高端机械设计 柔性机构及其应用

柔性机构（Compliant Mechanism）的概念是在1968年由Buens和Crossley提出的，一般是指通过其部分或全部具有柔性的构件变形而产生位移，传动力的机械结构。

柔性机构有部分柔性机构和全柔性机构之分，其中全柔性机构又分为具有集中柔度的全柔性机构和具有分布柔度的全柔性机构。前者的特征是柔性运动代替了全部的运动副，后者的特征是无传统的铰链，柔性相对均匀的分布在整个机构之中。

相对于传统的刚性结构而言，柔性结构具有以下优点:

①可减少构件数目，无需装配，从而降低了成本;

②无需铰链或轴承等运动副，运动和力的传递是利用组成它的的某些或全部构件的变形来实现;

③无摩擦，磨损及传动间隙，无效行程小，且不需要润滑，可实现高精度运动，避免污染，提高寿命;

④可存储弹性能，自身具有回程反力。

⑤易于小型化和大批量生产;

⑥易于和其他非机械动力相匹配。

由于柔性机构有以上优点，使得它在微机电系统(MEMS),精密定位，无装配设计和仿生机械等领域中得到广泛的应用。作为柔性机构最简单形式之一的柔性铰链具有结构紧凑，体积小，无间隙，无摩擦，无需润滑，运动平滑连续喝位移分辨率高(最高可达1nm)等优点，目前已经在航空，宇航，精密测量，光学工程和生物工程领域获得重要的应用。但是由于其反复变形容易引起疲劳破坏，对于具有集中柔性的柔性机构又容易出现应力集中现象，大变形引起的非弹性变形加上其设计和分析的难度，使得它在实际应用中受到一定的限制。

下面，我们来看看柔性机构的各种动图，及其在其它领域可能的应用场合。

这是啥？

这是杨百翰大学（Brigham Young University）的机械工程学教授Larry Howell为美国军方开发的保险和解除保险装置（S&A）。它属于一种叫做柔性机构（compliant mechanism）的机械装置。可以用于避免地震等震动让核弹不经意走火。

这是啥？

这是柔顺卷边机构。与扁嘴钳类似，其输入力传递到输出端，只是这里有一部分能量以应变能的形式储存在柔性部件中。

加工制作的时候，可以像这样从模具里挤出来，然后再切割。

这是一个柔性的开关，在疲劳测试（fatigue testing）中的表现强大，它可以被玩1百万次而不会坏。

这是个好玩的玩具。这个像大象的屁股被戳的时候，象鼻尖的部位是不动的。

看起来很好玩，在风洞里测试材料的时候就可以用上这个机构，防止材料随风飘摆。

柔性机构可以被制造的很大，也可以很小，利用光刻（photo-lithography）等技术在微观尺度上进行制造，用于高精尖电子设备。

这个柔性机构，在转速变大的情况下，它的可动部件会因为离心力而向外扩展，然后与外层的机械接触，从而带着一起运动。

在链锯里就可以用上这种装置。

Larry Howell 的实验室还做了许多有趣的，灵感来自于折纸的可动机构。

这是用来在手术中抓取针头和手术缝合线用的。达芬奇手术机器人的研发公司和Larry Howell 的实验室有合作，未来可能就会用上这个折纸机械手术臂。和它的灵感来源是这款折纸——

还有这些可展机构（developable mechanism）就是钢铁侠一类的科幻外骨骼的最佳搭档。

可展机构在手术设备里大有用武之地。

因为手术工具可以折叠再展开，手术时病人的伤口就不必被切得很大，这有助于术后愈合。

这个机构可以变成轮子，在遇到障碍物的时候它可以展开变成攀岩的钩子。

还有这种可展无人机也很有意思，比传统的无人机轻巧不少。

Larry Howell 的实验室最近研发的这款可折叠防弹盾牌还在网上成了网红。

这款防弹盾牌灵感来源于吉村折纸，现有的防弹盾牌重达40千克，携带非常不方便，而且只能保护一个人。但是这个重量只有22千克的防弹设备却能保护2-3个人。