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D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.s2.101 第29卷增刊2 北京科技大学学报 Vol.29 Suppl.2 2007年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2007 不完全分布柔度的全柔性机构的研究 邱丽芳翁海珊柳林南铁玲 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要针对介于具有集中柔度和具有分布柔度之间的全柔性机构，提出了第三类具有不完全分布柔度的全柔性机构的概 念，并定义了其特征尺寸比值，根据这类全柔性机构的特点，提出在用伪刚体模型分析具有集中柔度全柔性机构的基础上，考 虑构件弹性变形的分析方法。实例计算结果表明了该方法的有效性· 关键词全柔性机构：伪刚体模型：集中柔度：分布柔度：不完全分布柔度 分类号TH122 传统机构是通过刚性运动副的转动或（和）移动 展需要，全柔性机构的设计理论和设计方法也需要 输出运动和力的机构，而柔性机构是通过构件的弹 不断完善，因此，开展这方面的研究很有必要 性变形（柔性）输出运动或力的机构，由于全柔性机 1 构中没有刚性运动副，靠构件自身的柔性（弹性变 不完全分布柔度全柔性机构概念的 形)来实现运动，可以避免振动冲击、摩擦、磨损等缺 提出 陷，因此在精密机械和MEMS等领域得到了广泛应 对于图1(a)所示具有集中柔度的全柔性机构， 用2 根据伪刚体模型理论，可以转化为图2所示的伪刚 “全柔性机构”又分为两种（见图1），一种是“具 体模型]，即以刚性铰链和其上的等效弹簧来代 有集中柔度的全柔性机构”(Lumped Complete Com 替柔性铰链，而假设构件是刚性的，不考虑其弹性变 pliant Mechanism简称LCCM),其特征是用柔性运 形，但刚度和柔度的概念是相对的，实际上，构件在 动副代替了全部传统运动副；另一种是“具有分布柔 整个机构的运动过程中并非完全刚性，尤其当柔性 度的全柔性机构”(Distributed Complete Compliant 运动副与构件采用相同材料，并且柔性运动副的尺 Mechanism简称DCCM),其特征是整个机构中并无 寸与刚性构件的尺寸相差不太大时，则其计算结果 任何铰链的存在，这种柔性相对均衡地分布在整个 会产生一定的误差，尺寸相差越小，产生的误差将越 机构之中3] 大，这时不能将构件看成刚性，而需要考虑其弹性变 柔性铰链 形，当柔性运动副的尺寸与刚性构件的尺寸接近时， 则不能再单纯看作具有集中柔度的全柔性机构，这 时不能简单地用伪刚体模型来进行分析， 777777 (a) (b) 图1(a)集中柔度全柔性机构和(b)分布柔度全柔性机构示意图 具有集中柔度的全柔性机构是利用目前比较成 熟的HOWELL的伪刚体模型，将柔性铰链转化为 刚性铰链，再用传统的设计理论和方法来进行分析， 具有分布柔度的全柔性机构，大都采用拓扑理论来 图2全柔性四杆机构的一般伪刚体模型 进行分析和设计)，随着机械精密化、微型化的发 为此，本文提出了不完全分布柔度的全柔性机 收稿日期：2007-10-12 (Incompletion Distributed Complete Compliant 基金项目：教育部科学技术研究重点项目资助(No-106018) 作者简介：邱丽芳(1966一)，女，副教授 Mechanism简称INDCCM)的概念，称之为第三类不完全分布柔度的全柔性机构的研究 邱丽芳 翁海珊 柳 林 南铁玲 北京科技大学机械工程学院北京100083 摘 要 针对介于具有集中柔度和具有分布柔度之间的全柔性机构提出了第三类具有不完全分布柔度的全柔性机构的概 念并定义了其特征尺寸比值根据这类全柔性机构的特点提出在用伪刚体模型分析具有集中柔度全柔性机构的基础上考 虑构件弹性变形的分析方法．实例计算结果表明了该方法的有效性． 关键词 全柔性机构；伪刚体模型；集中柔度；分布柔度；不完全分布柔度 分类号 T H122 收稿日期：2007-10-12 基金项目：教育部科学技术研究重点项目资助（No．106018） 作者简介：邱丽芳（1966—）女副教授 传统机构是通过刚性运动副的转动或（和）移动 输出运动和力的机构而柔性机构是通过构件的弹 性变形（柔性）输出运动或力的机构．由于全柔性机 构中没有刚性运动副靠构件自身的柔性（弹性变 形）来实现运动可以避免振动冲击、摩擦、磨损等缺 陷因此在精密机械和 MEMS 等领域得到了广泛应 用［1—2］． “全柔性机构”又分为两种（见图1）一种是“具 有集中柔度的全柔性机构”（Lumped Complete Compliant Mechanism 简称 LCCM）其特征是用柔性运 动副代替了全部传统运动副；另一种是“具有分布柔 度的全柔性机构” （Distributed Complete Compliant Mechanism 简称 DCCM）其特征是整个机构中并无 任何铰链的存在这种柔性相对均衡地分布在整个 机构之中［3］． 图1 （a）集中柔度全柔性机构和（b）分布柔度全柔性机构示意图 具有集中柔度的全柔性机构是利用目前比较成 熟的 HOWELL 的伪刚体模型将柔性铰链转化为 刚性铰链再用传统的设计理论和方法来进行分析 具有分布柔度的全柔性机构大都采用拓扑理论来 进行分析和设计［4］．随着机械精密化、微型化的发 展需要全柔性机构的设计理论和设计方法也需要 不断完善因此开展这方面的研究很有必要． 1 不完全分布柔度全柔性机构概念的 提出 对于图1（a）所示具有集中柔度的全柔性机构 根据伪刚体模型理论可以转化为图2所示的伪刚 体模型［5—6］即以刚性铰链和其上的等效弹簧来代 替柔性铰链而假设构件是刚性的不考虑其弹性变 形但刚度和柔度的概念是相对的实际上构件在 整个机构的运动过程中并非完全刚性尤其当柔性 运动副与构件采用相同材料并且柔性运动副的尺 寸与刚性构件的尺寸相差不太大时则其计算结果 会产生一定的误差尺寸相差越小产生的误差将越 大这时不能将构件看成刚性而需要考虑其弹性变 形当柔性运动副的尺寸与刚性构件的尺寸接近时 则不能再单纯看作具有集中柔度的全柔性机构这 时不能简单地用伪刚体模型来进行分析． 图2 全柔性四杆机构的一般伪刚体模型 为此本文提出了不完全分布柔度的全柔性机 构 （ Incompletion Distributed Complete Compliant Mechanism 简称 INDCCM）的概念称之为第三类 第29卷 增刊2 2007年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29Suppl．2 Dec．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．s2．101