Abstract: Ny hamafin'ny fihodinan'ny flexible hinge aotra dia eo amin'ny aotra, izay maharesy ny lesoka izay ilain'ny hinges flexible mahazatra, ary azo ampiharina amin'ny grippers sy saha hafa. Ny fakana ny peratra anatiny sy ivelany flexible higes eo ambanin'ny hetsiky ny torque madio ho toy ny tsara stiffness subsystem, ny fikarohana Negative stiffness mekanisma sy mifanandrify tsara sy ratsy stiffness afaka hanorina zero stiffness flexible hinge. Arosoy ny mekanika fihodinana stiffness ratsy——Crank spring mekanika, modely sy nandinika ny ratsy toetra stiffness; amin'ny alàlan'ny fampifanarahana ny hamafin'ny tsara sy ny ratsy, nodinihina ny fiantraikan'ny mari-pamantarana ara-drafitra amin'ny mekanika lohataona crank amin'ny kalitaon'ny stiffness aotra; Nanolo-kevitra ny loharano linear amin'ny customizable stiffness sy ny habeny——Tady lohataona ravina miendrika diamondra, napetraka ny maodely stiffness ary natao ny fanamarinana simulation singa voafetra; farany, vita ny famolavolana, ny fanodinana ary ny fitsapana ny santionan'ny santionan'ny santionan'ny flexible zero-stiffness. Ny valin'ny fitsapana dia naneho fa: eo ambanin'ny hetsika torsi madio,±18°Ao amin'ny isan-karazany ny fihodinan'ny zoro, ny rotational stiffness ny zero-stiffness flexible hinge dia 93% ambany noho ny anatiny sy ivelany peratra azo flexible hinges eo ho eo. Ny fingotra vita amin'ny zero-stiffness flexible flexible dia manana rafitra mirindra sy zero-stiffness avo lenta; ny tolo-kevitra mivaingana-stiffness rotation mekanika sy ny linear Ny lohataona dia manana sanda lehibe fanondroana ho an'ny fandalinana ny mekanika malefaka.

0 SASIN-TENY

flexible hinge (bearing)

^[1-2]

Miantehitra amin'ny fiovaovan'ny elastika amin'ny tarika malefaka mba handefasana na hamadika ny fihetsiketsehana, ny hery ary ny angovo, dia nampiasaina betsaka tamin'ny fametrahana mazava tsara sy ny sehatra hafa. Raha ampitahaina amin'ny bearings henjana nentim-paharazana, dia misy fotoana famerenana amin'ny laoniny rehefa mihodinkodina ny savily malefaka. Noho izany, ny vondrona fiara dia mila manome ny Output Torque mba hitondra sy Tazony ny fihodinan'ny hinge moramora. Zero stiffness flexible hinge

^[3]

(Zero stiffness flexural pivot, ZSFP) dia flexible rotary joint izay ny hamafin'ny fihodinana dia manodidina ny aotra. Ity karazana flexible hinge ity dia afaka mijanona amin'ny toerana rehetra ao anatin'ny elanelan'ny stroke, fantatra ihany koa amin'ny hoe static balance flexible hinge.

^[4]

, dia matetika ampiasaina amin'ny sehatra toy ny grippers malefaka.

Miorina amin'ny foto-kevitry ny famolavolana modular amin'ny mekanika malefaka, ny rafitra flexible hinge aotra manontolo dia azo zaraina ho subsystems roa amin'ny fahamendrehana tsara sy ratsy, ary ny rafitra zero-stiffness dia azo tanterahina amin'ny alàlan'ny fampifanarahana ny stiffness tsara sy ratsy.

^[5]

. Amin'izy ireo, ny subsystem stiffness tsara dia mazàna fanenitra miendrika flexibilité lehibe, toy ny flexible hinge cross-reed.

^[6-7]

, ankabeazan'ny zozoro telo-zoro vita amin'ny hazo fihinam-boa malefaka

^[8-9]

ary ny peratra anatiny sy ivelany flexible hinges

^[10-11]

Sns. Amin'izao fotoana izao, ny fikarohana momba ny flexible hinges dia nahazo vokatra be dia be, noho izany, ny fanalahidin'ny famolavolana ny flexible flexible zero-stiffness dia ny mifanandrify amin'ny modules stiffness ratsy mety ho an'ny flexible hinges[3].

Ny peratra anatiny sy ivelany flexible higes (peratra anatiny sy ivelany flexural pivots, IORFP) dia manana toetra tena tsara amin'ny resaka stiffness, precision ary ny hafanana. Ny môdely stiffness ratsy mifanentana dia manome ny fomba fananganana ny tohotra azo esorina amin'ny zero-stiffness, ary farany, mameno ny famolavolana, ny fanodinana santionany ary ny fitsapana ny flexible hinge zero-stiffness.

1 crank spring mekanika

1.1 Famaritana ny hamafin'ny ratsy

Ny famaritana ankapobeny ny hamafin'ny K dia ny tahan'ny fiovana eo amin'ny entana F entin'ny singa elastika sy ny deformation mifanaraka dx

K= dF/dx (1)

Rehefa mifanohitra amin'ny famantarana ny fiakaran'ny deformation mifanaraka amin'izany ny fiakaran'ny enta-mavesatra, dia henjana ratsy izany. Amin'ny lafiny ara-batana, ny stiffness négatif dia mifanitsy amin'ny tsy fandriam-pahalemana static amin'ny singa elastika

^[12]

.Ny mekanika henjana ratsy dia mitana anjara toerana lehibe eo amin'ny sehatry ny fifandanjana static flexible. Matetika, ny mekanika stiffness ratsy dia manana ireto toetra manaraka ireto.

(1) Ny mekanika dia mitahiry angovo be dia be na mandalo fiovana sasany.

(2) Ao anatin'ny toetry ny tsy fandriam-pahalemana ny mekanika.

(3) Rehefa mikorontana kely ny mekanika ary miala amin'ny toeran'ny equilibrium, dia afaka mamoaka hery lehibe kokoa, izay mitovy amin'ny hetsika.

1.2 Ny fitsipiky ny fanorenana ny aotra-hamafin'ny savily malefaka

Azo amboarina amin'ny alalan'ny fampiasana stiffness tsara sy négatif ny fihenjanana aotra, ary ny fitsipika dia aseho amin'ny sary 2.

(1) Eo ambanin'ny fihetsiky ny torque madio, ny peratra anatiny sy ivelany flexible higes dia manodidina ny linear torque-rotation zoro fifandraisana, araka ny aseho ao amin'ny Figure 2a. Indrindra indrindra, rehefa misy 12.73% amin'ny halavan'ny volotara ny teboka fifanenana, ny fifandraisan'ny zoro fihodinana torsi dia linear.

^[11]

, amin'izao fotoana izao, ny fotoana famerenana amin'ny laoniny Mpivot (fitarihan'ny famantaranandro) amin'ny savily mora azo dia mifandray amin'ny zoro fihodinan'ny mitondra.θ(mifanohitra amin'ny famantaranandro) ny fifandraisana dia

Mpivot=(8EI/L)θ (2)

Ao amin'ny formula, E ny modulus elastika amin'ny fitaovana, L ny halavan'ny bararata, ary I ny fotoanan'ny inertia amin'ny fizarana.

(2) Araka ny maodely stiffness rotational ny anatiny sy ivelany peratra flexible hinges, ny ratsy stiffness rotating mekanika dia mifanaraka, ary ny ratsy toetra stiffness aseho ao amin'ny Figure 2b.

(3) Noho ny tsy fandriam-pahalemana ny mekanika stiffness ratsy

^[12]

, tokony ho aotra eo ho eo ary lehibe kokoa noho ny aotra ny hamafin'ny fihenjanana aotra, araka ny asehon'ny sary 2c.

1.3 Famaritana ny mekanika lohataona crank

Araka ny literatiora [4], azo amboarina amin'ny alàlan'ny fampidirana loharano efa simba eo anelanelan'ny vatana mihetsiketsika mihetsiketsika sy ny vatana mafy orina amin'ny flexible hinge ny zero-stiffness. Ho an'ny peratra anatiny sy ivelany flexible hinge aseho amin'ny Sary. 1, misy loharano iray ampidirina eo anelanelan'ny peratra anatiny sy ny peratra ivelany, i.e., misy mekanika spring-crank (SCM). Raha miresaka momba ny mekanika sliding crank aseho ao amin'ny sary 3, ny masontsivana mifandraika amin'ny mekanika loharano crank dia aseho amin'ny sary 4. Ny mekanika crank-loharano dia ahitana crank sy loharano (apetraho ny hamafin'ny k). ny zoro voalohany dia ny zoro tafiditra eo anelanelan'ny crank AB sy ny fototra AC rehefa tsy deforme ny lohataona. R dia maneho ny halavan'ny crank, l maneho ny halavan'ny fototra, ary mamaritra ny tahan'ny crank halavan'ny toy ny tahan'ny r to l, I .e. = r/l (0<<1).

Ny fananganana ny mekanika crank-loharano dia mitaky ny famaritana ny masontsivana 4: ny halavan'ny fototra l, ny halavan'ny crank, ny zoro voalohany ary ny hamafin'ny lohataona K.

Ny fiovan'ny mekanika loharano crank dia aseho amin'ny sary 5a, amin'izao fotoana izao M

_γ

Eo ambanin'ny hetsika, ny crank dia miala amin'ny toerana voalohany AB

_Beta

Hiverina any amin'ny AB

_γ

, mandritra ny dingana fihodinana, ny zoro tafiditra ao amin'ny crank mifandray amin'ny toerana marindrano

_γ

antsoina hoe crank zoro.

Ny fanadihadiana qualitative dia mampiseho fa ny crank dia mihodina avy amin'ny AB (toerana voalohany, M & gamma; Zero) mankany AB0 (“teboka maty”toerana, M

_γ

dia aotra), ny crank-loharano mekanika manana deformation amin'ny ratsy stiffness toetra.

1.4 Ny fifandraisana misy eo amin'ny torsi sy ny fihodinan'ny mekanika lohataona crank

Ao amin'ny Fig. 5, ny torque M & gamma; Manaraka ny famantaranandro dia tsara, ny zoro crank & gamma; Mifanohitra amin'ny fihodin'ny famantaranandro dia tsara, ary ny fotoana enta-mavesatra M dia modely sy hodinihina etsy ambany.

_γ

miaraka amin'ny zoro crank

_γ

Ny fifandraisana misy eo amin'ny dingan'ny modeling dia mirefy.

Araka ny aseho amin'ny sary 5b, ny fifandanjan'ny torque ho an'ny crank AB & voatanisa ny gamma.

Ao amin'ny formula, F & gamma; dia ny hery mamerina amin'ny lohataona, d & gamma; dia F & gamma; ny point A. Hevero fa ny fifandraisan'ny fifindran'ny enta-mavesatra amin'ny lohataona dia

Ao amin'ny formula, K dia ny hamafin'ny lohataona (tsy voatery ho sanda tsy miova),δ

xγ

dia ny habetsaky ny fiovan'ny lohataona (fohy ho tsara),δ

xγ

=|B

_Beta

C| – |B

_γ

C|.

Karazana simultaneous (3)(5), fotoana M

_γ

miaraka amin'ny zoro

_γ

Ny fifandraisana dia

1.5 Famakafakana ny toetra stiffness ratsy amin'ny mekanika crank-loharano

Mba hanamorana ny famakafakana ny toetra ratsy stiffness ny crank-loharano mekanika (fotoana M

_γ

miaraka amin'ny zoro

_γ

fifandraisana), dia azo heverina fa ny lohataona dia manana linear stiffness tsara, dia ny formula (4) dia azo averina soratana toy ny

Ao amin'ny formula, Kconst dia tsy miova mihoatra ny aotra. Aorian'ny famaritana ny haben'ny flexible hinge dia voafaritra ihany koa ny halavan'ny l ny fototra. Noho izany, amin'ny fiheverana fa ny l dia tsy miova, ny formula (6) dia azo soratana ho

izay Kconstl2 dia tsy miova mihoatra ny aotra, ary ny coefficient fotoana m & gamma; manana refy iray. Ny toetra stiffness ratsy amin'ny mekanika crank-loharano dia azo alaina amin'ny famakafakana ny fifandraisana misy eo amin'ny coefficient torque m & gamma; ary ny zoro fihodinana & gamma.

Avy amin'ny equation (9), ny sary 6 dia mampiseho ny zoro voalohany =π fifandraisana eo amin'ny m & gamma; ary ny halavan'ny crank sy ny zoro fihodinana & gamma;, & isin;[0.1, 0.9],& gamma;& isin;[0, π]. Ny sary 7 dia mampiseho ny fifandraisan'ny m & gamma; ary zoro fihodinana & gamma; ho an'ny = 0.2 ary samy hafa. Ny sary 8 dia mampiseho =π Rehefa, eo ambanin'ny hafa, ny fifandraisana eo amin'ny m & gamma; ary zoro & gamma.

Araka ny famaritana ny mekanika lohataona crank (fizarana 1.3) sy ny formula (9), rehefa tsy miova ny k sy l, m & gamma; Mifandray amin'ny zoro ihany & gamma;, tahan'ny halavan'ny crank sy zoro voalohany crank.

(1) Raha ary raha tsy izany & gamma; dia mitovy amin'ny 0 orπ na ,m & gamma; dia mitovy amin'ny aotra; & gamma; & isin;[0, ],m & gamma; lehibe noho ny aotra; & gamma; & isin;[π],m & gamma; latsaky ny aotra. & isin;[0, ],m & gamma; lehibe noho ny aotra; & gamma;& isin;[π],m & gamma; latsaky ny aotra.

(2) & gamma; Rehefa [0, ], ny zoro fihodinana & gamma; mitombo, m & gamma; Mitombo manomboka amin'ny aotra mankany amin'ny zoro fikandrana & gamma;0 maka ny sanda ambony indrindra m & gamma;max, ary avy eo dia mihena tsikelikely.

(3) Ny stiffness ratsy toetra isan-karazany ny crank lohataona mekanika: & gamma;& isin;[0, & gamma; 0], amin'izao fotoana izao & gamma; mitombo (mifanohitra amin'ny famantaranandro), ary ny torsi M & gamma; mitombo (manaraka ny famantaranandro). Ny zorony teboka inflection & gamma; 0 no zoro fihodinana ambony indrindra amin'ny stiffness ratsy toetra mampiavaka ny crank-loharano mekanika sy & gamma;0 & isin;[0,];m & gamma; max no coefficient négatif ambony indrindra. Raha omena sy , ny derivation ny equation (9) dia miteraka & gamma;0

(4) ny lehibe kokoa ny zoro voalohany, & gamma; ny 0,m

_γmax

lehibe kokoa.

(5) ny lehibe kokoa ny halavan'ny tahan'ny, & gamma; ny 0,m

_γmax

lehibe kokoa.

Indrindra indrindra, =πNy toetra ratsy stiffness ny crank spring mekanika no tsara indrindra (ny ratsy stiffness zoro isan-karazany lehibe, ary ny Torque azo omena dia lehibe). =πMandritra izany fotoana izany, eo ambanin'ny fepetra samihafa, ny zoro fihodinana ambony indrindra & gamma ny toetra ratsy stiffness ny crank spring mekanika; 0 ary ny torque négatif ambony indrindra m & gamma; Max dia voatanisa ao amin'ny tabilao 1.

2 Fanamboarana ny aotra-stiffness flexible hinge

Ny fampifanarahana ny stiffness tsara sy ratsy ny 2.1 dia aseho ao amin'ny Figure 9, n (n 2) vondrona ny parallèle crank spring mekanika dia mitovy zaraina manodidina ny circumference, mamorona miiba stiffness mekanika mifanandrify amin'ny anatiny sy ivelany peratra flexible hinges.

Amin'ny alalan'ny fampiasana ny peratra anatiny sy ivelany flexible hinge ho toy ny stiffness tsara rafitra, manangana ny zero-stiffness flexible hinge. Mba hahazoana zero stiffness, ampifanaraho ny stiffness tsara sy ratsy

miaraka (2), (3), (6), (11), ary & gamma;=θ, ny entana F & azo atao ny gamma amin'ny lohataona; ary fifindran-toeranaδNy fifandraisan'ny x & gamma; MAHAVONONA

Araka ny fizarana 1.5, ny lafiny ratsy stiffness zoro ny crank lohataona mekanika: & gamma;& isin;[0, & gamma; 0] ary & gamma;0 & isin;[0, ], ny kapoka amin'ny aotra stiffness flexible hinge dia tokony ho latsaky ny & gamma; 0, i.e. ny lohataona dia ao anatin'ny toe-javatra simba foana (δxγ≠0). Ny isan-karazany fihodinan'ny anatiny sy ivelany peratra flexible hinges dia±0.35 rad(±20°), hanatsotra ny asa trigonometrika sin & gamma; ary cos & gamma; toy izao manaraka izao

Aorian'ny fanatsorana, ny fifandraisana enta-mavesatra amin'ny lohataona

2.2 Famakafakana diso momba ny modely mifanandrify amin'ny stiffness tsara sy ratsy

Tombanana ny fahadisoana nateraky ny fitsaboana notsorina ny equation (13). Araka ny tena fanodinana masontsivana ny aotra stiffness flexible hinge (Fizarana 4.2): n = 3,l = 40mm, =π, = 0.2,E = 73 GPa; Ny refy amin'ny peratra anatiny sy ivelany flexible hinge bararata L = 46mm, T = 0.3mm, W = 9.4mm; Ny raikipohy fampitahana (12) sy (14) dia manatsotra ny fifandraisan'ny fifindran'ny enta-mavesatra sy ny fahadisoam-panantenana amin'ny loharano eo aloha sy aoriana araka ny aseho amin'ny sary 10a sy 10b tsirairay avy.

Araka ny aseho amin'ny sary 10, & gamma; latsaky ny 0.35 rad (20°), ny fahadisoana havany vokatry ny fitsaboana notsorina tamin'ny curve fifindran'ny entana dia tsy mihoatra ny 2.0%, ary ny formula

Ny fitsaboana tsotsotra amin'ny (13) dia azo ampiasaina amin'ny fananganana savily azo esorina amin'ny zero-stiffness.

2.3 Toetran'ny stiffness amin'ny lohataona

Raha heverina fa ny hamafin'ny lohataona dia K, ny simultaneous (3), (6), (14)

Araka ny tena fanodinana masontsivana ny aotra stiffness flexible hinge (Fizarana 4.2), ny fiovana curve ny lohataona stiffness K amin'ny zoro & gamma; dia aseho amin'ny sary 11. Indrindra indrindra, rehefa & gamma;= 0, K maka ny sanda kely indrindra.

Ho an'ny fanamorana ny famolavolana sy ny fanodinana, ny lohataona dia mampiasa lohataona stiffness tsara tsipika, ary ny hamafin'ny dia Kconst. Amin'ny famelezana manontolo, raha lehibe noho na mitovy amin'ny aotra ny totalin'ny stiffness an'ny stiffness zero flexible hinge, Kconst dia tokony haka ny sanda kely indrindra amin'ny K.

Ny fampitoviana (16) dia ny sandan'ny hamafin'ny loharanon'ny stiffness positive linear rehefa manangana ny flexible stiffness zero. 2.4 Famakafakana ny kalitaon'ny stiffness aotra Ny fifandraisana amin'ny fifindran'ny enta-mavesatra amin'ny tobin'ny flexible zero-stiffness naorina dia

Ny formula simultaneous (2), (8), (16) dia azo alaina

Mba hanombanana ny kalitaon'ny zero stiffness, ny fihenan'ny flexible hinge stiffness alohan'ny sy aorian'ny fampidirana ny stiffness ratsy dia voafaritra ho ny zero stiffness quality coefficient.η

η Ny akaiky kokoa ny 100%, ny ambony ny kalitaon'ny zero stiffness. Ny sary 12 dia 1-η Fifandraisana amin'ny tahan'ny halavan'ny crank sy ny zoro voalohany η Tsy miankina amin'ny isa n amin'ny mekanika crank-loharano mifanitsy sy ny halavan'ny l ny fototra, fa mifandraika amin'ny halavan'ny crank ihany, ny zoro fihodinana. & gamma; ary ny zoro voalohany.

(1) Mitombo ny zoro voalohany ary mihatsara ny kalitaon'ny stiffness aotra.

(2) Mitombo ny tahan'ny halavany ary mihena ny kalitaon'ny stiffness aotra.

(3) Zoro & gamma; mitombo, mihena ny kalitaon'ny stiffness aotra.

Mba hanatsarana ny kalitaon'ny zero stiffness ny zero stiffness flexible hinge, ny zoro voalohany dia tokony haka sanda lehibe kokoa; ny halavan'ny crank dia tokony ho kely araka izay azo atao. Mandritra izany fotoana izany, araka ny valin'ny famakafakana ao amin'ny Fizarana 1.5, raha kely loatra, dia ho malemy ny fahafahan'ny mekanika crank-loharano manome stiffness ratsy. Mba hanatsarana ny kalitaon'ny zero stiffness amin'ny flexible hinge zero, ny zoro voalohany =π, crank halavan'ny tahan'ny = 0.2, izany hoe, ny tena fanodinana masontsivana ny fizarana 4.2 aotra stiffness flexible hinge.

Araka ny tena fanodinana masontsivana ny zero-stiffness flexible hinge (Fizarana 4.2), ny Torque-zoro fifandraisana eo amin'ny anatiny sy ivelany peratra flexible hinges sy ny zero-stiffness flexible hinge dia aseho ao amin'ny Figure 13; ny fihenan'ny stiffness dia ny zero-stiffness kalitao coefficientηNy fifandraisana amin'ny zoro & gamma; dia aseho amin'ny sary 14. Araka ny sary 14: Amin'ny 0.35 rad (20°) rotation range, ny hamafin'ny zero-stiffness flexible hinge dia mihena amin'ny salan'isa 97%; 0.26 rad(15°) zorony, dia nihena 95%.

3 Famolavolana ny lohataona stiffness tsara tsipika

Ny fanorenana ny aotra stiffness flexible hinge dia matetika rehefa voafaritra ny habeny sy ny stiffness ny flexible hinge, ary avy eo ny stiffness ny lohataona ao amin'ny crank lohataona mekanika dia mivadika, ka ny stiffness sy ny haben'ny fepetra takiana amin'ny lohataona dia somary henjana. Ankoatra izany, ny zoro voalohany =π, avy amin'ny Figure 5a, mandritra ny fihodinan'ny flexible hinge zero-stiffness, ny lohataona dia ao anatin'ny toetry ny compressed foana, izany hoe“Lohataona famatrarana”.

Ny henjana sy ny haben'ny loharano famoretana nentim-paharazana dia sarotra amboarina amin'ny fomba marina, ary matetika no ilaina ny mekanika mpitari-dalana amin'ny fampiharana. Noho izany, ny lohataona iray izay ny hamafin'ny sy ny habeny azo namboarina——Tady lohataona ravina miendrika diamondra. Ny tadin'ny lohataona ravina miendrika diamondra (sary 15) dia ahitana loharano ravina miendrika diamondra maromaro mifamatotra an-tsehatra. Izy io dia manana ny toetran'ny famolavolana rafitra maimaim-poana sy ny fanamboarana avo lenta. Ny teknôlôjia fanodinana azy dia mifanaraka amin'ny an'ny savily malefaka, ary samy karakaraina amin'ny fanapahana tariby mazava tsara.

3.1 Modely fifindran'ny enta-mavesatra amin'ny tady lohataona ravina miendrika diamondra

Noho ny simetrian'ny lohataona ravina rhombic dia loharanon-dravina iray ihany no tokony hodinihina amin'ny adin-tsaina, araka ny aseho amin'ny sary 16. α dia ny zoro eo anelanelan'ny volotara sy ny marindrano, ny lavany, ny sakany ary ny hatevin'ny volotara dia Ld, Wd, Td tsirairay avy, f dia ny enta-mavesatra mitambatra amin'ny loharano ravina rombo,δNy y dia ny fiovan'ny lohataona ravina rombika amin'ny lalana y, ny force fy sy ny fotoana m dia enta-mavesatra mitovy amin'ny faran'ny bararata iray, ny fv sy ny fw dia tanjaky ny fy ao amin'ny rafitra fandrindrana wov.

Araka ny teorian'ny deformation beam an'ny AWTAR [13], ny fifandraisan'ny enta-mavesatra mitambatra amin'ny bararata tokana.

Noho ny fifandraisana tery amin'ny vatana henjana amin'ny volotara, ny zoro faran'ny bararata alohan'ny sy aorian'ny deformation dia aotra, izany hoe.θ = 0. Miaraka (20)(22)

Ny fampitoviana (23) dia ny maodely fampiraisana refin'ny enta-mavesatra amin'ny lohataona ravina rhombic. Ny loharanon-davenona n2 rhombic dia mifamatotra amin'ny andiany, ary ny maodelin'ny fifindran'ny enta-mavesatra

Avy amin'ny formula (24), rehefaαRaha kely ny d, ny hamafin'ny tadin'ny lohataona ravina miendrika diamondra dia manodidina ny tsipika eo ambanin'ny refy mahazatra sy ny enta-mavesatra mahazatra.

3.2 Fanamarinana simulation singa voafetra ny modely

Ny fanamarinana simulation singa voafetra amin'ny maodely fifindran'ny enta-mavesatra amin'ny lohataona ravina miendrika diamondra dia atao. Amin'ny fampiasana ANSYS Mechanical APDL 15.0, ny mari-pamantarana simulation dia aseho amin'ny tabilao 2, ary ny fanerena 8 N dia ampiharina amin'ny lohataona ravina miendrika diamondra.

Ny fampitahana eo amin'ny valin'ny modely sy ny valin'ny simulation ny fifandraisan'ny enta-mavesatra amin'ny lohataona ravina rhombus dia aseho amin'ny sary. 17 (dimensionalization). Ho an'ny loharano ravina rhombus efatra miaraka amin'ny zoro fitongilanana samihafa, ny fahadisoana eo amin'ny modely sy ny vokatra simulation singa voafetra dia tsy mihoatra ny 1,5%. Nohamarinina ny fahamendrehana sy ny fahamarinan'ny maodely (24).

4 Fandrafetana sy fitsapana ny aotra miendrika flexible

4.1 Famolavolan'ny paramètre amin'ny tohotra azo esorina amin'ny zero-stiffness

Mba hamolavolana flexible hinge zero-stiffness, dia tokony hofaritana araka ny fepetran'ny serivisy aloha ny masontsivana famolavolana ny flexible hinge, ary avy eo dia tokony hokajiana inversely ny mari-pamantarana mifandraika amin'ny mekanika loharano crank.

4.1.1 Masontsivana entona mora azo

Ny elanelana misy eo amin'ny 12.73% amin'ny halavan'ny volotara dia eo amin'ny 12.73% amin'ny elanelan'ny peratra anatiny sy ivelany, ary aseho ao amin'ny tabilao 3 ny mari-pamantarana. Ny fanoloana ny equation (2), ny fifandraisan'ny zoro fihodinan'ny torque-rotation amin'ny savily malefaka amin'ny peratra anatiny sy ivelany dia

4.1.2 Masontsivana mekanika stiffness ratsy

Araka ny asehon’ny sary. 18, maka ny isa n ny crank spring mekanika mifanitsy amin'ny 3, ny halavany l = 40 mm dia voafaritra amin'ny haben'ny flexible hinge. araka ny famaranana ny fizarana 2.4, ny zoro voalohany =π, tahan'ny halavan'ny crank = 0.2. Araka ny fampitoviana (16), ny hamafin'ny lohataona (I.e. kofehy lohataona ravina diamondra) dia Kconst = 558,81 N/m (26)

4.1.3 Masontsivana tady lohataona ravina diamondra

amin'ny l = 40mm, =π, = 0.2, ny halavan'ny lohataona tany am-boalohany dia 48mm, ary ny deformation ambony indrindra (& gamma; = 0) dia 16mm. Noho ny fameperana ara-drafitra dia sarotra ho an'ny lohataona ravin-trondro tokana ny hamokatra fiovana lehibe toy izany. Amin'ny fampiasana loharano ravina rombo efatra misesy (n2 = 4), ny hamafin'ny lohataona ravin-trombo iray dia

Kd=4Kconst=2235.2 N/m (27)

Araka ny haben'ny mekanika stiffness ratsy (sary 18), raha jerena ny halavan'ny volotara, ny sakany ary ny zoro fitongilanan'ny loharano ravina miendrika diamondra, ny bararata dia azo tsoahina avy amin'ny formula (23) sy ny formula stiffness (27) ny lohataona ravina miendrika diamondra Hatevina. Ny mari-pamantarana ara-drafitra amin'ny loharano ravina rhombus dia voatanisa ao amin'ny tabilao 4.

surface4

Raha fintinina, dia voafaritra avokoa ny mari-pamantarana amin'ny fihenjanan'ny zero-stiffness flexible hinge mifototra amin'ny mekanika loharano crank, araka ny aseho amin'ny tabilao 3 sy ny tabilao 4.

4.2 Famolavolana sy fanodinana ny santionany amin'ny santionany miendrika flexible zero-stiffness. Ny entona azo esorina amin'ny zero-stiffness dia voaforon'ny mekanika stiffness négatif ary ny peratra anatiny sy ivelany azo esorina mifanitsy. Ny famolavolana rafitra dia aseho amin'ny sary 19.

Na ny peratra anatiny sy ivelany elastika savily sy diamondra miendrika tady lohataona dia karakarain'ny milina fanapahana tariby mazava tsara. Ny peratra anatiny sy ivelany flexible higes dia voahodina sy miangona amin'ny sosona. Ny sary 20 dia ny sary ara-batana amin'ny andiana tadin-davenona ravina telo miendrika diamondra, ary ny sary 21 dia ny hamafin'ny zero mitambatra Ny sary ara-batana amin'ny santionan'ny santionany azo esorina.

4.3 Ny seha-pitsapana hamafin'ny fihodinana amin'ny tohotra miendrika zero-stiffness Manondro ny fomba fitsapana hamafin'ny fihodinana ao amin'ny [8], dia naorina ny seha-pitsapana ny hamafin'ny fihodinana amin'ny tohatra azo esorina zero-stiffness, araka ny aseho amin'ny sary 22.

4.4 Fanodinana angon-drakitra andrana sy famakafakana fahadisoana

Nosedraina teo amin'ny lampihazo fitsapana ny hamafin'ny fihodinan'ny peratra anatiny sy ivelany ary ny fihenjanana aotra, ary ny valin'ny fitsapana dia aseho amin'ny sary 23. Kajy sy sariho ny curve kalitaon'ny zero-stiffness amin'ny flexible hinge zero-stiffness araka ny formula (19), araka ny aseho amin'ny sary. 24.

Ny valin'ny fitsapana dia mampiseho fa ny hamafin'ny fihodinan'ny flexible hinge zero-stiffness dia manakaiky ny aotra. Raha ampitahaina amin'ny peratra anatiny sy ivelany azo elastika, ny zero-stiffness flexible hinge±0.31 rad(18°) nihena 93% ny stiffness; 0.26 rad (15°), mihena 90% ny henjana.

Araka ny asehon'ny sary 23 sy 24, dia mbola misy elanelana misy eo amin'ny valin'ny fitsapana ny kalitaon'ny stiffness aotra sy ny valin'ny modely teorika (tsy latsaky ny 15%) ny hadisoana, ary ny antony lehibe mahatonga ny fahadisoana dia toy izao manaraka izao.

(1) Ny fahadisoana modely vokatry ny fanatsorana ny asa trigonometrika.

(2) Fifandirana. Misy fifandonana eo amin'ny tadin'ny lohataona ravina diamondra sy ny tadin'ny fametahana.

(3) Fahadisoana fanodinana. Misy lesoka amin'ny tena haben'ny volotara, sns.

(4) Fahadisoan'ny fivoriambe. Ny elanelana misy eo amin'ny lavaka fametrahana ny tadin'ny lohataona ravina miendrika diamondra sy ny tady, ny elanelana fametrahana ny fitaovana amin'ny sehatra fitsapana, sns.

4.5 Fampitahana ny fampisehoana miaraka amin'ny tohotra miendrika zero-stiffness mahazatra Ao amin'ny literatiora [4], ZSFP_CAFP flexible hinge zero dia naorina tamin'ny alàlan'ny pivot flexural cross-axis (CAFP), araka ny aseho amin'ny sary 25.

Ny fampitahana ny flexible hinge zero-stiffness ZSFP_IORFP (Fig. 21) ary ZSFP_CAFP (Fig. 25) namboarina tamin'ny fampiasana ny peratra anatiny sy ivelany flexible higes

(1) ZSFP_IORFP, ny rafitra dia matevina kokoa.

(2) Kely ny isan'ny zoro ZSFP_IORFP. Ny faritry ny zoro dia voafetra amin'ny alàlan'ny zorony amin'ny savily mora vidy; ny zoron'ny ZSFP_CAFP80°, ZSFP_IORFP zoro faritra40°.

(3) ±18°Ao amin'ny isan'ny zorony, ny ZSFP_IORFP dia manana kalitao avo kokoa amin'ny hamafin'ny zero. Ny salan'isan'ny ZSFP_CAFP dia mihena 87%, ary ny salan'isan'ny ZSFP_IORFP dia mihena 93%.

5 FAMARANANA

Ny fandraisan'ny flexible hinge amin'ny peratra anatiny sy ivelany eo ambanin'ny torque madio ho toy ny subsystem stiffness positive, dia natao izao asa manaraka izao mba hanamboarana hinge flexible zero-stiffness.

(1) Arosoy ny mekanika fihodinana stiffness ratsy——Ho an'ny mekanika lohataona crank, dia nisy modely (Formula (6)) natsangana mba hamakafaka ny fiantraikan'ny mari-pamantarana ara-drafitra amin'ny toetran'ny stiffness ratsy, ary nomena ny isan'ny toetran'ny stiffness ratsy (Table 1).

(2) Amin'ny fampifanarahana ny stiffness tsara sy ny ratsy, ny toetra stiffness ny lohataona ao amin'ny crank spring mekanika (Equation (16)) dia azo, ary ny modely (Equation (19)) dia napetraka mba hamakafaka ny vokatry ny rafitra masontsivana. amin'ny mekanika lohataona crank amin'ny kalitaon'ny stiffness zero amin'ny hinge flexible zero stiffness Ny fiantraikany, ara-teorika, ao anatin'ny kapoka azo ampiasaina amin'ny tobin'ny peratra anatiny sy ivelany (±20°), ny fihenan'ny stiffness eo ho eo dia mety hahatratra 97%.

(3) Arosoy ny stiffness azo zahana“lohataona”——Nisy tadin-davenona miendrika diamondra natsangana mba hametrahana ny maodelin'ny hamafiny (Equation (23)) ary nohamarinina tamin'ny fomba singa voafetra.

(4) Nahavita ny famolavolana, ny fanodinana ary ny fitsapana ny santionan'ny santionan'ny santionany azo esorina amin'ny zero-stiffness. Ny valin'ny fitsapana dia mampiseho fa: eo ambanin'ny hetsika ny Torque madio, ny36°Ao amin'ny isan-karazany ny fihodinan'ny zoro, raha ampitahaina amin'ny anatiny sy ivelany peratra flexible hinges, ny stiffness ny zero-stiffness flexible hinge dia nihena ny 93% amin'ny ankapobeny.

Ny fihetsehan'ny flexible zero-stiffness namboarina dia eo ambanin'ny fihetsiky ny torque madio, izay afaka mahatsapa.“zero stiffness”, tsy misy fiheverana ny toe-javatra mitondra entana sarotra. Noho izany, ny fanorenana ny zero-stiffness flexible hinges ao anatin'ny toe-javatra sarotra entana no ifantohan'ny fikarohana fanampiny. Ankoatra izany, ny fampihenana ny friction misy mandritra ny hetsika ny zero-stiffness flexible hinges dia manan-danja optimization tari-dalana ho an'ny zero-stiffness flexible hinges.

References

[1] HOWELL L L. Mekanisma Mifanaraka [M]. NY: John Wiley&Sons, Inc., 2001.

[2] Yu Jingjun, Pei Xu, Bi Shusheng, sns. Fandrosoan'ny fikarohana momba ny fomba fandrafetana ny mekanika flexible hinge [J]. Gazety Sinoa momba ny injeniera mekanika, 2010, 46(13):2-13. Y u jin champion, PEI X U, BIS call, ETA up. Fomba fandrafetana manara-penitra ho an'ny Mekanisma Flexure[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2010, 46(13):2-13.

[3] MORSCH F M, Herder J L. Famolavolana fiaraha-miombon'antoka mirindra [C] // ASME International Design Engineering Conference. 2010:427-435.

[4] MERRIAM EG, Howell LL. Fomba tsy misy dimensional ho an'ny fifandanjana static amin'ny flexure rotational [J]. rafitra & Machine Theory, 2015, 84(84):90-98.

[5] HOETMER K, Woo G, Kim C, et al. Vondrona fanorenana stiffness ratsy ho an'ny mekanika mifanaraka amin'ny statika: famolavolana sy fitsapana[J]. Journal of Mechanisms & Robotika, 2010, 2(4):041007.

[6] JENSEN BD, Howell LL. Ny modely amin'ny pivots flexural cross-axis [J]. Mechanism and machine theory, 2002, 37(5):461-476.

[7] WITTRICK W H. Ny toetran'ny pivots flexure niampita sy ny fiantraikan'ny teboka iampitan'ny tsipika [J]. The Aeronautical Quarterly, 1951, II: 272-292.

[8] l IU l, BIS, yang Q, ETA. Famolavolana sy fanandramana ny pivots flexure triple-cross-spring ankapobeny ampiharina amin'ny fitaovana ultra-precision [J]. Famerenana ny fitaovana siantifika, 2014, 85(10): 105102.

[9] Yang Qizi, Liu Lang, Bi Shusheng, sns. Fikarohana momba ny toetran'ny hamafin'ny fihodinana ankapobeny [J]. Gazety Sinoa momba ny injeniera mekanika, 2015, 51(13): 189-195.

yang Q I teny, l IU Lang, BIS feo, ETA. Famaritana ny hamafin'ny fihodinana amin'ny pivots flexure triple-cross-spring ankapobeny [J]. Journal of Mechanical Engineering, 2015, 51(13):189-195.

[10] l IU l, Zhao H, BIS, ETA. Fikarohana momba ny fampitahana ny fahombiazan'ny rafitry ny topoolojia amin'ny Pivots Flexural Cross-Spring [C] // ASME 2014 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference, Aogositra 17–20, 2014, Buffalo, NY, USA. ASME, 2014 : V05AT08A025.

[11] l IU l, BIS, yang Q. stiffness toetra ny anatiny–pivots flexure peratra ivelany ampiharina amin'ny fitaovana faran'izay tsara [J]. ARCHIVE Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part C Journal of Mechanical Engineering Science 1989-1996 (vols 203-210), 2017:095440621772172.

[12] SANCHEZ J A G. Kriteria ho an'ny fifandanjana static amin'ny mekanika mifanaraka [C]// ASME 2010 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference, Aogositra 15–18, 2010, Montréal, Quebec, Kanada. ASME, 2010:465-473.

[13] AWTAR S, Sen S. Modely faneriterena ankapobe ho an'ny flexure beam roa dimensional: Famolavolana angovo tsy mitongilana [J]. Journal of Mechanical Design, 2010, 132: 81009.

Momba ny mpanoratra: Bi Shusheng (mpanoratra mifanaraka amin'izany), lehilahy, teraka tamin'ny 1966, dokotera, mpampianatra, mpanara-maso ny dokotera. Ny tari-pikarohana lehibe indrindra ataony dia ny mekanika malefaka sy ny robot bionic.