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柔顺铰链的精度特性分析

机械设计与研究 2009年第4期25卷 37-39,43页

作者：陈知泰深圳职业技术学院机械基础实验室深圳518055

以椭圆型铰链为基础,推导了单轴柔性铰链的几何中心偏移和转角计算公式,提出了将柔性铰链几何中心转角与偏移之比为精度系数这一概念,为定量地比较或设计柔性铰链提供了依据。通过椭圆型铰链结构参数变化算例,系统地比较了柔性铰链精度... 详细信息

以椭圆型铰链为基础,推导了单轴柔性铰链的几何中心偏移和转角计算公式,提出了将柔性铰链几何中心转角与偏移之比为精度系数这一概念,为定量地比较或设计柔性铰链提供了依据。通过椭圆型铰链结构参数变化算例,系统地比较了柔性铰链精度系数与其结构参数的关系,结果表明圆型铰链具有相对运动精度高的特性。

关键词：柔顺铰链柔顺铰链精度精度系数

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柔顺铰链连杆机构的位移计算

华中理工大学学报 2000年第12期28卷 64-65,69页

作者：谢先海廖道训刘锋华中理工大学机械科学与工程学院

针对柔顺机构柔性构件的特点 ,研究了非迭代的一步计算方法在柔顺铰链连杆机构的应用问题 ,利用线性方法分析了柔顺铰链连杆机构位移 ,导出了正确的公式 ,给出了一个算例 .

关键词：柔顺机构柔顺铰链线性法位移计算

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柔顺铰链的结构设计、仿真及实验研究

柔顺铰链的结构设计、仿真及实验研究

作者：崔忠炜北京工业大学

学位级别：硕士

近年来，并联机器人是机器人领域发展起来的重要新分支，它具有刚度大、精度高、承载能力强等优点，但由运动副带来的间隙、摩擦、冲击等问题使其工作性能不能满足现代科技发展的要求。将柔顺铰链应用到并联机器人中，取代传统运动副，... 详细信息

近年来，并联机器人是机器人领域发展起来的重要新分支，它具有刚度大、精度高、承载能力强等优点，但由运动副带来的间隙、摩擦、冲击等问题使其工作性能不能满足现代科技发展的要求。将柔顺铰链应用到并联机器人中，取代传统运动副，可从根本上解决此难题。目前，国内外研究主要集中在柔性铰链及微操作并联结构的性能分析和设计上，而对并联机器人中应用的柔顺铰链设计却很少。因此，开展柔顺铰链并联机器人的研究就成为当前机构学及机器人学领域的前沿课题。本文以柔顺铰链并联机器人为研究对象，进行了柔顺铰链的结构设计、仿真和实验研究，主要研究内容包括以下几方面：首先，基于3-RRR平面刚性并联机器人的结构特点，以65Mn弹簧钢为材料，设计、加工了扭簧式柔顺铰链和缺口型柔顺铰链，将其用于替代传统的刚性转动副，并对机构重新进行了机器人结构参数调整，从而构成了柔顺铰链并联机器人的机构系统。其次，运用SolidWorks和ADAMS软件建立了柔顺铰链并联机器人的仿真模型，并进行了运动仿真研究，将仿真轨迹与理论轨迹进行了分析与对比，结果表明柔顺铰链在并联机器人中的应用可以很好的进行力的传递。最后，在搭建的柔顺铰链并联机器人实验控制系统上，采用Optotrak和线尺数据采集方法对以扭簧式柔顺铰链和缺口型柔顺铰链构成的柔顺铰链并联机器人开展了运动仿真和轨迹跟踪实验研究，检验了两种柔顺铰链替代传统转动副的可行性;通过实验数据对比与分析，验证了扭簧式柔顺铰链在系统中的优越性。

关键词：柔顺铰链并联机器人结构设计仿真实验

基于对称型柔顺铰链的三自由度微定位平台设计与分析

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机械设计与研究 2016年第5期32卷 59-63页

作者：卢清华张财喜何琼佛山科学技术学院机械与电气工程学院广东佛山528000

通过对一种新型柔顺铰链进行分析,设计一种基于对称型柔顺铰链的三自由度微定位平台。首先,采用ANSYS有限元方法,对一种新型柔顺铰链的输入力和输出位移间的关系进行分析。根据分析结果,通过优化设计得出一种对称型柔顺铰链。然后,设计... 详细信息

通过对一种新型柔顺铰链进行分析,设计一种基于对称型柔顺铰链的三自由度微定位平台。首先,采用ANSYS有限元方法,对一种新型柔顺铰链的输入力和输出位移间的关系进行分析。根据分析结果,通过优化设计得出一种对称型柔顺铰链。然后,设计一种基于该对称型柔顺铰链三自由度微定位平台,并对设计的微定位平台进行理论分析和有限元分析,得出其输入输出位移关系,而且理论分析和仿真分析结果基本吻合。同时,采用基于理论分析模型的仿真分析修正方法对微定位平台的传递传递函数矩阵进行修正,提高微定位平台的定位精度。此外,分析了该微定位平台的应力变形,确定了其所选材料的力学性能指标符合设计要求。结果表明,该微定位平台能够符合大多数精密领域的需求,在精密定位领域具有一定的应用前景。

关键词：微定位平台柔顺铰链三自由度有限元分析

基于柔顺铰链拓扑优化的桥式位移放大机构设计与实验测试

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基于柔顺铰链拓扑优化的桥式位移放大机构设计与实验测试

作者：亢诗迪佛山科学技术学院

学位级别：硕士

在微尺度材料力学测试等精密工程领域,无摩擦、无间隙、免装配的柔顺机构以及具有纳米级运动分辨率、微秒级响应时间的压电叠堆驱动器被广泛使用,柔顺位移放大机构可以扩大压电叠堆驱动器的有限行程,有利于增大工作空间,进而提高操作灵... 详细信息

在微尺度材料力学测试等精密工程领域,无摩擦、无间隙、免装配的柔顺机构以及具有纳米级运动分辨率、微秒级响应时间的压电叠堆驱动器被广泛使用,柔顺位移放大机构可以扩大压电叠堆驱动器的有限行程,有利于增大工作空间,进而提高操作灵活度。其中,柔顺桥式位移放大机构因结构紧凑、理论位移放大倍数大等优点而受到广泛关注。尽管桥式位移放大机构具有确定的整体拓扑构型,但通过形状优化与尺寸优化,可以有效优化其输入、输出特性。同时,精确建立机构的力学模型,可以提升其开环控制精度,有利于机构在精密工程领域的应用。因此,桥式位移放大机构的设计与建模问题已成为精密工程领域的研究热点。在传统研究中,配置何种拓扑结构的柔顺铰链能设计出具有最优输出特性的桥式位移放大机构是一个尚未解决的问题,而现有的柔顺铰链拓扑优化研究一般不考虑实际柔顺机构的内力分布特性,影响了拓扑优化结果在实际柔顺机构中的应用效果。针对上述问题,本文对基于柔顺铰链拓扑优化的桥式位移放大机构设计进行研究,并对基于静力学建模的机构尺寸优化结果进行实验测试,进而将优化机构应用于微纤维力学特性测试,主要内容如下:(1)不考虑输出端所受负载,研究基于柔顺铰链拓扑优化的单载荷桥式位移放大机构设计。具体内容包括:在柔顺铰链拓扑结构未知的条件下,分析单载荷集中柔度桥式位移放大机构的内力分布特性,进而对柔顺铰链进行拓扑优化设计,从优化铰链拓扑结构层面提升机构输出特性;对拓扑优化结果进行静力学建模;结合拓扑优化结果的静力学模型与机构内力分布特性,推导基于柔顺铰链拓扑优化的单载荷桥式位移放大机构输出位移与输入力之间的解析关系;基于解析关系,对机构进行尺寸优化,进一步提升机构输出特性;运用有限元仿真,验证柔顺铰链拓扑优化结果及其静力学建模、机构静力学建模及其尺寸优化的有效性。(2)考虑输出端所受负载,对基于柔顺铰链拓扑优化的复合载荷桥式位移放大机构进行设计。具体内容包括:分析复合载荷桥式位移放大机构的内力分布特性,对柔顺铰链进行变密度法拓扑优化设计,并分析不同复合载荷取值对拓扑优化结果的影响;结合拓扑优化结果的静力学建模与机构内力分布特性,推导出基于柔顺铰链拓扑优化的复合载荷桥式位移放大机构输入力、输出端受力与输出位移之间的解析关系,进而实现尺寸优化;运用有限元仿真,验证柔顺铰链拓扑优化结果、机构输入输出耦合关系建模与机构尺寸优化的有效性。(3)对柔顺铰链拓扑优化结果、机构静力学建模进行实验验证,并将优化机构应用于微纤维弹性模量测试。具体内容包括:根据优化的单载荷、复合载荷桥式位移放大机构及其对照组,设计并制作实验样机;运用光学显微视觉测量技术与力传感器,对样机进行实验测试,验证机构柔顺铰链拓扑优化结果以及机构静力学建模的有效性;结合基于柔顺铰链拓扑优化的复合载荷桥式位移放大机构样机与已实验验证的机构输入输出耦合关系静力学模型,实验测试微纤维弹性模量。最后,总结全文并对未来工作进行了展望。

关键词：柔顺铰链拓扑优化桥式位移放大机构尺寸优化微纤维弹性模量测量

新型仿生柔顺铰链及其空间并联微定位平台研究

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新型仿生柔顺铰链及其空间并联微定位平台研究

作者：何琼佛山科学技术学院

学位级别：硕士

随着科学技术的飞速发展,在航天航空、微电子技术、生物工程、纳米科学等领域中,仪器和设备对微定位系统的要求越来越高,特别是对微定位平台的分辨率和运动行程两方面的要求。本文以一种空间柔顺并联机构微定位平台为原型,并以提高其运... 详细信息

随着科学技术的飞速发展,在航天航空、微电子技术、生物工程、纳米科学等领域中,仪器和设备对微定位系统的要求越来越高,特别是对微定位平台的分辨率和运动行程两方面的要求。本文以一种空间柔顺并联机构微定位平台为原型,并以提高其运动行程为目的,将铁锤兰大行程柔顺关节作为研究的切入点设计一种新型仿生柔顺铰链用以替代原型平台中的柔顺铰链,并对平台展开了一系列研究。本文主要围绕以下四个方面进行研究:(1)新型仿生柔顺铰链的静力学分析与优化设计。应用仿生学原理对铁锤兰柔顺关节进行仿生设计,拟型出一种新型仿生弧形柔顺铰链,并分析了铰链的输入-输出位移特性;之后首先通过单变量优化法确定了铰链的弧形,结果表明弧形柔顺铰链比正圆形结构铰链位移能力更强;然后对铰链进行了多变量优化设计,得到了铰链的各尺寸参数。(2)基于仿生柔顺铰链的双平行四边形机构实验研究。通过搭建实验平台对压电陶瓷驱动器和双频激光干涉仪进行标定和准直,并将优化前后通过静力学仿真与实验测得结果进行对比分析,然后对误差产生的原因进行分析并提出改进意见。(3)基于仿生柔顺铰链的空间并联微定位平台设计与分析。以一种柔顺并联机构微定位平台为原型利用新型柔顺铰链进行铰链替换,设计出一种并联机构微定位平台,对平台的自由度、正运动学特性进行了分析,并推导机构的雅可比矩阵,然后将理论输出位移与有限元仿真输出位移进行对比,验证了雅克比矩阵具有较高的精确度,同时也得到了平台的运动行程,相比原型平台的运动行程是有所提高的;最后通过对平台进行优化分析进一步提高了平台的运动行程。(4)空间三自由度柔顺微定位平台控制方法研究。分析了平台的传递函数,并利用MATLAB中simulink模块进行平台控制的在线PID控制器调节,在此基础上进行模糊控制器设计实现平台的模糊PID控制,达到了提高平台动态响应性能的目的。

关键词：柔顺铰链仿生学并联机构微定位平台

基于多缺口型柔顺铰链的三自由度微动平台分析与设计

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基于多缺口型柔顺铰链的三自由度微动平台分析与设计

作者：周安泰华南理工大学

学位级别：硕士

精密定位技术广泛应用于高端仪器设备（如光刻机、扫描电子显微镜等）、航空航天、微纳操作和医疗等众多领域。由于具有精度高、刚度大和结构紧凑等优势,基于柔顺机构的精密定位技术是当前研究的热点。作为柔顺机构中承载变形的关键部分... 详细信息

精密定位技术广泛应用于高端仪器设备（如光刻机、扫描电子显微镜等）、航空航天、微纳操作和医疗等众多领域。由于具有精度高、刚度大和结构紧凑等优势,基于柔顺机构的精密定位技术是当前研究的热点。作为柔顺机构中承载变形的关键部分,柔顺铰链性能的好坏直接决定了机构整体的性能。本文以一种新型多缺口柔顺铰链为对象,在研究该铰链自身性能的基础上,将该铰链应用于平面3-RRR定位机构和空间XYZ三自由度定位机构中,具体研究内容如下:（1）对多缺口型柔顺铰链进行建模和分析,并与在柔顺机构中应用最广泛的直圆型铰链进行对比分析,研究了两者在相同尺寸下的铰链柔度、旋转精度和最大应力,并通过有限元仿真对理论模型进行了验证分析。（2）将多缺口型柔顺铰链应用于平面3-RRR并联柔顺机构中。首先,采用闭环矢量法求解了平面3RRR机构的逆运动学;其次,通过ANSYS有限元分析（FEA）对3-RRR微定位平台的工作空间、输入耦合、最大应力、输入刚度和固有频率进行了仿真,并与基于直圆型铰链的3-RRR微定位平台进行比较分析;最后,通过3D打印的方式加工出实验样机,并通过微视觉测量的方法分析了平台的传递矩阵和输入耦合。（3）将多缺口型柔顺铰链应用于空间XYZ三自由度柔顺机构中。首先,通过复合型桥式位移放大机构对压电陶瓷的输入位移进行放大,基于弹性梁模型和卡式第二定理,在考虑外部刚度影响的情况下,分析了设计机构的位移放大比、固有频率和最大应力。接着,通过多目标优化算法对XY微动平台的机构位移放大比和固有频率进行优化,将优化后的结果与基于直圆型铰链的微定位平台进行有限元仿真对比。然后,通过慢走丝线切割的加工方式加工出XY微动平台,并在Z方向上安装压电陶瓷及位移导向机构,组成XYZ三自由度微动平台。通过电容传感器测出XYZ三自由度微定位平台的工作空间,交叉耦合及三个方向上的固有频率等。最后通过规划理论轨迹,实现了微动平台末端对空间三维曲线的轨迹跟踪。

关键词：柔顺铰链多缺口型三自由度微动平台优化设计

基于混合型柔顺铰链的平面三自由度微定位平台研究

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基于混合型柔顺铰链的平面三自由度微定位平台研究

作者：黄兴山佛山科学技术学院

学位级别：硕士

在微电子装配、细胞操作、光学工程等领域,具有微米级行程、纳米级精度的微定位平台是重要的支撑技术。柔顺机构无间隙、免装配,可以消除回程误差,是微定位平台的重要实现形式。同时实现大行程与高精度是柔顺微定位平台的研究热点与难... 详细信息

在微电子装配、细胞操作、光学工程等领域,具有微米级行程、纳米级精度的微定位平台是重要的支撑技术。柔顺机构无间隙、免装配,可以消除回程误差,是微定位平台的重要实现形式。同时实现大行程与高精度是柔顺微定位平台的研究热点与难点。本文提出一种可以平衡柔顺机构在行程与精度间矛盾的混合柔顺铰链,进而对基于新型铰链的平面三自由度微定位平台进行研究,主要内容如下。首先,提出一种兼顾直圆柔顺铰链与直梁柔顺铰链优点的混合型柔顺铰链,并对其进行静力学分析与优化设计。基于卡氏第二定理推导了混合铰链的柔度公式,进而计算了混合铰链的输出位移,并与有限元仿真的输出位移相比较,发现两者之间具有较大的误差。因此,将有限元仿真得到混合铰链在各个方向的输出位移,运用拟合的方法得到了混合铰链的柔度公式。结果表明,运用拟合的方法得到混合铰链的柔度公式来计算得到的输出位移与仿真的输出位移具有很小的误差。将混合铰链、直圆铰链与直梁铰链进行比较,结果表明,混合铰链较直圆铰链的回转位移大;混合铰链较直梁铰链的回转精度高。建立尺寸优化的数学模型,运用MATLAB对混合铰链进行尺寸优化,得到了混合铰链的最佳尺寸。接着,对基于新型混合柔顺铰链的平面三自由度微定位平台进行分析与优化设计。推导了杠杆放大机构的位移放大倍数公式。对直圆铰链放大机构与混合铰链放大机构进行了比较,发现两者的位移放大倍数相差非常小,混合铰链放大机构较直圆铰链放大机构的柔度大。基于为刚体模型,求得了微定位平台的逆解以及雅克比矩阵。先对杠杆放大机构进行尺寸优化,优化后的放大机构具有更大的输出位移。然后对动平台进行优化,使得微定位平台能够输出更大的位移。最后比较了平台在铰链分布不同情况下的性能,得到了性能优越的微定位平台。对微定位平台进行了工作空间分析。最后,实验研究了基于新型混合柔顺铰链的微定位平台。使用双频激光干涉仪测量了两种微定位平台的输出位移。首先对微定位平台的输入力与输入位移进行标定实验。然后对微定位平台进行了正逆运动学实验研究。最后对微定位平台优化结果进行实验验证,证明了优化后的混合微定位平台柔度更大。最后,对可能产生误差的原因进行了分析。

关键词：微定位平台柔顺铰链优化设计运动学分析

光刻物镜中光学元件精密轴向调整机构的设计与分析

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光子学报 2014年第4期43卷 107-111页

作者：彭海峰孙振中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室长春130033

柔性铰链与高准确度驱动器的结合是实现光学元件轴向精密调节的重要方法.本文介绍了一种采用柔性铰链的轴向精密调节机构,推导并得出了其实现精密调节的原理.通过对应用柔性调节机构的一种典型光机系统的刚度分析,得到在不超过柔性铰链... 详细信息

柔性铰链与高准确度驱动器的结合是实现光学元件轴向精密调节的重要方法.本文介绍了一种采用柔性铰链的轴向精密调节机构,推导并得出了其实现精密调节的原理.通过对应用柔性调节机构的一种典型光机系统的刚度分析,得到在不超过柔性铰链材料屈服应力情况下,光学元件的最大轴向位移可以达到200μm以上;同时,对一种典型参量的柔性结构做了模态分析,得到其一阶固有频率为185.1Hz,证明了调节机构的固有频率满足工作要求.分析了驱动力在此种轴向调整机构中对镜片面形的影响,结果表明:调整机构在接近最大允许驱动力作用下对镜片面形影响为4.41nm,说明其对光学元件的面形影响较小.该研究结果为柔性光学元件轴向调节机构的应用提供了有力依据.

关键词：光刻物镜光学元件精密轴向调节面形分析柔顺铰链固有频率特性