柔性机构及其应用概论版.pptx

第14章 柔性机构及其应用 Compliant Mechanisms and their Applications;主要内容;生物界中柔性的应用 ;1638年，伽利略在《关于两门新学科的谈话及数学证明》一书中总结了质点动力学和结构材料的力学性能，奠定了弹性力学的研究基础。 1678年，虎克提出了著名的弹性定律。在其著作《势能的恢复》中，描述了弹簧的伸长与所受拉力成正比这一规律。这是柔性机械形成的理论基础。 1828年，柯西建立了各向同性和各向异性弹性力学的本构方程。 1864年，麦克斯韦最早利用材料的弹性变形来实现精密定位。 1965年，Paros等提出了圆弧缺口型柔性铰链的结构形式，并给出了其弹性变形表达式。 二十世纪八十年代，Purdue大学的Midha等开始对具有柔性单元的机构进行系统性的研究，并赋予了该类机构一个专门的术语——柔性机构。 ;柔性（机构）是一种靠构件元素具有的柔性来输出给定运动或力的机构。其弹性是我们所希望的功效。;柔性材料;柔性单元;柔性铰链 (Flexural pivot，Flexure hinge，or Compliant joint) 柔性铰链是指在外部力或力矩的作用下，利用材料的弹性变形在相邻刚性杆之间产生相对运动的一种运动副结构形式。它是柔性机构中负责某一种功能的柔性单元。; 柔性机构的最初表现形式是柔性铰链。二十世纪中叶，航空 航天技术的需要催生了柔性铰链的出现。 和传统铰链相比，其优点是： 无间隙，无摩擦，可一体化装配，提高精度； 无摩损，延长寿命； 可在恶劣的空间环境中应用，且减轻了重量； 简化装配过程，减少装配时间； 免润滑，避免污染(无噪声)；;柔性铰链 | 简介;柔性铰链 | 性能评价指标 ;;簧片型 ：增大行程的同时，增大了寄生运动 交叉簧片式：转动中心大约在交叉点处；转角较大，轴漂也大。 车轮型簧片式：轴漂减小，转角也减小。 组合簧片式：利用基本模块的组合来抵消寄生运动，同时获得大的运动范围。;复合型 ;;柔性铰链 | 分类;柔性平行四杆及组合类型 组合为了补偿寄生运动。;;柔性机构(Compliant Mechanism) 柔性机构是指利用材料的弹性变形传递或转换运动、力或能量的一种机构。该类机构在设计中采用大变形柔性元素，而非全部采用刚性元件。 柔性机构分为：(1)具有集中柔度的柔性机构(LCCM), 其特征是用柔性运动副代替了全部传统运动副。(2)具有分布柔度的柔性机构(DCCM), 其特征是整个机构中并无任何铰链的存在, 这种柔性相对均衡地分布在整个机构之中。;柔性机构 | 简介;利用转动副构建移动副 思路二：特殊直线导引机构 Howell提出了柔性罗伯茨机构(Roberts Mechanism);Roberts柔性直线导向机构 ;台湾大学的张所鋐教授研究了史考特-罗塞尔机构(Scott-Russell Mechanism) 机构特性：运动方向改变及幅值放大。;利用转动副构建移动副 思路三：Parise，弹簧?正交平面机构 某个瞬时状态连杆位于同一平面内，其运动则垂直于此平面。 半径型支链和侧边型支链两种设计。 消除了传统弹簧固有的旋转运动，并且结构紧凑。;最基本的几何构型形式如图a所示 柔性单元B(或C)的作用是为了解耦柔性单元D(或A)。 MIT的Awtar提出了一系列构型，如：;Awtar搭建的两自由度运动平台。行程为5?5mm，两个轴的耦合误差小于1%，平台的旋转角度小于1秒(1/3600度)。;Delta并联机构(具有多种扩展构型) EPFL提出的一种Delta柔性并联机构。 采用3-P(4S)布局，三个支链相互正交。 通过U铰代替S铰，巧妙的将柔性平行四杆移动副嵌入到四个柔性U铰的模块中，使得布局非常的紧凑。 最终实现的Delta Cube机构被应用到精密定位机器人上。;柔性机构|三维移动;3-RRR构型研究较多 北航机器人所用其作为光纤对接的微操作手； 加拿大Saskatchewan大学的高级工程设计实验室做了大量的工作； 优点：可直接采用直线驱动器。;机器人 精密定位 仿生 航空航天 空间观测的调姿机构 微波天线的对准机构 科学仪器 天文望远镜自适应场调整机构 光源同步加速器的光学调整 MEMS 微加工 微装配;主要(潜在)应用领域;瑞士MECARTEX公司设计的三轴高精度定位系统 ;瑞士电子和微技术中心(CSEM) 开发的Sigma 6 并联柔性机器人及高精度微夹持器;用于细胞操作的微操作机器人;光学领域 ;用于光纤对接的微操作机器人 ;单根光纤及多根光纤的对接;用于显微操作的机器人末端执行器 (end-effector，Brigham Y