柔性铰链作为柔性机构的核心部件,通过材料自身的弹性弯曲形变实现两刚性构件的相对旋转运动,具有无摩擦损耗、结构紧凑等特点。目前簧片型柔性铰链研究的重难点,主要集中在如何提升转动性能。传统交叉簧片柔性铰链在转动过程中,因各簧片受力变形不一致而导致轴漂和翘曲,难以保证回转精度。为了抵消轴漂、抑制翘曲,研究设计了一类全对称多交叉簧片柔性铰链。主要研究内容如下:(1)全对称交叉簧片柔性铰链的创新设计。分析并归纳簧片型柔性铰链在抑制轴漂、翘曲时采取的“组合”、“对称”、“反置”等发明原理。提出现有交叉簧片柔性铰链的结构设计不完善之处,进一步基于簧片型柔性铰链的结构特征,结合“向新维度过渡”的发明原理,提出一种“反向并联”的交叉簧片柔性铰链设计方法。基于该方法,研究设计了一类新型交叉簧片(FSNCS)柔性铰链,具有全对称的结构特征,能够更好地克服轴漂、翘曲误差。(2)FSTCS柔性铰链转动性能的理论分析。以全对称三交叉簧片(FSTCS)柔性铰链为例,基于梁约束模型,结合相关弹性力学知识,建立了该铰链的转动刚度、回转精度的求解模型,研究驱动转矩下的铰链转动刚度、精度的变化规律,分析周向载荷、径向载荷对转动性能的影响。(3)FSTCS柔性铰链转动性能的有限元仿真分析。以FSTCS柔性铰链为例,运用hypermesh、abaqus等有限元仿真软件,建立了该铰链的有限元模型。给定不同的外部载荷条件,仿真求解转动刚度、回转精度在无干扰、周向载荷干扰、径向载荷干扰下的变化规律,对比分析其与理论计算结果的相对误差。(4)FSTCS柔性铰链转动性能的实验测试。设计并搭建了该铰链转动刚度的实验测试平台,分别采用分层制造并装配、一体化制造两种加工方案,对FSTCS柔性铰链试件进行转动刚度试验。对比分析试验测试数据与理论计算结果的相对误差。分析表明,在纯驱动转矩作用下,该柔性铰链在一定转角范围内转动刚度近似常量,回转精度达到准零轴漂的水平;在受周向载荷干扰时,转动刚度基本不变,但回转精度降低,轴漂随转角增大而递增;在受径向载荷干扰时,转动刚度发生变化,回转精度降低,轴漂随转角增大而递增。理论模型计算、有限元仿真、实验测试一致地反映了柔性铰链的大转角、高精度、稳定刚度和抗干扰等性能,三者之间的相对误差基本保持在10%以内。