基于曲线柔性单元的新型大变形柔性铰链

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1、第45卷第4期机械工程学报Vo1．45NO．42009年4月JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGApr．2009DoI：10．3901／JME．2009．04．008基于曲线柔性单元的新型大变形柔性铰链赵山杉毕树生宗光华于靖军(北京航空航天大学机器人研究所北京100083)摘要：曲线薄板柔性单元与传统的缺口式柔性单元相比，受载荷时在功能方向上更容易产生大变形。基于此，将曲线薄板柔性单元在平面空间中以一点为圆心，进行均匀阵列组合得到一种新型的环形柔性铰链——分布式叶片形转动柔性铰链。为了对新型柔性铰链进行性能分析，建立铰链的数学模型。鉴于铰链结构复杂，要得到

2、精确模型十分困难，因此对模型进行简化，采用主运动单元伪刚体法建立新型柔性铰链数学模型，并分析新型柔性铰链受纯扭矩载荷时的变形情况。计算得到的结果与非线性有限元分析结果十分接近，证明了所建伪刚体模型的正确性。同时计算结果也表明分布式叶片形转动柔性铰链能够提供较大的转动行程，是一种新型的大变性转动柔性铰链。关键词：大变形柔性铰链曲线柔性单元中图分类号：TH112NewLarge-deflectionFlexurePivotBasedonCurvedFlexureElementZHAOShanshanBIShushengZONGGuanghuaYUJingjun(RoboticsIns

3、titute，BeihangUniversity,Beijing100083)Abstract：Curvedflexureelementsuchasinitially·curvedsegmentscandeflectmorelargelyandfacilelythannotchflexureelementinfunctionaldirection．Anewannulus-shapedlarge—deflectionflexurepivot，distributedleafyrotaryflexurepivot，isobtainedbydistributingcurvedflexur

4、eelementsaroundapointinplanespace．Mathematicmodelisestablishedforanalyzingflexurepivotperformance．Amain—motion—elementpseudo—rigid·bodymethodisusedtosimplifymathematicmodelbecauseitisdificulttosetupexactmathematicmodelforcomplicatedstructureofflexurepivot．Flexurepivotperformanceisanalyzedunde

5、rpuretorqueandtheaccuracyofmodelisdemonstratedbycomparingpseudo-rigid-bodymodeloutcomestonon-linearfiniteelementanalysis．Theresultshowsthatthedistributedleafyrotaryflexurepivothaslargerotarystrokethatisanewlarge—deflectionflexurepivot．Keywords：LargedeflectionFlexurepivotCurvedflexureelement饱和

6、电抗器设备商等合作开发出了多种规格的大变0前言形功能型柔性铰链。美国密执安大学的TREASE等L2J设计了几种高效、动态性能好的片簧式大变形柔性铰链是经过一体化设计和加工并利用材柔性铰链。瑞士洛桑理工学院【jJ于2001年设计加工料弹性变形来实现预期运动的具有一定形状的特殊出由多个缺口式柔性铰链组合而成的大变形柔性轴运动副。大多数微／纳米操作定位平台都是使用柔承。美国德克萨斯大学的CHOI等l4】将交叉簧片柔性铰链作为弹性活动关节连接而成的柔性机构，具性铰链用于大位移XY精密移动平台这种基于柔性有无间隙、无摩擦、免润滑和高分辨率等一系列优的精密平台，使之可以用于真空环境中的半导体

7、。点。但是传统的缺口型柔性铰链运动行程很小，应北京航空航天大学的谭坤等】提出了簧片构型的柔用领域受到限制。如空间飞行器中姿态调整机构、性铰链，具有较大的运动范围，可以作为柔性轴承天文望远镜上自适应调整机构、航天器上微波天线使用。哈尔滨工业大学的WEI等【6J使用一种大变形的对准机构、太阳能帆板折叠机构等，这些应用场的柔性铰链搭建了高精度大工作空间的并联机构。合要求柔性铰链拥有较大的运动范围。瑞士电子学上海交通大学CHEN等L7J设计了多种螺旋线柔性弹及微技术中心DI与欧洲天文台、