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第一篇 分析建模3

第1章 绪论3

1.1 历史沿革3

1.2 柔性机构的优缺点5

1.3 柔性机构的应用7

1.3.1 柔性机构与精密工程7

1.3.2 柔性机构与仿生机器人10

1.3.3 柔性智能结构14

1.3.4 几种颇具应用前景的新型柔性机构17

1.4 分析与综合方法概述20

1.5 本书内容28

参考文献30

第2章 基本概念39

2.1 柔性单元、柔性铰链、柔性机构与柔性模块39

2.1.1 柔性单元39

2.1.2 柔性铰链40

2.1.3 柔性机构47

2.1.4 柔性模块48

2.1.5 典型的柔性系统——柔性工作台50

2.2 线性变形与非线性变形54

2.3 行程与载荷54

2.4 强度与应力54

2.5 刚度与柔度55

2.6 自由度与约束55

2.7 精度：轴漂与寄生运动56

2.8 材料选择56

2.9 加工方法概述58

参考文献59

第3章 柔性单元的柔度建模61

3.1 小变形条件下柔性梁的一般力学模型61

3.1.1 均质梁61

3.1.2 变截面梁68

3.2 基于旋量理论的柔度建模75

3.2.1 Von Mises的梁变形理论75

3.2.2 柔度的坐标变换78

3.3 大变形柔性单元的伪刚体模型80

3.3.1 经典伪刚体模型80

3.3.2 基于瞬心概念的簧片伪刚体模型83

3.4 大变形柔性单元的约束模型87

3.4.1 Awtar模型88

3.4.2 改进的Awtar模型92

3.4.3 簧片的特性评估95

3.4.4 模型验证99

3.5 有关柔度概念的分类思考100

3.6 本章小结101

参考文献102

第4章 柔性模块的建模与性能评价105

4.1 主要性能参数105

4.2 基于旋量理论的柔度建模与性能评价107

4.2.1 全局柔度矩阵的建模公式107

4.2.2 实例分析108

4.3 等效伪刚体建模与性能评价124

4.3.1 平行双簧片型柔性模块125

4.3.2 LITFP126

4.3.3 交叉簧片型柔性铰链138

4.3.4 车轮形柔性铰链141

4.3.5 蝶形柔性铰链145

4.4 基于梁约束模型的柔性模块性能分析与评价147

4.4.1 建模149

4.4.2 特性分析155

4.4.3 设计实例：高精度、常值刚度的柔性铰链设计166

4.5 本章小结171

参考文献171

第5章 柔性机构的主运动与寄生运动分析175

5.1 柔性单元的等效自由度与约束模型175

5.2 基于图谱法的自由度与过约束分析180

5.2.1 一般分析方法180

5.2.2 柔性机构中的冗余约束185

5.2.3 一种用于验证自由度分析结果的模块化、可重构柔性教具187

5.3 基于特征柔度矩阵的自由度分析189

5.3.1 一般分析方法189

5.3.2 实例分析190

5.4 柔性机构的寄生运动分析195

5.4.1 梯形柔性模块197

5.4.2 平行双簧片型柔性模块199

5.5 本章小结199

参考文献199

第6章 柔性机构动力学基础201

6.1 柔性动力学建模方法简介201

6.2 单自由度柔性机构的动力学建模202

6.2.1 基于集中参数法的柔性机构动力学建模202

6.2.2 基于瞬心的大行程柔性铰链动力学建模209

6.2.3 基于梁约束模型的大行程柔性铰链动力学建模212

6.2.4 3种动力学建模方法的有限元模态验证与对比216

6.3 多自由度柔性机构的动力学建模217

6.3.1 简化模型217

6.3.2 考虑阻尼的动力学建模221

6.4 柔性动力学实验224

6.4.1 基本原理224

6.4.2 实验设备与方案225

6.4.3 实验过程与结果分析226

6.5 本章小结229

参考文献229

第二篇 设计综合233

第7章 图谱化构型综合233

7.1 图谱化构型综合的基本思路234

7.2 子空间236

7.2.1 同维子空间236

7.2.2 约束空间的分解238

7.3 常见柔性铰链及柔性机构的分类综合242

7.3.1 柔性铰链的分类与枚举242

7.3.2 常用的多轴柔性机构245

7.4 多轴柔性机构的图谱化构型综合248

7.4.1 并联式柔性机构的图谱化构型综合248

7.4.2 串/混联式柔性机构的构型综合254

7.5 并/混联柔性机构构型综合的深层考虑255

7.5.1 简单全并联的实现条件255

7.5.2 柔性机构的串/混联实现264

7.6 柔性机构的驱动空间271

7.7 本章小结274

参考文献274

第8章 参数化刚度综合277

8.1 刚度与自由度之间的映射关系278

8.1.1 基本思想278

8.1.2 柔性单元结构参数对自由度的影响278

8.2 刚度综合流程279

8.3 综合实例281

8.3.1 串联式柔性机构281

8.3.2 并联式柔性机构286

8.3.3 混联式柔性机构292

8.3.4 仿真验证297

8.4 应用实例：一种2-DOF重力梯度敏感机构的刚度设计298

8.4.1 构型综合299

8.4.2 基于刚度的构型优选299

8.4.3 刚度综合与优化设计305

8.4.4 仿真分析与验证308

8.5 本章小结309

参考文献309

第9章 胞元设计311

9.1 胞元设计的基本思想311

9.2 基于模块分层的构型设计314

9.3 基于特殊柔性胞元的大行程柔性机构设计317

9.3.1 复合型柔性机构的优势317

9.3.2 基于VCM胞元的大行程柔性铰链设计318

9.3.3 基于GCSFM胞元的大行程柔性铰链设计330

9.4 胞元结构与柔性设计338

9.4.1 常见胞元结构的分类338

9.4.2 常见大应变胞元结构的特性分析340

9.4.3 基于不同特性的胞元式柔性机构设计341

9.5 本章小结358

参考文献359

第10章 基于误差补偿的精度设计361

10.1 柔性机构的误差源361

10.1.1 柔性单元的误差源分析362

10.1.2 外围元件及外部因素的误差源分析365

10.2 基于刚柔寄生运动相互补偿的单轴柔性机构精度设计366

10.2.1 寄生运动分析366

10.2.2 基于刚柔寄生运动补偿的柔性直线导向机构设计方法368

10.2.3 设计实例——基于LITFP模块的柔性直线导向机构设计371

10.3 基于约束特性的误差补偿原理与单轴柔性直线机构设计377

10.3.1 基于约束特性的误差补偿原理377

10.3.2 高精度柔性直线导向机构的设计380

10.4 基于寄生运动补偿的多轴柔性机构设计391

10.4.1 寄生运动补偿原理391

10.4.2 设计过程392

10.4.3 设计实例395

10.5 对称设计提高精度的原理性论证402

10.5.1 对称串联设计402

10.5.2 对称并联设计404

10.6 本章小结405

参考文献406

第11章 屈曲设计409

11.1 屈曲设计的灵感来源409

11.2 基于屈曲理论的挠曲线构型法412

11.2.1 压杆稳定的概念412

11.2.2 轴心受压杆件的大挠度弹性理论415

11.2.3 挠曲线构型法424

11.3 DC型柔性铰链的设计与性能分析427

11.3.1 构型设计427

11.3.2 挠曲线形状对铰链性能的影响431

11.3.3 实验440

11.4 本章小结443

参考文献444

第12章 考虑能效的柔性设计445

12.1 驱动器选择445

12.2 柔性运放机构的设计448

12.2.1 运动缩放的必要性448

12.2.2 柔性运放机构的选型与设计考虑449

12.2.3 新型大行程、高精度运放机构的设计方法456

12.3 柔性静平衡机构的设计457

12.3.1 零刚度柔性机构的一般设计思想458

12.3.2 负刚度柔性模块的设计458

12.3.3 零刚度柔性设计471

12.3.4 模型制作与性能测试483

12.4 本章小结484

参考文献485

第三篇 设计实例489

第13章 大行程柔性轴承489

13.1 柔性轴承及其应用489

13.2 广义三交叉簧片型柔性轴承的设计、分析与测试494

13.2.1 构型设计与优选494

13.2.2 刚度与精度建模496

13.2.3 样机模型与测试504

13.3 内外环柔性轴承的设计、分析与测试514

13.3.1 构型设计514

13.3.2 刚度特性分析516

13.3.3 实验测试521

13.4 本章小结524

参考文献525

第14章 大行程XY柔性工作台527

14.1 构型设计527

14.1.1 拓扑结构演化527

14.1.2 柔性模块的构型设计528

14.1.3 柔性XY工作台的构型设计531

14.2 参数设计535

14.2.1 参数化刚度设计535

14.2.2 基于误差补偿的精度设计542

14.2.3 不同类型平台的柔度矩阵比较544

14.2.4 有限元分析与改进设计547

14.3 原型设计与性能测试552

14.3.1 样机组成552

14.3.2 性能测试555

14.4 本章小结559

参考文献559

第15章 柔性微操作机器人561

15.1 典型的微操作机器人系统561

15.1.1 面向生物工程显微操作的机器人系统562

15.1.2 面向光波导器件耦合对接的微操作机器人系统565

15.2 典型的微操作机器人机构569

15.3 3维平动柔性微操作机构的构型综合573

15.4 混联式柔性微操作机构的参数设计575

15.4.1 平面3-RRR并联柔性平台的结构一体化设计576

15.4.2 空间3-RPS并联柔性平台的参数设计579

15.4.3 6-DOF柔性微操作机器人的性能指标581

15.5 微操作机器人系统自动对接实验583

15.6 本章小结585

参考文献585

附录 旋量理论基础及图谱表达587

A.1 旋量理论基础587

A.1.1 旋量587

A.1.2 运动旋量与力旋量588

A.1.3 旋量的互易积与约束旋量590

A.1.4 旋量系与旋量空间591

A.1.5 运动旋量系与约束旋量系592

A.2 旋量理论的图谱化表达593

A.2.1 基本概念593

A.2.2 自由度（约束）等价线595

A.2.3 冗余线597

A.2.4 对偶法则599

A.2.5 自由度与对偶约束空间图谱600

参考文献600

索引607