[19]中华人民共和国国家知识产权局
[12]发明专利申请公布说明书
[21]申请号200810103512.5
[51]Int.CI.
F16C 11/00 (2006.01)
[43]公开日2008年9月3日[22]申请日2008.04.08[21]申请号200810103512.5
[71]申请人北京航空航天大学
地址100083北京市海淀区学院路37号[72]发明人毕树生 蔡月日 高俊 徐一村 刘聪
[11]公开号CN 1012551A
[74]专利代理机构北京永创新实专利事务所
代理人周长琪
权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页
[54]发明名称
对称式摆动驱动柔性机构
[57]摘要
本发明公开了一种对称式摆动驱动柔性机构，是在驱动臂(7)的两侧以中心线对称设有A渐变摆动臂(1)、B渐变摆动臂(2)，A渐变摆动臂(1)、B渐变摆动臂(2)结构相同，驱动臂(7)与A渐变摆动臂(1)的接合处有A豆形铰(21)，驱动臂(7)与B渐变摆动臂(2)的接合处有B豆形铰(22)；柔性机构的底部中心为半圆弧孔(9)。本发明柔性机构采用整作，具有整体柔性，无摩擦、无间隙，显著降低运动噪音等特点；其中的左右渐变摆动臂在有驱动源的条件下能够实现大驱动转角和在驱动臂根部产生较大驱动转矩。
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权 利 要 求 书
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1、一种对称式摆动驱动柔性机构，其特征在于：在驱动臂(7)的两侧以中心线对称设有A渐变摆动臂(1)、B渐变摆动臂(2)，A渐变摆动臂(1)、B渐变摆动臂(2)结构相同，驱动臂(7)与A渐变摆动臂(1)的接合处有A豆形铰(21)，驱动臂(7)与B渐变摆动臂(2)的接合处有B豆形铰(22)；柔性机构的底部中心为半圆弧孔(9)；
所述A渐变摆动臂(1)从上至下为A渐变摆动体(101)、A固定臂(3)、A链接(5)，A固定臂(3)设置在A渐变摆动体(101)底板面上，A固定臂(3)上设有A安装孔(301)，A固定臂(3)与A渐变摆动体(101)底板面接合处有E中圆铰(15)，A渐变摆动体(101)的渐变下端与A链接(5)的上端接合处有A中圆铰(11)；
所述B渐变摆动臂(2)从上至下为B渐变摆动端(201)、B固定臂(4)、B链接(6)，B固定臂(4)设置在B渐变摆动体(201)底板面上，B固定臂(4)上设有B安装孔(401)，B固定臂(4)与B渐变摆动体(201)底板面接合处有F中圆铰(16)，B渐变摆动体(201)的渐变下端与B链接(6)的上端接合处有B中圆铰(12)；
所述驱动臂(7)从上至下为通孔(701)，C链接(8)，通孔(701)的外缘与C链接(8)上端的接合处有C中圆铰(13)，C链接(8)下端与A豆形铰(21)、B豆形铰(22)接合处有D中圆铰(14)。
2、根据权利要求1所述的对称式摆动驱动柔性机构，其特征在于：A固定臂(3)设在位于A渐变摆动体(101)总长度的2/3处；B固定臂(4)设在位于B渐变摆动体(201)总长度的2/3处。
3、根据权利要求1所述的对称式摆动驱动柔性机构，其特征在于：A渐变摆动臂(1)与水平线的夹角为45°，B渐变摆动臂(2)与水平线的夹角为45°。 4、根据权利要求1所述的对称式摆动驱动柔性机构，其特征在于：B渐变摆动臂(2)的B渐变摆动体(201)的臂长Lb与B渐变摆动体(201)的根部宽度Lg满足：12Lg≤Lb≤18Lg。
5、根据权利要求1所述的对称式摆动驱动柔性机构，其特征在于：B渐变摆动臂(2)的B渐变摆动体(201)的根部宽度Lg与B渐变摆动体(201)的启始端宽度Ld满足：1/3Lg＜Ld＜2/3Lg。
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6、根据权利要求1所述的对称式摆动驱动柔性机构，其特征在于：B豆形铰(22)截面最窄处宽度H与B渐变摆动体(201)的根部宽度Lg满足：1/2Lg≤H≤Lg。 7、根据权利要求1所述的对称式摆动驱动柔性机构，其特征在于：B链接(6)的宽度Ls、C链接(8)的宽度Lq与B渐变摆动体(201)的根部宽度Lg满足：1/2Lg≤Lq≤Lg≤Ll≤3/2Lg。
8、根据权利要求1所述的对称式摆动驱动柔性机构，其特征在于：B中圆铰(12)最窄处宽度DB与B渐变摆动体(201)的根部宽度Lg满足：DB＝1/2Lg。 9、根据权利要求1所述的对称式摆动驱动柔性机构，其特征在于：B豆形铰(22)最窄处宽度H与D中圆铰(14)最窄处宽度DD满足：DD≥H。
10、根据权利要求1所述的对称式摆动驱动柔性机构，其特征在于：B链接(6)与C链接(8)的中心线的夹角γ＝30～60°。
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说 明 书
对称式摆动驱动柔性机构
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技术领域
本发明涉及一种铰链机构，更特别地说，是指一种具有大变形的对称式摆动驱动柔性机构。背景技术
柔性铰链是一种在外部力或力矩的作用下，利用材料的弹性变形产生相对运动的一种运动副结构形式，这与传统刚性运动副的结构有很大不同。较之于传统的刚性铰链机构，柔性铰链及柔性机构具有许多优点：(1)可以整体化(或一体化)设计和加工，故可简化结构、减小体积和重量、免于装配；(2)无间隙和摩擦，可实现低噪声运动；(3)免于磨损，提高寿命；(4)免于润滑，避免污染；但传统的基于金属材料缺口型及其他形式柔性铰链机构运动范围很小，应用定位于微米级和纳米级的微装配、微对准操作，一般能够提供较大的驱动力，但难以适应一些驱动转角范围在几十度且需要提供较大驱动力的场合。发明内容
为了解决现有柔性铰链机构驱动转角范围较小、不能提供较大驱动力场合的缺陷，本发明的目的是提供一种可应用于需求低噪声、大驱动转矩的领域，尤其适合于仿生学柔性驱动领域应用的具有大变形的对称式摆动驱动柔性铰链，更特别的可以应用于仿生微型飞行器及仿生扑翼式水下机器人。该柔性铰链采用弹性材料整体加工成具有对称方式分布的柔性驱动件，两个渐变摆动臂起到驱动梁作用，摆动驱动臂具有较大的转动角度β和较大的驱动力矩。和传统的金属材料柔性铰链机构相比，其转动角度范围有很大的提升，并且在大转角运动情形下能够提供较大的驱动力矩。 本发明是一种对称式摆动驱动柔性铰链机构，在驱动臂7的两侧以中心线对称设有A渐变摆动臂1、B渐变摆动臂2，A渐变摆动臂1与B渐变摆动臂2结构相同，驱动臂7与A渐变摆动臂1的接合处有A豆形铰21，驱动臂7与B渐变摆动臂2的接合处有B豆形铰22；本发明对称式摆动驱动柔性铰链的底部中心为半圆弧孔9。
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所述A渐变摆动臂1从上至下为A渐变摆动体101、A固定臂3、A链接5，A固定臂3设置在A渐变摆动体101底板面上，A固定臂3上设有A安装孔301，A固定臂3与A渐变摆动体101底板面接合处有E中圆铰15，A渐变摆动体101的渐变下端与A链接5的上端接合处有A中圆铰11。A固定臂3设在位于A渐变摆动体101总长度的2/3处。
所述B渐变摆动臂2从上至下为B渐变摆动体201、B固定臂4、B链接6，B固定臂4设置在B渐变摆动体201底板面上，B固定臂4上设有B安装孔401，B固定臂4与B渐变摆动体201底板面接合处有F中圆铰16，B渐变摆动体201的渐变下端与B链接6的上端接合处有B中圆铰12。B固定臂4设在位于B渐变摆动体201总长度的2/3处。
所述驱动臂7从上至下为通孔701，C链接8，通孔701的外缘与C链接8上端的接合处有C中圆铰13，C链接8下端与A豆形铰21、B豆形铰22接合处有D中圆铰14。通孔701用于安装如电机、磁驱动器、人工肌肉驱动器等的输出端。在本发明中，A渐变摆动臂1、B渐变摆动臂2相对于中心线严格对称，且A渐变摆动臂1与B渐变摆动臂2结构相同。B渐变摆动臂2具有的一些特征A渐变摆动臂1也同样具有，为简述方便，只对B渐变摆动臂2进行详细说明。
本发明的对称式摆动驱动柔性机构优点在于：(1)整作，具有整体柔性，无摩擦、无间隙，显著降低运动噪音；(2)左右渐变摆动臂在有驱动源的条件下能够实现大驱动转角和在驱动臂根部产生较大驱动转矩；(3)通过材料弹性和渐变式截面有机结合的驱动臂7，使本发明柔性铰链更接近于自然界扑翼运动动物驱动软骨，适用于仿生学驱动单元制作；同时，利用柔性材料在变形时积累的能量，在柔性铰链恢复原状的驱动过程中有效的降低驱动能耗；(4)左右渐变摆动臂在有驱动源的条件下实现±45°范围运动；(5)本发明柔性机构利用了四杆机构的急回特性，实现左右渐变摆动臂的上扇、下扇的不同速率要求，并且通过改变类四杆机构的柔性臂长度，以及调整左右渐变摆动臂和驱动臂的夹角γ，尤其可以通过改变整个机构非驱动部分的柔性配比，实现不同的驱动特性要求。
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200810103512.5说 明 书 第3/5页
附图说明
图1是本发明对称式摆动驱动柔性机构的立体图。 图2是本发明对称式摆动驱动柔性机构的主视图。 图3是本发明对称式摆动驱动柔性机构的原理图。
图4是在有驱动源的条件下两个渐变摆动体能够实现的摆动运动简示图。 图中：1.A渐变摆动臂 101.A渐变摆动体 2.B渐变摆动臂 201.B渐变摆动体3.A固定臂 301.A安装孔 4.B固定臂 401.B安装孔
5.A链接 6.B链接 7.驱动臂 701.通孔 8.C链接9.半圆弧孔11.A中圆铰 12.B中圆铰 13.C中圆铰 14.D中圆铰15.E中圆铰16.F中圆铰 21.A豆形铰 22.B豆形铰 具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1、图2所示，本发明是一种具有大变形的对称式摆动驱动柔性铰链机构，在驱动臂7的两侧以中心线对称设有A渐变摆动臂1、B渐变摆动臂2，A渐变摆动臂1与B渐变摆动臂2结构相同，驱动臂7与A渐变摆动臂1的接合处有A豆形铰21，驱动臂7与B渐变摆动臂2的接合处有B豆形铰22；本发明对称式摆动驱动柔性铰链的底部中心为半圆弧孔9。
所述A渐变摆动臂1从上至下为A渐变摆动体101、A固定臂3、A链接5，A固定臂3设置在A渐变摆动体101底板面上，A固定臂3上设有A安装孔301(A安装孔301用于实现将柔性铰链与仿生机器人机体连接)，A固定臂3与A渐变摆动体101底板面接合处有E中圆铰15，A渐变摆动体101的渐变下端与A链接5的上端接合处有A中圆铰11。A固定臂3设在位于A渐变摆动体101总长度的2/3处。 所述B渐变摆动臂2从上至下为B渐变摆动体201、B固定臂4、B链接6，B固定臂4设置在B渐变摆动体201底板面上，B固定臂4上设有B安装孔401(B安装孔401用于实现将柔性铰链与仿生机器人机体连接)，B固定臂4与B渐变摆动体201底板面接合处有F中圆铰16，B渐变摆动端201的渐变下端与B链接6的上端接合处有B中圆铰12。B固定臂4设在位于B渐变摆动体201总长度的2/3处。
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所述驱动臂7从上至下为通孔701，C链接8，通孔701的外缘与C链接8上端的接合处有C中圆铰13，C链接8下端与A豆形铰21、B豆形铰22接合处有D中圆铰14。通孔701用于安装如电机、磁驱动器、人工肌肉驱动器等的输出端。 参见图3所示，在本发明中，A渐变摆动臂1、B渐变摆动臂2相对于中心线严格对称，且A渐变摆动臂1与B渐变摆动臂2结构相同。B渐变摆动臂2具有的一些特征A渐变摆动臂1也同样具有，为简述方便，只对B渐变摆动臂2进行详细说明。 B渐变摆动臂2与水平线的夹角β＝45°，即A渐变摆动臂1与水平线的夹角也为45°。
B渐变摆动臂2的B渐变摆动体201的臂长Lb与B渐变摆动体201的根部宽度Lg满足：12Lg≤Lb≤18Lg。
B渐变摆动臂2的B渐变摆动体201的根部宽度Lg与B渐变摆动体201的启始端宽度Ld满足：1/3Lg＜Ld＜2/3Lg。
B豆形铰22截面最窄处宽度H与B渐变摆动体201的根部宽度Lg满足：1/2Lg≤H≤Lg。
B链接6的宽度Ls、C链接8的宽度Lq与B渐变摆动体201的根部宽度Lg满足：1/2Lg≤Lq≤Lg≤Ll≤3/2Lg。
B中圆铰12最窄处宽度DB与B渐变摆动体201的根部宽度Lg满足：DB＝1/2Lg。
B豆形铰22最窄处宽度H与D中圆铰14最窄处宽度DD满足：DD≥H。在本发明中，六个中圆铰的最窄处宽度是相等的，如DB＝DD。
B链接6与C链接8的中心线的夹角γ＝30～60°。该夹角可根据需要调整，不同夹角可构成不同形式的柔性驱动机构，从而与驱动臂的构型和驱动单元的整体柔性相匹配，满足不同的驱动需求。本发明柔性铰链利用了四杆机构的急回特性，实现左右渐变摆动臂的上扇、下扇的不同速率要求，并且通过改变类四杆机构的柔性臂长度，以及调整左右渐变摆动臂和驱动臂的夹角γ，尤其可以通过改变整个机构非驱动部分的柔性配比，实现不同的驱动特性要求。
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参见图4所示，本发明的柔性铰链机构，在有驱动源的情况下，A渐变摆动体101摆动角度β1范围可达到-15°～75°，实现了大变形摆动。B渐变摆动体201摆动角度β2范围可达到-15°～75°，实现了大变形摆动。A渐变摆动体101摆动角度与B渐变摆动体201摆动角度在有驱动源情况下任意时刻都是相等的。 本发明柔性铰链采用浇铸工艺一体加工成型。柔性铰链机构一般选取橡胶(硅橡胶)、或者有机高分子材料等。
本发明柔性铰链机构通过直线驱动器或者旋转偏心驱动器驱动，即在通孔701中连接驱动单元的输出端。在有驱动源的条件下A中圆铰11、B中圆铰12、C中圆铰13、D中圆铰14、E中圆铰15、F中圆铰16均起到回转运动副作用(如图2所示)。A固定臂3和B固定臂4分别通过螺钉与安装孔的配合使柔性铰链固定于仿生机器人机体上。运动和力通过驱动链接传递到D中圆铰14，而后通过A豆形铰21和B豆形铰22近似一致的传递到A链接5和B链接6上。通过A链接5和B链接6带动A渐变摆动体101和B渐变摆动体201产生驱动运动。在采用偏心驱动方式时，A豆形铰21、B豆形铰22与D中圆铰14配合保证左右渐变摆动壁(A渐变摆动臂1、B渐变摆动臂2)摆动运动的近似一致性；在采用直线驱动方式时A豆形铰21、B豆形铰22与D中圆铰14配合仅起到传递运动和力的作用。左右渐变摆动臂起到实际的仿生摆动驱动作用；渐变摆动臂在实际应用中起到驱动翼梁的作用。
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说 明 书 附 图
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图1
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图2
图4
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