可实现高精度和一体化加工的三自由度运动解耦柔顺机构制造技术

一种可实现高精度和一体化加工的三自由度运动解耦柔顺机构，包括基础模块和运动解耦模块，运动解耦模块用于连接基础模块，实现其多个自由度及运动解耦，基础模块为立方体刚性块，作为安装基础和运动输入和输出的接口。运动解耦模块包括四个结构相同的解耦平移铰，每个解耦平移铰包含U形刚性块、解耦刚性块、输出刚性块及若干柔性薄片，四个解耦平移铰围成立方体的四个侧面。八个基础模块在空间中布置于正方体的八个顶点位置。本发明专利技术的运用解耦平移铰，能够极大得消除机构耦合位移的影响；整个机构便于一体化加工，结构紧凑，无需装配；整个机构各向同性，各项输入刚度相同，便于控制；基础模块功能可以随时互换，工作可靠度高，使用寿命长。寿命长。寿命长。

【技术实现步骤摘要】
可实现高精度和一体化加工的三自由度运动解耦柔顺机构


[0001]本专利技术属于先进制造和精密工程
，涉及一种可实现高精度、一体化加工、运动解耦的三自由度的柔顺机构。

技术介绍

[0002]传统刚性机构都是由刚性构件通过运动副连接而成的，相互接触的刚性构件间存在间隙、摩擦和磨损，因此需要润滑且存在回程误差，使得刚性机构运动精度降低、寿命缩短。柔顺机构的出现则从机构设计这一根本角度为解决上述问题提供了全新的、彻底的方法。柔顺机构不像传统刚性机构那样靠运动副来实现全部运动和功能，而主要靠机构中的柔性构件(细杆，薄片等)的变形来实现运动、力和能量的传递和转换。由于降低甚至避免了刚性运动副的使用，因此柔顺机构具有如下优点：装配需求减少，无回程误差，无间隙和磨损，可以实现高精度运动，无摩擦，无噪声，寿命高，无需润滑，运动刚度可调，可用于能量存贮和转化等。因此，柔顺机构被广泛应用于精密工程、微创医疗等领域。然而，目前存在的三自由度空间运动柔顺机构鲜有能同时满足交叉轴运动解耦，可以一体化加工，以及结构紧凑的特点，来降低控制难度，降低加工成本且节省空间。

技术实现思路

[0003]本申请公布一种柔顺机构，同时满足交叉轴运动解耦，可以一体化加工，以及结构紧凑的特点。
[0004]为实现上述专利技术，本申请提出以下解决方案：
[0005]一种可实现高精度和一体化加工的三自由度运动解耦柔顺机构，所述的三自由度运动解耦柔顺机构包括基础模块1和运动解耦模块2。所述的运动解耦模块2用于连接基础模块1，实现基础模块1的多个自由度及运动解耦。所述的基础模块1为立方体刚性块，基础模块1材料厚实，不可发生弹性变形，是整个柔顺机构安装的基础，也是运动输入和输出的接口。
[0006]所述的运动解耦模块2包括4个结构完全一致的解耦平移铰3，分别是解耦平移铰A301，解耦平移铰B302，解耦平移铰C303，解耦平移铰D304，每个解耦平移铰包含1个U形刚性块3001，1个解耦刚性块3004，1个输出刚性块3007以及若干柔性薄片。具体的：
[0007]所述的U形刚性块3001为一带缺口3011的不完整矩形框，整体呈“U”字形，矩形框的框缘具有一定的宽度与厚度，使得整个U形刚性块3001具有较大刚度，不易发生弹性变形。所述的U形刚性块3001为对称结构，缺口3011位于框的一条边上。此处所述的边为具有宽度与厚度的矩形框的框缘，为便于理解采用几何“边”的说法，后文中出现类似说明不再赘述。为便于说明，定义缺口3011所在边的方向为Y轴方向，垂直于缺口3011所在边的边朝向为X方向，按右手螺旋定则确定Z轴的方向，则U形刚性块3001的“U”字形位于XY平面内，“U”字的法向为Z轴方向，缺口截面平行于XZ平面。所述的缺口截面为缺口3011所在边被截去缺口3011后形成的剖面。定义U形刚性块3001中缺口所在边逆时针方向经过的三条边分
别为边a3008、边b3009、边c3010。其中边a3008和边c3010平行于X轴方向，边b3009平行于Y轴方向。
[0008]所述的解耦刚性块3004为一矩形刚性块，其置于U形刚性块3001内部且有2组相对面分别与XY平面和XZ平面平行，称与XZ平面平行的两个面为端面。解耦刚性块3004的两端面分别和U形刚性块3001的缺口截面重合，故可以通过两柔性薄片(3002，3005)将U形刚性块3001和解耦刚性块3004相连。所述的重合关系为所在平面重合，并非构件直接通过面连接到一起，下文类似表述同义。所述的柔性薄片(3002,3005)为矩形薄片且与XZ平面平行，其最窄面与XY平面平行或重合，其中柔性薄片A3002连接U形刚性块3001缺口截面和与之重合的解耦刚性块3004端面，柔性薄片B3005连接U形刚性块3001的另一缺口截面和与之重合的解耦刚性块3004另一端面。
[0009]所述的输出刚性块3007为一矩形刚性块，其空间朝向与解耦刚性块3004一致且置于U形刚性块3001的缺口3011内，输出刚性块3007两端面与缺口截面之间存在一定空隙，因此输出刚性块3007能在缺口中沿Y轴方向移动，此外输出刚性块3007在X轴方向上高出缺口所在边一部分，保证输出刚性块3007在连接基础模块1时不会产生运动干涉。输出刚性块3007通过两柔性薄片(3003,3006)与解耦刚性块3004相连，所述的柔性薄片(3003,3006)为矩形薄片且平行于XZ平面，其最窄面与XY平面平行或重合。其中柔性薄片C一端连接输出刚性块3007端面，另一端连接到解耦刚性块3004朝向缺口的表面，柔性薄片D连接输出刚性块3007的另一端面和解耦刚性块3004朝向缺口的表面。进一步地，解耦平移铰3所有构件在Z轴方向上厚度相等。
[0010]所述解耦平移铰3为一平面机构，XY平面为该解耦平移铰3的所在平面。由于柔性薄片只能在其自由度方向弯曲，解耦平移铰3的输出刚性块3007只能沿Y轴方向有移动的自由度，由于有解耦刚性块3004的存在，解耦平移铰的输出刚性块3007在沿Y轴移动时，几乎不会产生绕Z轴的耦合位移，相比于一般的平行四边形柔顺平移铰具有良好的解耦特性。进一步地，解耦平移铰3在Y方向的宽度和基础模块1的边长相等。
[0011]将2个相同的解耦平移铰A301和B302在空间中成直角布置，具体位置关系如下：二者所在平面互相垂直；解耦平移铰A301的边c3010同时也是解耦平移铰B302的边c3010；解耦平移铰A301的缺口朝向与解耦平移铰B302的缺口朝向相反。如果再依次将解耦平移铰C303加入其中使得其与解耦平移铰B302成直角布置(位置关系与前述相同)，将解耦平移铰D304加入其中使得其与解耦平移铰C303成直角布置(位置关系与前述相同)，则最后解耦平移铰D304也会与解耦平移铰A301成直角布置，则4个解耦平移铰围成立方体的4个侧面，其中解耦平移铰A301和C303缺口朝向一致，解耦平移铰B302和D304缺口朝向一致。
[0012]将上述4个解耦平移铰中A301和C303的输出刚性块3007用刚性梁连接成一整体，B302和D304的输出刚性块3007用刚性梁连接成一整体，将得到的整体称为接口刚性块305，每个运动解耦模块2有两个接口刚性块305，且两个接口刚性块305成空间垂直关系。进一步地，运动解耦模块2的两接口刚性块305外侧表面之间的距离等于基础模块1的边长，故运动解耦模块2总体外廓是一边长等于基础模块1边长的正方体。
[0013]所述的运动解耦模块2通过接口刚性块305与基础模块1相连，连接时接口刚性块305外侧矩形表面固连在基础模块1一面上且运动解耦模块2的4个外轮廓面分别和基础模块1的4个侧面重合。
[0014]将8个基础模块1在空间中布置于正方体的8个顶点位置，按上层到下层，每层按逆时针的顺序编号为：基础模块A101、基础模块B102、基础模块C103、基础模块D104、基础模块E105、基础模块F106、基础模块G107、基础模块H108。用12个运动解耦模块2连接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可实现高精度和一体化加工的三自由度运动解耦柔顺机构，其特征在于，所述的三自由度运动解耦柔顺机构包括基础模块(1)和运动解耦模块(2)；所述的运动解耦模块(2)用于连接基础模块(1)，实现基础模块(1)的多个自由度及运动解耦；所述的基础模块(1)为立方体刚性块，且不可发生弹性变形，是整个柔顺机构安装的基础，也是运动输入和输出的接口；所述的运动解耦模块(2)包括4个结构相同的解耦平移铰(3)，分别为解耦平移铰A(301)、B(302)、C(303)、D(304)，每个解耦平移铰包含1个U形刚性块(3001)，1个解耦刚性块(3004)，1个输出刚性块(3007)以及若干柔性薄片：所述的U形刚性块(3001)为一带缺口(3011)的对称矩形框，整体呈“U”字形，缺口(3011)位于框的一条边上；定义缺口(3011)所在边的方向为Y轴方向，垂直于缺口(3011)所在边的边朝向为X方向，按右手螺旋定则确定Z轴方向，则U形刚性块(3001)的“U”字形位于XY平面内，“U”字的法向为Z轴方向，缺口截面平行于XZ平面；所述的解耦刚性块(3004)为一矩形刚性块，其置于U形刚性块(3001)内部，解耦刚性块(3004)的两端面分别和U形刚性块(3001)的缺口截面重合，通过柔性薄片将U形刚性块(3001)和解耦刚性块(3004)相连；所述的输出刚性块(3007)为一矩形刚性块，其空间朝向与解耦刚性块(3004)一致且置于U形刚性块(3001)的缺口(3011)内，输出刚性块(3007)两端面与缺口截面之间存在空隙，即输出刚性块(3007)能在缺口中沿Y轴方向移动，此外输出刚性块(3007)在X轴方向上高出缺口所在边，保证输出刚性块(3007)在连接基础模块(1)时不产生运动干涉；输出刚性块(3007)的两端均通过柔性薄片与解耦刚性块(3004)相连，其中柔性薄片一端连接输出刚性块(3007)端面，另一端连接到解耦刚性块(3004)朝向缺口的表面，解耦平移铰(3)；所述解耦平移铰(3)为一平面机构，XY平面为该解耦平移铰(3)的所在平面；所述的解耦平移铰(3)所有构件在Z轴方向上厚度相等，且其在Y方向的宽度和基础模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海洋，冷初阳，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：