柔性机构优缺点与关键技术介绍
柔性铰链微动机构的分析与设计（精品pdf）
七、柔性铰链微动机构的分析与设计一. 实验目的1.认识柔性四连杆机构的形貌2.了解柔性铰链工作台的工作原理及应用前景3.掌握柔性铰链的分析与设计方法4.掌握微位移工作台的分析与设计方法二. 柔性铰链微动机构的用途与发展前景由于宇航和航空等技术发展的需要,对实现小范围内偏转的支承，不仅提出了高分辨率的要求，而且对其尺寸和体积提出了微型化的要求。
人们在经过对各类型的弹性支承的实验探索后，才逐步开发出体积小无机械摩擦、无间隙的柔性铰链。
随后，柔性铰链立即被广泛地用于陀螺仪、加速度计、精密天平、导弹控制喷嘴形波导管天线等仪器仪表中，并获得了前所未有的高精度和稳定性。
如日本工业技术院计量研究所，利用柔性铰链原理研制的角度微调装置，在3分的角度范围内，达到了1000万分之一度的稳定分辨率。
近年来，柔性铰链又在精密位移工作台中得到了实用。
柔性铰链微位移机构具有较高的位移分辨率，再配合压电陶瓷驱动器可实现微小位移，可适合各种介质环境工作。
微位移技术直接影响到微电子技术等高精度工业的发展，如微电子技术随着集成度的提高，线条越来越微细化，与之相对应的工艺设备：光刻机、电子束和x射线曝光机等，其定位精度要求为线宽的1／3～1／5，即亚微米甚至纳米级的精度，这就要求精密工作台具备相应的技术水准，柔性铰链是关键技术之一。
三. 柔性铰链工作台的结构a) 单柔性四连杆b) 双柔性四连杆图7-1 单、双柔性四杆机构变形原理图为保证位移方向的直线性，柔性工作台一般由平行四杆结构的铰链组成。
单柔性平行四杆机构沿一个移动方向产生位移时，在其垂直方向同时产生一个交叉耦合位移，参见图一中的Δ，且随柔性铰链弯曲偏转角的增大而增加，而双柔性平行四杆机构（图7-1b），由于结构对称，当沿一个方向受力产生位移时，两侧铰链均产生交叉耦合位移。
即：如果加工完全对称，双柔性平行四杆机构能产生严格的直线运动，从原理上克服了单柔性平行四杆机构易产生交叉耦合位移的缺陷，是超精密定位系统的首选结构，双柔性工作台结构参见图7-2。
柔性机器人结构设计与控制
柔性机器人结构设计与控制柔性机器人作为一种新兴的机器人技术，具有广泛的应用前景。
随着科技的不断发展，柔性机器人在各个领域都有着越来越广泛的应用，如医疗、救援、制造业等。
在这些领域中，是至关重要的，直接影响着机器人的性能和稳定性。
在柔性机器人中，结构设计是至关重要的一环。
柔性机器人的结构设计应考虑机器人需要完成的任务和工作环境。
为了适应不同的任务需求，柔性机器人的结构应具有柔韧性和适应性，能够适应复杂的环境和完成多样的任务。
在柔性机器人的结构设计中，需要考虑到各个部件之间的连接方式、材料的选择、形状设计等因素。
通过合理的结构设计，可以提高柔性机器人的工作效率和稳定性。
除了结构设计，控制技术也是柔性机器人不可或缺的一部分。
柔性机器人的控制技术包括运动控制、力控制、视觉控制等多个方面。
在柔性机器人的控制中，需要考虑到机器人的柔性特性和环境的不确定性。
通过合理的控制技术，可以实现柔性机器人的精准控制和高效运动。
同时，控制技术也可以提高柔性机器人的自适应性和智能化水平，使其能够应对复杂的工作环境和任务要求。
在柔性机器人的结构设计与控制中，有许多挑战和难点需要克服。
首先，柔性机器人的结构设计需要考虑到柔性部件的形状变化和运动轨迹控制，这对传统的机器人设计提出了更高的要求。
其次，柔性机器人的控制技术需要考虑到柔性部件的非线性特性和动态响应，对控制算法和技术提出了更高的要求。
最后，柔性机器人的结构设计和控制技术需要实现高效的集成和协调，以实现机器人的高效运动和智能控制。
为了克服以上挑战和难点，研究人员们进行了大量的研究和实践工作。
他们提出了各种新颖的柔性机器人结构设计和控制技术，如基于传感器的柔性机器人控制、基于计算机视觉的柔性机器人控制、基于深度学习的柔性机器人控制等。
通过这些研究和实验，研究人员们不断改进和优化柔性机器人的性能和稳定性，为柔性机器人的广泛应用奠定了基础。
在未来，柔性机器人结构设计与控制技术将继续发展和壮大。
柔性制造系统(FMS)
柔性制造系统由三个基本部分，如图所示，各部分的组成作用简 述如下：
FMS的构成
1．加工子系统
根据工件的工艺要求，加工子系统差别很大。如图1-11是一个FMS组成 实例。加工子系统由数控车床（单元1）、数控端面外圆磨床（单元2）、 数控车床（单元3）、立式加工中心（单元4）、卧式加工中心（单元5） 组成，五个加工单元配有四台工业机器人，单元2还配有中心孔清洗机。 该系统可以加工伺服电机的轴类、法兰盘类、支架体类、壳体类共14种 零件。
(8) 生产柔性 系统适应生产对象变换的范围和综合能力。其衡量指标是前述7项柔性 的总和。 FMS正是将“柔性”和“自动”两者相乘，以其实现下述的倍增效果: 适应市场需求，以利于多品种、中小批量生产;提高机床利用率，缩减辅 助时间，以利于降低生产成本;缩短生产周期，减少库存量，以利于提高 市场响应能力;提高自动化水平，以利于提高产品质量、降低劳动强度、 改善生产环境。FMS是有一个由计算机集成管理和控制的、用于高效率 地制造中小批量多品种零部件的自动化制造系统。它具有:多个标准的制 造单元，具有自动上下料功能的数控机床;一套物料存储运输系统，可以 在机床的装夹工位之间运送工件和刀具。FMS是一套可编程的制造系统， 含有自动物料输送设备，能在计算机的支持下实现信息集成和物流集成， 它可同时加工具有相似形体特征和加工工艺的多种零件;能自动更换刀具 和工件;能方便地上网，容易与其它系统集成;能进行动态调度，局部故障 时，可动态重组物流路径。目前FMS规模趋于小型化、低成本，演变成 柔性制造单元FMC，它可能只有一台加工中心，但具有独立自动加工能 力。有的FMC具有自动传送和监控管理的功能，有的FMC还可以实现24 小时无人运转。用于装备的FMS称为柔性装备系统。
如果想要获得其他品种的产品，则必须对其结构进行大调整，重新配置 系统内各要素，其工作量和经费投入与构造一个新的生产线往往不相上 下。刚性的大批量制造自动化生产线只适合生产少数几个品种的产品， 难以应付多品种中小批量的生产。
柔性关节设计
柔性关节设计摘要柔性关节技术是一种先进的机器人关节机械臂结构，由于其“柔”的特性使得其相对于刚性关节具有更加安全、局限性更小、能量利用率更高的特点。
这也是如今各个国家及研究所大力研究机器人柔性关节的重要意义。
本文主要以柔性关节为研究对象，以变更刚度为目标，对各种可以变更刚度的柔性关节技术进行系统性分析。
关键词机器人；机械臂；柔性关节；可变更刚度前言随着当前科学技术的发展，机器人领域中迫切需要一种在人类工作环境中服务于人类的更加“温柔”的对人类不会造成伤害的具有环境友好性的机器人。
而这种机器人的实现需要一个必要条件，就是实现其关节柔性。
1 背景关节类型机器人由于其灵活的活动性能、较大的活动空间等特点广泛的在工业、医疗等等各个领域内应用。
传统刚性关节设计在其运动速度、精度等方面已经达到里比较高的水平，但是随着机器人的普及，刚性关节已经不能满足人们对技术的要求；工作在一些障碍物较多的未知的环境中，刚性关节常常因为碰撞到障碍物最终导致损坏和缺失；在承担危险救援工作的时候，刚性机器人难免会对被救人员造成二次伤害，刚性机器人装上再多的传感器，安全系数也达不到人们的要求[1]。
为了改变这种现状，人们发现大自然中的动物和人类的关节表现出了很是出色的一些运动的特性，快速响应的能力、大力矩输出能力以及良好的柔顺特性。
人们通过对动物关节原理的研究和分析，柔性关节技术应运而生。
2 动物柔性关节原理研究及分析人体的膝关节上连股骨下接胫骨，它是人体结构最复杂而且是最大的关节，人类的很多动作都要靠它来完成。
膝关节的动力由股四头肌提供，靠股四头肌收缩完成大小腿屈伸及站立动作，股四头肌通过肌腱和韧带与胫骨连接，通过韧带、肌腱牵引胫骨转动。
肌腱具有极强的黏性，在受到快速的拉伸时可以产生非常大的弹力，肌腱的串联弹性能让肌肉运动时刻处于最佳范围之内，跳跃、奔跑中，关节的肌腱和韧带可以为动物储能和释放能量，也称为弹性储能单元。
主要作用有能量储存、柔性缓冲以及能量放大。
柔性铰链微动平台设计
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。
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。
5.应用场景适应: 根据具体的应用需求，设计柔性铰链微动平台时应考虑适应不同环境和工况的要求，例如温度、湿度和尺寸约束等。
设计流程设计柔性铰链微动平台的流程一般包括以下几个步骤：1. 确定需求和应用场景在设计柔性铰链微动平台之前，首先需要明确需求和应用场景。
智能制造中的柔性机器人技术探讨
智能制造中的柔性机器人技术探讨在当今制造业快速发展的时代，智能制造已经成为了主流趋势。
其中，柔性机器人技术作为一项关键的创新，正逐渐改变着制造业的生产方式和效率。
柔性机器人，顾名思义，其最大的特点就是具有高度的灵活性和适应性。
与传统的刚性机器人相比，它们能够更好地应对复杂多变的生产环境和任务需求。
在智能制造的场景中，产品的多样化和个性化需求日益增长。
传统生产线往往需要大量的调整和重新配置才能适应新的产品生产，这不仅耗费时间和成本，还可能影响生产效率。
而柔性机器人则能够轻松应对这种变化。
它们可以快速地重新编程和调整工作模式，在不同的生产任务之间灵活切换，从而大大提高了生产的灵活性和响应速度。
柔性机器人的关键技术之一是其先进的感知系统。
通过配备多种传感器，如视觉传感器、力传感器等，柔性机器人能够实时感知周围环境和工作对象的状态。
这使得它们在执行任务时能够更加精确和稳定，避免碰撞和错误操作。
例如，在进行零部件装配时，柔性机器人可以根据零部件的实际尺寸和形状，自动调整抓取的力度和角度，确保装配的准确性和可靠性。
此外，柔性机器人的运动控制技术也是实现其柔性的重要因素。
先进的控制算法能够使机器人的动作更加流畅和自然，能够适应不同的工作空间和轨迹要求。
同时，多关节的设计使得机器人能够以更加复杂的姿态完成各种任务，进一步拓展了其应用范围。
另一个值得关注的方面是柔性机器人的协作能力。
在现代制造业中，人机协作已经成为一种常见的工作模式。
柔性机器人能够与人类工人安全、高效地协同工作，充分发挥各自的优势。
例如，在一些需要人类判断力和灵活性的环节，人类工人可以与机器人相互配合，共同完成复杂的生产任务。
这种协作模式不仅提高了生产效率，还改善了工作环境和劳动强度。
然而，尽管柔性机器人技术具有诸多优势，但在实际应用中仍然面临一些挑战。
成本问题是其中之一。
由于其先进的技术和复杂的设计，柔性机器人的成本相对较高，这在一定程度上限制了其大规模的推广应用。
柔性机器人的力学分析与优化
柔性机器人的力学分析与优化柔性机器人作为近年来快速发展的机器人技术，其具备灵活性强、适应性高等特点，广泛应用于工业、医疗、服务等领域。
在柔性机器人的设计和优化中，力学分析是一个至关重要的环节。
本文将对柔性机器人的力学分析与优化进行探讨，以期提供一些有益的参考和指导。
一、柔性机器人力学分析的基本原理柔性机器人的力学行为主要由三个关键因素决定：机器人本体的材料性质、机器人结构的刚度以及施加在机器人上的外部载荷。
为了进行力学分析，需要建立适当的数学模型。
常用的数学模型包括杆模型、连续模型和有限元模型。
杆模型适用于简单的柔性机器人结构，可以通过刚体和弹簧组成的链条进行建模。
连续模型则适用于较为复杂的柔性机器人结构，可以通过偏微分方程进行描述。
有限元模型是一种常用的力学分析方法，通过将柔性机器人结构离散为多个小单元进行建模，可以较准确地预测机器人的力学行为。
二、柔性机器人力学优化的目标与方法柔性机器人的力学优化旨在提高其性能和工作效率。
在力学优化过程中，可以选择不同的目标函数和方法来实现优化。
常见的优化目标包括最小化挠度、最大化刚度和最小化能量消耗等。
优化方法包括遗传算法、粒子群算法和模拟退火算法等。
在柔性机器人的力学优化中，需要考虑以下几个方面：1. 结构设计优化：通过改变机器人的结构参数来优化其力学性能，例如调整材料的厚度和形状，改变连接方式等。
2. 控制策略优化：通过优化控制算法来最大程度地减小机器人的挠度和能量消耗，提高机器人的运动精度和效率。
3. 工作环境优化：考虑不同工作环境下机器人的力学行为，根据实际需求进行相应的优化。
三、柔性机器人力学分析与优化案例以下是某柔性机器人力学分析与优化的案例，以说明该过程的具体步骤和方法。
1. 案例描述：某柔性机器人用于进行物料搬运任务，需要在尽量短的时间内完成指定的任务。
2. 力学分析：利用有限元方法对柔性机器人进行力学分析，建立其数学模型。
通过施加不同的外部载荷，计算机器人的挠度和应力分布情况。
柔性机器人的设计与控制技术研究
柔性机器人的设计与控制技术研究随着人工智能和机器人技术的不断进步，机器人正成为现代社会中重要的劳动力和智能对象。
其中，柔性机器人作为一种新型机器人，近年来备受人们关注。
相对于传统的刚性机器人，柔性机器人的优点在于其柔软的身体使得其具有更好的可塑性和适应性。
越来越多的研究者开始探索柔性机器人的设计和控制技术，使得这一领域呈现出了蓬勃的发展态势。
一、柔性机器人的定义和分类柔性机器人是一种能够自由变形的机器人，其适应性强，可用于不规则的环境及狭小的空间。
其结构通常由柔性材料和变形机构组成，具有高度的韧性和复原性，能够抵抗外部的冲击和振动。
根据其动力系统和控制方式的不同，柔性机器人可以分为以下几类：1）充气式柔性机器人：采用类似人工肌肉的充气袋进行变形，控制方式通常采用气压控制系统。
2）液压式柔性机器人：主要使用液体进行变形，控制方式可根据具体需求进行定制。
3）电动式柔性机器人：通过电机来驱动柔性杆或线性电动机实现运动。
二、柔性机器人的设计与控制技术柔性机器人的设计与控制技术是该领域的核心内容，需要综合考虑机器人的力学特性、材料特性、动力学特性、传感器和控制算法等多个方面的问题。
1）柔性材料选型柔性机器人需要使用具有高柔韧度的材料，通常采用丝状或薄片状的材料，如聚酰亚胺、氢化丁腈等。
此外，对于特殊应用领域，如生物医药、食品加工等，还需要考虑材料的生物相容性和耐高温性等特点。
2）变形机构设计柔性机器人的变形机构设计需要考虑材料的变形特性，通常采用弯曲、伸展、旋转等方式实现机器人的变形。
同时，为了实现更高效的变形控制，通常需要将多个变形机构组合成复合的柔性机器人结构。
3）传感与控制传感器通常用于检测柔性机器人的状态和周围环境的信息，如压力、形变、接触力等。
而控制算法则是柔性机器人实现预定位和控制的关键所在。
常用的控制算法包括奇异摆动方法、模型预测控制和反馈控制等。
三、柔性机器人的应用前景柔性机器人作为一种全新的机器人类型，应用前景十分广泛。
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关键技术：
设计、加工、 驱动等
应用领域：
机器人、 MEMS等
飞机发动机研制的三大难题：
材料
材料 设计综合
设计
驱动 分析
加工
并联机构 封装检测
运放机构 加工
【1】通过选择材料来增大柔性机构的行程
梁在失效前所承受的最大变形为： 矩形梁自由端在力F作用下的变形：
3 2 4 FL S 2 y L 3 max Ebh 3 E h 最大应力： 可以看出，最大变形与几何尺寸 6 FL 2max 2 S y / E 有关。 L / h 和材料参数 bh
(3)还要进行动力学参数的综合与优选，最终以完
成新机构的设计.
【刚度分析】
与其它微细加工方法相比， LIGA技术具有如下 LIGA: 电火花加工法（ LIGA 是德文 WEDM）： 特点： Lithographie 利用工件和工具电极之间的脉 ， (1)可制造较大高宽比的结构； Galanoformung 冲性火花放电 ,和 产生瞬时高温 Abformung (2)取材广泛，可以是金属、陶瓷、聚合物、玻 三个词，即光刻、电铸和注 使工件材料局部熔化和汽化 , 璃等； 塑的缩写 从而达到蚀除加工的目的。电 . (3) 可制作任意截面形状图形结构，加工精度高； 是一种基于 火花加工由于其非机械接触加 X射线光刻技术的 (4) 可重复复制，符合工业上大批量生产要求， MEMS 工的特点 加工技术 , 很适合 . MEMS制造的 要求。 制造成本相对较低等。 被视为微纳米制造技术中最有生命力、最有前 途的加工技术。
高机构的固有频率和稳定性，
以及机构的机械效率，但要保 证柔性铰链所受应力处于材料 弹性极限以内。
TIPS：
1.对于压电陶瓷存在的迟滞（一般在14%左右但迟滞曲 线不唯一）、蠕变现象的减小方法: 1)采用电荷控制方法; 2)采用在压电陶瓷两端串联小电容的方法; 3)Preisach数 学模型; 4)通用化的Maxwell 模型; 5)多项式近似模型; 6)采用电阻和电容组成桥路;
艺限制了t 的最小厚度。
(4) 开发新型柔性铰链 尽管柔性铰链优点很多, 同时也存在着一些弱点, 如有限的运动范
围、非固定的转动中心等, 开发新型柔性铰链是一条解决途径。
【2】结构形式的选择
（1）铰链分布方式
铰链分布方式主要是指铰链与平台间的位置关系.
（2）单个分支内铰链与构件间分布方式
单个分支内铰链与构件间分布方式是指两者之间的位置关系, 如3RPS平台机构中二者的分布方式就与3RPS角台机构有很大差别
直流电机
超声波电 机
步进电机
等等
TIPS：
3个原则： 1.高精度原则：欲保证运动输出端的高精度， 除了选择类似高精度驱动器外，运放机构也需 要有高精度作保证； 2.功效损耗最小原则：运计机构作为传动系统， 总要造成输入端一定程度的功率损耗，原则上， 这种功率损耗应该越小越好； 3.运放倍数决定运放机构拓扑结构原则：一般
7)压电陶瓷元件位移闭环（现有的控制方法有PZT 控制和变速积分的PI控制等）。 2.压电元件的输出位移随着负载刚度的增加而减少。 3.驱动器与执行器甚至传感器一体化集成设计——对
整块的PZT或SMA材料进行激光切割，可免于装配，降 低造价，甚至达到减振的功效，而且对于改善机构甚至 系统的动态性能也是大有禆益的。
Sy
6 FL bh 2
由此可以求出当达到材料的弹性极限时 自由端的最大受力F：
F
S ybh 2 6L
【1】通过选择材料来增大柔性机构的行程
随之出现的问题：
1. 定位精度的降低
2. 自然频率和稳定性 的下降
3. 几何非线性
【2】通过选择材料来增大柔性机构的刚度
通过合理选择材质，提高 柔性机构的整体刚度，可以提
其他加工方法：
半导体加工技 术 电火花与电解 加工复合方法
SPM技术
ECDM
光刻技术
等等
优缺点
关键技术
【柔性机构】（1页）
柔性机构概论的简单回顾
【柔性机构的优缺点】（2页）
柔性机构的优缺点的介绍
【柔性机构的关键技术】（15页）
柔性机构的部分关键技术的介绍
定义：
利用材料的变形来传 递力或运动
起源与理 论基础
优缺点：
免装配… 轴漂…
柔性铰链：
形式、分类、 性能指标
典型实例：
蝴蝶铰链、 Robots等
（3）分支间的位姿关系
并联式结构由多个分支组成, 即使采用对称性的结构设计,
有些机型也可因分支间的位姿关系不同而衍生出若干种机型来。
机构设计的一般流程
(1)从设计的要求或指标出发，首先完成机构的构
型综合及优选，以确定合适的结构型式；
(2)通过机构运动学、动力学及其特性分析，完成
机构运动尺度综合及优选，
情况下，结构越简单，性能越稳定，但是放大
倍数也越小。
并联机构的优点 提升刚度 提高自然 频率 降低惯性 提高精度 减小寄生 误差 结构紧凑
简单的并联机构：
更平衡的机械结构，补 偿铰链由于加工或温度 变化所产生的变形误差
缺点：在提升刚度的同 时，会减小功能方向的 行程
【1】柔性铰链的选择
(1)限制范围 柔性铰链的运动范围应限制在材料的残余应力区以外。 (2) 实现与传统运动副等效的运动 设计时需尽量保证变形轴方向的刚度尽可能小, 而非变形方向的刚 度尽可能大。 (3) 改变变形处的形状和尺寸参数 变形的大小与铰链的长度l 和铰链细颈处的厚度t 有关, 但加工工