Analysis of the Rigidity of a Straight Beam Flexible Hinge with Different Geometrical Parameters

Flexible hinges are widely used in micro motion robotics. Its rigidity directly influences an organization＇s terminal localization. Its actual structure geometry size cannot satisfy the theoretical analysis completely in a theoretical supposition condition. In this paper, we analyzed the rotation rigidity of a corner-filleted straight beam flexible hinge in different parameters using finite element software ANSYS. The errors are discovered and compared with theoretical results. Through the graph of the flexible hinge parameters and its performance, an analysis of changes of parameters on the performance of a corner-filleted flexible hinge was carried out. The key manufacture parameters that affect the performance of a corner-filleted flexure hinge the most and rules of design are given, which can provide directions of design precision for the flexure hinge.

Kinematics modeling of a 6-PSS parallel mechanism with wide-range flexure hinges

A novel 6-PSS flexible parallel mechanism was presented,which employed wide-range flexure hinges as passive joints.The proposed mechanism features micron level positioning accuracy over cubic centimeter scale workspace.A three-layer back-propagation(BP) neural network was utilized to the kinematics analysis,in which learning samples containing 1 280 groups of data based on stiffness-matrix method were used to train the BP model.The kinematics performance was accurately calculated by using the constructed BP model with 19 hidden nodes.Compared with the stiffness model,the simulation and numerical results validate that BP model can achieve millisecond level computation time and micron level calculation accuracy.The concept and approach outlined can be extended to a variety of applications.

柔性铰接板振动视觉测量与小波神经网络控制

为了解决航天器上用于供能的太阳帆板类柔性薄板结构的振动问题,针对一种移动柔性铰接板系统构建了双目视觉系统的振动测控实验平台,采用双目立体视觉方法来检测振动,并设计了自回归小波神经网络控制器(Self-Recurrent Wavelet Neural Network Controller,SRWNNC)来抑制振动。对双目视觉系统进行了标定,基于视差原理和图像处理算法,通过解算标志点的三维坐标来获取振动信号。建立了系统的有限元模型,并通过辨识得到校正后的系统模型参数。基于辨识得到的模型在仿真环境中训练SRWNNC,用于实验系统的振动主动控制。分别针对移动柔性铰接板系统固定基座和平移轨迹运动两种情况,进行了双目视觉振动检测和振动控制仿真和实验研究。仿真和实验结果表明,双目视觉传感器对振动信号的检测精度小于0.1 mm,SRWNNC也展现出比大增益PD控制器更好的抑振效果,验证了双目视觉振动检测和SRWNNC抑制振动的准确性和有效性。

振动辅助抛光装置设计与性能研究

为了解决传统抛光技术及机床在过程中存在的加工效率低、表面质量差、周期性抛光纹理等问题,基于柔性机构理论,采用中心对称的方式,设计一个二维振动辅助装置;基于柔度矩阵法,建立二维振动辅助装置的理论模型。对二维振动辅助装置进行性能测试及有限元仿真。结果表明:此装置的最大行程约为46μm,放大比约为1.21,固有频率约为933 Hz,耦合误差率约为2.5%,最大应力不超过83 MPa,输入刚度为23.52 N/μm,输出刚度为12.29 N/μm。并通过振动辅助加工实验及有限元仿真,证明了振动辅助抛光装置具有改善实际抛光效果的能力。

含柔性连杆的曲柄滑块机构动力学分析与实验研究

为了研究柔性连杆、带有固体润滑涂层MoS_2的铰链接触副对含间隙铰链机构的动力学特性的影响规律,以曲柄滑块机构为研究对象,使用Adams软件进行数值仿真分析,研究了柔性连杆材料、铰链间隙、铰链接触副材料和铰链接触副表面固体润滑涂层对曲柄滑块机构动力学特性的影响。通过搭建与数值仿真参数一致的含间隙铰链的曲柄滑块试验台,试验验证了柔性大的连杆、较小的间隙值、接触刚度较小的接触副材料能够减小机构的振动,带有涂层的铰链能够有效减小接触面的磨损量。试验结果和数值仿真结果较为一致,能够有效的反应各种工况对含间隙机构的影响规律,为固体润滑涂层在航天领域中含间隙铰链接触副展开机构的减振抗冲击研究提供理论基础和试验依据。

可调谐半导体激光器压电驱动系统的优化设计

针对可调谐半导体激光器中普遍存在的输出光频率无跳模调谐范围小、扫描频率低、结构复杂等亟待解决的问题,研究了可调谐半导体激光器内部压电驱动系统的动力学特性。基于提高回转精度、降低轴心偏移量的设计目标,提出了一种多叶片并联的星型柔性机构结构。基于Lagrange方程和Duhamel积分,分别建立了压电驱动系统的运动微分方程和振动方程,在此基础上建立了柔性机构的动力学模型并对其结构参数进行了优化。最后,搭建了压电驱动系统动态特性测试平台,测试了压电驱动系统的机械响应特性以及可调谐半导体激光器的输出光可调谐范围。实验结果表明,压电驱动系统一阶固有频率为2187 Hz,柔性机构最大轴心偏移量为0.947 mm。在可调谐半导体激光器无跳模调谐性能测试中,当调谐频率为20 Hz时,实现了103.5 GHz的无跳模调谐范围。

飞机货舱门锁闩机构运动可靠性分析

飞机货舱门锁闩机构在舱门打开阶段协助提升电机进行舱门预位,磨损产生的铰链间隙会引起输出角度误差,降低锁闩机构运动可靠度。为了分析铰链磨损对于锁闩机构运动可靠度的影响,根据锁闩机构工作原理建立可靠度计算模型;建立货舱门刚柔耦合动力学模型计算铰链接触力;采用Archard磨损模型计算铰链磨损量,基于等效杆长理论将铰链磨损量转换成杆长变化量,建立参数化模型进行可靠度分析;利用孔销接触模型进行可靠度结果验证。结果表明:该可靠度分析方法能够保证计算精度,提高分析效率。

空间四自由度柔顺并联机构设计与仿真

设计了一种由压电陶瓷驱动的整体式空间四自由度柔顺并联定位平台,使用柔性铰链代替传统的运动副,消除了传统机构铰链配合的摩擦与间隙。建立了空间四自由度定位平台的运动学模型,使用三维建模软件建立几何模型。通过计算得到解析结果,并对空间四自由度柔顺并联定位平台进行有限元分析,得到其位移特性。比较理论计算和有限元仿真结果,得出误差在允许范围内,验证了设计的定位平台的可行性。

小卫星太阳翼铰链对挠性动力学方程耦合系数的影响

针对小卫星太阳翼机械系统产品选型时,展开机构的铰链类型、铰链刚度对卫星挠性太阳翼系统动力学方程中耦合系数影响规律不明确的情况,文章首先建立带挠性太阳翼的振动方程,给出使用动力学方程中的参量计算附件平动、转动耦合系数的公式;然后,基于小卫星常用的两种铰链类型以及铰链不同刚度,采用有限元法,对比相同卫星构型下铰链对太阳翼展开模态的影响;并获取相应的太阳翼振型、质量与质量元位置参数;最后,以某小卫星太阳翼为例,基于动力学方程中的耦合系数计算方法,采用输出参量与数据处理软件相结合方式,开展了不同铰链对耦合系数和铰链选型的影响分析。结果表明:文章分析的不同铰链、刚度的太阳翼结构参数以及耦合系数变化规律,对于铰链的设计和选型具有理论参考价值。

刚柔耦合关节SCARA机器人的双柔性动力学模型

针对电子装配机器人高速高精要求,提出一种能够利用柔性铰链变形补偿轴承摩擦死区,实现高精度定位运动的刚柔耦合关节SCARA机器人的概念设计,并建立考虑柔性铰链变形与机械臂一阶弹性变形的双柔性动力学模型。首先,设计一种刚柔耦合轴承的结构,通过轴承中柔性铰链的变形量主动补偿摩擦死区引起的定位误差;在每个关节处引入两个扭转弹簧,分别模拟柔性铰链和机械臂的弹性变形;其次,建立关节的摩擦模型以模拟关节摩擦环境;然后,使用拉格朗日动力学方法建立包含摩擦信息与振动信息的动力学模型。设计开环和闭环的数值仿真进行验证,结果表明该模型理论分析的有效性。

光纤阵列耦合中二维微动机构设计与分析

为提高空间光与光纤阵列的耦合效率,提出了一种非对称式兼有位移放大功能的二维微动机构。首先,根据位移和精度需求,设计了压电驱动的二维微动机构的结构,通过外加一个平面电容传感器(Planar Capacitance Sensor,PCS),实现对二维微动机构运动位移测量。其次,针对二维微动机构的核心零件-柔性铰链,分析了影响柔性铰链刚度最大的参数,并仿真分析了不同取值下二维微动机构的静力学位移和固有频率,完成了柔性铰链相关参数优化分析。最后,采用有限元分析了二维微动机构的运动学、静力学和动力学特性,其固有频率大于500 Hz,单方向最大行程为125μm,二维运动最大行程为177μm。验证了这种非对称式兼有位移放大功能的二维微动机构设计的可行性。

基于圆弧摆线铰链的双光纤光栅加速度传感器

针对桥梁加速度传感器原位校准时标准传感器的选取问题,提出了一种基于圆弧摆线铰链的双光纤光栅加速度传感器。通过力学模型分析传感器谐振频率与灵敏度,根据桥梁原位校准要求对传感器结构进行参数优化,并进行静应力分析、模态分析和谐响应分析,最后制作传感器实物并进行标定。实验结果表明:传感器谐振频率为460 Hz,灵敏度约为43 pm/g,横向干扰能力程度5.7%,可用于桥梁上加速度监测。

空间引力波探测超前瞄准机构研制与测试

探测低频引力波需要脱离地缘噪声干扰,在空间搭建激光干涉引力波探测装置。太极、LISA、天琴等空间引力波探测任务,计划在几十万到几百万公里量级的臂长上实现皮米级的位移测量精度,以满足引力波探测的要求。在探测任务中,考虑轨道季节性变化和星间激光传输时间等因素,发射光束需要一个超前角度,确保远端望远镜能够接收到光束,从而完成星间激光干涉。针对发射光束需要超前角度的需求,设计并研制了一款用于激光干涉链路中提供超前角度的光束指向机构,即超前瞄准机构。该机构基于将偏转轴配置在反射镜面上的设计理念,采用柔性铰链和杠杆配合的结构形式,利用压电陶瓷自闭环进行驱动控制,实现光束一维高精度偏转。对该机构进行仿真分析,验证其力学特性以及偏转范围。对所研制的机构进行了一系列实验测试,结果表明,该机构偏转范围可达到709.4μrad,偏转精度可达到0.44μrad,机构偏转引起的光程差优于10 pm/(Hz)1/2(1~10 Hz)。从而验证了该机构设计的可行性,为实现光束超稳高精度偏转提供一定的参考。

基于柔性导向机构的重力分量传感器开发

现有机器人打磨重力补偿需要根据姿态来计算重力分量,主要方式是通过机器人的姿态计算或者姿态传感器,存在计算复杂或者成本高的弊端。文中提出一种基于柔性铰链导向机构的重力分量传感器,通过测量柔性铰链导向方向的变形,计算在不同位姿下的柔性铰链弹性力,与水平位置的读数相比,直接计算出重力分量。与重力角度传感器相比,不需要标定,还能计算出由于加速度引起的惯性力部分,重力补偿更加准确。

单压电陶瓷驱动回转定位平台实验分析

为了能够实现高精度的微纳米级转动,该文基于柔性铰链设计了一种单压电陶瓷驱动的纯转动微定位平台。平台采用圆周阵列式柔性梁实现运动导向与解耦,通过杠杆机构增大动平台转动行程。首先通过有限元仿真验证了圆周阵列式柔性梁对动平台轴心漂移的抑制作用,然后通过实验对其运动特征进行测试与分析。测试结果表明,该机构具有良好的回转精度,在x轴正方向轴心漂移量为0~0.23μm,y轴负方向轴心漂移量为0~4.59μm,旋转弧度可达916μrad,旋转精度为0.53μrad。轴心漂移补偿后整体误差最大为4.9%。

一种新型柔性双轴微夹钳的设计与分析

针对传统的微夹钳在复杂的微操作中只能沿单轴进行夹持操作的不足,文中设计了一种柔性铰链的双轴微夹钳,结构简单又紧凑,该微夹钳由一个压电陶瓷驱动器驱动,实现夹持和旋转两种操作。采用非对称结构设计,实现左边完成向前旋转动作,右边完成夹持动作。通过左右两边两级放大机构结构设计不同,实现位移放大和运动传递。为实现抓取和搓动功能的解耦,对两部分的运动导向机构进行了正交设计。采用伪刚体法建立了机构的伪刚体模型,建立了机构的运动学和动力学模型,包括运动机构放大比、输入刚度和机构的固有频率。通过有限元分析方法验证了微夹钳的性能模型的准确性。仿真试验结果表明,左侧机构的放大比为8.01,右侧放大比为8.56,最大输出位移可达171.36μm。所设计的微夹钳具有良好的抓取和搓动的性能,可实现高精度的抓取和释放操作。

基于柔性铰链的手动微位移调整平台设计

为了实现低成本的微纳米级微位移调整,文章基于柔性铰链直线位移与寄生位移的关系,设计了一种由测微头驱动的单自由度微位移调整平台。介绍了该微调平台的结构组成及工作原理,建立了微调平台缩小倍数即输入-输出关系的理论模型。通过关键尺寸赋值,得到一种结构紧凑的缩小倍数为47的手动微调平台,通过测微头输入步长为10μm的位移,最小输出位移为213 nm,输入范围为0~600μm,输出范围为0~13μm。采用Ansys Workbench仿真软件对微调平台的刚度、应力及输入-输出关系进行有限元验证,验证了该设计方案的可行性。

大变形柔性虎克铰链设计与分析

以刚性虎克铰链结构形式为基础,结合蝶型柔性机构,设计了一种大变形柔性虎克铰链,并对新铰链进行了仿真分析和测试试验。通过仿真分析可知,在铰链的转动过程中最大轴漂为11.1μm,且铰链在非转动自由度上具有较大刚度;通过测试试验可得,该铰链绕X轴和绕Y轴的转动角度均能达到±9°。结果表明,该柔性虎克铰链转角大、刚度好、精度高且运动稳定。

正交簧片型大行程柔性球铰设计及柔度分析

传统缺口型柔性球铰的工作行程较小,且存在结构构型及柔度计算复杂、加工工艺要求高等问题,不能应用于需大行程的场合。为此,设计了一种正交簧片型大行程柔性球铰,即将具有较大变形能力的簧片梁通过正交组合形成虎克铰,使其能够实现3个功能轴线方向的运动。该柔性球铰具有结构构型简单、加工制作容易和工作行程较大等优点。根据柔性球铰单个簧片梁的柔度矩阵及连接方式,采用柔度矩阵法和坐标变换方法,对柔性球铰的全局柔度矩阵进行建模和计算,通过有限元仿真和实验测试对所建立的柔度模型进行验证,并分析了柔性球铰几何参数对柔度的影响规律。结果表明:柔度理论计算值与仿真值的相对误差基本在10%以内,与测试值的相对误差在8%以内;几何参数对柔度影响程度从大到小依次是柔性簧片梁2的厚度、宽度、长度。研究结果可以为大行程空间柔顺机构的多样化设计提供参考。

大变形柔性铰链的静刚度分析及应用

大变形柔性铰链可由弹性较大的橡胶材料制成,而橡胶材料的应变-应力关系不符合胡克定律,其关系可由应变-能量函数关系式导出,为此,采用Mooney-Rivlin模型对形变能量函数进行简化,通过适当选取材料常数的比值,对其非线性的应力-应变关系进行分段线性化,导出圆角型柔性铰链在大变形时转角刚度的近似计算公式.通过有限元仿真对近似计算公式进行了验证.在此基础上,应用大变形柔性铰链构造扑翼式微型飞行器中的柔性胸腔,由转动电机作为驱动器,利用柔性铰链的变形实现翅膀的扇翅运动,实际应用效果表明可有效增大扇翅角并提高能量利用率.