含柔性铰链柔顺机构的驱动性能分析

以含柔性铰链的平面柔顺曲柄连杆机构为研究对象,建立伪刚体模型.通过对伪刚体模型进行动力学分析,推导出一种新的含柔性铰链的平面柔顺机构驱动力矩的计算方法.算式表明,平面柔顺机构的驱动特性与机构中柔性铰链之间存在着内在关系.根据算例分析结果可知,含柔性铰链的柔顺机构的最大驱动力矩可通过改变柔性铰链的刚度和柔性铰链未发生变形时机构的初始位置来减小.计算了当柔性铰链的刚度及初始位置达到最优时最大驱动力矩的缩减比,为平面柔顺机构的优化设计提供了依据.     

平面柔性铰链机构自动建模方法

从图论的基本概念出发,得到了柔性铰链机构有向图表示,并针对平面柔性铰链机构提出一种改进的双色图表示方法．通过十字链表的数据结构形式将柔性铰链机构的双色图表示映射到计算机中,按照所需的运算顺序遍历双色图,依次调用相应的函数表达式,从而实现了柔性铰链机构运动静力学模型的自动生成．以差分微位移放大机构为例,将基于图表示的平面柔性铰链机构自动建模方法计算结果与有限元仿真分析结果对比,两者的相对误差为4.89％,表明该自动建模方法是可行的．     

柔性铰链的转动精度改进法

传统切口型铰链在转动时存在转动中心的漂移,如果柔性铰链转动角度不是很大,铰链的转动中心在沿轴向的位移远小于在垂直轴线方向的位移时,则可对柔性铰链转动中心漂移模型进行简化.提出了将连接两刚体的两个切口型铰链正交放置且让转动中心轴线重合,以便抑制柔性铰链转动中心漂移的设计方法.引入了平面虚拟转动中心运动机构,实现了铰链之间的虚拟交叉约束.使用此方法可以对不同切口形状的铰链进行改进,以提高铰链的转动精度.设计了圆弧切口和直角切口的组合铰链,通过有限元仿真与传统形式的铰链进行了比较,仿真结果证明了这种方法的有效性.     

直角柔性铰链平行四杆机构的导向位移分析

为了实现对直角柔性铰链单平行四杆机构的精确定位,根据结构的对称性建立了导向位移分析的单支链模型,引入奇异函数法推导了直角柔性铰链单平行四杆机构的导向位移计算公式;利用ANSYS10.0软件对线切割加工的样件进行有限元仿真,分析了实验值与理论计算值及有限元仿真值之间存在误差的原因.结果表明,在弹性变形内,机构的导向位移与外力成近似线性关系;理论模型与有限元法所得结果相近,误差为1.64%,但与实验所得结果存在约5.76%的误差.机构的加工误差、材料的组织缺陷及加工过程中的加工硬化现象等因素都会使得实验值偏离理论值与仿真值.     

基于两种柔性铰链压电陶瓷柔顺微夹钳性能分析

柔顺微夹钳在微操作领域和微装配过程中与被夹持物直接接触,作为微操作和微装配系统中的末端微执行器,对实现微操作和微装配任务起重要的作用。设计一种基于直圆柔性铰链和簧片型等腰梯形柔性铰链的柔顺微夹钳机构,通过理论计算推导出等腰梯形柔性铰链的转动精度和转动刚度。采用压电陶瓷驱动方式,实现了位移的放大和夹爪位移的平行移动。建立了柔顺微夹钳的机械伪刚体模型,并利用伪刚体模型法建立了运动学模型,计算出位移放大倍数,得到了输入力、输入位移与输出位移的关系。通过有限元方法对系统建立的模型进行了仿真分析验证,结果表明理论计算结果与仿真结果一致。     

柔性铰链及其在精密并联机器人中的应用

在总结了柔性铰链及柔性铰链并联结构的概念、类型、特点的基础上,分析了该领域国内外的最新动态及其关键技术,提出了一种新颖的大行程柔性铰链结构,并以此为被动关节,构建了大行程柔性铰链并联机器人,并给出了测试结果.该系统可在立方厘米级的工作空间内达到亚微米级的运动精度.     

基于概率的柔性铰链机构的优化设计

研究了具有随机参数的平面柔性铰链机构的位移放大和刚度性能的优化问题．从概率统计角度出发，将各设计参数看作随机变量，建立了基于概率的柔性铰链机构优化设计模型，并用Monte Carlo模拟法得到了柔性机构性能及一些约束函数的均值和方差，优化设计求解采用Lagrange乘子法，利用分布函数法将模型中的可靠性约束等价处理为常规约束形式，通过优化设计得到了优化设计向量．根据所得优化设计向量分别得到了机构性能的计算结果，结果表明，当设计参数分散性变大时，优化设计结果偏于保守。     

静不平衡测量系统柔性杠杆机构分析优化

以质心投影法为主要测量原理,柔性杠杆机构为桥梁,设计一套多框架机构静不平衡测量系统,分析测量原理特性表明:降低柔性杠杆输出端柔度能够有效提高系统测量精度。基于直圆型柔性铰链封闭方程,建立柔性杠杆的柔度模型,利用有限元分析软件Ansys验证柔度模型的准确性,并通过合理设计优化函数和约束条件,对柔性杠杆机构输入和输出端进行相应优化。结果表明:采用封闭方程建立柔度模型的方法是可行的,其柔度理论值与仿真值误差在9%以内,同时建立的优化函数切实可行,在力臂放大系数变化量仅为2%的前提下,杠杆输出端柔度降低了18.63%,增加了杠杆线性度范围,从而有效提高了静不平衡测量系统测量精度。     

空间三自由度柔顺并联机构设计与仿真分析

刚体替换法是柔顺机构设计重要方法之一。基于刚体替换理论,选取合适的空间机构构型,选用合适的柔性铰链替换刚性运动副,依据KutzbachGrubler理论计算空间并联机构自由度,进而设计了一种三自由度柔顺并联机构微动平台。利用ANSYSWorkbench有限元分析软件对柔性支链和微动平台进行位移和应力分析,并得到动平台输出端节点位移数据,验证了三自由度柔顺并联机构的运动精度满足设计要求。通过分析获得的参数为多自由度柔顺并联机构优化提供了参考,同时可为多自由度柔顺并联机构设计提供借鉴。     

基于柔性机构的机翼前缘变形多目标优化

全柔性机构用于自适应机翼具有实现其形状的连续平滑变形和轻量化等优点。文章根据机翼前缘在不同飞行状态下气动外形要求,以离散体结构拓扑优化为出发点,以目标形状与实际形状的边界曲线之差最小为优化目标,并考虑机构变形要求和刚性要求等问题,建立了多目标优化函数;采用遗传算法(GA)和双向渐进结构优化法(BESO)相结合,应用于Matlab与Ansys,通过二次优化,获得了稳定的最优解,不仅实现编程模块化,而且提高了优化效率。最后,对结果进行Ansys仿真分析和模型实验验证。结果表明:仿真结果和模型实验结果一致,该方法是可行的。     

Simulation optimal design of a compliant mechanism with circular notch flexure hinges based on the equivalent beam methodology

This paper presents an in-depth study of Equivalent beam model (EBM).Firstly three-dimensional (3D) finite element analysis (FEA) model for circular flexure hinge developed by Zettl et al.was verified by the comparison with Smith’s experimental results and the 3D FEA model was feasible within 5.5% error.Then the accuracy of Timoshenko short-beam due to shear force was verified based on finite element method.The results showed that the EBM has good accuracy within 5% error for 1≤r/t≤3.Finally the EBM methodology was applied for the simulation optimal design of a bridge-type compliant mechanism.The results showed that the EBM methodology has very high numerical efficiency and satisfactory accuracy for simulation optimal design of planar compliant mechanism with flexure hinges.     

含有柔顺关节的并联机器人应力分析

为了研究含有柔顺关节的并联机器人系统疲劳寿命和优化设计,基于含有柔顺关节的三自由度平面并联机器人动力学模型,推导动应力理论公式.运用MATLAB软件进行计算,并且与SolidWorks、ANSYS和ADAMS三种软件联合共同构建的仿真模型结果进行了对比.结果表明：理论计算和软件仿真所得的应力值变化趋势总体一致,两者相对误差最大值为6.71%,从而相互验证其基本正确有效.     

Design of single-axis flexure hinges using continuum topology optimization method

The design of compliant hinges has been extensively studied in the size and shape level in the literature.This paper presents a method for designing the single-axis flexure hinges in the topology level.Two kinds of hinges,that is,the translational hinge and the revolute hinge,are studied.The basic optimization models are developed for topology optimization of the translational hinge and the revolute hinge,respectively.The objective for topology optimization of flexure hinges is to maximize the compliance in the desired direction meanwhile minimizing the compliances in the other directions.The constraints for accomplishing the translational and revolute requirements are developed.The popular Solid Isotropic Material with Penalization method is used to find the optimal flexure hinge topology within a given design domain.Numerical results are performed to illustrate the validity of the proposed method.     

Analysis of the Micro-Rotation Compliant Mechanism Based on the Corner-Filleted Flexure Hinges

基于直梁圆角型柔性铰链的小转角柔顺机构

鄢永耀^1,2,刘伟¹ ,颜昌翔¹ ,付锦江^1,2

（1.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 130033;

2.中国科学院大学,北京 100049）

创新点说明：

1）通过对称变换和坐标平移的方法较为简单方便的推导出了直梁圆角型柔性铰链的柔度公式;

2）设计了一种由8个直梁圆角型柔性铰链组成的适用于某快速微调装置中的小转角柔顺机构

研究目的：

根据研究的直梁圆角型柔性铰链柔度公式及小转角柔顺机构力学特性,对某快速微调机构的旋转部分进行结构设计及优化。

研究方法：

1）对称变换及坐标变换的方法（理论计算）;

2）三维建模和有限元分析;

3）建立优化模型及运用matlab软件的fmincon优化指令。

结果：

1）推导了直梁圆角型柔性铰链的柔度公式;

2）设计了小转角柔顺机构,并推导出了工作力矩/刚度的理论公式;

3）根据某快速微调机构的技术要求,进行了结构设计及优化。

结论：

1）本文通过采用对称变换及坐标变换的方法,相比于传统的微积分直接计算更加简单方便的推导出了倒圆角柔性铰链的柔度公式,经验证,理论推导的结果与有限元结果比较大体一致,误差不超过8%。

2）结合此倒圆角柔性铰链的柔度公式,研究出一种一维旋转机构——小转角柔性机构,并推导出工作力矩/刚度的理论公式,分析了结构参数对工作刚度的影响,通过有限元分析及测试实验验证了柔性机构的力矩理论公式准确可靠。

3）根据某空间项目的技术要求,设计了相应的小转角柔性机构,并通过优化模型对此柔性机构进行了尺寸优化使得其满足约束条件的同时工作力矩尽量小。

关键词：柔性铰链,直梁圆角,柔顺机构,刚度,优化,理论模型

     

6-3-3并联机构物理样机结构优化

建立了6-3-3并联机构物理样机结构优化问题的数学模型,提出将有限元算法内嵌到优化算法中的优化模型求解思路.在ANSYS软件平台上,通过建立各零件参数化模型、定义设计变量、约束和目标函数等步骤,在其优化工具箱最终实现各零件结构参数的优化,为该机构物理样机的轻量化设计提供了理论依据.     

Micro-Scale Motion Precision Simulation Method for a New-Type 6-DOF Micro-Manipulation Robot

A new 6-DOF micro-manipulation robot based on 3-PPTTRS parallel mechanisms in combination with flexure hinges is proposed. The design principle of the mechanism is introduced, and the kinematics analysis method based on differentiation is used to get the     

微/纳米定位平台的桥式机构静、动态优化设计

为了解决桥式机构静态性能与动态性能相互制约问题,应用伪刚体模型法,建立桥式机构的静、动力学模型,分析表明:柔性板簧厚度越小、长度越长,桥式机构的静态性能越好,但动态性能就越差;动态性能主要受柔性板簧厚度影响,板簧长度对其影响不大.为了优化桥式机构的静、动态性能,建立该机构总性能的优化模型,并对柔性板簧厚度、长度等几何特征参数进行了优化设计.应用ANSYS,对优化前、后的机构进行了仿真分析,并对机构的静、动态性能进行了试验,结果表明:优化后机构的稳态时间减小为0.032s,比优化前ANSYS仿真缩短了80%,微位移输出减小了40.2%,优化后机构总性能达340.75mm·Hz,比优化前ANSYS仿真提高了74.53%.