[发明专利]一种参数化的自适应伪刚体建模方法

说明书

本发明涉及参数化的自适应伪刚体建模方法，包括基于固定‑导向梁等效模型，将单个簧片等效为具有扭转刚度的旋转副，得到组合载荷作用下的自适应伪刚体模型；基于自适应伪刚体模型，将广义交叉簧片柔性铰链等效为四杆机构模型和单铰链模型，得到轴漂参数模型及刚度参数模型。本发明可得到组合载荷作用下的自适应伪刚体模型及自适应伪刚体模型下的相关参数的模型，且无需数值拟合求解过程，将广义交叉簧片柔性铰链的变形为问题等效为刚体运行学问题，可以得到组合载荷下的轴漂参数模型及刚度参数模型，揭示了广义交叉簧片柔性铰链与簧片之间的变形问题，且无需数值拟合求解过程，考虑到簧片的轴向载荷作用，可精确求解轴漂及刚度模型。

技术领域

本发明涉及柔性铰链技术领域，具体涉及一种参数化的自适应伪刚体建模方法。

背景技术

柔性铰链依靠弹性变形传递运动和能量，具有无间隙，无磨损，免润滑，轻量化等优点。传统缺口型柔性铰链具有较高的刚度和运动精度，然而受限于材料许用应力，行程较小。广义交叉簧片柔性铰链(GCSP)由两根相同的簧片交错对称布置构成，具有良好的约束刚度和分布柔度，其运动端近似绕瞬心作旋转运动，可以获得较大的运动范围。根据交叉点的位置可以分为交叉簧片柔性铰链(CAFP)(参考图1a)和等腰梯形簧片柔性铰链(LITFP)(参考图1b)。CAFP具有较小的轴漂和旋转刚度，但是不同平面簧片载荷分配带来了侧向弯曲问题。LITFP结构紧凑，可以实现一体化加工，减小了制造和装配误差。为增大行程，补偿轴漂和调整刚度，广义交叉簧片柔性铰链通常作为模块单元组成复合铰链，如零刚度柔性铰链、精密定位平台、双车轮性柔性铰链和蝶形铰链等。

GCSP变形导致的轴漂带来显著的刚度非线性。轴漂和刚度是描述柔顺机构变形特性的重要参数，建立准确简洁的参数化刚度模型可以为运动分析和动态性能评估提供重要的参考依据。目前建模方法主要有椭圆积分、有限元法、旋量法、伪刚体、梁约束模型等。传统的伪刚体方法中特征参数与外部数据有关，需要通过数值计算结果拟合其旋转副位置和扭簧刚度，导致计算效率和精度降低；其他的伪刚体法中，均忽略悬臂梁模型的轴向载荷作用，无法计算力和弯矩同时作用下的柔顺机构轴漂和刚度。因此上述现有的伪刚体法均无法精确计算簧片轴向载荷的纯弹性变形。

因此，有必要提出一种新的伪刚体的建模方法解决上述问题。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种参数化的自适应伪刚体建模方法。

本发明的技术方案概述如下：

本发明提供一种参数化的自适应伪刚体建模方法，包括：

基于固定-导向梁等效模型，将单个簧片等效为具有扭转刚度的旋转副，得到组合载荷作用下的自适应伪刚体模型；

基于所述自适应伪刚体模型，将广义交叉簧片柔性铰链等效为四杆机构模型和单铰链模型，得到轴漂参数模型及刚度参数模型。

进一步地，所述基于固定-导向梁等效模型，将单个簧片等效为具有扭转刚度的旋转副，得到组合载荷作用下的自适应伪刚体模型，包括：

基于固定-导向梁等效模型中的瞬心模型及伪刚体模型，将单个簧片等效为具有扭转刚度的旋转副，得到自适应伪刚体模型下的相关参数的模型；

所述相关参数的模型包括特征半径系数γ为λ、p和θ显式关系表达模型，为：

其中，

λ为瞬心模型中的瞬心半径系数，p为无量纲参数，p＝PL²/EI，P为悬臂梁自由端在组合载荷下的轴向力，L分别表示簧片的长度，I为簧片截面惯性矩，E为材料弹性模量。

进一步地，所述基于固定-导向梁等效模型中的瞬心模型及伪刚体模型，将单个簧片等效为具有扭转刚度的旋转副，得到特征半径系数γ为λ、p和θ显式关系表达模型，还包括：