基于约束行为的柔性精微机构设计方法研究

鉴于目前柔性机构在很大程度上还是一种刚性替换的设计理念，而其所采用的理想约束假设是制约柔性机构设计的瓶颈所在。本申请旨在研究基于约束行为的设计方法，利用约束在设计参数和性能要求之间建立联系，通过参数化的约束指标来探讨单方向的约束特性，进而研究各方向约束之间的内部抑制和耦合机理，以此简化过去各方向设计变量直接决定性能而导致的错综复杂的关系。同时，利用冗余约束理念来提高现有柔性模块和柔性机构的性能，并扩展设计空间。进而开展柔性精微机构参数化的分析和综合，以及实验研究。本项目的研究成果对丰富和完善柔性机构学理论，指导柔性机构的创新设计及工程应用具有重要的意义。

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。