柔性铰链

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四种复合型柔性家具铰链的弯曲、拉伸及压缩刚度分析与应用-工程

四种复合型柔性家具铰链的弯曲、拉伸及压缩刚度分析与应用-工程概要：以材料力学和微积分的相关知识为基础, 推导了四种复合型柔性家具铰链的弯曲刚度和拉伸、压缩刚度计算公式，。

以倒圆角直梁型柔性铰链为例, 基于有限单元法验证所推导刚度计算公式的正确性。

采用解析法对四种复合型柔性铰链的刚度性能进行对比分析。

结果表明, 椭圆直梁复合型柔性铰链的弯曲刚度和拉伸刚度最小; 分别将其应用于柔性T型联结节结构中, 采用有限单元法对各柔性T型联结节的刚度性能进行对比分析, 结果表明, 由椭圆直梁复合型柔性铰链构成的柔性T型联结节的变形补偿能力最强。

柔性家具铰链常用于各种要求小角位移、高精度转动等场合, 工作时可消除传动过程中的空程和机械摩擦。

按照结构型式, 柔性铰链可分为, 直梁型、圆弧型、椭圆型、倒圆角直梁型、抛物线型和双曲线型。

刚度是柔性铰链最主要的性能指标之一, 直接反映了其抵抗外载的能力和运动副的柔性程度。

Paros J M 和Weisbord L 于1965年推导出圆弧型柔性铰链的刚度计算公式, 但该公式形式较复杂, 使用不便。

文献利用力学基本公式推导出比文献给出的刚度计算公式更为简洁的表达式。

由于柔性铰链实际结构的几何尺寸不能完全满足理论分析的假设条件, 为此许多文献采用有限单元法对柔性铰链的刚度性能进行研究。

根据实际需要, 作者在倒圆角直梁型柔性铰链的基础上, 提出三种新型复合型柔性铰链: 椭圆直梁复合型、抛物线直梁复合型和双曲线直梁复合型柔性铰链。

本文中推导出四种复合型柔性铰链的刚度计算公式, 并对该四种柔性铰链的刚度性能进行对比分析; 分别将其应用于柔性T型联结节结构中, 采用有限单元法对各柔性T型联结节的刚度性能进行对比分析。

1 刚度计算公式的建立1.1 倒圆角直梁型和椭圆直梁复合型柔性铰链刚度计算公式倒圆角直梁型和椭圆直梁复合型柔性铰链分别由圆弧型或椭圆型与直梁型柔性铰链复合而成。

其杆部截面均为矩形, 两铰链分别由4个垂直于端面的圆柱面或椭圆面与两个矩形块对称切割而成。

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。

三种常见典型柔性铰链的非线性分析

链的几何参数尺和ｔ，得到多组数据，通过对下表的分析，
可以看出在切人半径尺不变的情况下，随着最小厚度ｔ的增加，极限载荷变大；当最小厚度ｔ不变时，随着尺的增加，极限载荷减小。极限载荷越大，承载能力越大。
（［ＫＪ＋Ａ［Ｓ］）｛｝－０
量；Ａ：特征值。利用上面的公式可以求出结构的分叉点，具有分叉屈曲的结构在达到屈曲载荷之前，其位移变形曲线表现
［Ｋ］：刚度矩阵；［Ｓ］：应力刚度矩阵；｛｝：位移特征矢大小分别为＋ＩＮ，一１Ｎ。
４三种柔性铰链的非线性屈服分析非线性分析的目的是要求出柔性铰链的线性工作范围，因为要保证柔性铰链在其所安装的机构中进行线性变形达到我们所期望的结果。因此要进行非线性分析，使铰链满足在线性范围内工作的条件。非线性屈服分析是在特征值屈服分析基础上完成
９２．５４５２６．３９３２０．Ｏ５ｌ
本文综合考虑铰链的极限载荷与工作空间的要求Ｈ］，
选择一组适中的数据进行分析，虽然当Ｒ＝５ｍｍ时极限载荷最大，但相应的工作空间最小，因此选择三种铰链的参
Ｏ．２７．０７ｌ４４．５０５６Ｏ．３２３．７２ｌｌ６．１２８Ｏ．４５９．９２２４３．５５ｌ５Ｏ．１Ｏ－２Ｏ－３Ｏ．４ｌＯ

柔性铰链简介

−1
于是得到柔性铰链的转动刚度ｋｂ：
M 3MR kb= = α M Eh
3 1 3π 1 + + ⋅ 8Rb 2 4R 2 b 8 2 b 2. 5 ⋅ R 0.5
图２－３ａ）传统转动副图２－３ｂ）柔性铰链转动副
2.移动副（P）允许两构件沿轴线做相对移动，这种运动副也是具有 1 个自由度（f=1），图（2-4a）为常规移动副，图（2-4b）为柔性铰链移动运动副。
哈工大博实精密测控有限责任公司 _____________________________________________________________________
3MR 2 R 2 + ( R + b) 2 1 + 2 2 Eh 2b ( 2 R + b) ( R + b) 2b (2 R + b)( R + b)
3R ( R + b) 2b 2 ( 2R + b ) 2 2R + b arctan b (2 R + b) b( 2R + b )
哈工大博实精密测控有限责任公司 _____________________________________________________________________
柔性铰链简介
六十年代前后，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试验探索后，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的应用于陀螺仪、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。如日本工业技术设计院计量研究所，利用柔性铰链原理研制的角度微调装置，在三分的角度范围内，达到了千万分之一度的稳定分辨率。近年来，柔性铰链在精度微动工作台中得到了应用，开创了工作台进入纳米级的新时代。柔性铰链用于绕轴做复杂运动的有限角位移，它的特点是：无机械摩擦，无间隙，运动灵敏度高。柔性铰链有很多种结构，最普通的形式是绕一个轴弹性弯曲，这种弹性变形时可逆的。在机器人机构中应用了转动副，移动副，球面副，平面副及虎克铰等，其中常用的是转动副，移动副和球面副。１．转动副（Ｒ）也称回转副，它允许两构件做相对转动，这种运动副具有１个相对自由度（ｆ＝１），图（２－３ａ）为常规转动副，图（２－３ｂ）为柔性铰链转动运动副。

椭圆横断截面新型双轴柔性铰链设计及分析

椭圆横断截面新型双轴柔性铰链设计及分析在科技的海洋中，创新如同一艘破浪前行的航船，而椭圆横断截面的新型双轴柔性铰链设计，无疑是这片海域中的一颗璀璨明珠。

它以其独特的设计和卓越的性能，为科技的发展注入了新的活力。

首先，让我们来探讨一下这种新型铰链的设计。

它采用了椭圆形的横断截面，这种设计不仅增加了铰链的柔韧性，还提高了其承载能力。

就像一棵参天大树，虽然树干粗壮，但树皮却柔软而有弹性，能够抵御风雨的侵袭。

同样，这种新型铰链也能够在承受外力的同时，保持自身的稳定性和耐用性。

然而，这种设计并非一蹴而就。

设计师们在创造过程中，必须进行深入的思考和精确的计算。

他们需要考虑铰链的大小、形状、材料等因素，以确保其能够在各种环境下正常工作。

这就像是一位艺术家在创作一幅画作，他需要精心挑选颜料、画布和画笔，才能创作出一幅令人满意的作品。

接下来，我们来看看这种新型铰链的性能。

它的双轴设计使其能够在两个方向上自由转动，就像一位舞者在舞台上翩翩起舞，无论是转身还是跳跃，都能够自如地完成。

而且，由于其柔性的特性，这种铰链能够在受到外力时产生微小的形变，从而吸收部分能量，减少对其他部件的冲击。

这就像是一位拳击手在比赛中，通过灵活的步伐和巧妙的技巧，化解对手的攻击，保护自己不受伤害。

然而，任何一项新技术的出现都会带来一些问题和挑战。

对于这种新型铰链来说，如何在保持其柔韧性的同时，提高其耐磨性和耐腐蚀性，是一个亟待解决的问题。

这就像是一位探险家在攀登珠穆朗玛峰时，必须面对严酷的自然环境和未知的风险。

但是，只有通过不断的探索和尝试，我们才能找到解决问题的方法，推动科技的进步。

总的来说，椭圆横断截面的新型双轴柔性铰链设计是一项具有革命性的创新。

它以其独特的设计和卓越的性能，为科技的发展开辟了新的道路。

然而，我们也必须认识到，任何一项新技术的出现都会带来一些问题和挑战。

因此，我们需要持续的研究和探索，以解决这些问题，推动科技的发展。

在这个过程中，我们需要像一位勇敢的航海家一样，不畏艰难险阻，勇往直前。

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。

四种不同柔性铰链的三自由度微定位平台性能比较

ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆａ３－ＤＯＦＭｉｃｒｏＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｔａｇｅｗｉｔｈＦｏｕｒＤｉｆｅｒｅｎｔＦｌｅｘｉｂｌｅＨｉｎｇｅｓ
ｈｅＴｆｏｏｆｔｈｅｌｅｆｘｕｒｅｈｉｎｇｅｈｓａｇｒｅｔａｉｎｌｕｆｅｎｃｅｏｎｔｈｅｋｉｎｅｍｔｉａｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｆｔｏｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｓｔｇｅａ．ａｎｄｔｈｅｒｏｔｔａｉｏｎａｎｇｌｅｆｔｏｈｅｓｔｇｅａｗｉｔｈｒｅｃｔｎｇａｌｅｈｉｎｇｅｉｓｓｍａｌｌｅｒｃｏｍｐｒｅａｄｔｏｏｔｈｅｒｐｌｔａｆｏｒｍｓ．Ｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｄｆｅｉｒｅｎｃｅｏｆｔｈｅｓｔｇｅａｓｗｉｔｈｄｆｅｉｒｅｎｔｌｅｆｘｕｒｅｈｉｎｇｅｓｉｓｌｒａｇｅｉｎｅｃｈａｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ｎｄａｔｈｅｐｌｔａｆｏｒｍｗｉｔｈｃｉｒｃｕｌｒａｈｉｎｇｅｈｓａｈｉｇｈｅｒｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｉｎｌａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｒｅｒｅａｒｅｇｔａｅｆｅｃｔｓｆｈｏｉｎｇｅｓｏｎｎａｔｕｒｌｆａｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｎｄａｔｈｅｏｎｅｆｔｏｈｅｓｔｇｅａｗｉｔｈｒｅｃｔｎｇａｕｌｒａｈｉｎｇｅｉｓｍｉｎｉｍｕｍ，ｔｒｉｎｇａｕｌａｒｈｉｎｇｅｉｓｍａｘｉｍｕｍ，ｃｉｒｃｕｌｒａｎｄａｅｌｌｉｐｔｉｃｌｆａｌｅｘ．ｒｅｈｉｎｇｅｓｓｉｎｅｒ￣Ｉａｔｉｓｏｂｔｉｎａｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｔｇｅａｗｉｔｈｃｉｒｃｕｌｒａｈｉｎｇｅｈｓａｇｏｏｄｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｃｏｍｂｉｎｉｎｇｐｅ￣ｒｏｒｍｎｃａｅｆａｏｌｌｓｔｇｅａｓｗｉｔｈｄｆｅｉｒｅｎｔｌｆｅｘｕｒｅｈｉｎｇｅｓ．

三种形状柔性铰链转动刚度的计算与分析

Ｃａｃｌｔｏｎｎｌｓｓｏｏａｉｎａｔｆｎｓｏｈｅｙｅｆｆｅｕｅｈｉｇｓｌｕａｉｎａｄａａｙｉｆｒｔｔｏｌｓｉｆｅｓｆｒｔｒｅｔｐｓｏｌｘｒｎｅ
维普资讯
第２７卷第１期２２００６年１２月仪器仪 Nhomakorabea表学报
ＣｈｎｓｏｒａｆＳｉｎｉｉＩｓｒｍｅｔｉｅｅＪｕｎｌｃｅｔｃｎｔｕｎｏｆ
Ｖｏ．７Ｎｏ１１２．２
ＺｏＸｉｇｏｇＬｉａｍｉｇｕｎｙｎｕＸｉｏｎ
（ｃｏｌｆＭｅｈｔｎｃＥｇｎｅｉｇ，ｎｖｒｉｆＥｌｔｏｉｓｃｅｃｎｅｈｏｏｙｏｈｎＣｅｇｕ６５，ｈｎ）ＳｈｏｏｃａｒｉｎｉｒｎＵｉｅｓｙｏｅｒｎｃｉｅａｄＴｃｎｌｇｆＣｉａ，ｈｄ１０４ＣｉｏｓｅｔｃＳｎｎ０ａ
ｒｃｄｍｅｓｏｓＯｏａｉｎ１ｔｆｅｓｉｏｔｉｅｈｏｇａｃｌｔｎｃｍｐｒｓｎａｄａａｙｉ．Ａｃｏｄｎｏｉｉｎｉｎｎｒｔｔａｉｎｓｓｂａｎｄｔｒｕｈｃｌｕａｉ，ｏａｉｏｎｎｌｓｓｏｓｆｏｃｒｉｇｔｔｅａａｙｉｒｓｌ，ｈｃｏｍａｕａｔｒｎｒｃｓｅｎｅｒａｐｉｂｅｏｃｓｎｒｔｒｅｔｐｓｆｅｕｅｈｎｅｈｎｌｓｓｅｕｔｔｅｍｉｒｎｆｃｕｉｇｐｏｅｓｓｄｔｉｐｌａｌｃａｉｓｆｅｅｘｒｉｇｓｓａｈｃｏｏｈｙｏｆｌａｅｄｔｒｎｄｒｓｅｔｅｙｗｈｃｓａｇｏｅｅｅｃｏｌｘｒｉｇｅｉｎａｄａｐｉｔｎｉＥＭＫｒｅｅｍｉｅｅｐｃｉｌ，ｉｉｏｄｒｆｒｎｅｆｒｆｕｅｈｎｅｄｇｐｌｉＭｖｈｅｓｎａｃｏｎ

多交叉曲梁簧片柔性铰链的力学建模与性能分析

多交叉曲梁簧片柔性铰链的力学建模与性能分析陈鑫刘江南龙汪鹏吕剑文湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙，__柔性铰链无间隙、无摩擦的优点使其在精密工程领域获得广泛应用。

由两个弹性簧片在中点处交叉组成的双交叉簧片柔性铰链具有较大的运动行程和较低的转动刚度，但转动精度较低。

对此，学者们通过改变簧片交叉点位置、设计变厚度簧片等方式改进其双簧片结构，但是均难以实现准零轴漂的高转动精度。

为进一步提高转动精度，学者们通过增加簧片数量n(n≥3)和采用对称布局，设计分析了不同多交叉簧片柔性铰链构型。

毕树生团队率先提出了广义三交叉簧片柔性铰链，通过加强簧片位移约束提高了转动精度；后续通过改变交叉点位置，总结了多交叉簧片柔性铰链的多种拓扑构型，并通过仿真进行了综合性能对比；根据对比结果，重点研究了三交叉簧片形式的内外环柔性铰链的刚度特性；并进一步研究了圆周对称的多交叉簧片柔性铰链的内部约束特性。

DU等基于TRIZ创新原理，提出一种高精度的全对称多交叉簧片柔性铰链。

上述研究中柔性铰链的弹性簧片均为直梁型结构。

在多交叉簧片柔性铰链构型中，直梁簧片存在刚度和应力较大、转角范围较小等不足。

相比直梁簧片，曲梁簧片具有低刚度、低应力的优点，可实现较大挠度。

有学者将样条曲梁簧片[10-11]、圆弧曲梁-直梁组合的折叠簧片和双曲梁簧片应用于环形柔性铰链构型[14-15]，以降低转动刚度和增大转角范围。

多交叉簧片柔性铰链构型相比环形柔性铰链构型具有更大转角范围，但是应用曲梁结构的设计研究鲜有报道，尚缺乏对应的大变形力学分析模型。

本文以圆弧曲梁簧片为变形单元，在分析多交叉簧片柔性铰链对称拓扑构型的基础上，提出一种在纯转矩作用下具有零轴漂特性的多交叉曲梁簧片柔性铰链，实现转动刚度和变形应力的优化。

为精确分析其性能，基于梁约束模型(beam constraint model，BCM)建立圆弧曲梁簧片变形模型，并推导圆弧曲梁变形应力方程。

第二章-柔性铰链的分类与分析

2.2柔性铰链的分类与分析柔性铰链是利用材料的变形产生位移的一种特殊运动副，用于提供绕轴作复杂运动的有限角位移，具有无机械摩擦、无间隙、易维护、分辨率高和可一体化加工等优点。

柔性铰链有很多种结构，最普通的形式是绕一个轴弹性弯曲，而且这种弹性变形是可逆的。

[现代精密机械设计]，如图2.1所示。

图2.1 柔性铰链结构简图Fig.2.1Diagram of flexure hinge2.2.1柔性铰链的分类及编号自20世纪60年代以来，国内外学者、科研院校及研究机构对柔性铰链进行了多方面的研究，包括理论计算、结构创新设计及应用等方面。

按目前国内外的发展研究状况，柔性铰链按其切口形状可分为单边的和双边的，按其截面曲线分为单一的和混合的；按运动副分可分为转动副、移动副和球副，按其传递运动和能量的方向分单轴柔性铰链、双轴柔性铰链、万向柔性铰链和柔性联杆。

按照横截面的不同形状，可以分为：矩形截面柔性铰链和圆形截面柔性铰链。

按研究出现的先后顺序可分为传统的柔性铰链和典型的大变形柔性铰链。

还有其他特殊类型的如弓形柔性铰链、三角形柔性铰链、叶状形的柔性铰链、簧片式的柔性铰链等等。

根据以上的分析可将柔性铰链分成以下三大类，如表2-1,2-2,2-3所示。

表2-1基本曲线规则截面单轴柔性铰链（Single-Axis Flexure Hinges）铰链名称铰链模型分类编号单轴对称直梁型（Constant RectangularCross-Section Flexure Hinge）S-R 直圆型（Circular Flexure Hinge）S-C椭圆型（EllipticalFlexure Hinge）浅切口椭圆S-E1深切口椭圆S-E2双曲线型（Hyperbolic Flexure Hinge）S-H 抛物线型（Parabolic Flexure Hinge）S-P反转抛物线（Inverse Parabolic FlexureHinge）S-Ip 正割型（Secant Flexure Hinge）S-S双曲余弦型（hyperbolic cosine FlexureHinge）S-H 弓型（arched Flexure Hinge）S-A V型（V Flexure Hinge）S-V 摆线型（cycloidal Flexure Hinge）S-Cy单轴不对称椭圆型（Elliptical Flexure Hinge）s-E1抛物线型（Parabolic Flexure Hinge）s-P双曲线型（hyperbolic cosine FlexureHinge）s-Hc 导角型（Corner-Filleted Flexure Hinge）s-CB混合型s-CCB表2-2由基本柔性铰链混合而成的单轴铰链模型（Single-Axis Flexure Hinges）组合方式产生对象铰链模型分类编号直梁-直梁混合型两个混合交错铰链（CrossFlexureHinge）类型一S-BB1类型二S-BB2车轮铰链（cartwheelflexuralhinges）S-BB3类型三S-BB4一二混合交错叶片混合（cross-axis flexuralpivot）S-BB5直梁-直圆混合型导角型（Corner-FilletedFlexure Hinge）S-CB直圆-导角混合型S-CCB直圆-椭圆混合型S-CE1表2-3双轴柔性铰链（Two-Axis Flexure Hinges）铰链名称铰链模型分类编号双轴柔性铰链串联-非同位配置（non-collocated(serially-disposed)notches）两轴垂直T-CE1-NC-V两轴平行T-E1E1-NC-P并联-同位配置（collocatednotches）两轴垂直T-CC-C -V两轴平行T-BB-C-P例子双轴椭圆铰链T-E1E1-V表2-4多轴柔性铰链（Multiple-Axis Flexure Hinges）铰链名称铰链模型分类编号圆柱型（cylindrical）M-Cyl导角型（Corner-FilletedFlexure Hinge）M-CB直圆型（Circular FlexureHinge）M-C椭圆型（Elliptical FlexureM-EHinge）抛物线型（ParabolicM-P Flexure Hinge）双曲线型（HyperbolicM-H Flexure Hinge）编号规则：1、大写代表单轴对称，即双边切口，小写代表单轴不对称，即单边切口。

柔性铰链运动02ppt课件

柔性铰链运动02
简介
柔性铰链作为一种小体积、无机械摩擦、无间隙和运动灵敏度高的传动结构，被广泛应用于各种要求微小线位移或角位移、且高精度定位的场合。开创了工作台进入毫米级的新时代。柔性铰链有成千上万的应用，如：陀螺仪、加速度计、天平、控制导弹的喷嘴、控制器显示仪、记录仪、表面控制、调整器、阀、放大连杆、计算机、继电器和传动连杆。
横向波纹补偿器

柔性铰链运动的实现方法
柔性铰链运动实现的运动范围、运动精度柔性铰链运动的测量方法柔性铰链运动的用途和发展前景

柔性铰链运动的实现方法
柔性铰链是通过弹性形变来实现铰链运动。施加的弹性变形力会导致铰链中心点偏移其几何中心，从而影响柔性铰链的转动精度。柔性铰链用于绕轴做复杂运动的有限角位移，它有很多种结构，最普通的形式是绕一个轴弹性弯曲，这种弹性变形是可逆的。
柔性铰链运动实现的运动范围、运动精度
理想铰链应可以绕其中心点自由旋转，但对于真实的柔性铰链，要让它作旋转运动就必须施加变形力。为了定量的考察各个柔性铰链的运动范围和运动精度，通常选用D 点的位移来表示其运动范围，而用中心点C 的偏移量来表是其运动精度。
根据材料力学，可得铰链中性面曲率半径公式： 1 M (x)
柔性铰链运动的用途和发展前景
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试验探索后，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、天平、控制导弹的喷嘴等多个范围之中，并获得了前所未有的高精度和稳定性。近年来，柔性铰链又在秘密位移工作台中得到了实用。

柔性铰链[实用新型专利]

专利名称：柔性铰链
专利类型：实用新型专利发明人：傅翾
申请号：CN00261403.0申请日：20001215
公开号：CN2459740Y 公开日：
20011114
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种柔性铰链是在一矩形立方体相对的两个面分别制有半径为R的圆弧底的凹槽,两圆弧顶点间距为柔性厚度t,两圆弧圆心轴与厚度t垂直,与两圆心连线平行的立方体二侧边为铰链的宽度
h,h≥2R+t,此构成一个组成单元,柔性铰链是由1—5个单元组成的整体。

其可完成一维、二维、三维方向的角度调整,具有运动方程简单、一体化好、精度高、灵敏性和稳定性好的特点,还有结构简单、无机械空回、制作容易、使用方便的优点,适用于智能控制机构。

申请人：中国科学院西安光学精密机械研究所
地址：710068 陕西省西安市友谊西路234号
国籍：CN
代理机构：中国科学院西安专利事务所
代理人：任越
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cos α 12M 8 EhR 2
∫
π /2
−π / 2
cos α dα （２－２） (γ − cos α ) 3
设Ｉ１＝
∫ γ − cos α dα
4
，Ｉ２＝
∫ (γ − cos α )
cos α
2
dα ，Ｉ３＝
∫ (γ − cos α )
cos α
3
dα ，
Ｉ４＝
∫ (γ − cos α )
(γ
− sin α ) 1 sin α
4
cos α
dα ，Ａ＝
1
sin α sin α sin α ，Ｂ＝，Ｃ＝， 2 γ − sin α (γ − sin α ) (γ − sin α )3 1 dα ，Ｙ＝
Ｄ＝
，Ｋ＝
∫ γ − cos α dα ，Ｘ＝ ∫ (γ − cos α )
双晶片
l1
l h
A=1
l2
杠杆放大三角形放大液压放大
A=
l2 l1
l α
1 A≈ tan α
A1
A2
A=
A1 A2
放大倍数大; 频响低;
２．２．３柔性铰链的数学模型
柔性铰链的设计方法和理论计算比较复杂，在此不再赘述。从微位移机构的 y A M 实际情况出发，设计方法和理论计算有可 R A--A x 能进行简化。对用于微位移机构的柔性铰 b 链进行分析，发现有两点明显的特征：一 F h 是位移量（及柔性铰链的变形）比较小， A 一般是几十微米到几百微米；二是结构参数一般情况下取ｔ≥Ｒ，根据这两个特点图 2-6 柔性铰链单元参数图可推导出简化设计方法。由于在设计中对模型做变形计算，所以推导柔性铰链的刚度参量。下面进行弯曲刚度的计算。图２－６是微位移机构采用的柔性铰链单元。根据材料力学由力矩Ｍ引起的柔性变形αＭ为：
R M dx ＝ ∫ − R EI ( x) −R
R
M
dx （２－１）
Ｉ——为单元的惯性矩；其余参数见图所示。令ｘ＝Ｒｓｉｎα，γ＝１＋ｂ／Ｒ，则 αＭ＝
(
( (
)
) )
解上述方程组，有Ｉ３＝ − X + γY =
( 2(γ
Aγ 2 +2
2
−1
)
2
)+
Bγ 3γK + （２－３） 2 2 γ −1 2 γ 2 − 1 2
(
) (
)
代入式，有 3M γ 2 + 2 1 3γ 1+γ αＭ＝ + + arctan( ) 2 EhR 2 2(γ 2 − 1) 2 γ 2(γ 2 − 1)γ 2(γ 2 − 1) γ 2 − 1 γ −1 ＝
图２－３ａ）传统转动副图２－３ｂ）柔性铰链转动副
2.移动副（P）允许两构件沿轴线做相对移动，这种运动副也是具有 1 个自由度（f=1），图（2-4a）为常规移动副，图（2-4b）为柔性铰链移动运动副。
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2
∫ (γ − cos α )
1
3
dα ，
Ｚ＝ ∫
(γ − cos α )4
dα ，则
I 1 = −α + γK = A − α − 2γI 2 + γ 2 + 1 X 2 I 2 = − K + γX = B − 2 K − 4γI 3 + 2 γ + 1 Y 2 I 3 = − X + γY = C − 3 X − 6γI 4 + 3 γ + 1 Z I = −Y + γZ 4
２．２．２基于柔性铰链的放大机构
采用压电陶瓷为驱动元件，压电陶瓷具有出力大，响应速度快，无发热，现在使用的压电陶瓷在体积比较小的情况下，其运动范围也比较小，在需要大运动范围的情况下，通常．要应用放大机构。现在使用的放大机构一般有以下几种（见表２－１）
图２－４ａ）传统移动副图２－４ｂ）柔性铰链移动副
图２－５ａ）传统球面副图２－５ｂ）柔性铰链球面副３．球面副（Ｓ）允许两构件对空间不共面三轴做独立转动，这种运动副有３个自由度（ｆ＝３），图（２－５ａ）为常规球面副，图（２－５ｂ）为柔性铰链球面运动副。
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8h E (b + R − R 2 − x 2 ) 3 12 式中Ｅ——为材料弹性模量；
αＭ＝ ∫
表２－１放大机构的一般形式
名称
原理图
理想放大倍数
机构举例
说明
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具有多种变形如双晶片, 单晶片,有支撑,无支撑运动速度快, 效率高; 线性运动转换成旋转运动因驱动单元的位置不同而具有多种变形
＋
当ｂ／Ｒ＜＜１时，上式可简化为：
哈工大博实精密测控有限责任公司 _____________________________________________________________________ αＭ≈ 3MR Eh 3 1 3π 1 ⋅ 2.5 （２－４） 8Rb 2 + 4 R 2 b + 0 .5 8 2 b ⋅R
−1
于是得到柔性铰链的转动刚度ｋｂ：
M 3MR kb= = α M Eh
3 1 3π 1 + + ⋅ 8Rb 2 4R 2 b 8 2 b 2. 5 ⋅ R 0.5
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柔性铰链简介
六十年代前后，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试验探索后，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的应用于陀螺仪、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。如日本工业技术设计院计量研究所，利用柔性铰链原理研制的角度微调装置，在三分的角度范围内，达到了千万分之一度的稳定分辨率。近年来，柔性铰链在精度微动工作台中得到了应用，开创了工作台进入纳米级的新时代。柔性铰链用于绕轴做复杂运动的有限角位移，它的特点是：无机械摩擦，无间隙，运动灵敏度高。柔性铰链有很多种结构，最普通的形式是绕一个轴弹性弯曲，这种弹性变形时可逆的。在机器人机构中应用了转动副，移动副，球面副，平面副及虎克铰等，其中常用的是转动副，移动副和球面副。１．转动副（Ｒ）也称回转副，它允许两构件做相对转动，这种运动副具有１个相对自由度（ｆ＝１），图（２－３ａ）为常规转动副，图（２－３ｂ）为柔性铰链转动运动副。
3MR 2 R 2 + ( R + b) 2 1 + 2 2 Eh 2b ( 2 R + b) ( R + b) 2b (2 R + b)( R + b)
3R ( R + b) 2b 2 ( 2R + b ) 2 2R + b arctan b (2 R + b) b( 2R + b )