平面折展柔顺机构设计理论与方法研究

The design and application of LEMs (Lamina Emergent Mechanisms, commonly called LEMs) is a beneficial supplement to the design of traditional mechanism. The theory and methodology not only made the development of the traditional design theory much further and wider, and therefrom obtained a more perfect design theory and methodology. Lamina Emergent Torsional (LET) Joint which is the key part to achieve the motions, so how to design and obtain a better performance, such as high accuracy, large displacement, are always the key for research the compliant mechanisms. In view of this and considering the torsion equivalent stiffness, extension and compression equivalent stiffness of LET Joint comprehensively which have an effect on the compliance and accuracy, this project presents coupled equivalent stiffness, established it`s mathematical model and formulated the theoretical equations .Through theoretical study, finite element simulation analysis and experimental tests, the eventual establishment of common coupling equivalent stiffness theoretical equations to form a relatively complete equivalent theory and design method suitable for LEMs, at the same time LEMs innovative design software system developed, and can achieve optimization of the main parameters of the different types of flexible hinge. The research of this subject can lay the foundation for LEMs theoretical study, and it is widely used in product design.

平面折展柔顺机构（以下简称LEMs）的设计和应用是传统机构设计的有益补充，其设计理论和方法可以使传统设计理论有更深广的发展，进而形成新的设计理论和方法。LEMs中的柔性铰链是实现LEMs运动的关键部分，如何设计得到柔度好、精度高的柔性铰链一直是柔顺机构研究的关键问题，鉴于此本项目综合考虑影响LEMs铰链柔度和精度特性的等效扭转及拉压弹簧刚度，提出等效耦合弹簧刚度的概念，建立其等效耦合刚度的数学模型并推导理论计算公式，由此设计出综合性能更好的新型LEMs柔性铰链，进而设计出满足运动要求、精度更高的多层LEMs。通过理论研究、有限元仿真分析及实验测试，最终建立通用的等效耦合刚度计算公式，形成比较完善的等效理论及适合于LEMs的设计方法，同时开发出LEMs创新设计软件系统，并实现LEMs柔性铰链主要参数的优化。 本课题的研究可为LEMs的理论研究和使其广泛应用于产品设计奠定基础。

柔顺机构以柔性铰链代替传统机构中的运动副，具有体积小、无需装配、无摩擦、无间隙、不需润滑、运动灵敏度高、导向精度高等优点，因此在微机电系统、精密机械等领域得到了广泛的应用。平面折展柔顺机构（Lamina Emergent Mechanisms简称LEMs），是指用同一薄片材料制成的、可在制造平面之外运动的一类新型柔顺机构，具有广泛的市场应用前景。平面折展柔顺机构的设计和应用也是传统机构设计的有益补充，其设计理论和方法可以使传统设计理论有更深广的发展，进而形成新的设计理论和方法。LEMs中的柔性铰链是实现运动的关键部分，如何设计得到柔度好、精度高的柔性铰链一直是柔顺机构研究的关键问题。本项目通过弯扭与拉压耦合载荷对LET铰链变形特性影响的研究，提出等效耦合弹簧刚度的概念，建立了其等效耦合刚度的数学模型并推导出理论计算经验公式，由此设计出一系列综合性能更好的新型LEMs柔性铰链，对柔性铰链的设计思路和设计方法的研究，以及对柔性铰链的创新设计，提高了铰链的弯曲性能、抗拉压性能。推导了设计的新型柔性铰链等效刚度的计算公式，并利用有限元仿真分析、实验验证等方法对其进行了验证，结果符合设计预期。在此基础上，实现了LEMs柔性铰链主要结构参数的优化设计，为LEMs设计和分析提供了理论基础。同时设计了一些具有新功能的柔性铰链，还实现了铰链的变刚度设计，变刚度柔性铰链的设计可为其应用于机器人灵巧关节打下良好基础。基于设计的新型铰链，设计了满足运动要求、精度更高的LEMs。设计了高平行度双稳态平面折展夹持机构，以及双层LEMs机构，建立了机构的伪刚体模型，利用虚功原理进行了分析，得到输入与输出的关系，并利用仿真分析和实验测试对其进行了验证。.以实现LEMs运动的关键部分——柔性铰链为主要研究对象来展开对LEMs的基础研究，具有重要的理论意义和实际应用价值。本项目研究能为柔性铰链和LEMs的设计提供理论基础，设计出更好的柔性铰链和机构，以适应科技发展的需求，也可为LEMs的进一步理论研究和使其广泛应用于产品设计提供新的设计思路和分析方法。