基于等效耦合刚度的平面折展滑块机构分析

柔性铰链是实现平面折展柔顺机构运动的关键部分。如何设计得到柔度好、精度高的柔性铰链一直是柔顺机构研究的关键问题。综合考虑影响平面折展机构铰链刚度和精度特性的等效弯扭及拉压刚度,以LET铰链为例,分析在不同载荷下各个参数对弯扭与拉压等效耦合刚度的影响趋势,从而提出弯扭与拉压等效耦合刚度的概念。通过大量的实例计算和分析,推导出LET铰链弯扭与拉压等效耦合刚度的经验公式。基于等效耦合刚度经验公式,对平面折展柔顺滑块机构进行分析。应用等效耦合刚度公式与不应用等效耦合刚度公式两种情况的分析结果和有限元仿真结果表明,应用等效耦合刚度经验公式的滑块位移计算精度得到很大的提高,验证了等效耦合刚度经验公式的适用性。     

打通型双串联与三串联柔性铰链设计与性能比较

平面折展柔顺机构(lamina emergent mechanisms,LEMs)的重要组成部分之一是柔性铰链,因此设计新型的平面折展扭转铰链(lamina emergent torsional joint,LET)能够对其运动起到十分关键的作用.本文提出了一种打通型LET柔性铰链,设计了打通型双串联柔性铰链和打通型三串联柔性铰链的两种结构形式,分别推导出了两种铰链的弯曲等效刚度计算公式.通过对设计实例的理论分析与有限元分析,验证了等效刚度计算公式的正确性.将外形尺寸相同的打通型双串联、三串联柔性铰链与外LET铰链进行了弯曲以及拉压性能的对比,结果表明,打通型三串联LET柔性铰链在拉压性能下降不明显的情况下,能够较大幅度地提升弯曲性能.     

基于LEMs的平面抗拉压柔性内铰链设计

针对平板折展(LET)柔性内铰链不适宜承受轴向拉力和压力的问题,提出了一种平面抗拉压柔性内铰链.首先,基于反演原则,设计了平面抗拉压柔性内铰链的外形结构;其次,推导了该柔性铰链的弯曲等效刚度与拉压等效刚度的闭式解析式,并用有限元软件对两个闭式解析式进行校验,分析结果显示封闭解与有限元结果的偏差分别小于1.76%和4.75%,从而验证了上述刚度闭式解析式的正确性;然后,利用转动轴心漂移量对平面抗拉压柔性内铰链的转动精度进行了分析;最后,将平面抗拉压柔性内铰链和LET柔性内铰链的各项性能进行比较.结果表明:在外形尺寸一致的情况下平面抗拉压柔性内铰链的弯曲刚度仅是LET柔性内铰链的1.19倍,而拉压刚度和转动轴心漂移量却分别为其19.15~27.70倍和88%;在弯曲刚度没有明显变化的前提下,平面抗拉压柔性内铰链的拉压刚度及转动精度均有显著提高.     

面向组合结构刚度非线性特性的等效模型

针对组合结构轴向载荷下呈现的刚度非线性特性难以计算的问题,提出了梁-双弹簧等效计算模型,研究了在包含不同材料垫片的组合结构中螺栓预紧力以及部分几何尺寸对轴向刚度非线性特性的影响.结果表明:采用铝合金垫片时,该连接组合结构的非线性特性主要表现为其轴向载荷-位移曲线在拉压状态改变时出现明显拐点;而该结构采用石墨垫片时,位移曲线在拉压阶段分别表现出非线性.相比于垫片厚度,螺栓预紧力、法兰厚度以及螺栓位置对轴向拉压刚度的影响更显著,且影响规律与所受载荷方向、垫片材料属性有关.     

梳齿形柔性铰链的设计与分析

提出了一种基于平面折展机构的梳齿形状的新型柔性铰链,设计了该铰链的结构形式,并对其进行了分析,推导出该结构形式铰链的弯曲等效刚度计算公式.通过设计实例的理论计算和有限元仿真分析,验证了计算公式和仿真模型的正确性,同时也验证了新型铰链的弯曲等效刚度在较大角位移下仍能保持良好的线性.对设计实例的强度进行了校核,在铰链达到最大角位移时具有较大的安全系数,并对设计实例的扭转等效刚度进行了仿真分析.最后,将设计实例的弯曲等效刚度与文献给出的IT-LEJ及LET铰链的弯曲等效刚度进行了比较.     

多层LEMs性能与结构参数的关系

建立一多层LEMs柔顺机构的一般伪刚体模型.基于LET铰链等效弹簧刚度模型,推导出LEMs输入载荷和输出角位移的一般理论计算公式.分析了影响机构角位移输出的主要结构参数,以及相同载荷下这些参数对角位移输出的影响趋势.根据分析结果,对机构实例的结构尺寸参数设计了一组初始值.通过实例的理论计算与有限元仿真,分析得到机构的LET外铰链扭转片段长度和宽度尺寸变化对角位移和误差的不同影响效果.     

基于串联弹性驱动器的并联柔顺手腕的设计

通过分析人体腕关节的组织结构和运动特性,设计了具有柔顺性的3SPS-1S并联机器人手腕机构.3条移动副支链作为驱动,在驱动支链中加入串联弹性驱动器(Series Elastic Actuator,SEA)来实现并联机器人手腕的柔顺性.建立了3SPS-1S并联机构的运动学逆解,推导雅可比矩阵,提出了确定SEA弹簧刚度的方法;基于位置补偿思想,实现柔顺手腕的位姿控制.通过实验验证了该机构对未知负载具有被动柔顺性,通过主动柔顺控制可以实现更高的主动柔顺性.     

柔性三角梁约束微纳测头的变刚度特性分析

针对目前多数微纳测头约束支撑机构刚度不可调的问题,基于柔性三角梁约束支撑原理,构造一种具有变刚度特性的新型微纳测头结构。利用压电叠堆器驱动柔顺机构以控制约束支撑梁所受轴向力,进一步调节梁的支撑刚度以及约束支撑机构的整体刚度。应用最小势能原理分别建立约束支撑机构的垂直刚度和横向刚度的理论模型,并利用有限元分析法获得支撑刚度随压电叠堆器输出轴向压力的刚度曲线。对比支撑刚度理论值和仿真值大小,结果表明建立的理论刚度模型正确。研究揭示了该新型微纳测头的变刚度机理,为其实际应用过程中的变刚度控制奠定了重要的理论基础。     

X形柔性铰链等效刚度分析及结构特性研究

基于抗压双片段柔性铰链,设计了4片段X形柔性铰链,并对其结构特性进行了研究.X形柔性铰链中的主要变形片段为弯扭耦合片段,分别运用微分法和基于抗压双片段柔性铰链等效刚度算法分析了其弯扭耦合等效刚度,推导出了X形柔性铰链的等效刚度理论计算公式.设计了几组不同尺寸的X形柔性铰链实例,分别利用2种方法对这些实例进行了计算,并在ABAQUS软件中进行了仿真分析,3种分析方法结果表明了理论计算公式和仿真模型的正确性.最后,通过对不同尺寸的X形柔性铰链结构特性的分析,得到了铰链设计时应该尽量避免的结构参数范围.     

柔顺机构疲劳可靠性及损伤识别研究进展

柔顺机构靠弹性变形来传递运动或力,因而疲劳是其主要失效模式,但其疲劳性能以及抗疲劳设计方法仍有待进一步研究.文中结合笔者及其课题组的研究成果,介绍了柔顺机构的主要设计方法,在综述名义应力法、局部应力应变法和应力场强法3种疲劳寿命预测方法的基础上,阐述了直圆型和叶型柔性铰链的疲劳寿命预测模型及尺寸参数对铰链疲劳寿命的影响,总结了柔顺机构疲劳可靠性的分析和优化设计方法,以及基于特征参数分解的柔顺机构损伤识别方法,并指出了柔顺机构疲劳可靠性及损伤识别的未来研究方向.