基于柔性铰链的微位移设计

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柔性铰链位移放大机构设计

柔性铰链位移放大机构1 机构简介柔性机构是一类利用材料的弹性变形传递或转换运动、力或能量的新型机构实施运动时如果通过某种特殊的柔性单元——柔性铰链来实现，则通常称为柔性铰链机构，这类机构通常应用在精密工程场合，因此又称为柔性精微机构。

在仿生机械及机器人等领域，柔性机构也发挥着越来越重要的作用，该类机构通常又被称为柔性仿生机构,下文都简称为柔性机构。

较之于传统的刚性机构，柔性机构具有许多优点：⑴整体化设计和加工，可简化结构、减小体积和质量、免于装配；⑵无间隙和摩擦，可实现高精度运动；⑶免于磨损，提高寿命；⑷免于润滑，避免污染；⑸增大结构刚度。

柔性铰链是近年来发展起来的一种新型机械传动和支撑机构,利用其结构薄弱部分的弹性变形实现类似普通铰链的运动传递,具有无摩擦、无间隙、运动灵敏度高的特点，在微型机械中,柔性铰链常作为位移放大器,可将位移放大到数百微米,极大地拓展了微位移驱动器的应用范围和应用领域。

伴随着微纳米技术所引发的制造、信息、材料生物和医疗等众多领域的革命性变化，使得柔性机构在微电子、光电子的微制造和微操作、微机电系统和生物医学工程等纳米定位中得到了广泛的应用。

在精微领域，柔性机构可以设计作为传动装置执行器和传感器等，不过，距离实际应用还面临若干理论与技术层面上的挑战，相对刚性机构而言，柔性机构的系统研究不过才刚刚走完20年的历程，很多理论及方法还不完善。

2 机构的结构特征本次设计超磁致伸缩致动器中采用的最大设计输出位移为45μm,最小输出力为500N;柔性铰链放大机构的设计输出负载大于80 N,输出位移大于300μm。

因此放大机构放大倍数必须大于6.67，所以选用的是一种两级对称式柔性铰链位移放大机构，图1为该放大机构,各铰链节点为单轴圆弧型结构,依靠节点微转动变形实现运动的传递或位移的放大。

整个机构为对称式结构,有较高的整体刚性,输入位移可通过左右两条运放链向输出点进行传递,理论上可完全消除机构的侧向附加位移,有效地减小了自身的纵向耦合位移误差。

基于柔性铰链的桥式微位移机构特性探析

基于柔性铰链的桥式微位移机构特性探析ﻭﻭ全柔性机构是一种新型机构,通过采用免安装、无间隙和无摩擦的设计方式可实现微米级甚至纳米级的高精度。

为了达到精密运到的目的,全柔性机构多采用高精度的微位移驱动器。

压电陶瓷驱动器是近年来应用越来越新型微位移器件，它具有体积小、出力大、分辨率和频响高的优点，且不发热、无噪声.然而压电陶瓷驱动器的输出位移仅限制在在几微米到几十微米范围，因此全柔性机构通常要采用微位移放大机构来实现对压电陶瓷输出位移的放。

目前，常用的微位移放大机构主要有杠杆原理放大机构和桥式放大机构.ﻭ基于杠杆原理的微位移放大机构结构简单、刚性好、功效比高，理论上可以实现输入输出的线性关系，但是其一级放大倍数是有限的，复合式杠杆放大机构体积较大、放失真严重。

ﻭ而根据放大原理设计的桥式放大机构具有结构紧凑、易于加工以及具有较高的放大倍数等特点，近些年来得到了关注。

ﻭJuｎHyuｎg Kim等人采用矩阵法建立了柔性链的刚度矩阵并对桥式放大机构进行了优化设计；马洪文等人采用弹性梁理论分析了微位移桥式放大机构的放等特性。

N. Loboｎt ｉu等人基于应变能原理与卡氏第二定理推导了桥式放大机构的位移和刚度计算公式。

张兆成等人采用了伪刚体模型和卡氏第二定理研究了桥式柔性链的刚度和应力模型。

本文采用解析法建立了桥式放大机构的变形公式,在所建模型的基础上,进一步分析了桥式放大机构的刚度、放等特性，采用AＮＳYＳ软件进行仿真,并设计了相关的验证实验。

1 桥式放大机构数学模型柔性桥式微位移放大机构是在一块金属材料上采用线切割技术整体加工而成。

为了保证良好的导向性能，桥式微位移放大机构通常设计成全对称结构，并要求其在运动方向上具有良好的灵敏度，同时在整体上还应具备一定的刚度。

桥式微位移放大机构采用全对称设计,其由4个柔性支链组成,因此对桥式微位移放大机构特性的分析可以简化为对其柔性支链的特性分析，柔性支链的数学模型。

ﻭ为便于分析，作如下假设:ﻭ1)除柔性链外，柔性机构的其他部分均为刚体;ﻭ2）材料为均匀的各向材料；3)柔性桥式微位移放大机构是全对称的；4）柔性链的变形是线弹性的，且弹性变形相对较小。

基于类V型柔性铰链的微位移放大机构

基于类V型柔性铰链的微位移放大机构刘敏;张宪民【摘要】A micro-displacement flexure amplifier was designed based on a high accuracy quasi-V-shaped flexure hinge to reduce its parasitic motion and to improve its dynamics performance.The performance of the quasi-V-shaped flexure hinge was compared with that of a common high accuracy right circular flexure hinge.In consideration of the central offset during the rotation of flexure hinge, the amplification ratios of secondary-lever micro-displacement mechanisms based on the quasi-V-shaped flexure hinge and the right circular flexure hinge were derived on the basis of the theories of elastic mechanics and material mechanics.The finite element model was established with ANSYS software to verify the theoretical derivation of amplification ratios of displacement.The amplification ratios of displacement, the parasitic motions and inherent frequencies of the two kinds of amplifiers mentioned above were compared.The finite element results show that the amplifier based on quasi-V-shaped flexure hinge has smaller parasitic motion but higher inherent frequency,and its first two-order inherent frequencies are 1.68 times and 1.41 times of those based on right circular flexure hinge.Finally, the amplification ratios of displacement and the parasitic motions for the two kinds of amplifiers were measured by a micro-vision measurement system.The experiment results show that the amplification ratios and relative parasitic motion ratios of amplifiers based on quasi-V-shaped and right circular flexure hinge are 4.387 and 4.529 aswell as 0.3147 and 0.3342 respectively.It concludes that the parasitic motion is effectively reduced and the dynamics performance is improved if the quasi-V-shaped flexure hinge is used in the micro-displacement amplifiers.%采用新型高精度类V型柔性铰链设计了柔性微位移放大机构,以减小该类机构的寄生运动并提高其动力学性能.对类V型柔性铰链与最常见的高精度直圆型柔性铰链的性能进行了比较;在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上,基于弹性力学和材料力学理论推导了基于类V型柔性铰链和基于直圆型柔性铰链的两类二级杠杆式微位移放大机构的放大比.采用ANSYS软件,建立了放大机构的有限元模型,验证了位移放大比的理论推导,并对上述两类放大机构的位移放大比、寄生运动和固有频率进行了仿真和比较.有限元分析结果显示:基于类V型柔性铰链的放大机构有着更小的寄生运动和更高的固有频率,且前2阶固有频率分别是基于直圆型柔性铰链放大机构的1.68倍和1.41倍.最后,采用微视觉测量系统测量了两类放大机构的位移放大比和寄生运动.结果表明:基于类V型和直圆型柔性铰链放大机构的放大比和相对寄生运动比分别为4.387、4.529和0.314 7、0.334 2,显示类V型柔性铰链用于微位移放大机构可有效减小寄生运动并提高动力学性能.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2017(025)004【总页数】10页(P999-1008)【关键词】位移放大机构;类V型柔性铰链;直圆型柔性铰链;寄生运动;固有频率【作者】刘敏;张宪民【作者单位】华南理工大学广东省精密装备与制造技术重点实验室,广东广州510641;华南理工大学广东省精密装备与制造技术重点实验室,广东广州 510641【正文语种】中文【中图分类】TH132随着精密工程、精密测量、微机电系统(MEMS)以及机器人等领域的快速发展，柔顺机构的应用越来越广泛且有着巨大的优势和潜力，尤其是在轻型、微型化领域[1-4]。

基于柔性铰链微位移放大机构的设计和分析

ＷＡＮＧＳ－ｎｉｍｉＹＵＮＸｉａＣＮＪｎｚｅｇＨＥｕ－ｈｎ
（ｈｎｈｉＳａｇａＭａｉｅＥｕｐｎｅｅｒｈＩｓｔｔ，ｈｎｈｉ００，ＣｉａｒｑｉｍｅｔＲｓａｃｎｔｕｅＳａｇａｎｉ２０３１ｈｎ）
ＡｂｔａｔＢｃｕｅｏｅｌｓｖｖｏｅｊｕｎｙｏｉ — ｔｅｌｔｃｔｅｄｂｃｊｔｉｅｅｖｖｌ，ｄｓｌｃｍｎｓｎｒｓｓｃ：ｅａｓｆｔｅｓａｅｃｒｏｒｅｆｔｒｓｇｅｃｒｉｆｅ — ａｋｅｒｈｌｈｄａｅｉｙｐｐｓｒｏａｅｉａｅｅｔｅｏｉｖｐ
ＫｅＷｏｄ：ｔｉ — ｔｇｅｃｃｙｅｄｂｃ；ｊｔｉｓｒｖｌｅｌｘｂｅｉｇｓｙｒｓｈｒｓｅｌｔｉｆｅ — ａｋｅｄａｅｒｔｉｐｐｅｖａｖ；ｆｉｈｎｅ；ｍｉｏｉｌｃｍｅｔｅｏｅｌｃｄｓａｅｎｍａｎｆｉｇｒｐｇｉｎｍｅｈｎｓ；ｙｃａｉｍ
ｆｉｅｅｎａａｙｉｉｔｌｍｅｔｎｌｓｓｎｅ
Ｈｖａｌｃｅｍａｉｓ＆ＳａｓＮＯ１２０１１ｄｒｕｉｓＰｎｕｔｃｅｌ／．．
基于柔性铰链微 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 移放大机构的设计和分析
王思民云霞陈军政
２０３）００１（国船舶重工集团公司上海船舶设备研究所，海中上
中图分类号：Ｈ１７５Ｔ３．文献标识码：Ａ文章编号：０８０１（０１０ — ０７０１０ — ８３２１）１０１— ４

基于柔性铰链的微位移设计

第一章绪论1.1 柔性铰链简介1.1.1 柔性铰链定义柔性铰链作为一种小体积、无机械摩擦、无间隙和运动灵敏度高的传动结构，被广泛应用于各种要求微小线位移或角位移、且高精度定位的场合。

开创了工作台进入毫米级的新时代。

柔性铰链有成千上万的应用，如：陀螺仪、加速度计、天平、控制导弹的喷嘴、控制器显示仪、记录仪、调整器、放大连杆、计算机、继电器和传动连杆。

60年代前后，由于宇航和航空等技术发展的需要，对实现小范围内偏转的支承，不仅提出了高分辨率的要求，而且对其尺寸和体积提出了微型化的要求。

人们在经过对各种类型的弹性支承实验探索后才逐步开发出体积小、无机械摩擦、无间隙的柔性铰链。

随后柔性铰链在支撑结构、联接结构、调整机构和测量仪器中的得到广泛应用,并获得了前所未有的高精度和稳定性，并日益成熟。

70年代末，美国国家标准局引入了柔性铰链机构以放大压电驱动器的位移，使其设计的工作台既具有亚纳米级的位移分辨率，又具有相对较大的行程。

近年来，柔性铰链以其特殊的性能在精密机械、精密测量、微米技术和纳米技术等领域得到广泛应用没，尤其是柔性铰链与压电致动结合实现超精密位移和定位。

柔性铰链用于绕轴作复杂的有限角位移，它的特点是：无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高。

柔性铰链有很多种结构，最普通的形式是绕一个轴弹性弯曲，这种弹性变形是可逆的。

1.1.2 柔性铰链运动的实现方法柔性铰链是通过弹性形变来实现铰链运动。

施加的弹性变形力会导致铰链中心点偏移其几何中心，从而影响柔性铰链的转动精度。

柔性铰链用于绕轴做复杂运动的有限角位移，它有很多种结构，最普通的形式是绕一个轴弹性弯曲，这种弹性变形是可逆的。

1.1.3 柔性铰链类型柔性铰链可分为单轴柔性铰链和双轴柔性铰链。

单轴柔性铰链的截面形状有圆形与矩形两种，如图1-1所示。

图1—1 单轴柔性铰链双轴柔性铰链是由两个互成90度的单轴柔性铰链组成的（如图1-2（a）），对于大部分应用，这种设计的缺点是两轴没有交叉，具有交叉的最简单的双轴柔性铰链是把颈部作成圆杆状（如图1-2（b）），这种设计简单且容易加工，但它的截面积比较小，因此纵向强度比图1-2（a）弱得多。

基于柔性铰链的微位移放大机构设计

2 有限元模型
刚度是决定柔性铰链性能的重要参数。对于含有较多柔性接头的机构和复合柔性铰链来说，理论估计有一定的局限性。对于设计此类柔性铰链，有限元分析方法是一种有效的设计方法。在本节，通过研究最常用的柔性铰链——直圆型柔性铰链，并利用其成熟的理论公式来验证有限元模型。
图 1 直圆型柔性铰链的结构图 Fig.1 Structure diagram of right circular flexure hinge
Table 1 Results of theoretical analyses and FEA
R(mm)
kx (N/m)×108 Analytic FEA Error%
kαz (Nm/rad) Analytic FEA Error%
2.0
2.59 2.36 8.92
10.05 9.71 3.41
2.5
2.1 理论推导
如图 1 所示的直圆型柔性铰链，其设计公式最先由
Paros 和 Weisbord[6]推导出来并讨论了在柔性铰链三个坐
标轴方向施加载荷所引起的转角和线性位移。吴鹰飞和
周海英[13]从基本材料力学出发推导了一组设计公式，其
结果在数值上与 Paros 公式相同。选择后者作为理论计算
的依据。
1引言
作为精密机械与精密仪器的关键技术之一，微位移技术随着微电子、宇航和生物工程等学科的发展而迅速发展起来。柔性铰链以其无空回和无机械摩擦、运动平滑以及分辨率高等优点广泛的应用在科研以及工业装置中。这些装置包括微位移平台[1]、超精密机械加工[2]、微夹持器[3]、加速度计[4]、陀螺仪、扫描隧道显微镜[5]、运动导轨、导弹控制装置、高精度照相机、天线和阀等。
Kα z

基于柔性铰链的微位移机构的设计与分析

基于柔性铰链的微位移机构的设计与分析
黄志威梅杰明廷鑫胡吉全陈定方

武汉理工大学物流工程学院
摘
武汉４３００６３
要：针对传统机械式微位移机构无法实现高精度定位的问题，采用半圆型柔性铰链设计了一种反对称
ｗｈｉｃｈｃａｎａｍｐｌｉｆｙｔｈｅｉｎｐｕｔｌｉｎｅａｒｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｔｉｎｔｏａｎｇｕｌａｒｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｆｏｒｏｕｔｐｕｔ．Ｔｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｉｔｓａｎｇｕｌａｒｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｙｐｅ，ｓｔｕｃｒｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ａｎｄｏｕｔｐｕｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｔａｔｉｃｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ．ＴｈｅｓｏｆｔｗａｒｅＡｎ —
性铰链与传统铰链相比，具有无间隙、无摩擦、
运动灵敏度高等优点。但传统铰链允许较大的相对转动，而柔性铰链只允许很小的相对转动。在精密工程中，基于柔性铰链的柔性放大机构作为微位移放大器，可将压电陶瓷驱动器的输出位移放大到几十甚至几百微米，以实现较大行程范围内的精密位移驱动。柔性放大机构有多种放大原理，如桥式原理、

柔性铰链微动机构的分析与设计

图 7-2 双柔性四杆机构工作台结构简图
四.
柔性铰链的基本工作原理与设计
柔性铰链是实现小范围偏转产生微位移的结构，它具有高精度、高稳定性、无间隙和无机械摩擦等特点，并在近十几年来广泛用于微定位系统中。柔性铰链是一种圆弧切口结构，由柔性铰链这种弹性导轨可组成新型的微定位系统，利用其受力弯曲产生的有限角位移，可以达到精密定位的目的；柔性铰链可以设计成多种形式进行饶轴的复杂角运动或构成柔性系统形成直线运动。柔性铰链的基本图形如图 7-3 所示。
杆长 L 可根据结构自行选定，根据公式可求出每个铰链的转角刚度 Kθ ，再根据确定的转角刚度，确定柔性铰链的基本参数、宽度 t、厚度 b 和圆弧半径 R。
图 7-5 柔性铰链微动工作台模型
五.
柔性铰链微动工作台的分析与设计公式
对图 7-5 所示的微动工作台基本结构设计时进行下列假设： 1. 工作台运动时，仅在柔性铰链处产生弹性变形，其他部分可认为是刚体； 2. 柔性铰链只产生转角变形，无伸缩及其它变形。设四个柔性铰链的转角刚度为 Kθ ，那么当四连杆机构在外力 F 的作用下产生 S 的平移，每个柔性铰链所储存的弹性能为 1 Aθ = K θθ 2 2 S 式中 θ = l
（7-12）
Kθ 可由表一查出外力 F 所作的功为
A =
1 FS 2
（7-13）
由能量守恒定律： A=4 A θ ,可推导出弹性微动工作台的刚度值—基本设计计算公式：
K = 4
Kθ l2
（7-14）
设计方法：一、可根据微驱动器的参数确定工作台刚度二、选定 l,查表定 R,t,b.
八、光机电一体化柔性系统结构分析
Fx 作用下产生的沿 X 轴位移 Δx 为：

柔性铰链的微动平台设计

ｐｏｓｉｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｃａｄｂｅｒｅｌａｉｚｅｄ珊ｗｅｌｌＢｓｅａｄｏｎｔｈｅｄｅｓｉｎｇｏｆｔｂｌａｅ．ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｆｍｏｃｒａｏ — ｍｉｃｒｏｔａｂｌｅｒｅａｂｕｉｌｔｎｄａ
ｄｒｉｖｉｎｇｐｒｅｃｉｓｉｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｍｅｃｈａｎｓｉｍ。ｍｉｃｒｏｔｂｌａｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂｓｅａｄｏｎｌｅｆｘｕｒｅｈｉｎｇｅ．ｗｈｉｃｈｃ帆ａｃｈｉｅｖｅｌｒｇａｅｓｔｒｏｋｅａｎｄ
ｇｒｔａｉｎｇａｎｄｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌｒａｇｔｉｎｇｒａｅａｄｏｐｔｅｄｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｆｌｏａｒｇｅｓｔｒｏｋｅａｎｄｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｃｌｏｓｅ — ｌｏｏｐ
ｎｎｏａｍｅｔｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ．Ｍｉｃｒｏ－ｔａｂｌｅｍｏｕｎｔｅｄｏｎｔｈｅｍａｃｒｏ－ｔｂｌａｅｓｉｄｒｉｖｅｎｂｙｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｔａｕａｔｏｒ．Ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｂｓａｏｌｕｔｅ

柔性铰链微定位平台的设计

（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００７２，Ｃｈｉｎａ；
＊ｏｒ）已ｏ７２ｄ７２ｇａｕｔｈｏｒ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｍａｌｉａｎ＠ｓｈＵ．ｅｄｕ．ｃｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｍｉｃｒｏ — ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｓｔａｇｅｄｒｉｖｅｎｂｙａｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｅｒａｍｉｃｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ。ｗｈｉｃｈａｄｏｐｔｓａｂｒｉｄｇｅ — ｔｙｐｅｆｌｅｘｕｒｅｈｉｎｇｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｔｏｒｅａｌｉｚｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｕｓｅｓａｐａｒａｌｌｅｌｂｏａｒｄ
２．ＲｏｂｏｔｉｃｓａｎｄＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓＣｅｎｔｅｒ，ＳｏｏｃｈｏｗＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｕｚｈｏｕ２１５０２１，Ｃｈｉｎａ；
３．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＲｏｏｔｂｉｃｓａｎｄＳｙｓｔｅｍ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５００８０，Ｃｈｉｎａ）

基于交叉簧片柔性铰链的空间微位移机构

基于交叉簧片柔性铰链的空间微位移机构魏传新;陈洪达;尹达一【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2015(023)011【摘要】基于交叉簧片柔性铰链(简称‘交叉铰链’)设计了一种用于光束跟踪、精密指向和瞄准的同轴八铰微位移放大机构.该机构使用菱形构型,用交叉铰链作集中柔性元件,节点处交叉铰链两两同轴配合使用,以便保证运动的平稳输出.研究了机构的运动学以及力学性能,计算了微位移机构的行程放大比和灵敏度;根据交叉铰链的刚度模型,推导出微位移机构的理论刚度;最后,应用有限元软件对机构进行建模并对运动学、静力学以及动力学性能进行仿真.完成了样机的加工和测试,测试结果显示,机构放大比为1.905,理论与测试误差低于2.2％,结构刚度为18.21 N/mm,误差低于0.32％,一阶频率为8.8 Hz,误差低于5％.分析结果验证了本设计的可行性和有效性.该机构适用于空间高精度微位移领域.【总页数】8页(P3168-3175)【作者】魏传新;陈洪达;尹达一【作者单位】中国科学院大学,北京100049;中国科学院上海技术物理研究所,上海200083;中国科学院红外探测与成像技术重点实验室,上海2000083;中国科学院上海技术物理研究所,上海200083;中国科学院红外探测与成像技术重点实验室,上海2000083;中国科学院大学,北京100049;中国科学院上海技术物理研究所,上海200083;中国科学院红外探测与成像技术重点实验室,上海2000083【正文语种】中文【中图分类】TH112;TP271.2【相关文献】1.基于类V型柔性铰链的微位移放大机构 [J], 刘敏;张宪民2.基于柔性铰链杠杆放大机构的二维微位移平台设计 [J], 刘涛;张心明3.基于有限元的柔性铰链微位移机构研究 [J], 刘庆纲;陈良泽;梁君;刘美欧;孙庚;徐临燕4.基于柔性铰链的微位移机构的设计与分析 [J], 黄志威;梅杰;明廷鑫;胡吉全;陈定方5.基于完备椭圆积分解的交叉簧片式柔性铰链大挠度建模 [J], 张爱梅;陈贵敏;贾建援因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

柔性铰链微动平台设计

柔性铰链微动平台设计概述柔性铰链微动平台是一种具有高灵活性和精确控制能力的微型机械系统，在多个领域中发挥着重要作用。

本文将介绍柔性铰链微动平台设计的综述，包括其工作原理、设计要求、设计流程和应用案例等。

工作原理柔性铰链微动平台是基于柔性铰链机构设计的微型机械平台。

柔性铰链机构由一系列具有可弯曲性能的连接件组成，通过这些连接件的柔性变形，实现平台的微动控制。

具体来说，柔性铰链微动平台的工作原理如下：1.柔性铰链机构的变形: 通过施加力或扭矩，柔性铰链机构的连接件发生变形，从而改变平台的位置和姿态。

这种柔性变形具有较大的位移范围和高精度的响应能力。

2.控制系统的反馈: 在柔性铰链微动平台上安装传感器，监测平台的位置和姿态。

这些传感器将实时反馈到控制系统中，以便根据需求调整施加在柔性铰链机构上的力或扭矩。

3.控制策略的实施: 根据控制系统的反馈信息和预设的控制策略，控制系统通过执行合适的控制算法，实现对柔性铰链机构的控制。

这样，就实现了平台的精确位移和姿态控制。

设计要求设计柔性铰链微动平台时，应满足以下要求：1.柔性性能: 连接件应具有足够的柔性，能够实现平台的精确位移和姿态控制。

同时，连接件的变形应具有稳定的特性，以保证平台的可靠性和重复性。

2.结构刚度: 平台的柔性铰链机构需具备一定的结构刚度，以保证在外力作用下的稳定性和抗扭性能。

同时，在高精度控制要求下，结构刚度也可减小位移误差。

3.传感器选择: 选择合适的传感器用于监测平台的位置和姿态。

传感器应具有高精度、高灵敏度和快速反应的特点，以确保系统控制的准确性和稳定性。

4.控制系统设计: 设计合适的控制系统，能够接收传感器反馈信息，并根据预设的控制策略实现对柔性铰链机构的控制。

控制系统应具有高精度、高稳定性和高响应性能。

5.应用场景适应: 根据具体的应用需求，设计柔性铰链微动平台时应考虑适应不同环境和工况的要求，例如温度、湿度和尺寸约束等。

设计流程设计柔性铰链微动平台的流程一般包括以下几个步骤：1. 确定需求和应用场景在设计柔性铰链微动平台之前，首先需要明确需求和应用场景。

柔性铰链微位移放大机构的研究

链刚度ｋ的影响，算结果如图３计所示．该算例选择
材料（铍青铜，ｅ）与结构的具体参数为ＱＢ２
Ｅ一１３５Ｘ１ｎＰａ；一１× １一一１ × １一．０ＴＯＯ０。ｍ；
Ｒ一２５Ｘ１一ｍ；．０ｔ一０１ × １＿．Ｏ。一１× １ — １．０２１
（ｃｏｌｏＥｎｒｙａｄＰｏｒＥｎｉｅｒｎ，ｎｈｕＵｎｖｒｉｙｏｃｅｃｎｃｎｌｇＬａｚｏ３００，ｈｎ）ＳｈｏｆｅｇｎｗｅｇｎｅｉｇＬａｚｏｉｅｓｔｆＳｉｎｅａｄＴｅｈｏｏｙ，ｎｈｕ７０５Ｃｉａ
ＲｅｅｒｈｏｈｅＭｅｈｎｉｍｆＭａｎｉｙｎｇＭｉｒｓａｃｎｔｃａｓｏｇｆｉｃｏ
ＤｉｐｌｃｍｅｔｂｉｇＦｌｘｕｅＨｉｅｓａｅｎｙＵｓｎｅｒｎｇｓ
ＺＨபைடு நூலகம்ＮＧａ－ｈｎ，Ｕａ — ｕｎＺＡＮＧａ —ｈｎＺＡ０ｎ —ｏｇＹＵｕｌｇＹｕｎｓｅＬＩＸｉｏｇａｇ，ＨＹｕｎｃｅｇ，ＨＱｉｇｌｎ，Ｙｏ —ｉｎ
Ｅ半径Ｒ以及最小厚度ｔｌ带入式中作积分，即可得
出柔性铰链的转角刚度．此可以看出柔性铰链的由转角刚度与其结构参数密切相关，了更为直观地为
图３厚度、度丁与七宽之间的关系
ｖｌｅａｖ．

基于类V型柔性铰链的微位移放大机构

基于弹性力学和材料力学理论推导了基于类Ｖ型柔性铰链和基于直圆型柔性铰链的两类二级杠杆式微位移放大机构
的放大比。采用ＡＮＳＹＳ软件，建立了放大机构的有限元模型，验证了位移放大比的理论推导，并对上述两类放大机构
第２５卷
第４期
光学精密工程
ＯｐｔｉｃｓａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏ１．２５Ｎｏ．４
Ａｐｒ．２Ｏ１７
２０１７年４月
文章编号
Байду номын сангаас
１００４ — ９２４Ｘ（２０１７）０４ — ０９９９ — １０
ｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｑｕａｓｉ — －Ｖ— — ｓｈａｐｅｄｆｌｅｘｕｒｅｈｉｎｇｅｗａｓｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈａｔｏｆａｃｏｍｍｏｎｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙｒｉｇｈｔ
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基于柔性铰链通用模型的柔性位移放大机构建模方法研究

基于柔性铰链通用模型的柔性位移放大机构建模方法研究基于柔性铰链通用模型的柔性位移放大机构建模方法研究 1. 引言柔性位移放大机构是一种具有较大位移放大比和较高工作频率的重要机构，广泛应用于精密机械、医疗器械、航空航天等领域。

然而，传统的刚性机械建模方法往往难以准确描述柔性位移放大机构的动态性能。

因此，针对柔性位移放大机构的特点，本文提出了一种基于柔性铰链通用模型的建模方法，旨在提高柔性位移放大机构的动态性能分析的准确性和效率。

2. 柔性铰链通用模型柔性铰链通用模型是一种能够较为准确地描述柔性位移放大机构动力学性能的模型。

该模型将柔性杆连接的结构简化为一系列等效质点，以及连接质点的弹性元件。

通过引入柔性铰链，能够更好地考虑柔性杆的挠曲和扭转，从而准确描述柔性位移放大机构的整体动态行为。

3. 柔性位移放大机构的建模方法通过引入柔性铰链通用模型，本文提出了一种基于有限元分析的柔性位移放大机构建模方法。

具体步骤如下：3.1. 几何建模根据柔性位移放大机构的实际结构，利用CAD软件进行几何建模，包括各个零件的外形、尺寸和连接关系等。

3.2. 材料属性确定根据柔性位移放大机构所用材料的力学性质，确定其弹性模量、泊松比等参数。

3.3. 网格划分将建模的柔性位移放大机构进行网格划分，形成离散的节点和单元。

3.4. 边界条件设定根据柔性位移放大机构的工作条件，设定固定边界条件和加载边界条件。

3.5. 弹性元件建模根据柔性铰链通用模型，利用弹性力学理论，将柔性杆简化为一系列等效质点和弹性元件，并设置相应的刚度参数。

3.6. 动力学分析通过有限元软件进行动力学分析，考虑柔性位移放大机构的惯性和弹性特性，并获取其动态性能。

4. 建模结果分析根据柔性位移放大机构的建模结果，进行动态性能分析。

通过振动模态分析、应力应变分析等方法，评估柔性位移放大机构在不同工况下的动态性能。

5. 实例分析通过实例分析，验证了该建模方法的准确性和可行性。

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开创了工作台进入毫米级的新时代。

60年代前后，由于宇航和航空等技术发展的需要，对实现小范围内偏转的支承，不仅提出了高分辨率的要求，而且对其尺寸和体积提出了微型化的要求。

人们在经过对各种类型的弹性支承实验探索后才逐步开发出体积小、无机械摩擦、无间隙的柔性铰链。

随后柔性铰链在支撑结构、联接结构、调整机构和测量仪器中的得到广泛应用,并获得了前所未有的高精度和稳定性，并日益成熟。

70年代末，美国国家标准局引入了柔性铰链机构以放大压电驱动器的位移，使其设计的工作台既具有亚纳米级的位移分辨率，又具有相对较大的行程。

柔性铰链用于绕轴作复杂的有限角位移，它的特点是：无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高。

柔性铰链有很多种结构，最普通的形式是绕一个轴弹性弯曲，这种弹性变形是可逆的。

1.1.2 柔性铰链运动的实现方法柔性铰链是通过弹性形变来实现铰链运动。

施加的弹性变形力会导致铰链中心点偏移其几何中心，从而影响柔性铰链的转动精度。

柔性铰链用于绕轴做复杂运动的有限角位移，它有很多种结构，最普通的形式是绕一个轴弹性弯曲，这种弹性变形是可逆的。

1.1.3 柔性铰链类型柔性铰链可分为单轴柔性铰链和双轴柔性铰链。

单轴柔性铰链的截面形状有圆形与矩形两种，如图1-1所示。

需要垂直交叉和沿纵向轴高强度的双轴柔性铰链，可采用图（1-2（c））。

图1—2 双轴柔性铰链1.2 柔性铰链的发展1.2.1 柔性铰链在国外的研究发展在早期美国国家标准局设计了一体化的柔性铰链机构, 以联接X 射线干涉仪和光学干涉仪。

它采用3 级杠杆, 从驱动点到工作台面的位移缩小比达到1000∶1, 由此降低了对驱动元件的要求, 但柔性铰链机构较为复杂。

他们还利用柔性铰链在几角秒的运动范围内达到1 微角秒的调节精度。

为了加大X 射线干涉仪的测量范围，德国设计了如图1-3对称结构的柔性铰链传动机构，该机构消除了在主运动垂直方向上的干涉运动, 测量范围达到了200μm。

图1-3对称结构的柔性铰链传动机构70年代美国国家标准局引入了柔性铰链机构以放大压电驱动器的位移，使其设计的工作台既具有亚纳米级的位移分辨率，又具有相对较大的行程。

而此时的柔性铰链机构结构紧凑、运动精度高等特点，因此在精密机械、精密测量、微米和纳米技术等领域得到了广泛应用。

1978 年美国国家标准局开发了一个微定位工作台并用于光掩模的线宽测量。

为了能在光学和电子显微镜中使用, 要求工作台结构紧凑并能在真空中工作。

如图1-4所示,工作台采用了压电元件驱动, 柔性铰链机构进行位移放大的方案。

压电元件在低频工作时的能量耗散为零,因此工作台没有内部热源。

工作台可在50 Lm 的工作范围内,以1 nm或更高的分辨率将物体线性定位。

工作台还被用于其它显微物体, 如生物细胞、空气污染颗粒和石棉纤维等的尺寸精密测量。

图1-4压电驱动高精度工作台1.2.2 柔性铰链在国内外的最新研究发展国内最新研究、设计了一种柔性压电式微定位机构。

如图1-5所示，此机构采用压电陶瓷作为微位移驱动器, 柔性铰链为导向机构, 对丝杠螺母传动的精密机床工作台运位置进行自动补偿。

通过实验验证, 在精密滚珠丝杠副驱动的超精密加工机床上, 增加柔性压电式微位移机构, 可使机床的定位精度由原来的1μm提高0.01μm，且由于柔性铰链的放大作用, 定位行程达到100μm, 显著改善了机床的性能, 图1-5精密机床工作台微定位原理图能够满足精密、超精密定位精度要求.图1-5精密机床工作台微定位原理图目前提出了一种新颖的大行程柔性铰链及应用该种柔性铰链作为被动关节的大行程柔性铰链并联机器人。

如图1-6所示，该系统能够在立方厘米级的工作空间内实现亚微米级的运动精度。

如韩国高等科技大学的Ryu等人研制了三支链柔性铰链平面并联机器人，驱动元件采用压电陶瓷, 而整体结构中所有被动关节均采用正圆弧型柔性铰链。

由于压电陶瓷的末端输出行程有限，为得到并联结构末端点较大的工作空间，这里合理的安排了柔性铰链的位置，使得支链均构成了放大结构。

Ryu等在建立了整体结构的运动学逆解的基础上，进行运动学标定，并做了大量试验。

最终该系统在X、Y 两个方向的轴线位移和Z方向的角位移可分别达41微米、47.8 微米和联机器人322.8角秒，而相应的运动分辨率可达7.6纳米、8.2纳米和0.057角秒。

图1-6大行程柔性铰链并联机器人第二章总体方案设计2.1 总体设计思路用柔性铰链为基础单元，设计出柔性铰链的微动工作台，使用压电陶瓷驱动器PZT（具有体积小、分辨率高、承载能力强等优点）来驱动，用电容式传感器来测量该微动工作台的位移变化量，使用A/D转换，从而使模拟量变为数字量，以便直观观察。

该微位移工作系统，由弹性精密微动工作台产生一个微位移量△d，使用电容式传感器对其进行测量，产生一个交流信号。

信号再通过处理电路由A/D把模拟信号转化数字信号送入51单片机对其进行处理。

并通过D/A转换使其成模拟信号，通过PID控制电路的运算，由于PID产生的信号十分微弱，用功率放大器对其进行一定程度的放大，从而驱动电压陶瓷驱动器PZT工作柔性铰链的运动的范围为 100μm，分辨率为0.1nm，其方案图如下：2-1方案简图2.2 功能模块简介压电陶瓷驱动器PZT：用来驱动平行四杆的微工作移动，从而使依附在铰链上的电容的间距产生变化；柔性铰链的微动工作台：平行四杆结构，当在AC杆上加一个力F时，由于四个柔性铰链的形变，使AB杆在水平方向上产生一位移δ，而实现无摩擦、无间隙和高分辨率的微动；电容式传感器电路：通过电容间距的变化，从而电路产生一个相应的电压量，实现位移量到电压量的转换，以便于直接观察与控制；信号处理电路：用检波电路与低通电路，滤除高次谐波和干扰信号，从而得到想要的直流的周期信号；A/D转换：把输出地直流模拟信号转换成离散的数字信号，实现模拟量到数字量的转换，并传入单片机处理；单片机：主要用来控制A/D、D/A转换，并把相应的电压量用数字显示出来，以便直接的观察了解；D/A转换：把单片机输出的数字量转化为模拟量，以便为后面的驱动电路提供一定的功率，使之能正常工作；PID控制电路：改进反馈控制系统的性能，提高电路的稳定性、快速性无残差性的理想性能；功率放大：放大输入的功率，为下级负载提供足够的大的功率；总之，各功能模块的合理搭配，就实现了柔性铰链微动工作台的精密测量系统。

第三章柔性铰链微动台设计3.1 柔性铰链力学模型柔性铰链结构示意图如2-1[1]，这里采用双圆弧柔性铰链其绕z 轴的转动刚度为：5/21/22/9B K Ebt r π=式中：E ：材料的弹性模量； t 、h ：铰链的厚度； b ：铰链的高度； r:铰链的圆弧半径;图3-1柔性铰链结构示意图驱动力对柔性铰链产生一个绕z 轴的力矩Mz ，使铰链绕z 轴偏转αz 角，而且：1/25/292Z z M R Ebtπα= Mz 在y 方向产生位移△y ：3/25/292Z M R y Ebt π∆=3.2 微工作台设计 3.2.1 平行四杆机构以柔性铰链为基本单元的弹性微动工作台采用压电伸缩微式位移器驱动，其基本结构如图3-2所示。

通过在一块板材上加工开孔和开缝，使圆弧切口处形成弹性支点（即柔性铰链）与剩余的部分成为统一体，从而组成平行四杆结构，当在AC 杆上加一个力F 时，由于四个柔性铰链的形变，使AB 杆在水平方向上产生一位移δ，而实现无摩擦、无间隙和高分分辨率的微动。

图3-2 柔性铰链的微动工作台为增加弹性微动工作台的承载能力，并提高运动方向上的刚度，确保工作台具有良好的动态特性和抗干扰能力，在不增加工作台尺寸（即厚度ｂ）的前提下，应尽可能增大图3-2柔性铰链微动工作台模型柔性铰链细颈处的厚度ｔ，并减小圆弧切口的半径Ｒ。

在这种情况下，t 往往大于或等于Ｒ。

设计柔性铰链时应采用ｔ≥Ｒ条件下的设计方法。

3.2.2 微动台的基本模型及设计计算公式如图3-2所示的微动工作台基本结构设计时进行下列假设：①．工作台运动时，仅在柔性铰链处产生弹性变形，其他部分可认为是刚体； ②. 柔性铰链只产生转角变形，无伸缩及其他变形。

设四个柔性铰链的转角刚度K θ ，那么当四连杆机构在外力Ｆ的作用下产生δ的平移，每个柔性铰链所储存的弹性能为： 212A K θθθ=K θθ 2式中，θ=lδ；K θ由查表得；外力F 所做的功为： 12A F δ=由能量守恒定律：A=4A 0，可推导出弹性微动工作台的刚度值基本设计计算公式： 24K K l θ= 3.2.3 弹性微动台的设计在设计时，首先完成整个工作的零件图及装配草图，选择材料，计算出该工作台的质量ｍ。

确定柔性铰链的基本参数ｔ和Ｒ。

柔性铰链的基本参数ｔ，Ｒ应满足下列工作要求： ①柔性铰链内部应力要小于材料的许用应力。

在微位移范围内，此条件一般都能满足。

②微位移器产生的最大位移输出时，微动台的弹性恢复力应小于微位移器的最大驱动力。

③微动台的刚性应尽可能大，使其具有良好的动态特性和抗干扰能力。

根据微动工作台的结构原理，微动台的振动模型可以简化为一阶弹簧质量系统，故微动台的固有频率：f =—弹性为动台部分的质量)本次设计中，微动工作台的尺寸范围为130mm ×100mm ×200mm ，固有频率f=219Hz ，刚度K= 0.35kg/μm,t=2mm,R=1.5mm,m=1.8kg 。

第四章硬件设计4.1 压电陶瓷微位移驱动器压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构－－压电驱动器，它具有结构紧凑、体积小、分辨率高、控制简单等优点。

本次设计采用P-840 预负载开/闭环低压压电促动器（如图4-1），其特性如下：（1）最大行程：180um ；（2）分辨率：小于1nm ，最小可达0.05nm ；（3）刚度：最大可达1280N/um ；（4）工作温度范围：-40℃～+150℃；（5）最大推/拉里：可达30000N/3500N 。