工程科学学报，第39卷，第5期：762-768.2017年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.5:762-768,May 2017 D0L:10.13374/j.issn2095-9389.2017.05.015;htp://journals.ustb.edu.cm 打通型双串联与三串联柔性铰链设计与性能比较 邱丽芳区，王晶琳，冷迎春，王栋 北京科技大学机械工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:qlf@usth.edu.cn 摘要平面折展柔顺机构(lamina emergent mechanisms,LEMs)的重要组成部分之一是柔性铰链，因此设计新型的平面折展 扭转铰链(lamina emergent torsional joint,LET)能够对其运动起到十分关键的作用.本文提出了一种打通型LET柔性铰链，设 计了打通型双串联柔性铰链和打通型三串联柔性铰链的两种结构形式，分别推导出了两种铰链的弯曲等效刚度计算公式. 通过对设计实例的理论分析与有限元分析，验证了等效刚度计算公式的正确性.将外形尺寸相同的打通型双串联、三串联柔 性铰链与外LET铰链进行了弯曲以及拉压性能的对比，结果表明，打通型三串联LET柔性铰链在拉压性能下降不明显的情 况下，能够较大幅度地提升弯曲性能. 关键词平面折展柔顺机构：平面折展扭转铰链：串联式柔性铰链：等效刚度：有限元 分类号TH122 Design and performance comparison of double-series and triple-series flexure hinges QIU Li-fang,WANG Jing-lin,LENG Ying-chun,WANG Dong School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China Corresponding author,E-mail:qlf@ustb.edu.cn ABSTRACT The flexible hinge is one of the most important components in lamina emergent mechanisms(LEMs),so the design of a new type of lamina emergent torsional (LET)joint can play a key role in its movement performance.This paper presents double- and triple-series LET flexure hinges,designs the structure of the two hinges,and derives the calculation formula for their bending equivalent stiffnesses.Through theoretical and finite element analyses of the design example,verifies the correctness of the calculation formula for equivalent stiffness.By comparing the bending,tension,and compression performances of the double-and triple-series LET flexure hinges with those of the outside LET flexure hinge,which shares the same outline dimensions of the former,it can be concluded that the triple-series LET flexure hinge can greatly enhance bending performance without any obvious decrease in its tension and compression performances. KEY WORDS lamina emergent mechanisms;lamina emergent torsional joint;series flexure hinge;equivalent stiffness;finite element 柔性机构的应用在多种场合都实现了飞速的进 伪刚体模型对这些平面折展柔顺机构进行建模和分 展，包括精密工程、仿生机器人以及智能材料结构等重 析，文献[7]则提出了一种自动生成柔性铰链机构运 要领域山.平面折展柔顺机构是柔性机构的一种 动模型的方法.平面折展柔顺机构实现运动的关键在 (lamina emergent mechanisms,LEMs),它在平面内加 于柔性铰链].因此设计出能够在所需的运动范围内 工而可以实现平面外运动，如瓦特六杆机构、斯蒂芬森 完成相应变形的柔性铰链是平面折展机构设计的重要 六杆机构、球面曲柄滑块机构等2-1，文献[4-6]利用 环节，性能优越的铰链还能够对机构的稳定平衡状态 收稿日期：2016-07-29 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51475037)工程科学学报,第 39 卷,第 5 期:762鄄鄄768,2017 年 5 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 5: 762鄄鄄768, May 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 05. 015; http: / / journals. ustb. edu. cn 打通型双串联与三串联柔性铰链设计与性能比较 邱丽芳苣 , 王晶琳, 冷迎春, 王 栋 北京科技大学机械工程学院, 北京 100083 苣 通信作者, E鄄mail:qlf@ ustb. edu. cn 摘 要 平面折展柔顺机构(lamina emergent mechanisms, LEMs)的重要组成部分之一是柔性铰链,因此设计新型的平面折展 扭转铰链(lamina emergent torsional joint,LET)能够对其运动起到十分关键的作用. 本文提出了一种打通型 LET 柔性铰链,设 计了打通型双串联柔性铰链和打通型三串联柔性铰链的两种结构形式,分别推导出了两种铰链的弯曲等效刚度计算公式. 通过对设计实例的理论分析与有限元分析,验证了等效刚度计算公式的正确性. 将外形尺寸相同的打通型双串联、三串联柔 性铰链与外 LET 铰链进行了弯曲以及拉压性能的对比,结果表明,打通型三串联 LET 柔性铰链在拉压性能下降不明显的情 况下,能够较大幅度地提升弯曲性能. 关键词 平面折展柔顺机构; 平面折展扭转铰链; 串联式柔性铰链; 等效刚度; 有限元 分类号 TH122 Design and performance comparison of double鄄鄄series and triple鄄鄄series flexure hinges QIU Li鄄fang 苣 , WANG Jing鄄lin, LENG Ying鄄chun, WANG Dong School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: qlf@ ustb. edu. cn ABSTRACT The flexible hinge is one of the most important components in lamina emergent mechanisms (LEMs), so the design of a new type of lamina emergent torsional (LET) joint can play a key role in its movement performance. This paper presents double鄄鄄 and triple鄄鄄series LET flexure hinges, designs the structure of the two hinges, and derives the calculation formula for their bending equivalent stiffnesses. Through theoretical and finite element analyses of the design example, verifies the correctness of the calculation formula for equivalent stiffness. By comparing the bending, tension, and compression performances of the double鄄鄄 and triple鄄鄄series LET flexure hinges with those of the outside LET flexure hinge, which shares the same outline dimensions of the former, it can be concluded that the triple鄄鄄series LET flexure hinge can greatly enhance bending performance without any obvious decrease in its tension and compression performances. KEY WORDS lamina emergent mechanisms; lamina emergent torsional joint; series flexure hinge; equivalent stiffness; finite element 收稿日期: 2016鄄鄄07鄄鄄29 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51475037) 柔性机构的应用在多种场合都实现了飞速的进 展,包括精密工程、仿生机器人以及智能材料结构等重 要领域[1] . 平面折展柔顺机构是 柔 性 机 构 的 一 种 (lamina emergent mechanisms, LEMs),它在平面内加 工而可以实现平面外运动,如瓦特六杆机构、斯蒂芬森 六杆机构、球面曲柄滑块机构等[2鄄鄄3] ,文献[4鄄鄄6]利用 伪刚体模型对这些平面折展柔顺机构进行建模和分 析,文献[7]则提出了一种自动生成柔性铰链机构运 动模型的方法. 平面折展柔顺机构实现运动的关键在 于柔性铰链[8] . 因此设计出能够在所需的运动范围内 完成相应变形的柔性铰链是平面折展机构设计的重要 环节,性能优越的铰链还能够对机构的稳定平衡状态