基于曲柄弹簧机构的零刚度柔性铰链研究

零刚度柔性铰链的转动刚度近似为零,克服了普通柔性铰链需要驱动力矩的缺陷,可应用于柔性夹持器等领域。以纯扭矩作用下的内外环柔性铰链为正刚度子系统,研究负刚度机构并匹配正负刚度,可构造零刚度柔性铰链。提出一种负刚度转动机构——曲柄弹簧机构,建模分析了其负刚度特性;通过匹配正负刚度,分析了曲柄弹簧机构的结构参数对零刚度品质的影响;提出一种可定制刚度和尺寸的线性弹簧——菱形片簧串,建立其刚度模型并进行了有限元仿真验证;最终,完成了一种结构紧凑的零刚度柔性铰链样件的设计、加工和测试。测试结果表明:纯扭矩作用下,±18°转角范围内,零刚度柔性铰链的转动刚度比内外环柔性铰链平均降低了93%。所构造的零刚度柔性铰链结构紧凑,零刚度品质高;所提出的负刚度转动机构和可定制刚度的线性弹簧对柔性机构的研究具有较大的参考价值。

零刚度交叉簧片柔性铰链的设计与仿真

零刚度柔性铰链利用负刚度系统抵消功能方向正刚度特性,具有驱动力小、传动效率高等优点,是构建复杂柔性静平衡机构的基本模块。而建立正确的理论模型,分析铰链静平衡条件是设计零刚度柔性铰链的关键所在。基于广义交叉簧片柔性铰链解析刚度表达,综合零长弹簧转动负刚度原理,分别建立利用双弹簧和单弹簧实现的零刚度交叉簧片柔性铰链模型,继而得出各自的静平衡条件。最后,通过有限元仿真结果佐证了理论模型的正确性。