摘要：等几何分析能够将几何建模的基函数与结构数值分析的形函数统一,从而得到高精度的结构数值分析结果。面向柔性机构,提出了一种基于等几何拓扑优化的柔性机构设计方法:通过NURBS基函数和Shepard函数构造增强密度分布函数,该函数的高阶连续性可确保优化结构边界的光滑清晰;然后根据密度分布函数建立柔性机构的等几何拓扑优化模型;最后,将该方法应用于柔性机构设计。通过算例结果可知,等几何拓扑优化方法特有的计算原理可提高数值计算的精度和效率,能有效避免由网格依赖、棋盘格现象等产生的边界问题,确保了优化结构均具有较好的光滑性和连续性,验证了提出的方法能有效避免柔性机构的铰链现象。

摘要：针对压电驱动快速反射镜普遍存在的偏转范围小、扫描频率低等问题,本文设计了一种具有较大偏转角度的压电驱动快速反射镜柔性机构。首先开展了柔性机构嵌套级数、构型方式与固有频率、放大系数的相关性研究,得出了三级混合构型的初步设计方案。进一步将该机构离散为柔性铰链、刚性体和集中质量等基本单元,结合矩阵位移法,构建了柔性机构的通用动力刚度模型,得出柔性机构的结构参数与快速反射镜偏转角度的映射关系。在此基础上,对快速反射镜柔性机构关键尺寸参数进行优化设计,开展了柔性机构的模态分析。与国内外同类研究相比,该机构可以在保证较高一阶固有频率的基础上实现100 mrad机械偏转角度。

摘要：针对同步辐射中纳弧度级角位移调节的需求,优化设计并研制出一套冗余并联式柔性铰链转动装置。分析了柔性机构的运动学机理,利用虚位移原理推导出机构的整体静态转动刚度,研究其特性及铰链各参数对其影响。根据拉格朗日方程建立其动力学模型,推导出机构在运动方向的固有频率。建立数学优化模型,进行了机构静态和动态的双目标优化设计,采用基因遗传算法对带有非线性约束条件的目标函数优化求解。利用有限元方法对优化后的机构进行了模态分析,研究了柔性机构的前四阶固有频率和振型。制作出高精度的柔性铰链机构,设计搭建转动调节装置进行实验测试。测试结果表明:柔性角位移调节机构转角可达到0.668°,微调时双向运动重复精度实现±8.91 nrad,角分辨率为15 nrad,1~500 Hz的30 min稳定性(均方根值)为2.72 nrad,机构的一阶固有频率约295 Hz,与理论计算和有限元分析相一致。结果验证了优化设计的柔性机构实现纳弧度级高精度角位移调节的有效性和可靠性。

摘要：针对现有水下仿生推进机构结构复杂、运动生硬、柔性不足、效率较低的问题,本文提出了一种新型鱼尾结构,通过弹性板的连续变形来模拟鱼尾的体干波曲线,差动驱动产生鱼尾往复摆动。该构型由两个变截面弹性板和尾鳍刚性平台组成,通过双侧直线驱动产生大尺度变形,在机构的末端产生类似于真实鱼类尾鳍的运动。针对该方案建立运动静力模型,用于模拟和计算不同驱动输入下尾部的位姿和驱动力,采用主轴分解法建立的协调连续变形模型,将弹性梁大变形问题转化串联机构静力学问题,进而通过梯度迭代法可以快速而准确地对运动静力模型进行求解。解析模型的建立为连续变形柔性鱼尾的运动控制提供了依据,实验验证了该方法的可行性。

摘要：现有同位正交复合缺口双轴柔铰存在矩形横断截面锐边结构,增大了应力集中效应,且无法通过优化纵向缺口轮廓来消除。为此,提出一类椭圆横断截面新型双轴柔铰。首先以圆弧缺口为对象,构建该类柔铰的参数化结构模型;然后基于卡氏第二定理建立其柔度及最大应力理论模型,通过有限元分析验证模型的有效性,基于此,实现了柔度及应力集中特性分析;最后通过实验测试验证了柔铰的柔度性能。结果表明,椭圆横断截面型双轴柔铰具备两向各异柔度,可从本质上避免锋利锐边结构,降低应力集中效应,与具有相同缺口结构的矩形横断截面型双轴柔铰相比,工作能力可提高47.9%,该类柔铰结构拓展了现有缺口型柔铰的基本类型。

摘要：针对柔性机构的稳定性要求,基于Heaviside三场映射方案和柔顺度变化率约束措施,研究了屈曲约束下无铰链多输入多输出柔性机构柔度最小化的拓扑优化问题。首先,为解决低密度单元引起的伪屈曲模态和计算效率等问题,构建了单元刚度矩阵和应力矩阵的光滑惩罚函数,提出了解决低阶伪屈曲模态问题的综合措施。其次,结合Pian混合应力单元公式、凝聚函数法、Heaviside三场映射方案和柔顺度变化率约束措施,构建了考虑屈曲的无铰链多输入多输出柔性机构拓扑优化模型。而后,推导了目标函数和屈曲约束的灵敏度,并利用MMA(Method of Moving Asymptotes)算法进行优化求解。最后,给出的数值算例,说明了此方法的可行性和有效性。

摘要：柔性机构自20世纪80年代提出以来迅猛发展,已成为现代机构学一个重要分支。短短不足30年间,柔性机构设计理论的构建与发展,为柔性机构成功应用奠定了坚实基础。随着对柔性及柔性机构认识不断深入,柔性机构得到了广泛应用,不断涌现新的成功实例。继5年前综述了柔性机构设计方法研究进展之后,尝试从应用的视角鸟瞰一下柔性机构的最新进展。通过将柔性机构的主体应用划分为精密工程、仿生机器人、智能材料结构三大主阵地,概述柔性机构在每个阵地中的应用进展及研究热点情况,并对其发展做了展望。对四种最具发展潜力和应用前景的新型柔性机构(胞元式柔性机构、辅助接触式柔性机构、平面折展机构、柔性静平衡机构)进行简单描述。

摘要：基于双向渐进结构优化法提出一种面向柔性机构的拓扑优化设计策略。由于采用0/1离散拓扑设计变量和启发式变量更新机制,双向渐进结构优化法一般适用于结构刚度相关的凸优化设计问题。柔性机构以最大化驱动端的位移为设计目标,属于典型的非凸优化问题,难以直接应用该方法开展相应的设计。针对于此,通过定义一种由驱动位移和刚度特性(柔顺度)加权平均的优化目标函数,实现基于双向渐进结构优化法的柔性机构设计。该优化目标函数具有双重功效:①通过逐步(设计迭代步)衰减刚度特性的贡献,实现优化问题由刚度设计向驱动设计的动态演化,可应用双向渐进结构优化法开展机构的拓扑构型设计;②通过调节加权系数,实现对设计机构的驱动性能和刚度特性的灵活匹配调控,可有效抑制铰链的形成、防止应力集中引起的失效。典型算例的设计结果显示,提出的发展的演化式设计策略可实现稳健且高效的柔性机构设计。

摘要：针对目前研制的微定位平台行程小及耦合误差大等问题,提出了一种由压电作动器(PEA)驱动的二自由度微定位平台,设计了由二级杠杆放大机构和Scott-Russell机构串联组成的三级位移放大器,以扩大工作行程。采用平行轴式直圆型柔性铰链与并联构型的双复合式平行移动副消除运动耦合误差。通过有限元仿真和实验对平台性能进行了分析与测试。结果表明,设计的微定位平台工作行程超过170μm×170μm,耦合误差小于1.2%,位移分辨率可达5 nm,信号跟踪误差最大为2.16%,验证了微定位平台的定位精度和模型的正确性。

摘要：为了解决音圈电机驱动柔性微定位平台驱动力小和低阻尼谐振等问题,本文采用两侧音圈电机的推拉模式来提升驱动力的大小,并且利用内环阻尼控制器结合迭代学习控制方法来实现平台的精准控制。首先,搭建了互补配置的双音圈电机驱动双平行四边形柔性机构的微定位平台。其次,设计了内环阻尼速度反馈控制器。然后,采用逆模型迭代学习控制方法来进一步消除周期性的干扰和误差。最后进行了跟踪实验。结果表明:在跟踪1 Hz和2.5 Hz的正弦波时,相比于PI控制,最大误差分别减少74.6%和68.6%,满足微定位平台精准控制的要求。