柔性机构的发展前景

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柔性机构自20世纪80年代提出以来在短短不足30年间得到了迅猛发展，已成为现代机构学一个重要分支。特别是一系列柔性机构基础理论的构建为柔性机构成功应用奠定了坚实基础。随着对柔性及柔性机构认识不断深入，柔性机构得到了广泛应用。本文尝试站在应用的视角鸟瞰柔性机构的最新研究进展。希望能有更多的学者和工业界人士关注和研究柔性机构。

柔性机构与精密工程

伴随着微纳米科技浪潮所引发的制造、信息、材料、生物、医疗和国防等众多领域的革命性变化，使得柔性机构在微电子、光电子元器件的微制造和微操作、微机电系统(MEMS)、生物医学工程等这些定位精度要求一般在亚微米级甚至纳米级的领域中得到了广泛应用。例如，基于传统刚性铰链结构的商用精密运动平台所能达到的分辨率极限是50 nm、精度1 mm，很难突破这一瓶颈。而柔性定位平台可以使同类产品的精度提高1～3个数量级。在精微领域，柔性机构可以设计作为精密运动定位平台、超精密加工机床、精密传动装置、执行器、传感器等。表1给出了常用柔性精密运动平台的类型及典型应用。

表1  常见的柔性精密运动平台类型及典型应用

柔性机构在精密工程中的应用极其广泛，具有不可估量的发展前景。同时，随着应用逐步深化，设计要求不断提高，对研究人员不断提出新的挑战。目前该领域的研究热点主要体现在：① 新构型设计与综合，特别是运动解耦设计；② 大行程(或大转角)、高精度柔性设计；③ 高刚度、高频响柔性设计；④ 超精密柔性系统集成等。

天津大学“妙手S”手术机器人

柔性机构与仿生机器人

在仿生机械及机器人领域，柔性机构也发挥着越来越重要的作用。各种新型柔性关节及驱动器的开发大大改善了仿生机械及仿生机器人的灵活性与机动性，如多足机器人、蛇形臂等。另外，由于尺度效应对微小型生物的影响起着支配作用，因此在微小型仿生机械的研究及研制过程中，也很难离开柔性的作用。目前柔性在微小型仿生机械的应用越来越多，如微小型飞行器、机器鱼、仿生爬虫、机器跳蚤、仿生壁虎等。

柔性机构已渗入仿生机械及仿生机器人的各个领域。从弹性材料到柔性软体材料，从集中柔性到全柔性，从刚柔耦合到柔性软体，从驱动&感测&执行元件分立到三者的有机集成，同时借助3D打印技术、智能材料的迅猛发展，柔性仿生机器人变得越来越智能，也越来越逼近人类对仿生机器人的期望。有理由相信，随着智能制造、机器人、智能材料、生物医学、化学等领域日益的交叉与融合，柔性仿生机器人有着非常光明的应用前景。

柔性智能结构

近年来智能结构成为发达国家重视的新材料高技术体系。柔性机构中，能量先以应变能的形式储存，然后释放出来去执行一些有用的任务。柔性机构的固有弹性使其更容易与其他非机械作用相结合，不需要附加弹簧来恢复机构到原始位置，在机构内部它也可以与传感器有机融合。因此，柔性机构与智能结构的系统集成在航空航天、机器人和医疗外科领域具有重要的科学探索价值和巨大的应用潜能。如用柔性智能结构制作的一种“柔性机翼”，可在各种飞行速度下始终自动保持最佳翼型，大幅度提高了飞行效率，并可对出现的危险振动自行抑制；柔性智能结构用于潜艇，可抑制噪声传播；用于地面车辆可提高车辆的性能和乘坐舒适度。处于大同盆地地震带上的山西应县木塔，自1056年建成以来，经历了多次自然灾难的洗礼之后仍安然无恙。研究发现，这些结构大多采用了具有柔性的木质结构来吸收振动的能量

山西应县木塔

有关柔性智能结构的研究总体处于起步阶段，目前多集中在平面结构或者只能实现简单的自适应功能结构。因此，柔性智能结构研究领域仍有大量可以挖潜的空间，譬如复杂自适应柔性结构设计理论与应用(如用于灵巧仿生手爪的设计)等。

几种颇具应用前景的新型柔性机构

柔性机构研究的早期，利用能量储存特性的柔性双稳态及多稳态机构等因其特有的应用场合而得到了广泛的研究。随着研究的深入，越来越多的颇具应用前景的新型柔性机构被挖掘出来，如胞元式柔性机构、辅助接触式柔性机构、平板折展机构、柔性静平衡机构等。

[size=1em]总结

柔性机构作为学科体系的发展虽然还很短暂，但已经展现出极其广阔的应用前景。尤其与精密工程、智能结构与材料、生物生命科学、机器人学等学科的有机交互，给柔性机构提供了广阔的应用天地。有关柔性机构理论与应用的研究必将给现代机构学的发展和应用带来新的契机！

文章来源：机械工程学报