高精度柔性机构设计理论与方法

成果基本信息
关键词：	柔性机构;柔性铰链;伪刚体模型;精度;柔度
成果类别：		技术成熟度：
体现形式（基础理论类）：		体现形式（应用技术类）：	无
成果登记号：	360-16-13020945	资源采集日期：	2017-02-20

研究情况
单位名称：	北京航空航天大学	技术水平：
评价证书号：		评价单位：	国家自然科学基金委员会
评价日期：		评价证书号：

转化情况
转让范围：		推广形式：	无
已转让企业数（个）：	0

联系方式
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成果简介
柔性铰链及柔性机构（或称柔顺机构）是一类借助其柔性单元的弹性变形实现运动、力或能量的传递与转换的装置。与传统的刚性机构相比，柔性机构具有高精度、高可靠性、无间隙、无摩擦、无磨损、免润滑、免装配、可整体加工、易于小型化等优点，在先进制造（如MEMS/NEMS）、光学工程、生物医学、航空航天等精密/超精密传动及纳米定位等众多领域的应用日渐广泛。以德国PI和瑞士CSEM为代表的研发机构在柔性产品的商业化上也取得了世人瞩目的成果，使柔性铰链和柔性机构在精密工程领域占据着举足轻重的地位。　　然而，由于柔性机构的运动总是伴随着复杂的弹性变形过程，这使得对它们的建模、分析和设计比刚性机构要困难得多；特别是针对大变形柔性机构，涉及非线性等复杂问题求解，精确建模十分困难，更缺少有效方法指导创新设计。柔性机构学权威Howell教授在其著作《Handbook of Compliant Mechanisms》中指出：“将不同功能集成到单个或少数几个零件的做法虽有一定的优势，但也导致必须对运动和力学特性进行同步设计；柔性机构中的变形通常是非线性的，这无疑使设计变得更加困难”。　　为有效解决柔性设计过程中的精确建模与创新设计等难题，本研究注重机构学与数（力）学、机器人，以及精密工程等学科的交互，系统地开展了“高精度柔性机构设计理论与方法”研究，研究成果包括以下3个重要科学发现：　　1、针对经典伪刚体模型精度不高、仅适用于平面维度等限制，系统地开展了面向柔性单元、柔性铰链、以及柔性机构等不同类型、不同维度柔性模块的精确建模方法研究：　　（1）提出了包括VCM（virtual center mechanism）等效刚体模型、参数化梁约束模型等在内的数种柔性梁复杂非线性大变形的精确求解方法，系统地解决了分布柔度柔性机构的精确建模问题，为大行程、高精度柔性机构的设计与性能评价提供了理论支撑；　　（2）针对柔性铰链机构建模的一般方法，提出了适用于各种常见柔性铰链的通用模型，实现了铰链选型与参数优化两个过程的统一，并解决了柔性铰链的扭转柔度与应力集中等计算难点，为高性能柔性铰链机构的精确建模与优化设计提供了系统的理论和方法；　　（3）将伪刚体模型向空间拓展，提出了柔性机构的整体柔度矩阵模型；以该模型为基础揭示了柔性机构的行程、精度、自由度等性能之间的内在联系，解决了刚度向自由度、精度等映射的可行性问题；　　2、针对空间柔性机构构型种类受限、构型复杂等不足，提出了“数学、物理与机械模块分层映射”思想，构建了同时适用于串联、并联、混联柔性机构和刚性机构的图谱化构型综合理论，大大丰富了柔性机构的构型种类，也为工程师提供了一种简单、实用的创新设计手段；　　3、针对等效刚体模型法、拓扑综合法等传统柔性设计方法难以解决大行程和高精度的矛盾，系统地开展了大行程&高精度柔性系统创新设计基础理论研究：　　（1）提出了包括约束法、胞元法、参数化刚度综合法、屈曲法等在内的多种创新设计方法，丰富完善了柔性机构设计理论体系，为缓解乃至消除柔性机构行程、刚度与精度之间的矛盾提供了可行性；　　（2）基于所提方法，提出了多种大行程&高精度的柔性铰链及柔性轴承、多轴柔性精密定位平台新构型；　　（3）自行设计并搭建了柔性铰链及柔性机构刚度、精度、疲劳等各性能测试平台；相关设计理论已成功应用到生物医学与光纤对接微操作机器人、航天导引跟踪装置、仿生机器人等实际应用领域，取得了良好的效果。　　已发表相关学术论文120余篇，其中在ASME Transaction （Journal of Mechanical Design和Journal of Mechanisms and Robotics）、Mechanism and Machine Theory、Precision Engineering、Review of Scientific Instruments等国际期刊发表论文40余篇。论文累计被国内外学者他引800余次，其中SCI引用300余次，他引208次。国外权威专家在ASME Transactions、IEEE Transactions、Mechanism and Machine Theory、Review of Scientific Instruments等本学科领域国际顶级期刊上所发表的文章中对申报人的研究成果给予诸多高度评价，所提出的理论方法得到国际同行积极认可并予以借鉴，产生了重要的学术影响。此外，本成果获得中国发明专利授权12项。

成果名称：	高精度柔性机构设计理论与方法	关键词：	柔性机构;柔性铰链;伪刚体模型;精度;柔度
成果类别：		一级分类名称：	机械制造
二级分类名称：	机械学	三级分类名称：
研究起止时间：	2001.01 至2014.05	成果体现形式（应用技术类）：	无
成果属性：		成果体现形式（基础理论类）：
技术成熟度：		技术水平：
研究形式：		学科分类1：
单位名称：	北京航空航天大学	学科分类2：	460.40
中图分类号1：		所属高新技术类别：
中图分类号2：	TH703	课题来源：
应用行业：		课题立项名称：
国家科技计划子类别：		课题立项编号：	50075010,50475002,50675007,507
经费实际投入额（万元）：	400.00	评价单位：	国家自然科学基金委员会
评价形式：	无	应用状态：	无
评价日期：		转让范围：
评价证书号：		推荐单位：	北京航空航天大学
推广形式：	无	成果登记号：	360-16-13020945
成果简介：	柔性铰链及柔性机构（或称柔顺机构）是一类借助其柔性单元的弹性变形实现运动、力或能量的传递与转换的装置。与传统的刚性机构相比，柔性机构具有高精度、高可靠性、无间隙、无摩擦、无磨损、免润滑、免装配、可整体加工、易于小型化等优点，在先进制造（如MEMS/NEMS）、光学工程、生物医学、航空航天等精密/超精密传动及纳米定位等众多领域的应用日渐广泛。以德国PI和瑞士CSEM为代表的研发机构在柔性产品的商业化上也取得了世人瞩目的成果，使柔性铰链和柔性机构在精密工程领域占据着举足轻重的地位。　　然而，由于柔性机构的运动总是伴随着复杂的弹性变形过程，这使得对它们的建模、分析和设计比刚性机构要困难得多；特别是针对大变形柔性机构，涉及非线性等复杂问题求解，精确建模十分困难，更缺少有效方法指导创新设计。柔性机构学权威Howell教授在其著作《Handbook of Compliant Mechanisms》中指出：“将不同功能集成到单个或少数几个零件的做法虽有一定的优势，但也导致必须对运动和力学特性进行同步设计；柔性机构中的变形通常是非线性的，这无疑使设计变得更加困难”。　　为有效解决柔性设计过程中的精确建模与创新设计等难题，本研究注重机构学与数（力）学、机器人，以及精密工程等学科的交互，系统地开展了“高精度柔性机构设计理论与方法”研究，研究成果包括以下3个重要科学发现：　　1、针对经典伪刚体模型精度不高、仅适用于平面维度等限制，系统地开展了面向柔性单元、柔性铰链、以及柔性机构等不同类型、不同维度柔性模块的精确建模方法研究：　　（1）提出了包括VCM（virtual center mechanism）等效刚体模型、参数化梁约束模型等在内的数种柔性梁复杂非线性大变形的精确求解方法，系统地解决了分布柔度柔性机构的精确建模问题，为大行程、高精度柔性机构的设计与性能评价提供了理论支撑；　　（2）针对柔性铰链机构建模的一般方法，提出了适用于各种常见柔性铰链的通用模型，实现了铰链选型与参数优化两个过程的统一，并解决了柔性铰链的扭转柔度与应力集中等计算难点，为高性能柔性铰链机构的精确建模与优化设计提供了系统的理论和方法；　　（3）将伪刚体模型向空间拓展，提出了柔性机构的整体柔度矩阵模型；以该模型为基础揭示了柔性机构的行程、精度、自由度等性能之间的内在联系，解决了刚度向自由度、精度等映射的可行性问题；　　2、针对空间柔性机构构型种类受限、构型复杂等不足，提出了“数学、物理与机械模块分层映射”思想，构建了同时适用于串联、并联、混联柔性机构和刚性机构的图谱化构型综合理论，大大丰富了柔性机构的构型种类，也为工程师提供了一种简单、实用的创新设计手段；　　3、针对等效刚体模型法、拓扑综合法等传统柔性设计方法难以解决大行程和高精度的矛盾，系统地开展了大行程&高精度柔性系统创新设计基础理论研究：　　（1）提出了包括约束法、胞元法、参数化刚度综合法、屈曲法等在内的多种创新设计方法，丰富完善了柔性机构设计理论体系，为缓解乃至消除柔性机构行程、刚度与精度之间的矛盾提供了可行性；　　（2）基于所提方法，提出了多种大行程&高精度的柔性铰链及柔性轴承、多轴柔性精密定位平台新构型；　　（3）自行设计并搭建了柔性铰链及柔性机构刚度、精度、疲劳等各性能测试平台；相关设计理论已成功应用到生物医学与光纤对接微操作机器人、航天导引跟踪装置、仿生机器人等实际应用领域，取得了良好的效果。　　已发表相关学术论文120余篇，其中在ASME Transaction （Journal of Mechanical Design和Journal of Mechanisms and Robotics）、Mechanism and Machine Theory、Precision Engineering、Review of Scientific Instruments等国际期刊发表论文40余篇。论文累计被国内外学者他引800余次，其中SCI引用300余次，他引208次。国外权威专家在ASME Transactions、IEEE Transactions、Mechanism and Machine Theory、Review of Scientific Instruments等本学科领域国际顶级期刊上所发表的文章中对申报人的研究成果给予诸多高度评价，所提出的理论方法得到国际同行积极认可并予以借鉴，产生了重要的学术影响。此外，本成果获得中国发明专利授权12项。
联系人：	赵婧	成果登记日期：	2016-05-08
联系人email：		单位代码：	91100039
邮政编码222：	100083	联系人电话：	010-82317824
单位传真：	010-82328041	单位通讯地址：	北京市海淀区学院路37号
单位所在省市：		单位电话：	010-82317114
转让收入（万元）：	0	单位属性：
合作完成单位：	西安电子科技大学	已转让企业数（个）：	0
成果发布年份：	2016	知识产权形式：
成果完成人：	于靖军;陈贵敏;裴旭;毕树生;赵宏哲;宗光华	资源采集日期：	2017-02-20

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