柔性机构的研究现状及其在仿生领域的应用前景

柔性机构是一种依靠构件元素所具有的柔性来输出全部(或部分)运动或力的机构.由于柔性机构所具有结构紧凑、重量轻、无间隙、无摩擦等优点,使其微定位、MEMS等领域得到广泛的应用.本文介绍了柔性机构理论研究现状和其在实际中的应用情况,以及目前还存在的问题.最后,展望了柔性机构在仿生领域的应用前景.     

全柔性机构在并联微动机器人中的应用

柔性机构，特别是全柔性机构以其特殊的性能在微位移、微操作、微装配等领域得到广泛应用。通过对柔性机构的特点、全柔性微动机器人与普通平面机构、平面并联机构、空间并联机构结合的例子等的介绍，对柔性机构，特别是全柔性机构在微动并联机器人领域的国内外发展现状作了较全面的介绍。指出了目前存在的若干主要问题。     

基于拓扑优化的3-PRPR全柔性并联机构设计及分析

全柔性并联机构具有分辨率高、运动灵活、动态特性好等优点,但其构型设计往往不能满足微定位和精密加工制造领域的需求。基于并联机构原型,以几何约束为条件,设计出与并联机构原型空间运动特性一致的3-PRPR全柔性并联机构。利用Hyperworks软件行拓扑优化,设计出优化后的3-PRPR全柔性并联机构。分别对这两种3-PRPR全柔性并联机构进行有限元及模态分析,仿真结果表明:在实现相同运动特性的前提下,优化后的3-PRPR全柔性并联机构不仅节省材料,而且在刚度和抗振性方面更优于优化前的机构。     

柔性铰链机构设计方法的研究进展

柔性机构历经20年的发展已成为现代机构学一个重要分支,并在精密工程、机器人等领域得到了广泛应用。虽然涌现了一系列柔性机构设计方法与理论,但柔性机构的设计问题仍面临着挑战。主要针对柔性机构在精微领域的应用,从方法和技术的角度全面地概述柔性机构的研究进展。从宏观上对当前几种主流的柔性机构分析与及设计方法(包括伪刚体模型法、结构矩阵法、约束设计法、旋量理论拓扑综合法、模块法、结构优化设计法等)进行总结与比较,按照柔性机构的设计流程详述柔性机构在单元建模、构型综合、机构分析以及尺度综合等方面的国内外研究进展,对柔性机构设计理论的发展进行展望。     

基于ANSYS的3种四杆柔性铰链机构刚度特性分析

单平行四杆柔性铰链机构作为移动副被广泛用于超精密工作台、精密传感器中。超精密工作台依靠其变形产生位移,故刚度特性对其定位精度影响较大。针对3种不同类型的四杆柔性铰链机构,对其刚度进行理论计算,同时,基于有限元软件ANSYS 12.0分析了3种不同类型的四杆柔性铰链机构。通过比较、分析得出了不同的外形尺寸对于四杆柔性铰链机构刚度的影响程度以及3种机构之间的刚度关系,为确定3种机构的适用场合和在MEMS设计过程中柔性铰链的选用提供了依据。     

复合型柔性铰链机构特性及其应用研究

复合型柔性铰链是目前在精密机械中广泛应用的一种新型铰链形式,可作为全柔性和部分柔性机构,应用于存储释放能量以及高频振动等场合.本文概括了复合型柔性铰链的特点,对直梁型、圆弧型和复合型柔性铰链作了分析比较,并采用自由度计算公式,对刚性机构、基于复合型柔性铰链的部分柔性机构和全柔性机构进行了自由度分析,以探讨它们的机构能力和可控性.最后介绍了复合型柔性铰链在微机器人的应用,包括仿生扑翼机构的研制和实验.     

一种三自由度全柔性并联微动激振台的设计

根据工程多维振动模拟的需要,设计了一种非对称全柔性3-RRRP微动并联激振台机构。在普通非对称3-RRRP并联机构基础上,将机构中的普通关节全柔性化,形成新型全柔性微动并联机构,在全柔性并联机构的主动件处施加单自由度的压电陶瓷激振器,设计出全柔性的多维微动激振台,经理论分析,发现该振动台具有三平移的微振动模拟输出。最后,对之进行了ADAMS软件仿真模拟,模拟结果显示,此种全柔性多维微动激振台可以以单层结构实现不同方向单自由度的平动振动模拟,也可以实现多维(二自由度或三自由度)微动振动的模拟输出,且激振输入与振动输出运动学完全解耦,具有相同的振动规律与振动频率,容易控制。     

基于伪刚体模型法的全柔性机构位置分析

柔性机构是一种依靠构件元素的弹性变形传输所希望运动的机构。具有集中柔度的全柔性机构是其中的一种类型，其特征是机构中传统形式的铰链全部被柔性铰链所代替。对它的研究，近年来也已成为一个热点。为探索这类全柔性机构的运动学问题，首先建立起柔性铰链变形刚度模型。在此基础上，提出了一种扩展的伪刚体模型法，很好地解决了机构的位置正、反解问题。     

柔性机构及其应用研究进展

柔性机构自20世纪80年代提出以来迅猛发展,已成为现代机构学一个重要分支。短短不足30年间,柔性机构设计理论的构建与发展,为柔性机构成功应用奠定了坚实基础。随着对柔性及柔性机构认识不断深入,柔性机构得到了广泛应用,不断涌现新的成功实例。继5年前综述了柔性机构设计方法研究进展之后,尝试从应用的视角鸟瞰一下柔性机构的最新进展。通过将柔性机构的主体应用划分为精密工程、仿生机器人、智能材料结构三大主阵地,概述柔性机构在每个阵地中的应用进展及研究热点情况,并对其发展做了展望。对四种最具发展潜力和应用前景的新型柔性机构(胞元式柔性机构、辅助接触式柔性机构、平面折展机构、柔性静平衡机构)进行简单描述。     

3-RPRR类平面全柔性并联机构设计及分析

全柔性并联机构具有空间多自由度运动特性,但其结构尺寸往往不能满足微纳精密加工与制造领域的需求,具有明显的局限性。基于同构型全柔性并联机构,以几何约束为条件,设计出具有与同构型全柔性并联机构空间运动特性一致的3-RPRR类平面全柔性并联机构。建立3-RPRR全柔性并联机构和3-RPRR类平面全柔性机构三维模型。采用Hyperworks软件对两种机构整体进行有限元分析,并结合虚功原理推导出两种全柔性构型的静刚度模型。最后对两种机构进行模态分析。研究结果表明,3-RPRR类平面全柔性并联机构在刚度、抗干扰性以及抗振性方面均优于其同构型的全柔性并联机构。     

基于转动约束策略的柔顺机构拓扑优化

柔顺机构在航天航空、生物医疗、及仿生机器人等高新科技领域的精密微机械系统中拥有巨大的应用潜力。目前,拓扑优化是柔顺机构构型设计的主要方法之一。为了解决传统柔顺机构拓扑优化设计中存在虚铰的问题,首先,将旋转角引入柔顺机构构型设计中,以旋转角为观测指标,分析拓扑优化结果中存在虚铰的原因。其次,通过约束设计域内的旋转角平方的平均值不超过许用值,建立无铰链式柔顺机构拓扑优化模型,并且利用伴随法推导与之相应的灵敏度分析列式。最后,采用反向位移机构与柔性夹钳这两个经典算例的拓扑优化设计验证了所提优化模型的可行性和有效性。研究结果表明：基于转动约束策略获得的具有类桁架构型无铰链式柔顺机构,虽然在输入位移与输出位移方面表现出一定程度的减少,但避免了局部应变过大、应力集中问题的出现。     

纳米级精度柔性机器人的设计方法及实现研究

从材料、几何结构、柔性铰链、驱动器、运动与负载及加工等几个方面总结了面向精密作业的柔性机器人设计准则。对柔性机器人的设计方法进行了探讨。以精密作业中的具体应用为例，依据这些设计方法与准则，从机械本体和驱动器控制2个方面详细描述了可实现纳米级精度的3自由度柔性机器人样机设计的具体实现过程，设计结果满足任务要求。     

Spring-joint method for topology optimization of planar passive compliant mechanisms

There is seldom approach developed for the initial topology design of flexure-based compliant mechanisms. The most commonly-used approaches, which start with an existing rigid-body mechanism, do not consider the performances between different topologies. Moreover, they rely heavily on the rigid-body topology, therefore limit the diversity of compliant mechanisms topology. To obtain the optimal initial topology of such mechanisms directly from problem specifications without referencing to the existing mechanism topologies, a spring-joint method is presented for a restricted class of the serial passive flexure-based compliant mechanisms, which are the building blocks of parallel compliant mechanisms. The topology of the compliant mechanisms is represented by a serial spring-joint mechanism（SSJM） that is a traditional rigid-body mechanism with a torsional spring acting on each joint, and is described by position vectors of the spring-joints. A simplified compliance matrix, determined by the position vectors, is used to characterize the tip of the SSJM kinematically, and is optimized to ensure the desired freedoms of the compliant mechanisms during optimization. The topology optimization problem is formulated as finding out the optimal position of the spring-joints in a blank design domain with an objective function derived from the simplified compliance matrix. In design examples, syntheses of the compliant mechanisms with both single freedom and two decoupled freedoms are presented to illustrate the proposed method. The proposed method provides a new way for the initial design of flexure-based compliant mechanisms.     

MEMS微型柔性力-位移传动机构设计

为了提高微机电系统中微执行器的作用距离,设计了一种全硅结构的微型柔性力-位移传动机构,用于放大微执行器的输出位移。建立了传动机构的简化力学模型和有限元模型,并对机构性能的影响因素进行了分析。用深层反应离子刻蚀工艺在硅隔离衬底上成功制备了电热微执行器-微型柔性传动机构样机,并进行测试。结果表明,柔性力-位移传动机构能够有效地放大微执行器的输出位移,实测放大倍数达到18.9,可以极大地扩展微机电系统微执行器的应用范围。     

A 3-DOF Pseudo-Rigid-Body Model for Tension-Based Compliant Bistable Mechanisms

Compliant bistable mechanisms, devices with two distinct stable equilibrium positions, are used in a variety of applications, such as switches, clasps, and valves. Many kinds of compliant bistable mechanisms were proposed and studied during the past decade. Among them, tension-based compliant bistable mechanisms, that incorporate tension pivots as their flexible members, feature in short travel distance and low power consuming. So far, the design of this kind of bistable mechanisms is done using finite element method through trial and error, thus is time-consuming. By treating the tension pivots as fixed-guided segments and their elongation as a spring, we developed a novel three degree-of-freedom (3-DOF) pseudo-rigid-body model (PRBM) for this kind of bistable mechanisms. The principle of virtual work is used to derive the force-deflection relationship of the PRBM model. The comparison between the PRBM results and the experimental results of the force-deflection characteristics shows that the PRBM can predict not only the bistable behavior of the tension-based bistable mechanisms, but also their soft spring-like post-bistable behavior and the spring-like force-deflection characteristics when pulling in the reverse direction from the as-fabricated position, which is called reverse behavior. The 3-DOF PRBM can be used to design and identify tension-based bistable mechanisms. Using the PRBM instead of the trial-and-error method can greatly reduce the development time of this kind of bistable mechanisms.     

基于双向渐进结构优化法的柔性机构设计

基于双向渐进结构优化法提出一种面向柔性机构的拓扑优化设计策略。由于采用0/1离散拓扑设计变量和启发式变量更新机制,双向渐进结构优化法一般适用于结构刚度相关的凸优化设计问题。柔性机构以最大化驱动端的位移为设计目标,属于典型的非凸优化问题,难以直接应用该方法开展相应的设计。针对于此,通过定义一种由驱动位移和刚度特性（柔顺度）加权平均的优化目标函数,实现基于双向渐进结构优化法的柔性机构设计。该优化目标函数具有双重功效：（1）通过逐步（设计迭代步）衰减刚度特性的贡献,实现优化问题由刚度设计向驱动设计的动态演化,可应用双向渐进结构优化法开展机构的拓扑构型设计;（2）通过调节加权系数,实现对设计机构的驱动性能和刚度特性的灵活匹配调控,可有效抑制铰链的形成、防止应力集中引起的失效。典型算例的设计结果显示,提出的发展的演化式设计策略可实现稳健且高效的柔性机构设计。     

Analysis of frequency characteristics of compliant mechanisms

Much work is needed for a further study on the dynamic analysis of compliant mechanisms to improve their performance and operational accuracy. This paper uses the finite element method to develop a dynamic equation of the compliant mechanism. Natural frequencies and modes are derived. Using the differentials of a stiffness matrix to design parameters, a method for calculating the sensitivity of natural frequency is presented. The numerical simulation results indicate that the design parameters have an impact on the frequency characteristics of the compliant mechanisms and the proposed method is more accurate and convenient for analyzing frequency characteristics.