一种虎克铰
技术领域
本发明涉及机械零部件领域，其尤其涉及一种虎克铰。
背景技术
在机械设备中，出于其实际运用场景的需要，需要设置能够在平面内的任意转动的U副机构。然而，现有的U副机构在运动过程中，其组成部件之间会发生刚性碰撞的问题。此外，U副机构还存在工作空间小的问题。
文献CN109664329A公开了一种紧凑高刚度虎克铰，该虎克铰由上至下分别设有上U型架、下U型架。上U型架、下U型架分别为虎克铰提供两个维度的旋转轴线，以此使得虎克铰实现不同维度的转动。但是由于各组成部分均为刚性连接，虎克铰的变形范围较小，且无法进行复位。
文献CN106122296A公开了带滚动运动副的虎克铰链机构。在该虎克铰链机构中，其在两端分别设有转动杆和套筒，其中套筒套接在转动杆上，其通过在转动杆与支撑套筒之间使用止推轴承进行连接设计，由此，该虎克铰链较常规的虎克铰增加了一个滚动自由度。然而，根据该结构，其变形范围并未出现实质上的增大，且虎克铰链机构的尺寸较大，不具备复位作用。
发明内容
针对根据现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种具备自复位功能的虎克铰。
该目的通过根据本发明以下形式的一种虎克铰来实现。该虎克铰包括上平台、第一弹性件、复位杆、下平台和支撑架。其中，所述上平台具有位于下端的支撑柱，且所述支撑柱的下端设有沿其轴向向下延伸的导向孔。第一弹性件容纳于所述导引孔且第一弹性件的第一端于所述导引孔的底面相对。所述复位杆具有位于其上端的导引杆部以及位于其下端的限位端面，其中所述导引杆部可滑动地容纳于所述导引孔且抵接所述第一弹性件的第二端。所述下平台的上端面包括与所述限位端面适配的平面部。所述支撑架固定于所述下平台，且所述支撑柱借由所述支撑架可转动地固定于下平台。
其中，在自然状态下，所述限位端面贴合所述平面部，所述支撑柱和所述复位杆竖直分布，且所述第一弹性件处于受压状态；当所述上平台相对于所述下平台转动时，所述平面部压迫所述限位端面而加剧所述第一弹性件的受压程度。
根据以上的虎克铰，在自然状态下，第一弹性件借由自身的弹性作用使得支撑柱和复位杆均处于竖直状态；当上平台与下平台之间发生相对转动时，限位端面与平面部不再完全贴合，取而代之的，限位端面随着上平台的转动而改为由其外缘位置抵接平面部。由此，限位端面被上压而使得复位杆上移，第一弹性件的受压程度进一步加剧。当作用在上平台、下平台的外力释放后，第一弹性件回弹而对支撑柱、复位杆施加压力并使二者各自回复至竖直状态(即自然状态)。
根据本发明的一种优选实施方式，支撑柱的下端设有第一铰接轴，所述支撑架包括横向支撑架和纵向支撑架，所述第一铰接轴可转动地固定于横向支撑架，所述横向支撑架可转动地固定于纵向支撑架，所述第一铰接轴的转动轴线和所述横向支撑架的转动轴线互成角度。优选地，所述第一铰接轴的转动方向垂直于所述横向支撑架的转动方向。由此，上平台能够相对于下平台在两个彼此垂直的维度上转动，提高虎克铰的灵活性。
根据本发明的一种优选实施方式，所述纵向支撑架包括两块竖直分布的支撑板。
根据本发明的一种优选实施方式，所述限位端面的下端面具有凹槽部，所述平面部的上端面设有与所述凹槽部适配的限位凸台部，其中，在自然状态下，所述限位凸台部落入所述凹槽部。
根据本发明的一种优选实施方式，所述导引杆部为空心圆柱，且所述导引孔设有与所述空心圆柱适配的导引柱。
根据本发明的一种优选实施方式，所述复位杆的下端为横截面面积大于所述支撑柱的横截面面积的圆盘，所述凹槽部位于所述圆盘的下端面。在设置了上述形式圆盘后，相较于常规形式的下端的复位杆，上平台相对于下平台转动相同角度后，复位杆上移的距离更大，第一弹性件的受压距离更大，这有助于虎克铰更易于恢复至自然状态。
根据本发明的一种优选实施方式，所述下平台包括位于其上端面的支撑槽和可拆接地容纳于所述支撑槽的凸台，所述限位凸台部位于所述凸台的上端面。
根据本发明的一种优选实施方式，所述上平台的上端面和/或所述下平台的下端面设有限位柱，所述虎克铰还包括位于所述虎克铰的外围的第二弹性件，所述第二弹性件固定于所述限位柱以此连接所述上平台和所述下平台。
根据本发明的一种优选实施方式，所述第一弹性件为弹簧。
根据本发明的一种优选实施方式，所述第二弹性件为弹片。
根据本发明的虎克铰有益效果在于：虎克铰具备自复位功能，结构紧凑，刚度较高且在工作过程中，其各个组成组件不会发生碰撞。在不设置弹片的情况下，虎克铰作为U副机构使用，其具有工作空间大的特点；此外，由于使用转动副连接实现运动，因此其具备良好的抗扭性能，。在设置了弹片的情况下，虎克铰作为球副机构使用，其实现球副的三轴转动功能，且工作空间较现有球铰更大(约150度)。
附图说明
为了更好地理解本发明的上述及其他目的、特征、优点和功能，可以参考附图中所示的优选实施方式。附图中相同的附图标记指代相同的部件。本领域技术人员应该理解，附图旨在示意性地阐明本发明的优选实施方式，对本发明的范围没有任何限制作用，图中各个部件并非按比例绘制。
图1是根据本发明的优选实施方式的虎克铰的总体结构示意图，其中虎克铰处于自然状态；
图2是图1所示虎克铰的分解图；
图3是图1所示虎克铰的上平台的上部部分结构示意图；
图4是图1所示虎克铰的支撑杆、第一弹性件和复位杆的截面示意图；
图5是图1所示虎克铰的支撑架的结构示意图；
图6是图1所示的虎克铰的下平台的结构示意图；
图7、8是示出了处于工作状态的图1所示状态的虎克铰的示意图，其中，图7的上平台相对于横向支撑架发生转动，图8的上平台相对于横向支撑架发生转动，且横向支撑架相对于纵向支撑架发生转动；
图9是示出了根据本发明的另一优选实施方式的虎克铰的总体结构示意图，其中虎克铰处于自然状态；
图10是示出了处于工作状态的图9所示状态的虎克铰的示意图。
附图标记说明：
虎克铰：100；上平台：110；
支撑柱：111；导引孔：112
第一铰接轴：113；固定平台：114；
压盖：115、154；导引柱：116；
限位柱：117、153支撑架：120；
横向支撑架：121；第一铰接孔：122；
第二铰接轴：123；支撑板：124；
弹簧：130；复位杆：140
凹槽部：141；圆盘：142；
环形凸起：143；下平台：150；
支撑槽：151；凸台：152；
限位凸台部：155；弹片：160。
具体实施方式
接下来将参照附图详细描述本发明的发明构思。这里所描述的仅仅是根据本发明的优选实施方式，本领域技术人员可以在所述优选实施方式的基础上想到能够实现本发明的其他方式，所述其他方式同样落入本发明的范围。在以下的具体描述中，例如“上”、“下”、“内”、“外”、“竖直”、“竖向”等方向性的术语，参考附图中描述的方向使用。本发明的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。
图1示出了根据本发明的优选实施方式的虎克铰，图2示出了图1的分解图。如图1、2所示，虎克铰100具有上平台110、第一弹性件、复位杆140、下平台150和支撑架120。参见图3，其示出了根据本发明的虎克铰100的上平台110的上部部分，该上部部分包括固定平台114以及封装固定平台114顶面的压盖115。
参见图4并结合图1、2，其中图4示出了上平台110的支撑柱111以及复位杆140(下文详细描述)的截面示意图。其中，支撑柱111被设置在上平台110的下端。具体地，支撑柱111的顶面可设置螺纹孔，通过诸如螺钉的紧固件，支撑柱111可被固定在上述固定平台114的下方。支撑柱111的下端设有沿其轴向向下延伸的导引孔112。诸如弹簧130的第一弹性件被放置在导引孔112，其中，弹簧130的上端与导引孔112的底端相对。
支撑柱111的下端的外围还设有作为上平台110的铰接支点的第一铰接轴113。
进一步参见图4并结合图1、2，复位杆140具有位于其上端的导引杆部144以及位于其下端的限位端面，其中导引杆部144可滑动地容纳于导引孔112且抵接弹簧130。
在图2、4的优选实施方式中，复位杆140的导引杆部144被设置成了空心圆柱，且所述导引孔112设有与所述空心圆柱适配的导引柱116。弹簧130可套设在导引柱116上。该实施方式中，空心圆柱在沿导引孔112滑动过程中，空心圆柱的外表面贴合导引孔112内的外围；空心圆柱的内表面贴合在导引柱116的外围，因此，导引杆部144在滑动过程不会相对于支撑柱111发生偏转，这将利于上平台110、下平台150在相对转动过程中避免出现不必要的偏差。
可以理解的是，虽然未示出，导引杆部144也可以被设置为实心柱状构件，实心柱状构件优选为实心圆柱状构件。此时，导引孔112内的导引柱116可以被设置成具有较小的长度，以此使其仅用于套设弹簧130以限位弹簧130，此时的导引柱116不会妨碍复位杆140的上移运动；此外，导引柱116还可以被省略。
参见图6，其示出了根据本发明的优选实施方式的下平台150。其中，下平台150的上端面具有与复位杆140的限位端面适配的平面部(即图6示出的下平台150的上端面)。下平台150作为上平台110的支撑结构，其固定有支撑架120。上平台110通过支撑架120可转动地固定在下平台150的上方。
参见图7并结合图1、2，其中，图7示出了根据本发明的一种优选实施方式的支撑架120。其中，支撑架120包括横向支撑架121和纵向支撑架120。横向支撑架121可被设置成大致具有U形的横截面，横向支撑架121的中心位置具有供复位杆140穿过的通孔，以及沿横向延伸且大致竖直分布的两块竖板。竖板上设有与支撑柱111上的第一铰接轴113适配的第一铰接孔122。支撑柱111可绕第一铰接孔122转动。
横向支撑架121的横向两端上还设有第二铰接轴123。纵向支撑架120的上端设有与该第二铰接轴123适配的第二铰接孔。在该实施方式中，纵向支撑架120由两块竖直分布的支撑板124组成，可替换地，纵向支撑架120也可以是呈框架形式的支撑架120。优选地，由第一铰接孔122限定的转动轴线(上平台110/支撑柱111的转动轴线)和由第二铰接孔限定的转动轴线(横向支撑架121的转动轴线)相互垂直。也即，第一铰接轴113的转动方向垂直于横向支撑架121的转动方向。由此，上平台110能够相对于下平台150在两个彼此垂直的维度上转动，提高虎克铰100的灵活性。
参见图4，作为一种优选实施方式，复位杆140的限位端面的下端面设有凹槽部141，并且下平台150的平面部的上端面设有与凹槽部141适配的限位凸台部155。根据弹簧130的弹性系数和虎克铰100的使用环境的外力大小，凹槽部141的深度可被相应地设置成1cm、1.5cm、2cm等等。
优选地，复位杆140的下端被设置成横截面面积大于支撑柱111的横截面面积的圆盘142，其中，复位杆140的凹槽部141位于圆盘142的下端面。
为了进一步提高本发明的虎克铰100的适用性，下平台150可被设置成分体式。具体地，参见图2，下平台150被设置成包括位于其上端面的支撑槽151和可拆接地容纳于支撑槽151的凸台152，其中，限位凸台部155位于凸台152的上端面。其中，凸台152优选由等具有一定润滑作用的材质构成。据此，在虎克铰100需要承受较大的外力环境时，可选配具有较高高度的凸台152，在图1所示的自然状态下，弹簧130具有相对较大的受压长度；在上平台110相对于下平台150转动后(参见图7、8)，弹簧130具有更大的复原力，更利于虎克铰100回复至图1状态。
参见图9、10，其示出了根据本发明的另一种优选实施方式。在该实施方式中，虎克铰100的主体部分与图1-8所示虎克铰100具有相同构造，在此不再赘述，以下仅说明该实施方式所增设部件以及与该增设部件相互作用的部分。
如图9-10、2所示，上平台110的上端面、下平台150的下端面设有限位柱117、153。虎克铰100的外围设有诸如弹片160的第二弹性件，其中弹片160固定于限位柱117、153上以此连接上平台110和下平台150。当上平台110相对于下平台150转动后(参见图10)，弹簧130和弹片160均可以提供将虎克铰100恢复至图9的自然状态的复原力。
以下根据图1、7-10说明根据本发明的虎克铰100的工作原理。在图1、9的自然状态下，复位杆140下端的限位端面贴合下平台150上端的平面部，第一弹性件处于受压状态而分别抵接支撑柱111、复位杆140使二者呈竖直状态。
当上平台110与下平台150之间发生相对转动时而变换至图7、8或10的工作状态下，限位端面与平面部不再保持贴合关系，取而代之的，限位端面随着上平台110的转动而改为由其外缘位置抵接平面部。由此，限位端面被上压而使得复位杆140上移，第一弹性件的受压程度进一步加剧。当作用在上平台110、下平台150的外力释放后，弹簧130回弹而对支撑柱111、复位杆140施加压力并使二者各自回复至竖直状态(即自然状态)。
可以理解的是，在上述设置了圆盘142的优选实施方式后，相较于常规形式的下端的复位杆140，上平台110相对于下平台150转动相同角度后，复位杆140上移的距离将会更大，第一弹性件的受压距离更大，这有助于虎克铰100更易于恢复至自然状态。
对于复位杆140下端的凹槽部141以及与该凹槽部141匹配的限位凸台部155，在图1、9的自然状态下，限位凸台部155恰好完全落入凹槽部141内。此时，限位凸台部155能够对凹槽部141起到一定的限位作用，避免上平台110、下平台150在受到晃动或者其它外力干扰等不期望的外界干扰的情况下使得虎克铰100不必要地脱离自然状态。
参见图4，作为本发明的进一步优选方式，上述凹槽部141优选由环形凸起143限定。其中环形凸起143朝向下平台150的端面被构造成弧形。当凹槽部141越过限位凸台部155后(也即虎克铰100处于工作状态)并要复原时，限位凸台部155能够较为便利的越过环形凸起143而落入凹槽部141。
本发明的保护范围仅由权利要求限定。得益于本发明的教导，本领域技术人员容易认识到可将本发明所公开结构的替代结构作为可行的替代实施方式，并且可将本发明所公开的实施方式进行组合以产生新的实施方式，它们同样落入所附权利要求书的范围内。
