柔性铰链机构参数设计的通用模型方法(GMA)研究

柔性铰链机构被广泛用于各类微纳操控装备。随着其应用领域扩展和使用性能要求不断提高，必然导致高承载力、大行程、高精度、高频响等设计指标之间的矛盾日益突出，现有的过度依赖经验的设计方法不能满足新的需求，制约柔性铰链机构的发展与应用。申请人在前期研究中提出了针对单个柔性铰链建模的通用模型方法(Generalized Model Approach,GMA)：该方法通过通用的解析模型将多种铰链统一起来，实现了柔性铰链的选型与尺度设计两个过程的全参数化，可以有效地避免过度依赖经验导致的设计盲目性和随意性。本项目将在前面的研究基础上，研究柔性铰链机构整机参数化设计的通用模型方法，在综合考虑机构构型尺寸、铰链类型和尺寸、铰链初始姿态等参数的情况下开展整机优化设计研究，以解决现有设计方法存在的问题，提升柔性铰链机构的设计水平、推动其发展与应用。通过该项目的研究，进一步深化和拓展我们在柔顺机构领域的研究。

柔性铰链机构被广泛用于各类微纳操控装备。随着其应用领域扩展和使用性能要求不断提高，必然导致高承载力、大行程、高精度、高频响等设计指标之间的矛盾日益突出。本项目基于申请人提出的柔性铰链通用模型方法(Generalized Model Approach,GMA)，旨在实现了柔性铰链的选型与尺度设计两个过程的全参数化，从而避免过度依赖经验导致的设计盲目性和随意性。所完成的主要工作如下：(1) 得到了通用模型中最大应力的全解析通用计算公式；(2) 给出了基于图和矩阵表示的柔性铰链机构运动静力学自动化建模方法（几何闭链方程和力学平衡方程）；(3) 提出了两步走的柔性铰链机构参数优化方法，利用分而治之的策略较好地解决了柔性铰链机构优化设计参数繁多(涉及机构构型尺寸、铰链类型和尺寸、铰链初始姿态等参数)、优化难度大的问题；(4) 在综合考虑静力学、动力学性能及最大应力等条件下，以位移放大比和动态特性为两个优化目标构建了合理的目标函数，对采用圆锥曲线柔性铰链的桥式位移放大机构进行了多目标优化设计；(5) 提出一种基于拉弯柔性铰链的二级微位移放大机构，经优化后位移放大比达到41；(6) 基于上述研究成果开发了Android系统下的平面柔性铰链机构分析与设计app软件。就上述内容，本项目取得了一系列的研究成果，共发表学术论文22篇，包括SCI检索国际期刊9篇（其中ASME JMD/JMR共7篇），20篇被EI收录，获得4项国家发明专利授权。