柔性铰链微位移放大机构的研究
第２３卷第２期 ２０１ｉ年６月 甘肃科学学报 Ｊｏｕｒｎａ１ ｏｆ Ｇａｎｓｕ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｖｏ１．２３ Ｎｏ．２ Ｊｕｎ．２ｏ１１
柔性铰链微位移放大机构的研究
张远深，刘晓光，张园成，赵庆龙，於又玲
（兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃兰州 ７３００５０）
摘要： 针对积层式压电驱动器的输出位移行程过小的缺点，提出了一种柔性铰链微位移放大机
构．从理论出发对单轴柔性铰链进行分析，建立转角刚度的数学模型，得到相应的结构参数对其性能
的影响规律和理论上的解析表达式，利用有限单元法对理论模型进行对比验证，得出单轴柔性铰链
设计的一般规律．为压电伺服阀阀芯运动机构的设计奠定了基础．
关键词： 柔性铰链；力学模型；有限元方法
中图分类号：ＴＨ１２３ 文献标志码： Ａ 文章编号：１００４—０３６６（２０１１）０２—００９９—０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｍａｇｎｉｆｙｉｎｇ Ｍｉｃｒｏ
Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｂｙ Ｕｓｉｎｇ Ｆｌｅｘｕｒｅ Ｈｉｎｇｅｓ
ＺＨＡＮＧ Ｙｕａｎ－ｓｈｅｎ，ＬＩＵ Ｘｉａｏ—ｇｕａｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｙｕａｎ—ｃｈｅｎｇ，ＺＨＡ０ Ｑｉｎｇ—ｌｏｎｇ，ＹＵ Ｙｏｕ—ｌｉｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｍａｇｎｉｆｙｉｎｇ ｍｉｃｒｏ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｆｌｅｘｕｒｅ ｈｉｎｇｅｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ
ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｏｎｅ—ａｘｉｓ ｆｌｅｘｕｒｅ ｈｉｎｇｅ ａｒｅ
ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｍｏｄｅＩ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ，ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｒａｌｅ ｏｆ ｏｎｅ－ａｘｉｓ ｆｌｅｘｕｒｅ
ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｉｓ ｕｓｅｆｕｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｅｒｖｏ
ｖａｌｖｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｆｌｅｘｕｒｅ ｈｉｎｇｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍｏｄｅ１；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ
微位移技术是精密机械与精密仪器的关键技术
之一，在航天、生物学、光学、微电子学等领域有着广
泛的应用前景［１。］．在机械式位移技术中，由于存在
着较大的间隙和机械摩擦，致使运动灵敏度和定位
精度都很难达到很高的要求．而柔性铰链式微位移
机构具有解雇紧凑、体积小、无机械摩擦、无间隙、无
爬行、机械谐振频率高、抗震动干扰能力强等优点，
采用压电驱动器进行驱动则很容易实现高分辨率的
位移．柔性铰链是柔性铰链微位移放大机构设计的
关键．在总结现有的柔性铰链微位移放大机构的基
础上［３蜘，提出了单轴柔性铰链的设计分析方法，得
出单轴柔性铰链设计的一般规律．
收稿日期：２０１０—０９—２０ １单轴柔性铰链的力学模型
单轴转动柔性铰链，其参数结构如图１所示，由
力矩 引起的柔性铰链扭转变形为 ，由于柔性铰
链实际角位移非常小，可认为０：：：ｔａｎ ０，曲线斜率可
得到铰链转角
≈ｔａｎ 一＿ｄｙ． （１） ａ
分析单轴柔性铰链的变形，实际上是由许多微
小段弯曲变形累积的结果，每个微小段可以认为是
长度为ｄｘ的等截面矩形梁，而且作用在微小段两侧
面的弯矩也是相等的，根据材料力学，可得铰链中性 甘肃科学学报 ２０１１年 第２期
面曲率半径公式
：。托
三一
Ｊ Ａ 山
Ｐ一 ＥＪ，（２） （ ）’
其中Ｅ为材料的弹性模量；Ｍ（ ）为微小段ｄｚ上的
弯矩；Ｊ（ ）为微小段ｄｚ的截面对中心轴的惯性矩．
由于实际结构中柔性铰链的全长通常为２尺，较结构
中其他尺寸小，所以可以认为柔性铰链所受弯矩变
化不大，可以把Ｍ（ ）看作常数．曲线 一，（ ）上
任意一点的曲率为
吉一商’ （３） Ｐ ［ 十（塞）。］３／２
在单轴柔性铰链的实际应用中，弯曲变形产生
的挠度大于铰链的全长，所以转角 《１，因此
一 ， （４） ＩＤ ｄｘ。
联合公式（１）、（２）、（４）可得
口≈ｔａｎ 一ｄ ｙ— ｄ２ｙ如一 （５）
因为柔性铰链的全长２Ｒ比其他尺寸小，所以可
以认为铰链的弯矩变化不大，即可把Ｍ（ ）看成常
数．将式（５）中直角坐标系变换成极坐标，
ｄｚ—Ｒｓｉｎ ａｄａ，
Ｊ（ ）一Ｔｂ。／１２，
ｂ一２Ｒ＋ｔ——２Ｒｓｉｎ口，
得
一．：丽 ｔ ２Ｒｓｉ丽ｎ （６） Ｊ ｏ Ｅ丁（２Ｒ＋一 ）。… …
相应地，可得单轴柔性铰链转角刚度ｋ 公式为
， 丽 孥 ｄａ，㈤
其中Ｒ为柔性铰链圆弧缺口的半径；Ｔ为柔性铰链
的宽度；ｔ为柔性铰链的最小厚度．
根据式（７），将弹性模量Ｅ、柔性铰链宽度了、、缺
Ｅｌ半径Ｒ以及最小厚度ｔ带入式中作积分，即可得
出柔性铰链的转角刚度．由此可以看出柔性铰链的
转角刚度与其结构参数密切相关，为了更为直观地 理解各结构参数与转角刚度之间的关系，计算并分
析了圆弧缺口半径Ｒ、最小厚度ｔ对柔性铰链刚度
ｋ 的影响，计算结果如图２所示．该算例选择材料
（铍青铜，ＱＢｅ２）与结构的具体参数为
Ｅ一１．３５×１０ｎ Ｐａ；Ｔ一５×１０一。ｍ；
ｔ一０．１×１０一一１×１０～ｍ：
Ｒ一２．５×１０—４——２．５×】０—０ ｍ．
图２ 半径Ｒ、厚度ｔ与 ６之间的关系 ０
由图２知，最小厚度增大，转角刚度增大；缺口
半径增大，转角刚度减小．在实际应用中，由于结构
尺寸的限制，柔性铰链缺口半径通常＜５ ｍｍ，因此
本算例中，可以看出Ｒ＜５ ｍｍ，ｔ＞０．５ ｍｍ的范围
内，柔性铰链具有较大的转角刚度，在设计中应避免
其结构尺寸落在该范围内，使得铰链具有较小的转
动刚度，减小其机械阻抗，有利于提高放大倍率．
计算并分析了铰链宽度Ｔ、最小厚度ｔ对柔性铰
链刚度ｋ 的影响，计算结果如图３所示．该算例选择
材料（铍青铜，ＱＢｅ２）与结构的具体参数为
Ｅ一１．３５ Ｘ１０ｎ Ｐａ；Ｔ一１×１Ｏ一一１Ｏ×１０一。ｍ；
Ｒ一２．５ Ｘ１０一ｍ；ｔ一０．１×１Ｏ＿。一１×１０—１２１．
由图３知，转角刚度随铰链宽度Ｔ的增大而线性增
加，最小厚度ｔ在满足强度要求的前提下尽量选择
较小值．
图３厚度 、宽度丁与七 之间的关系
Ｏ 第２３卷 张远深等：柔性铰链微位移放大机构的研究 １Ｏ１
２单轴柔性铰链的有限元分析
在解析法建模的过程中，只考虑到柔性铰链受
到弯矩载荷的情形．实际上，铰链存在转动的同时，
存在一定的压缩和拉伸变形，而且还受剪切力的作
用，不可避免的产生计算结果与实际值之间的误差．
通过有限单元法建立单轴柔性铰链的数值模型，通
过施加载荷与约束，使其模拟实际柔性铰链的工作
状态，可以得出与实际值更为接近的计算结果．通 常，通过计算铰链在外力作用下的位移来计算柔性
铰链的转角刚度ｋ ，得
一 ≈一ＦＬｔａｎ一 ，（８）一 ≈——一百’ （ Ｊ
式中Ｍ为柔性铰链所受转矩， 为柔性铰链的转角；
Ｆ为柔性铰链所受力；Ｌ为柔性铰链所受力的力臂
长度；Ｄ为受力点的位移．
首先，建立柔性铰链的三维实体模型，结构参数
如图４所示，包括柔性铰链半径Ｒ、最小厚度ｔ、铰链
宽度丁以及铰链厚度Ｂ．在柔性铰链的解析法建模
中只考虑了前３个结构参数，没有将厚度Ｂ考虑在
内，即假设柔性铰链以外的部分为刚性．而在有限单
元建模分析中是通过建立实际尺寸的实体模型，再
施加简化了的实际约束条件，计算得出各节点的计
算结果，因而考虑到更多的结构参数，其计算结果更
接近于真实值．
图４ 柔性铰链实体模型的结构参数
然后，进行定义单元类型、定义材料属性、划分
网格、施加载荷约束以及求解计算等步骤．求解并计
算出各组柔性铰链刚度值后再应用解析法计算出同
样参数下的刚度值，同有限元法计算的结果进行对
比研究．
对柔性铰链进行有限元分析，首先确定柔性铰
链的具体结构参数，具体数值如下：
Ｌ一１５ ｍｍ； 一０．２７２；Ｂ一０．００８ ｍ；
Ｅ—１．３５ Ｘ １０ｎ Ｐａ：Ｔ一５ Ｘ ｌ０一ｍ． 模型一端为固支，另一端施加２Ｏ Ｎ的力载荷，计算
该端的位移量，由公式Ｍ一五 可得柔性铰链的转
角刚度．
通过对不同中心厚度ｔ的柔性铰链刚度的对比
可知，应用解析法和有限元法的计算结果有一定的
差别．２种方法计算结果的比较如图５所示．
１００
８Ｏ
一 皇 ６ｏ 吕 ４０
２Ｏ
Ｏ Ｏ．２ Ｏ－４ ０．６ ｄｍｍ
图５ ｔ变化时有限元与理论结果对比 ◆有限元计算值 ▲解析法计算值
在最小厚度ｔ＜０．７ ｍｍ范围内二者十分吻合．
最小厚度ｔ＞０．７ ｍｍ时，有限元法计算的刚度值低
于解析法，原因是解析法建模时未考虑中心偏移以
及柔性铰链圆弧以外部分的刚度．随着最小厚度的
增大，ｔ值与柔性铰链厚度Ｂ的比值越来越大，当ｔ
与Ｂ的比值＞０．１时，有限元模型圆弧部分与圆弧
以外部分的刚度比较接近，整体发生挠曲变形，造成
较大的挠曲变形，导致柔性铰链的刚度降低。由图５
还可以分析出，增大铰链厚度ｔ可较为明显地提高
转角刚度．
柔性铰链Ｒ由０．２５ ｍｍ变化至２．５ ｍｍ时，有
限元分析结果与理论结果对比有较大的差异，如
图６所示．理论分析计算的结果是转角刚度随圆弧
半径Ｒ的增大而减小；有限元分析的结果为转角刚
粤 宣
图６ Ｒ变化时有限元与理论结果对比 ◆有限元计算结果
▲解析法计算结果
一种层叠式柔性放大机构的设计与分析
第１２期 张虎翼等：一种层叠式橐洼放大机构的设计与分析 １１
陶瓷微位移制动器进行位移的输入，通过柔性环节的作用在输出
杆一半的部分进行位移的放大输出。 输出端
图２层叠式柔性机构 １冰平底板２．柔性薄臂杆３．输入杆４．输出杆
３平面柔性单元的设计分析
３．１理论分析
柔性结构的基本胜能主要包括刚度、精度及应力杼ｆ生等几方
面，其中刚度陛能直接反映了柔ｆ生机构抵抗外载的能力，是主要的研
究因素。由于层叠式柔陡结构各层之间结构—致，所以可以采用平面
式结构进行理论分析。通过对其平面单元进行分析，可以得到如图３
所示的力学模型，不计杆１拉伸变形，杆１弯矩如式（１）所示［６１。
图３半回菜性卑兀的力字模型 Ｍ。＝ －ｌ —Ｍｃ （１）
其中， ＝ＫＯｃ 式中： —柔性铰链转角； ：—柔性铰链旋转刚度。
杆２的弯矩和转角分别为：
＝Ｉ
Ｊ亩 ‘ ｃ， ‘０ ｋ
经过计算得，输入输出特征方程为：
ｓｎ＝（｝亩 ＋亩 ｚ） 一（｝亩 亩ｚ 一
（ 亩＋亩 （２）
设．ｃｌ＝岳＿，Ｃ２：酉ｌ２， ＝ １，Ａ＝
由于Ｍｃ＝ＫＯｃ，即 ，将 带入式（２）得： （３）
其中， ＝｝ １ ２ 疆１ ［ ＋４苦＋４每＋ ２导每＋Ｇ］
其中，ｃ＝４Ａ－３Ａ＋（４Ａ２—６Ａ＋６）每 Ａ 丢＋ｔ２鲁毒）
： ： 二！？兰： ：：竺 墨： 叁叁２
４Ａ－３Ａ￣＋（１２－８Ａ，每＋４Ａ导＋ ２导导
各个刚度对性能的影响，如图４所示。
（ａ）
（ｂ） 图４刚度对性能影响图
由上图可知，随着Ｃ，ＩＣ：值的增加，其放大倍数逐渐增大，性
能提高。当ＣｔｌＣｚ＝ｌＯ时，基本处于饱和状态，性能达到最佳。
当ＣＪＣｚ＝￣，即杆２左端简支：
Ｓｏ＝上２Ａ ３ Ｃ，２ ＡＣ＋３Ｃ 』１２ 一 ， １ ～Ｉ
（３＋Ａ一３ａ＝＿３ａ３＋２Ａ ）ｃ ＋６（２—Ａ—Ａ ）ｃ Ｇ
３ ＋３Ｃ３－２ＡＣ２
一１【３—３Ａ＋２Ａ‘）Ｃ２＋６Ｃ３ 一 一 丽～
柔性机构及其应用研究进展
柔性机构及其应用研究进展
柔性机构是近年来机器人学和机械工程领域的研究热点之一。柔性机构具有出色的适应性、灵活性和安全性，在许多领域展现出广阔的应用前景。本文将简要介绍柔性机构的核心主题和研究领域，回顾其发展历程，阐述应用场景及优势和挑战，探讨未来研究方向，并最后对柔性机构的重要性和必要性进行总结。
柔性机构是指具有在运动过程中产生形状改变或刚度变化的机构。这类机构通常由弹性元件、致动器和传感器组成，具有主动变形和自适应环境变化的能力。柔性机构的研究涉及多个学科领域，包括机械工程、材料科学、控制论和生物学等。其主要应用领域包括机器人技术、生物医学工程、精密制造、仿生系统等。
柔性机构的思想可以追溯到古代的杠杆原理和弹性力学。然而，直到20世纪70年代，随着计算机技术和控制理论的快速发展，柔性机构才开始在工程领域得到广泛应用。其中具有代表性的研究成果包括：Kahn和Hodgeman于1977年提出的柔性腕机构，用于实现机器人手部的多功能抓取；Steger于1988年设计的基于形状记忆合金的柔性驱动器，以及Grimes和Swinburne于1991年提出的基于磁致伸缩材料的柔性致动器。 工业领域：柔性机构在工业领域的应用主要体现在机器人抓取、包装和装配过程中。通过主动变形和自适应调整，柔性机构可以提高机器人的操作灵活性和抓取精度，降低对工件形状和尺寸的依赖。
医疗领域：在医疗领域，柔性机构被广泛应用于手术机器人、康复机器人和生物医学工程中。例如，通过精确控制柔性机构的形状和运动，可以实现微创手术和高精度康复治疗。
军事领域：在军事领域，柔性机构的应用包括机器人侦察、侦查和排雷等任务中。通过主动适应环境变化和克服复杂地形障碍，柔性机构可以提高机器人的生存能力和任务成功率。
建筑领域：在建筑领域，柔性机构被应用于桥梁、大坝和高层建筑的健康监测和振动控制中。通过实时感知和调整结构形状，柔性机构可以有效降低结构振动和疲劳损伤。
微位移技术
.word资料. 微位移技术
第一章概论
第二章微位移机构
第三章柔性铰链
.word资料. 第一章概论
作为精密机械与精密仪器的关键技术之一一微位移技术，近年来随着微电子技术、宇航、生物工程等学科的发展而迅速的发展起来。例如用金刚石车刀直接车削大型天文望远镜的抛物面反射镜时，要求加工出几何精度高于l/l0光波波长的表面，即几何形状误差小于0.5u
m。计算机外围设备容量磁鼓和磁盘的制造，为保证磁头与磁盘在工作过程中维持1um的浮动气隙，就必须严格控制磁盘或磁鼓在高速回转下的跳动。特别是到20世纪70年代后期，微电子技术向大规模集成电路和超大规模集成电路方向发展，随着集成度的提高，线条越来越微细化。256K动态RAM线宽已缩小到1.25um左右，目前己小于0.1um，对与之相应的工艺设备(如图形发生器、分步重复照相机、光刻机、电子束和X射线曝光机及其检测设备等)提出了更高的要求，要求这些设备的定位精度为线宽的1/3~1/5，即亚微米甚至纳米级的精度。
生物工程是当今一门崭新的学科，现代科学的发展要求，随意捕捉和释放单一游离细胞，或向细胞注入和拾取某一成份，同时还能测定和记录细胞生物的电参数，因此研制满足这一要求的设备同样离不开微位移技术。随着机器人技术的发展，机器人精微操作已成为机器人研究领域中的重要课题之一，如用机器人完成精密伺服阀，压电陀螺等精密零部件的装配作业，其技术关键之一是微位移技术的研究.[1]因此，微位移技术是现代工业基础的重要组成部分，它几乎左右着上述各领域的发展，并引起国外研究人员的极大关注，他们加紧了这方面的研究，并取得了很大进展。由于定位技术的水平几乎影响着整个设备的性能，因此直接影响到微电子、宇航、生物工程等高科技技术的发展。例如精密仪器，无论是大行程的精密定位，还是小围的光学对准，都离不开微位移技术。因此微位移技术，成为现代精密仪器工业的共同基础。
柔性铰链微定位平台的设计
柔性铰链微定位平台的设计
马立;谢炜;刘波;孙立宁
【摘 要】设计了一种以平行板铰链机构进行导向,以桥式机构进行位移放大的新型压电陶瓷驱动微定位平台.应用弹性力学和材料力学理论建立该平台的桥式放大机构和平行板铰链机构的理论模型,分析了平台的驱动力、输出位移、刚度和固有频率,并运用Matlab软件优化了桥式机构铰链长度、厚度,平行板铰链长度及厚度等几何参数,获得了微定位平台的最优值.对优化后的结果进行了有限元仿真,并搭建了测试系统对平台性能进行了测试.测试结果显示,理论分析与实验结果的最大误差为9.8％,有限元分析与实验结果的最大误差为4.2％,得到的结果验证了理论分析和有限元分析的正确性,实现了平台体积小,放大倍数高,位移输出大的设计目标.
【期刊名称】《光学精密工程》
【年(卷),期】2014(022)002
【总页数】8页(P338-345)
【关键词】微定位平台;桥式机构;平行板机构;柔性铰链;有限元分析;优化设计
【作 者】马立;谢炜;刘波;孙立宁
【作者单位】上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;苏州大学机器人与微系统研究中心,江苏苏州215021;上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;苏州大学机器人与微系统研究中心,江苏苏州215021;哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室,黑龙江哈尔滨150080 【正文语种】中 文
【中图分类】TP242
1 引 言
随着现代科学技术的飞速发展，微／纳米定位平台在微机电系统、航空航天、超精密加工、微外科手术、光学精密工程、电子及生物医疗等领域得到了广泛的应用［1－5］。而采用压电陶瓷驱动的柔性铰链机构，兼具压电陶瓷的位移分辨率高、体积小、响应速度快、输出力大及静态不发热等特点和柔性铰链的无机械摩擦、不需要润滑、体积小、运动灵敏度高等优点，应用更为广泛。不过由于压电陶瓷的输出位移微小，要想获得较大的运动行程，需在确保高分辨率的情况下，放大压电陶瓷的输出位移。
柔性压电式微位移机构动态特性的实验研究
第２期 ２００８年４月 微细￣ｊｇ－ｒ技术 ＭＩＣＲ０ＦＡＢＲＩＣＡＴ１０Ｎ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．，２００８ 文章编号：１００３．８２１３（２００８）０２．００３３—０４ 柔性压电式微位移机构动态特性的实验研究
孙宝玉 （长春工业大学机电学院，长春１３００１２） 摘要：设计了一种压电式微位移机构，采用对称杠杆式柔性铰链放大机构对压电陶瓷输出位移进行 放大，弥补了压电陶瓷位移行程过小的缺点。对微位移机构力学模型和压电陶瓷驱动器的动态特 性进行了分析，指出压电陶瓷驱动器动态响应的迟滞非线性是影响压电式微位移驱动器控制性能 的一个关键因素，直接关系到控制精度的提高，必须采取适当的控制算法予以修正。采用前馈控 制同数字ＰＩＤ控制相结合的复合控制算法对柔性压电式微位移机构的控制过程进行校正补偿，建 立了动态特性的闭环校正控制系统。实测结果表明，机构的动态响应时间显著缩短，实现了机构 的快速响应。 关键词：压电式微位移机构；柔性铰链；动态响应；闭环控制 中图分类号：ＴＰ２４２ 文献标识码：Ａ
１ 引言
微位移技术是精密机械与精密仪器的关键技术 之一。在航天、生物学、光学、微电子学等领域有着 广泛的应用前景。微动工作台多采用压电陶瓷驱动 器，因为它具有位移分辨率高、体积小、响应快、输出 力大、不发热等优点，但其固有的迟滞、蠕变、非线性 严重影响了它的应用ｌ１ Ｊ。另外，压电陶瓷驱动器存 在位移行程过小的缺点，一般不足２０ ｍ的行程，而 一般微操作都要求行程在１００ ｍ以上。因而，很多 微位移机构都采用杠杆式柔性铰链微位移放大机 构。但对位移进行放大的同时，也极大地加剧了压 电陶瓷的蠕变、迟滞和非线性对位移精度的影响，大 大降低了机构的定位精度。压电陶瓷驱动器的非线 性不仅与材料的非线性、蠕变、滞后等因素有关［２］， 还与器件的动态响应特性有关。本文研究设计了一 种柔性压电式微位移机构，分析了压电陶瓷驱动器 对机构动态特性的影响，并进行了实验验证。 ２柔性压电式微位移机构设计分析
柔性铰链微动平台设计
未知驱动探索，专注成就专业
1
柔性铰链微动平台设计
概述
柔性铰链微动平台是一种具有高灵活性和精确控制能力的微型机械系统，在多个领域中发挥着重要作用。本文将介绍柔性铰链微动平台设计的综述，包括其工作原理、设计要求、设计流程和应用案例等。
工作原理
柔性铰链微动平台是基于柔性铰链机构设计的微型机械平台。柔性铰链机构由一系列具有可弯曲性能的连接件组成，通过这些连接件的柔性变形，实现平台的微动控制。具体来说，柔性铰链微动平台的工作原理如下：
1. 柔性铰链机构的变形: 通过施加力或扭矩，柔性铰链机构的连接件发生变形，从而改变平台的位置和姿态。这种柔性变形具有较大的位移范围和高精度的响应能力。
2. 控制系统的反馈: 在柔性铰链微动平台上安装传感器，监测平台的位置和姿态。这些传感器将实时反馈到控制系未知驱动探索，专注成就专业
2
统中，以便根据需求调整施加在柔性铰链机构上的力或扭矩。
3. 控制策略的实施: 根据控制系统的反馈信息和预设的控制策略，控制系统通过执行合适的控制算法，实现对柔性铰链机构的控制。这样，就实现了平台的精确位移和姿态控制。
设计要求
设计柔性铰链微动平台时，应满足以下要求：
1. 柔性性能: 连接件应具有足够的柔性，能够实现平台的精确位移和姿态控制。同时，连接件的变形应具有稳定的特性，以保证平台的可靠性和重复性。
2. 结构刚度: 平台的柔性铰链机构需具备一定的结构刚度，以保证在外力作用下的稳定性和抗扭性能。同时，在高精度控制要求下，结构刚度也可减小位移误差。
3. 传感器选择: 选择合适的传感器用于监测平台的位置和姿态。传感器应具有高精度、高灵敏度和快速反应的特点，以确保系统控制的准确性和稳定性。 未知驱动探索，专注成就专业
3
4. 控制系统设计: 设计合适的控制系统，能够接收传感器反馈信息，并根据预设的控制策略实现对柔性铰链机构的控制。控制系统应具有高精度、高稳定性和高响应性能。
压电叠堆泵微位移放大机构的试验研究
压电叠堆泵微位移放大机构的试验研究
刘登云，杨志刚，程光明，曾平
（吉林大学机械与工程学院，吉林长春１３００２５）
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ａ Ｍｉｃｒｏ——ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｍａｇｎｉｆｙｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ Ｕｓｅｄ ｏｎ Ｐｉｅｚｏ——ｓｔａｃｋ Ｐｕｍｐ
ＬＩＵ Ｄｅｎｇ—ｙｕｎ．ＹＡＮＧ Ｚｈｉ—ｇａｎｇ。ＣＨＥＮＧ Ｇｕａｎｇ—ｍｉｎｇ，ＺＥＮＧ Ｐｉｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２５，Ｃｈｉｎａ）
摘要：提出了一种应用于压电叠堆泵的微位移 放大机构，该机构以压电叠堆（积层式压电微位移
器）为驱动元件，通过基于三角形放大原理的柔性铰
链放大机构，放大压电叠堆的输出位移。同时，设
计、研制了实验装置，并在试制样机上对其静、动态
特性进行了实验。实验测试结果表明，该机构具有 线性良好、高分辨率和高频响应等特点。
关键词：压电叠堆；放大机构；柔性铰链；三角形
放大
中图分类号：ＴＨ７０３
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１—２２５７（２００７）０３—００７５一Ｏ３ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａ ｍｉｃｒｏ—ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ
ｍａｇｎｉｆｙｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｐｉｅｚｏ
—ｓｔａｃｋ ｐｕｍｐ，ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｗａｓ
ｄｒｉｖｅｎ ｂｙ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ａｃｔｕａｔｏｒｓ．Ｔｈｅ
ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ａｃｔｕａｔｏｒ
ｗａｓ ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｆｌｅｘｕｒｅ ｈｉｎｇｅｓ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｂａｓｅｄ
ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｔｒｉａｎｇｌｅ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｔａｔ—
基于柔性铰链的晶体压弯微调机构设计与研究的开题报告
基于柔性铰链的晶体压弯微调机构设计与研究的开题报告
1.选题背景和意义
随着微纳机电技术的发展，微型机械系统(Micro Electro Mechanical
Systems, MEMS)在微机械、生物医学和光学技术等领域得到了广泛应用。其中晶体压弯微调技术是一种在光学领域中非常重要的技术，可以通过微调晶体的弯曲状态调整光路，实现光学器件的精密定位。
柔性铰链是一种优秀的微纳机电元器件，具有强韧性、弯曲自由度大等特点，在微调机构中得到了广泛应用。在晶体压弯微调机构中应用柔性铰链，可以实现微弯曲微调，具有调节灵活、体积小、重量轻、精度高等优点。
因此，以柔性铰链为基础的晶体压弯微调机构研究具有一定意义和应用价值。
2.研究目的
本文旨在设计和研究一种基于柔性铰链的晶体压弯微调机构，探究该机构的设计、优化、制造和性能测试等方面，为晶体压弯微调技术的发展提供一种新思路。
3.研究内容和方法
（1）机构设计：根据柔性铰链的特性和晶体压弯微调的要求，设计柔性铰链型晶体压弯微调机构并进行模拟分析。
（2）优化设计：通过有限元分析等手段，对机构进行优化设计，提高其结构刚度和精度。
（3）制造工艺：利用微纳加工技术，制造出优化后的机构原型。 （4）性能测试：对制造完成的柔性铰链型晶体压弯微调机构进行性能测试和精度评估。
（5）总结分析：对研究结果进行总结、分析和评估，归纳机构设计和优化方法，提出进一步的改进方案。
4.研究进展和展望
目前，本研究已完成柔性铰链型晶体压弯微调机构的初步设计和模拟分析，正在进行优化设计和制造工艺的开展。未来，我们将继续深化研究，完善机构并进行性能测试，进一步探究柔性铰链型晶体压弯微调机构的优化设计和应用前景。
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。
一种微位移放大机构的设计与仿真
一种微位移放大机构的设计与仿真
第26卷第12期
2020年12月
机械设计
JOURNALOFMACHINEDESIGN
Dec.
20o9
一
种微位移放大机构的设计与仿真
张建瓴,陈万银,可欣荣,魏德仙,洪添胜
(1.华南农业大学南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室,广东广州510642;
2.广州建兴光电科技(广州),广东广州510663)
数和静态刚度,分析了柔性铰链结构参数对微位移放大机构刚度的阻碍,并对理论计算结果和ANSYS仿真结果进行了
对照.结果说明,理论计算值和有限元仿真结果之间存在必然的不同.
关键词:柔性铰链;压电驱动器;微位移放大机构;有限元仿真
中图分类号:TH123文献标识码:A文章编号:1001—2354(2020)l2—0009—04
在微机电系统,周密加工与周密测量,纳米科学与技术等
领域中,压电陶瓷驱动器是一种很受欢迎的驱动器,它具有结
构紧凑,运动分辨率高,输出力大,能量转换效率高,无机械损
耗,无磁场,无污染,响应快等优势,已被普遍用于设计一些超
输出位移范围较小,即便是层叠式的压电陶瓷驱动器一样也只 有几微米至几十微米的输出位移,在实际应用中,常常需要将
压电陶瓷驱动器的输出位移进行放大.
柔性铰链是一种新型的传动结构形式,它是利用结构薄弱
部份的弹性微小角变形来完成类似铰链的运动传递,具有体积
小,加工简单方便,无机械摩擦,无间隙,运动灵敏度高和响应
快捷等优势J.柔性铰链由于其特殊的结构,专门适宜用作精
密定位领域的传动机构,如在周密定位领域常常采纳柔性铰链
单元来设计制作微位移放大机构,并与压电陶瓷驱动器等一路
应用于对运动行程要求较大的场合J.
文中第一分析了差式杠杆的位移放大原理,并据此设计了
一
种新型结构的微位移放大机构,计算了该放大机构的位移放
大倍数和刚度.该机构具有刚性好,位移放大倍数高等特点.
最后通过ANSYS有限元方式对微位移放大机构进行了仿真计