柔顺机构

柔顺机构

课程论文

姓名:廖慧阳

学号:201120100490

柔顺机构是一种利用构件自身的弹性变形来完成运动和力的传递及转换的新型机构。它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的变形来实现机构的主要运动和功能，它同样也能实现运动、力和能量的传递和转换。柔顺机构比只考虑机构中由于杆件变形带来影响的柔性机构又大大前进了一步，它不是停留在如何避免杆件变形产生的负面影响上，而是积极地利用杆件变形来改善和提高机构的性能。由于其具有减少构件数量和装配时间、简化加工工序、无摩擦磨损和传动间隙、能降低振动和噪声等优点，引起了广泛关注，成为机构学研究领域的新热点。从20世纪80年代后期开始，柔顺机构已经在一些日常和有要求特殊的行业上开始应用，如:日常用品、自行车、汽车和精密测量仪器等，尤其是在轻型、微型化领域有着广泛的应用前景，比如:在微机械及微机电系统(Microelectro-mechanical systems，MEMS)中，柔顺机构有着巨大的优势和潜力，它可以在较大程度上提高MEMS中微机械部分的尺寸微小化程度和机构的工作性能，从而大大促进MEMS领域的发展。国内外许多学者对柔顺机构进行了多年的研究，并取得了一定的成果。一般而言，柔顺机构的研究会涉及以下几个基本内容。

一、柔顺机构力学分析

1. 1 机构的静力学及运动学分析

目前对柔顺机构静力学及运动学方面的研究主要包括: 计算机构的自由度,分析杆的运动轨迹和机构的驱动力矩等方面。由于柔顺机构中引入了柔性构件,柔顺

机构中的构件和运动副无法严格区分,这与求刚性机构的自由度存在很大的差别。国外学者Midha最先对柔顺机构的自由度进行了研究,创造性的提出了按构件横截面的不同对构件进行分段。在此基础上,Ananthasuresh等进行了更深入的研究,提出了一种计算柔顺机构自由度的方法。国内许多学者也对柔顺机构的自由度问题进行了研究,谢先海等针对柔顺机构构件的特点,在分析段的自由度及段与段之间联接类型的基础上,提出了一种非常简易的计算柔顺机构自由度的方法。马履中等论述了变自由度柔顺机构的各种形式及其组成,分析了其改变自由度的控制方法及其应用,并对刚性机构与柔顺机构之间的转换方法进行了分析。陈贵敏等在总结柔顺机构的结构和运动特点的基础上,提出了柔顺机构自由度应遵循的基本准则,给出一种有效的计算平面柔顺机构自由度的方法。李守忠等利用旋量理论,基于自由与约束对偶原理的并联柔性机构的图谱化构型综合方法,提出一种针对实际柔性约束的主自由度分析方法。在柔顺机构静力学计算方面,Her I根据柔顺机构的特点研究了非迭代一步计算方法在柔顺机构中的应用问题,利用线性方法研究了机构铰结点的位移,导出了柔顺机构的静力学求解计算公式。Pigosk等采用代数几何方法,通过对柔顺机构进行静力逆分析,得到6次封闭型解。采用Dixon结式方法对柔顺四杆机构的静力逆分析进行了研究,得到了20次封闭型解,并对一个具体算例求出了全部位置解,给出了机构所有的实际形态构型。一般而言,柔顺机构的构件要承受大变形,这就引入了几何非线性问题,使柔顺机构的分析变的非常复杂,需要用特殊的方法进行分析。Howell等提出了伪刚体模型法( Pseudo-Rigid-Body Model),伪刚体模型法是用具有等效“力-变形”关系的刚性构件来模拟柔性构件的变形,这样有关刚性机构的理论就可以用来分析柔顺机构。建立了分段悬臂梁的伪刚体模型,在悬臂梁中短而柔的那一段中间加一铰链和一扭转弹簧,转化成为刚性弹簧机构。建立了初始弯曲悬臂梁的伪刚体模型。Howell详细的介绍了伪刚体模型法,并建立了各种梁在多种不同载荷下的伪刚体模型。指出传统的伪刚体模型不适用于基于杆柔顺

机构中的弯曲关节,并提出了一种简单且直观有效的基于杆柔顺机构的伪刚体模型。Midha等根据伪刚体模型和刚性机构分析方法近似地计算出柔顺机构的运动极限位置。于会涛等对不同载荷下大变形柔顺杆件的末端轨迹进行了分析,给出不同情况下柔顺杆件的伪刚体模型中各参数的确定方法。王雯静等基于伪刚体模型法,对平面柔顺机构的驱动特性进行了研究,提出了一种计算柔顺机构驱动力矩的新方法。对于柔顺机构中的柔性铰链,谢先海等在研究非迭代的一步计算方法在柔顺铰链连杆机构中的应用基础上,利用线性方法分析了柔性铰链连杆机构的位移。于靖军等从柔性铰链的变形刚度矩阵出发,对空间全柔顺机构的位置解问题进行了探讨,建立起柔性铰链变形刚度模型,提出了一种扩展的伪刚体模型法,较好地解决了柔顺机构位置的正、反解问题。

1. 2 机构的动力学分析

国内外学者对柔顺机构动力学问题的研究还处于初步阶段,主要涉及的研究内容包括: 柔顺机构的动力学建模、振动控制、动态响应、系统的固有频率分析、动应力和应变分析等Scott等把伪刚体模型法应用到柔顺机构的动力学研究中,分析了柔顺四杆机构的固有频率等特性。Zhe Li与Kota S.等利用有限元法对柔顺机构的固有频率、模态、时间响应、频率特征等方面的问题进行了探讨。余跃庆系统地研究了弹性机构三种设计参量与固有频率之间的内在关系,以及它们对弹性机构动力特性的影响。陈知泰等以伪刚体模型为基础对平面柔顺机构的频率特性进行了分析,并分别就机构截面参数、结构尺寸、材料参数等对频率的影响进行了讨论。王雯静等基于有限元法,分析了平面柔顺四杆机构的固有频率和模态,并给出了固有频率和模态对各项设计变量的灵敏度计算方法。陈知泰等基于柔顺机构的伪刚体动力学等效模型,结合刚性机构的做功与能量转换原理及瞬心法,对柔顺机构的传力效益进行了分析,推导出了柔顺机构的力传递效益与机构位置关系的表达式。丁希仑等用李群李代数理论方法对具有三维空间柔顺变形杆件的机器人的动力学问题进行了

研究,给出了空间柔顺杆件微小段的质量密度和刚性密度,并通过积分得到空间二柔顺杆件的动能和势能。张宪民等基于有限元方法,提出了一种考虑了温度变化影响的运动微分方程,获得了柔顺机构刚度和质量矩阵的封闭解,可以对受温度变化影响的精密柔顺机构进行动力学分析。

二、柔顺机构的设计与优化

柔顺机构最初的设计方法是试凑法和实验法。目前,柔顺机构的主要设计方法有: 伪刚体模型法( 以伪刚体模型为基础把柔顺机构近似等效转化为刚性机构,然后借助对刚性机构分析和型综合的方法,进行反复迭代得到所需要的柔顺机构)和基于连续体结构的拓扑优化方法( Topology Optimization Method)。在伪刚体模型法方面,Her I提出了一种在悬臂梁发生大变形时采用牛顿-拉裴尔方法来分析设计变量参数的方法。Midha把柔顺杆的长度、材料特性、截面参数等作为随机变量,对疲劳影响下目标函数的双稳态柔顺机构的最优化设计问题进行了讨论。Howell 等以伪刚体模型为基础,综合考虑梁的大变形、运动学、能量储存等诸多因素的影响,对柔顺机构进行了研究,并针对伪刚体模型法提出了一种对柔顺机构设计与分析的封闭环理论。采用拓扑优化设计方法研究柔顺机构时,只需给定设计域和指定输入输出位置,无须从一个已知的刚性机构出发,且所得的机构具有优化的“力-位移”输入输出关系,引起了人们的重视。目前,柔顺机构的拓扑优化设计主要有三种方法: 均匀化方法、基础结构法和遗传算法。Michell在拓扑优化方面做出了开创性的工作,得出了最佳单元网,即现在著名的Michell连续体。Ananthasuresh等将结构力学上的拓扑优化方法引入到柔顺机构的设计中。张宪民讨论了柔顺机构拓扑优化设计的基础结构法和均匀化方法,并对相关的优化模型、材料模型进行了讨论。李兆坤等采用Lagrange描述方法和Newton-Raphson 载荷增量求解技术获得几何非线性的结构响应,给出了一种多输入多输出柔顺机构几何非线性拓扑优化设计的新方法。刘少芳，张宪民等基于柔顺机构拓扑优化设计的均匀化方法,对柔顺

机构的拓扑优化设计进行了分析探讨,建立了柔顺机构多目标优化设计的模型。李兆坤，张宪民等探讨了利用有限元方法和均匀化拓扑优化技术,以柔度与刚度要求为目标对柔顺机构进行优化设计。陈永健将作用载荷和结构几何尺寸视为随机变量,把机构的失效模式视为应变能和互应变能的串联系统,提出一种新的基于基础结构法的柔顺机构可靠性拓扑优化方法。张宪民等研究了柔顺机构拓扑优化与压电驱动单元位置和尺寸的最优设计问题,给出了柔顺机构拓扑、驱动单元的位置和尺寸的优化算法。Henry等在满足结构刚度的前提下,考虑了驱动力的影响,用复合的“位移-压力”公式,取代传统的压力公式,提出了有关压力驱动下的柔顺机构的拓扑优化方法。柔顺机构广泛的应用于精密机械和微机电系统中,但是温度变化时,可能产生变形,导致不精确。Rubio等提出了一种基于热变形的柔顺机构的拓扑优化方法,采用温度控制传感器,充分考虑了温度补偿特点,优化过程中强调执行机构的准确性,最大限度的减少了温度变化带来的影响。杨贵玉等介绍了连续体结构拓扑优化中的棋盘格式现象及其产生的原因,并对目前解决这一问题的各种方法做了分析比较。付永清，张宪民等针对拓扑优化结果中普遍存在的棋盘格现象,采用小波变换与三次样条插值相结合的方法,对柔顺机构中拓扑图的提取进行了研究。郭为忠等针对双输入平面轨迹输出柔顺机构拓扑优化和轮廓提取后的设计方案,建立了轮廓曲线尺寸优化模型,实现了柔顺机构轮廓形状的优化设计。

三、柔顺机构的应用

由于柔顺机构具有制造成本低,精度高,不需要润滑,无污染等诸多优点。克服了传统机构加工和装配成本高、存在运动副间隙和摩擦等缺陷,以及能降低噪音和振动。在精密测量与定位、微机电系统、航空宇航、生物工程等诸多领域获得重要应用。魏兴洪利用了一套三自由度被动柔顺机构和两个霍尔式接触传感器,设计一种用于水下搜索、抓取物体的二指

能以多种不同的姿态抓取作业对象,弥补了单自由度手爪作业能力的不足。结构机械手爪,

王伯雄等介绍了一种由柔顺机构制造的柔性叉指式夹持器,并与一种由多刚体组成的角夹持器实现的气动夹爪进行了对比分析,直观的说明了柔顺机构的优点。张钦国等对人工肌肉的驱动特性做了研究,设计出了基于柔性液压系统的三关节仿人灵巧手指,并建立了柔性驱动器的动力学模型。范贤会等基于柔顺机构提出了一种新型微型扑翼飞行机器人的扑翼方案,以柔性铰链代替传统的运动副,在最大程度上减少了机构能量的消耗。彭惠青，张宪民等采用音圈电机作为驱动器,利用柔顺机构和倒杠杆机构,设计出了一个在固定运动范围内具有高精度定位能力和良好控制性能的长行程精密定位平台,可用于光学测微系统。田俊，张宪民等基于柔性铰链变形原理设计了一种以压电陶瓷为驱动,以柔性悬臂梁铰链为弹性导轨的两自由度柔顺机构微动精密定位平台。瑞士的ISR-DMT-EPEL微技术研究机构研制了专门用于高精密度机器人的柔性铰链机械结构,并提出用柔性铰链取代传统机器人驱动器中使用的滑动轴承和滚珠轴承,可以改善机器人的精度。北京航空航天大学和南开大学研制了“面向生物工程的微操作机器人系统”,可以进行转基因注射等显微操作实验。

四、结束语

柔顺机构是机构学中一个新的研究领域,在过去的二十年中,柔顺机构得到了快速的发展,但是还存在着许多需要解决的问题。到目前为止所取得的成果大多集中在运动学、结构设计和优化等方面,对其动力学特性和疲劳强度的分析还比较少,研究方法也不成熟。应通过有效的手段简化其动力学分析方法,建立更加准确的动力学模型,改善其动力学特性,提高操作精度,并对其进行疲劳强度分析和疲劳寿命设计,以保证正常的工作寿命。同时,柔

顺机构的实际应用还任重道远,这也是该领域内国内外学者所面临的重要挑战。