柔性铰链位移放大机构设计

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柔性铰链位移放大机构设计

柔性铰链位移放大机构1 机构简介柔性机构是一类利用材料的弹性变形传递或转换运动、力或能量的新型机构实施运动时如果通过某种特殊的柔性单元——柔性铰链来实现，则通常称为柔性铰链机构，这类机构通常应用在精密工程场合，因此又称为柔性精微机构。

在仿生机械及机器人等领域，柔性机构也发挥着越来越重要的作用，该类机构通常又被称为柔性仿生机构,下文都简称为柔性机构。

较之于传统的刚性机构，柔性机构具有许多优点：⑴整体化设计和加工，可简化结构、减小体积和质量、免于装配；⑵无间隙和摩擦，可实现高精度运动；⑶免于磨损，提高寿命；⑷免于润滑，避免污染；⑸增大结构刚度。

柔性铰链是近年来发展起来的一种新型机械传动和支撑机构,利用其结构薄弱部分的弹性变形实现类似普通铰链的运动传递,具有无摩擦、无间隙、运动灵敏度高的特点，在微型机械中,柔性铰链常作为位移放大器,可将位移放大到数百微米,极大地拓展了微位移驱动器的应用范围和应用领域。

伴随着微纳米技术所引发的制造、信息、材料生物和医疗等众多领域的革命性变化，使得柔性机构在微电子、光电子的微制造和微操作、微机电系统和生物医学工程等纳米定位中得到了广泛的应用。

在精微领域，柔性机构可以设计作为传动装置执行器和传感器等，不过，距离实际应用还面临若干理论与技术层面上的挑战，相对刚性机构而言，柔性机构的系统研究不过才刚刚走完20年的历程，很多理论及方法还不完善。

2 机构的结构特征本次设计超磁致伸缩致动器中采用的最大设计输出位移为45μm,最小输出力为500N;柔性铰链放大机构的设计输出负载大于80 N,输出位移大于300μm。

因此放大机构放大倍数必须大于6.67，所以选用的是一种两级对称式柔性铰链位移放大机构，图1为该放大机构,各铰链节点为单轴圆弧型结构,依靠节点微转动变形实现运动的传递或位移的放大。

整个机构为对称式结构,有较高的整体刚性,输入位移可通过左右两条运放链向输出点进行传递,理论上可完全消除机构的侧向附加位移,有效地减小了自身的纵向耦合位移误差。

一种层叠式柔性放大机构的设计与分析

Ｓ＝
ｏ
＝Ｉ
Ｊ亩 ‘ ｃ ‘ｋ，０
经过计算得，输入输出特征方程为：
上
２Ａ３，２Ｃ，３一ＣＣＡ＋１
』
～Ｉ１２
ｓ（＋ｚ一亩亩ｚ一ｎ亩）（＝｝亩｝
（亩＋亩设ｌ＿２ｌＡ．岳，酉，１＝ｃＣ２＝，＝：
取Ａ，：：１则
安臻盟
肛旨ｃ２２：２
其，｝中＝
×
对于铰链的旋转刚度，设铰链的最小铰链厚度为ｔ，宽度为ｂ，半径为ｒ，其参数图如图５所示。其旋转刚度为：＝Ｅｔ１ｒ。Ｋ２ｂ９Ｒ￣
Ｎｏ１．２
ｌ２
机械设计与制造
Ｄｅ．０１ｃ２１
将上述有限元模型的结果分布图进行分析，并带入Ｓ＝Ｓｏａ＋计算后得结果，如表１所示。
４层叠式柔性机构存在问题和解决方案
在上述的分析中，我们将各层之间的连接关系简化为同一
个平面上的相互作用。实际上，各层之间的耦合分别作用于不同的深度上。由此将引起一些问题，在实际应用上应予以重视。由于层叠式柔性机构是将单层的叠加而成，以采用三维模型进行分所图５柔性铰链参数图由前面公式可知，该结构的理论放大倍数可以达到三倍对
由于Ｍ＝Ｏ，ｃＫｃ即，将带入式（）：２得
（Ａ３＝３３２ｃ＋（—— ｃＧ３一ａ＿ａ＋Ａ）６２ＡＡ）＋
３＋Ｃ－Ａ２３３２Ｃ
一
（２）
（）３
１【３＋Ａ）２６３３Ａ２ ‘Ｃ＋Ｃ —

基于柔性铰链的桥式微位移机构特性探析

基于柔性铰链的桥式微位移机构特性探析ﻭﻭ全柔性机构是一种新型机构,通过采用免安装、无间隙和无摩擦的设计方式可实现微米级甚至纳米级的高精度。

为了达到精密运到的目的,全柔性机构多采用高精度的微位移驱动器。

压电陶瓷驱动器是近年来应用越来越新型微位移器件，它具有体积小、出力大、分辨率和频响高的优点，且不发热、无噪声.然而压电陶瓷驱动器的输出位移仅限制在在几微米到几十微米范围，因此全柔性机构通常要采用微位移放大机构来实现对压电陶瓷输出位移的放。

目前，常用的微位移放大机构主要有杠杆原理放大机构和桥式放大机构.ﻭ基于杠杆原理的微位移放大机构结构简单、刚性好、功效比高，理论上可以实现输入输出的线性关系，但是其一级放大倍数是有限的，复合式杠杆放大机构体积较大、放失真严重。

ﻭ而根据放大原理设计的桥式放大机构具有结构紧凑、易于加工以及具有较高的放大倍数等特点，近些年来得到了关注。

ﻭJuｎHyuｎg Kim等人采用矩阵法建立了柔性链的刚度矩阵并对桥式放大机构进行了优化设计；马洪文等人采用弹性梁理论分析了微位移桥式放大机构的放等特性。

N. Loboｎt ｉu等人基于应变能原理与卡氏第二定理推导了桥式放大机构的位移和刚度计算公式。

张兆成等人采用了伪刚体模型和卡氏第二定理研究了桥式柔性链的刚度和应力模型。

本文采用解析法建立了桥式放大机构的变形公式,在所建模型的基础上,进一步分析了桥式放大机构的刚度、放等特性，采用AＮＳYＳ软件进行仿真,并设计了相关的验证实验。

1 桥式放大机构数学模型柔性桥式微位移放大机构是在一块金属材料上采用线切割技术整体加工而成。

为了保证良好的导向性能，桥式微位移放大机构通常设计成全对称结构，并要求其在运动方向上具有良好的灵敏度，同时在整体上还应具备一定的刚度。

桥式微位移放大机构采用全对称设计,其由4个柔性支链组成,因此对桥式微位移放大机构特性的分析可以简化为对其柔性支链的特性分析，柔性支链的数学模型。

ﻭ为便于分析，作如下假设:ﻭ1)除柔性链外，柔性机构的其他部分均为刚体;ﻭ2）材料为均匀的各向材料；3)柔性桥式微位移放大机构是全对称的；4）柔性链的变形是线弹性的，且弹性变形相对较小。

基于柔性铰链微位移放大机构的设计和分析

ＷＡＮＧＳ－ｎｉｍｉＹＵＮＸｉａＣＮＪｎｚｅｇＨＥｕ－ｈｎ
（ｈｎｈｉＳａｇａＭａｉｅＥｕｐｎｅｅｒｈＩｓｔｔ，ｈｎｈｉ００，ＣｉａｒｑｉｍｅｔＲｓａｃｎｔｕｅＳａｇａｎｉ２０３１ｈｎ）
ＡｂｔａｔＢｃｕｅｏｅｌｓｖｖｏｅｊｕｎｙｏｉ — ｔｅｌｔｃｔｅｄｂｃｊｔｉｅｅｖｖｌ，ｄｓｌｃｍｎｓｎｒｓｓｃ：ｅａｓｆｔｅｓａｅｃｒｏｒｅｆｔｒｓｇｅｃｒｉｆｅ — ａｋｅｒｈｌｈｄａｅｉｙｐｐｓｒｏａｅｉａｅｅｔｅｏｉｖｐ
ＫｅＷｏｄ：ｔｉ — ｔｇｅｃｃｙｅｄｂｃ；ｊｔｉｓｒｖｌｅｌｘｂｅｉｇｓｙｒｓｈｒｓｅｌｔｉｆｅ — ａｋｅｄａｅｒｔｉｐｐｅｖａｖ；ｆｉｈｎｅ；ｍｉｏｉｌｃｍｅｔｅｏｅｌｃｄｓａｅｎｍａｎｆｉｇｒｐｇｉｎｍｅｈｎｓ；ｙｃａｉｍ
ｆｉｅｅｎａａｙｉｉｔｌｍｅｔｎｌｓｓｎｅ
Ｈｖａｌｃｅｍａｉｓ＆ＳａｓＮＯ１２０１１ｄｒｕｉｓＰｎｕｔｃｅｌ／．．
基于柔性铰链微 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 移放大机构的设计和分析
王思民云霞陈军政
２０３）００１（国船舶重工集团公司上海船舶设备研究所，海中上
中图分类号：Ｈ１７５Ｔ３．文献标识码：Ａ文章编号：０８０１（０１０ — ０７０１０ — ８３２１）１０１— ４

基于柔性铰链的微位移放大机构设计

2 有限元模型
刚度是决定柔性铰链性能的重要参数。对于含有较多柔性接头的机构和复合柔性铰链来说，理论估计有一定的局限性。对于设计此类柔性铰链，有限元分析方法是一种有效的设计方法。在本节，通过研究最常用的柔性铰链——直圆型柔性铰链，并利用其成熟的理论公式来验证有限元模型。
图 1 直圆型柔性铰链的结构图 Fig.1 Structure diagram of right circular flexure hinge
Table 1 Results of theoretical analyses and FEA
R(mm)
kx (N/m)×108 Analytic FEA Error%
kαz (Nm/rad) Analytic FEA Error%
2.0
2.59 2.36 8.92
10.05 9.71 3.41
2.5
2.1 理论推导
如图 1 所示的直圆型柔性铰链，其设计公式最先由
Paros 和 Weisbord[6]推导出来并讨论了在柔性铰链三个坐
标轴方向施加载荷所引起的转角和线性位移。吴鹰飞和
周海英[13]从基本材料力学出发推导了一组设计公式，其
结果在数值上与 Paros 公式相同。选择后者作为理论计算
的依据。
1引言
作为精密机械与精密仪器的关键技术之一，微位移技术随着微电子、宇航和生物工程等学科的发展而迅速发展起来。柔性铰链以其无空回和无机械摩擦、运动平滑以及分辨率高等优点广泛的应用在科研以及工业装置中。这些装置包括微位移平台[1]、超精密机械加工[2]、微夹持器[3]、加速度计[4]、陀螺仪、扫描隧道显微镜[5]、运动导轨、导弹控制装置、高精度照相机、天线和阀等。
Kα z

基于柔性铰链的微位移机构的设计与分析

基于柔性铰链的微位移机构的设计与分析
黄志威梅杰明廷鑫胡吉全陈定方

武汉理工大学物流工程学院
摘
武汉４３００６３
要：针对传统机械式微位移机构无法实现高精度定位的问题，采用半圆型柔性铰链设计了一种反对称
ｗｈｉｃｈｃａｎａｍｐｌｉｆｙｔｈｅｉｎｐｕｔｌｉｎｅａｒｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｔｉｎｔｏａｎｇｕｌａｒｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｆｏｒｏｕｔｐｕｔ．Ｔｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｉｔｓａｎｇｕｌａｒｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｙｐｅ，ｓｔｕｃｒｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ａｎｄｏｕｔｐｕｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｔａｔｉｃｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ．ＴｈｅｓｏｆｔｗａｒｅＡｎ —
性铰链与传统铰链相比，具有无间隙、无摩擦、
运动灵敏度高等优点。但传统铰链允许较大的相对转动，而柔性铰链只允许很小的相对转动。在精密工程中，基于柔性铰链的柔性放大机构作为微位移放大器，可将压电陶瓷驱动器的输出位移放大到几十甚至几百微米，以实现较大行程范围内的精密位移驱动。柔性放大机构有多种放大原理，如桥式原理、

基于柔性铰链的柔性放大机构参数化设计

构，利用有限元分析方法对放大机构的放大比性能进行了仿真分析。Ｍａ等ｎ对桥式微位移放大机构
大机构＿３］、差动杠杆放大机构］、三角放大机构］
和桥式放大机构等。杠杆放大机构原理简单，易
理设计的桥式放大机构具有结构紧凑、分析简单和位移放大增益较大等优点。因此，桥式放大机构近几年得到了广泛研究与应用。结构柔度直接影响到柔性微位移放大机构的整体性能，很多学者采用不同的建模方法对柔性机构的结构柔度与放大性能进行了研究ｌ＿１ ¨ ］，但基本都
设计，最终输出位移行程与有限元仿真设计的结果误差率为３．８ｏ。基于柔性铰链的结构参数￡和柔度比Ａ对柔
性放大机构进行参数化设计是可行且正确的，有利于这一类柔性放大机构的优化设计。
关键词柔性铰链；柔性放大机构；结构参数；柔度比；参数化设计
出了一个通用的结构参数ｅ，探讨了￡对不同柔性铰链柔度系数的影响规律，并横向比较了常用柔性铰链的柔度特
性。另一方面，基于柔度特性的影响分析，提出了新的参数柔度比，重点分析了不同柔度比的柔性铰链主要输出位移形式的灵敏度。以实际的桥式柔性微位移放大机构为例，利用参数ｅ和实现了该柔性放大机构的参数化设计，并用有限元软件进行了仿真计算。实验测量结果表明，对基于柔性铰链的柔性微位移放大机构进行参数化

用于压电驱动器位移放大的柔性铰链放大机构研究

用于压电驱动器位移放大的柔性铰链放大机构研究压电微位移驱动器在精密微位移应用场合具有许多优点，但它的输出位移较小。

为了放大它的输出位移，研究人员提出各种不同种类的放大机构，放大倍数是衡量放大机构性能的主要指标。

文章主要介绍了常用的杠杆式柔性铰链机构Scott-Russell机构和桥式柔性铰链机构三种放大机构的放大倍数的计算方法。

标签：压电驱动器；微位移；柔性铰链放大机构Abstract：The piezoelectric micro-displacement actuator has many advantages in the application of precise micro-displacement，but its output displacement is small. In order to amplify its output displacement，researchers put forward a variety of amplification mechanisms，as the magnification is the main index to measure the performance of the amplification mechanism. This paper mainly introduces the calculation methods of magnification of three kinds of amplifying mechanisms，i.e.，commonly-used lever-type flexure hinge mechanism，Scott-Russell mechanism and bridge-type flexure hinge mechanism.Keywords：piezoelectric actuator；microdisplacement；flexure hinge amplifier 引言由于壓电陶瓷具有逆压电效应，当其在两级施加外电压时，压电陶瓷会沿极化方向产生微变形，利用这个特性可以制成微位移驱动器。

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柔性铰链位移放大机构
1 机构简介
柔性机构是一类利用材料的弹性变形传递或转换运动、力或能量的新型机构实施运动时如果通过某种特殊的柔性单元——柔性铰链来实现，则通常称为柔性铰链机构，这类机构通常应用在精密工程场合，因此又称为柔性精微机构。

在仿生机械及机器人等领域，柔性机构也发挥着越来越重要的作用，该类机构通常又被称为柔性仿生机构,下文都简称为柔性机构。

较之于传统的刚性机构，柔性机构具有许多优点：
⑴整体化设计和加工，可简化结构、减小体积和质量、免于装配；
⑵无间隙和摩擦，可实现高精度运动；
⑶免于磨损，提高寿命；
⑷免于润滑，避免污染；
⑸增大结构刚度。

2 机构的结构特征
本次设计超磁致伸缩致动器中采用的最大设计输出位移为45μm,最小输出
力为500N;柔性铰链放大机构的设计输出负载大于80 N,输出位移大于300μm。

图4-1 两级对称式位移放大机构
图4-2 位移放大机构原理图
图4-2为该机构原理图,由图示可求得该机构位移放大倍数A: A=A 1/A 2
其中,A 1=1+l 2/l 1,A 2=1+l 4/l 3，代入实际尺寸1l =8, 2l =12, 3l =8, 4l =24,则该放大机构的放大倍数为A=10。

机构的应力分析与最大位移输入
为使该位移放大机构正确可靠地工作,须对其工作状态下所承受的应力进行计算,以求取各铰链节点所允许的最大作用应力以及整个机构的最大输入位移,以保证各节点实际作用应力控制在所允许的材料屈服应力范围。

1 放大机构各节点的应力计算
放大机构各铰链节点的几何结构如图3所示,在力矩M Z 作用下,其最大应力和转角分别为:
b
t C M Z 26=
σ
（4-1）
()
ααα
θπ
π
d R t R Eb R M Z ⎰-
-+=22
3
cos 22cos 12
（4-2）
式中:
E ——弹性模量(MPa); b ——节点厚度(mm); R ——圆弧半径(mm); t ——铰链最小厚度(mm);
C ——应力集中系数,其值可按下式计算:
325
.084.572
+++=
t
R R t C
（4-3）
图4-3 圆弧型柔性铰链
假设该机构在工作时仅在铰链节点处产生微小的弹性变形,其余部分看作为完全刚性体，，若机构输入位移为y in ,可根据y in 以及式(1)-(4)计算出放大机构各节点实际作用应力σ。

由式(4)可求得铰链节点的转动刚度k θ:
θK ()
ααα
θ
π
π
d R t R Eb R M Z
⎰-
-+==
22
3
cos 22cos 12/1(N ·M/)
(4-4)
由于机构的对称性,仅需对图4-2左半部或右半部各节点进行计算,左半部节点1,2,9实际作用应力为:
=j σin j j
j j in j j y t R R t bl t y C K ⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡+++0325.084.527612
θ (4-5)
同理,左半部5,7,10,13各节点应力为:
()3
22
216l bl t l l y C K j in j j p +=
θσ
(4-6)
把j C 带入上式。

3.2 机构所允许的最大输入位移
设放大机构选用材料为65Mn,弹性模量为E=210Gpa,泊松比μ=0. 3,许用应
力[б]=571MPa,铰链节点厚度b=10mm 。

对于铰链节点1,其结构尺寸为R 1×t 1=1. 5×0. 3,可通过式(4)计算转动刚度k θ1=12. 7093,代入式(5)可求得y in1=0. 09976mm 。

同样,对于节点2,其R 2×t 2=1.5×0.4,转动刚度k θ2=6.1364,可求得y in2=0.04745mm;节点9,其R 9×t 9=2.0×0.3,k θ9=5.2791,则y in9=0.11729mm;其余节点,R ×t=2.0×0.3,k θ=5.2791,通过式(6)可求得y in =0.11731mm 。

由上述分析可见,节点2为结构最薄弱部分,当放大机构的输入位移超过y in =0.04745mm 时,节点2所作用的实际应力超过材料许用应力,将造成机构失效。

因而,该放大机构所允许的最大输入位移即为y 允=0.04745mm,若改善薄弱节点强度,所允许的最大输入位移将有所提高。

通过这次对所选用的两级对称式柔性铰链的强度和刚度的校核，以及对其工作状态下所承受的应力进行计算，该放大机构的输入位移为45μm,小于机构所允许的最大输入位移47.45µm，所以该位移放大机构可以可靠地工作, 能保证各节点实际作用应力在所允许的材料屈服应力范围之内。