基于约束行为的柔性精微机构设计方法研究

本项目研究了基于约束行为的设计方法，通过对约束特性的分析和评估，来设计柔性铰链；利用约束之间的耦合与抑制机理，来组合柔性精密机构。本研究实现了柔性机构性能的改善，并揭示若干具有特殊应用背景的属性，同时，完善和补充现有的设计方法。本项目主要取得了以下创新成果：.(1) 建立了非等值厚度广义簧片的模型，对簧片柔性单元的刚度约束和位移约束进行了分析。基于簧片的位移约束假设，在一般性载荷情况下，提出了广义交叉簧片柔性铰链的运动静力学模型。基于此模型，分别分析了几何参数、垂直力载荷对柔性铰链刚度、应力及精度特性的影响。揭示了等值刚度特性；评估了失稳特性，簧片上的应力分布特性，以及加工误差对性能的影响特性。并分析了两种强约束作用下广义交叉簧片柔性铰链及初始预弯曲柔性铰链的特性。.(2) 基于约束，组合了转动型复合柔性铰链。为了采用模块化设计理念，提出了一种约束等效模型，藉此可较为方便地对复合柔性铰链进行建模。由此分析了几种特殊转动型复合柔性铰链的特性，并通过比较，表明了其在性能方面的显著优势。同时，通过多簧片串联组合，设计了柔性关节，并研究了利用冗余约束理念来提高柔性关节性能的方法。.(3) 基于误差补偿原理，通过转动柔性铰链综合得到了六种柔性平行四杆直线运动机构的构型，并对各种构型的几何参数，给出了误差补偿的条件。同时，在推广约束等效模型的基础上，建立了这类高精度直线移动机构的运动模型，来实现其性能的准确预测。最后，研究了这种串、并混联组合方式的载荷分配机理。