入纯滚动刚体模块，代替簧片承担载荷，进而增大该柔性铰链的承载能力。其中簧片用作模块间的连接组合，并利用其柔性特征对刚体模块纯滚动进行约束。每两个簧片为一组，通过在滚动刚体前后两侧的交叉安装完成约束目的。

可选地，根据柔性铰链目标转角和刚度特性确定簧片尺寸及材料，并根据其挠度曲线设计其固定面的圆角轮廓。

可选地，刚体轮廓以实现曲线相切为要求，可设计圆弧、椭圆线及渐开线三种轮廓曲线，并分别设计了三种不同的簧片安装要求，以对不同轮廓的刚体纯滚动模块进行约束。

可选地，在固定端及载荷端支架上设计安装孔，以不影响各刚体相对位置为前提条件，同时保证不会对铰链转动产生干涉。

(3)本发明的优点

RCM柔性铰链是柔性机构与RCM概念结合，具有虚拟转动中心，结构简单，具有大行程、高精度的特点；

两个簧片一组的交叉约束结构保证了滚动刚体的运动路径，同时具有稳定性高、响应时间短等优点；

滚动刚体模块起到了承担载荷的作用，避免了一般RCM铰链的簧片直接承载的状况，有利于提高转动精度高、延长使用寿命长。

附图说明

图1为本发明纯滚动接触的RCM柔性铰链各不同模块沿z轴爆炸分离后的示意图；

图2为本发明纯滚动接触的RCM柔性铰链的结构示意图；

图3为本发明固定端纯滚动接触模块示意图；