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新型变厚度柔性铰链的设计与研究

董飞 许勇 王艳 张强强 赵传森

董飞, 许勇, 王艳, 张强强, 赵传森. 新型变厚度柔性铰链的设计与研究[J]. 机械科学与技术, 2022, 41(8): 1163-1168. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200516
引用本文: 董飞, 许勇, 王艳, 张强强, 赵传森. 新型变厚度柔性铰链的设计与研究[J]. 机械科学与技术, 2022, 41(8): 1163-1168. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200516
DONG Fei, XU Yong, WANG Yan, ZHANG Qiangqiang, ZHAO Chuansen. Design and Research on Variable Thickness Flexure Hinge[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(8): 1163-1168. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200516
Citation: DONG Fei, XU Yong, WANG Yan, ZHANG Qiangqiang, ZHAO Chuansen. Design and Research on Variable Thickness Flexure Hinge[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(8): 1163-1168. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200516

新型变厚度柔性铰链的设计与研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200516
基金项目: 

上海高校中青年教师国外访学进修计划项目 2018622

香港特别行政区创新及科技基金项目 ITS/104/19FP

上海市研究生科研创新计划项目 0231-E3-0903-19-01238

详细信息
    作者简介:

    董飞(1990-), 硕士, 研究方向为机器人机构学, 1548694574@qq.com

    通讯作者:

    许勇, 副教授, 硕士生导师, brucexuyong@163.com

  • 中图分类号: TH122

Design and Research on Variable Thickness Flexure Hinge

  • 摘要: 针对传统的直梁型柔性铰链转动精度低的缺点, 本文提出一种新型的变厚度柔性铰链, 使得该铰链的变形主要集中在铰链的中心位置, 以此提高柔性铰链的转动精度。为了研究变厚度柔性铰链, 首先列出变厚度柔性铰链的厚度公式, 然后以Euler-Bernoulli梁理论为基础, 搭建出变厚度柔性铰链的力学模型, 并通过牛顿迭代法进行具体数值求解, 为了验证力学模型的正确性, 将铰链模型导入有限元仿真软件ABAQUS中进行静力学仿真, 验证了力学模型的正确性; 基于力学模型与有限元仿真, 研究了变厚度柔性铰链的变形特性与圆弧半径r之间的关系, 通过分析结果表明, 变厚度柔性铰链相对传统的直梁型柔性铰链具有较大的转角范围和更小的中心轴漂n, 以本文提出的变厚度柔性铰链为基本单元, 搭建出具备大转角能力的柔性转动铰链, 为需要大转角、大承载能力的仿生关节的设计提供一定的理论参考。
  • 图  1  变厚度柔性铰链结构示意图

    图  2  变厚度柔性铰链变形结构示意图

    图  3  C处受力分析图

    图  4  圆弧半径r=150 mm的变厚度柔性铰链仿真示意图

    图  5  变厚度柔性铰链自由末端X轴方向位移Δx与转矩Mz之间的关系

    图  6  变厚度柔性铰链自由度末端Y轴方向位移Δy与转矩Mz之间的关系

    图  7  变厚度柔性铰链自由末端转角θ与转矩Mz之间的关系

    图  8  不同圆弧半径r的变厚度柔性铰链自由末端转动角度θ随转矩Mz的变化曲线

    图  9  变厚度柔性铰链自由末端转角范围随圆弧半径r的变化曲线

    图  10  不同圆弧半径r的变厚度柔性铰链中心轴漂n随自由末端转角θ的变化曲线

    图  11  中心轴漂变动量Δn随圆弧半径r的变化曲线

    图  12  柔性转动铰链结构简图

    图  13  具备大转角能力的柔性转动铰链仿真示意图

    图  14  转角θ随转矩Mz的变化曲线

    表  1  变厚度柔性铰链的结构参数

    铰链长度2l/mm 宽度w/mm 最大厚度th/mm 圆弧半径r/mm
    32 5 2 150
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  • 收稿日期:  2020-07-27
  • 刊出日期:  2022-08-25

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