機(jī)械工程學(xué)科專題報告

1、姓名：學(xué)號：專業(yè)：機(jī)械工程日期:機(jī)械工程學(xué)科專題報告機(jī)械工程學(xué)科專題報告作為一名剛?cè)雽W(xué)的研一新生，雖然還處在新鮮和好奇的第一學(xué)期，但是明年就要進(jìn)入課題研究了，而目前來說我們對科學(xué)研究還沒有具體的了解，深入的認(rèn)識，這門課程的開設(shè)的主要目的是使我們對機(jī)械工程學(xué)科前沿有一個初步的認(rèn)識，了解機(jī)械工程科學(xué)發(fā)展總趨勢，對本專業(yè)以后課題的研究方向有一個總體的定位、直觀的判斷等。在這門課程里，不同的老師分別從不同的方面給我們講授了有關(guān)他們自己或團(tuán)隊的研究方向和國內(nèi)外最新的研究動態(tài)和研究成果。對于自己團(tuán)隊研究的一些研究進(jìn)展和研究成果老師們都做了詳細(xì)的講解和具體的介紹，并且還舉了一些具體的例子，使我對其從理論和實

2、踐兩方面充分理解了科研的一般過程，雖然還沒有進(jìn)行過科研，但是我認(rèn)為通過這一系列的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，將為明年的學(xué)習(xí)和研究打下一些基礎(chǔ)，當(dāng)以后真正進(jìn)行科研工作時，就會比別人少走一些彎路，就像有些人說的：“跛足而不迷路的人能夠趕上雖健步如飛卻誤入歧途的人?！庇捎谘芯糠较虿煌旅鎯H就柔順機(jī)構(gòu)專題方面說說我的一些體會，作一些敘述：柔性機(jī)構(gòu)自20世紀(jì)80年代提出以來迅猛發(fā)展，已成為現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)一個重要分支。短短不足30年間，柔性機(jī)構(gòu)設(shè)計理論的構(gòu)建與發(fā)展，為柔性機(jī)構(gòu)成功應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。隨著對柔性及柔性機(jī)構(gòu)認(rèn)識不斷深入，柔性機(jī)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用，不斷涌現(xiàn)新的成功實例。柔性機(jī)構(gòu)設(shè)計方法也取得了一些較大的研究進(jìn)展，老師

3、從應(yīng)用的角度探索了一下柔性機(jī)構(gòu)的最新進(jìn)展。通過將柔性機(jī)構(gòu)的主體應(yīng)用劃分為精密工程、仿生機(jī)器人、智能材料結(jié)構(gòu)三大主陣地，講述柔性機(jī)構(gòu)在每個陣地中的應(yīng)用進(jìn)展及研究熱點情況。柔性機(jī)構(gòu)(CompliantMechanism)的概念是在1968年由Buens和Crossley提出的，一般是指通過其部分或全部具有柔性的構(gòu)件變形而產(chǎn)生位移，傳動力的機(jī)械結(jié)構(gòu)。柔性機(jī)構(gòu)有部分柔性機(jī)構(gòu)和全柔性機(jī)構(gòu)之分，其中全柔性機(jī)構(gòu)又分為具有集中柔度的全柔性機(jī)構(gòu)和具有分布柔度的全柔性機(jī)構(gòu)。前者的特征是柔性運動代替了全部的運動副，后者的特征是無傳統(tǒng)的較鏈，柔性相對均勻的分布在整個機(jī)構(gòu)之中。柔性結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：相對于傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)而言，

4、柔性結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點：可減少構(gòu)件數(shù)目，可以整體化（或一體化）設(shè)計和加工，便于微型化、無需裝配，從而降低了成本；無需錢鏈或軸承等運動副，運動和力的傳遞是利用組成它的的某些或全部構(gòu)件的變形來實現(xiàn)；無摩擦，磨損及傳動間隙，無效行程小，且不需要潤滑，可實現(xiàn)高精度運動，避免污染，提高壽命；可存儲彈性能，自身具有回程反力。易于小型化和大批量生產(chǎn)，改變結(jié)構(gòu)剛度，增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性；便于能量儲存和轉(zhuǎn)化，易于和其他非機(jī)械動力相匹配。，柔性機(jī)構(gòu)的應(yīng)用：由于柔性機(jī)構(gòu)有以上優(yōu)點，使得它在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS,精密定位，無裝配設(shè)計和仿生機(jī)械等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。作為柔性機(jī)構(gòu)最簡單形式之一的柔性較鏈具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，無

5、間隙，無摩擦，無需潤滑，運動平滑連續(xù)喝位移分辨率高（最高可達(dá)1nnj）等優(yōu)點，目前已經(jīng)在航空，宇航，精密測量，光學(xué)工程和生物工程領(lǐng)域獲得重要的應(yīng)用。但是由于其反復(fù)變形容易引起疲勞破壞，對于具有集中柔性的柔性機(jī)構(gòu)又容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，大變形引起的非彈性變形加上其設(shè)計和分析的難度，使得它在實際應(yīng)用中受到一定的限制。微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS的機(jī)械和電子組件是由單一的過程裝配在一起的，但是，在這兩種組件的設(shè)計和裝配的自動化方面存在著不平衡現(xiàn)象?？偟膩碚f，按照典型的“從功能到裝配”的方式來自動化地設(shè)計微電子線路并不困難。在此過程中，機(jī)械組件要達(dá)到相同的自動化程度則要困難得多。為了完全自動化地設(shè)計和裝配

6、MEMS獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益,因此像微電子線路那樣對微型機(jī)械設(shè)計過程開發(fā)恰當(dāng)結(jié)構(gòu)就很有必要。但傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)是由剛性絞鏈連接組成的，它不能滿足這點及以下這些微觀領(lǐng)域內(nèi)的要求：消除裝配需要；把全部機(jī)構(gòu)限制在同一平面的一個或兩個層內(nèi)；減輕摩擦的不利影響。柔性機(jī)構(gòu)（一種能夠全面彎曲的機(jī)械）能滿足以上所有的要求，并且具有系統(tǒng)綜合的潛能。目前研究的焦點在于該機(jī)械的綜合方面及尋找系統(tǒng)的研究方法。在柔性機(jī)構(gòu)中，功能行為（如所需的彈性變形）是物質(zhì)實體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、形狀、尺寸的直接結(jié)果，這三種特性一起提供了實體在外載荷下變形及所需的運動的本質(zhì)能力。現(xiàn)在人們的許多靈感仍然來源于自然界，尤其是在“產(chǎn)品”設(shè)計方式上。拿生

7、物界來說，許多生物體都是通過巧妙地使用自身機(jī)體的柔性將可用能轉(zhuǎn)化為精妙復(fù)雜的運動。例如蝗蟲的腿部通過特定的柔性設(shè)計，將其肌肉內(nèi)儲存的能量快速地釋放出來并產(chǎn)生高出自身尺寸數(shù)百倍的跳躍動作；蝶蚣依賴分布柔性完成掘洞或其他功能；許多昆蟲或鳥類依靠胸腔的柔性可以用很高的頻率來拍打翅膀；人類心臟的瓣膜更是柔性應(yīng)用的偉大“杰作”之一：其柔性可抵抗數(shù)以百億次的沖擊而不疲勞。人類從中獲取靈感的歷史可以追溯到很久以前，那時的人類已發(fā)明和使用弓和彈弓之類的工具。弩車也是古代人利用柔性的典型實例，如早期的攻城弩、連弩等。雖然人類認(rèn)識并利用柔性的原理由來已久，但是對其進(jìn)行科學(xué)研究卻只有幾百年的歷史。1638年，伽利略

8、在其所著的關(guān)于兩門新學(xué)科的談話及數(shù)學(xué)證明一書中總結(jié)了質(zhì)點動力學(xué)和結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能，奠定了彈性力學(xué)的研究基礎(chǔ)。不過，對柔性單元以及具有柔性單元的機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論研究發(fā)端于20世紀(jì)。柔性單元的主要表現(xiàn)形式是柔性錢鏈。1965年，PARO鄰提出了圓弧缺口型柔性較鏈的結(jié)構(gòu)形式，并給出了其彈性變形表達(dá)式。20世紀(jì)80年代末，Purdue大學(xué)開始對具有柔性單元的機(jī)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)研究，并賦予一個專門的術(shù)語柔性機(jī)構(gòu)。與傳統(tǒng)的剛性機(jī)構(gòu)不同，柔性機(jī)構(gòu)是指利用材料的彈性變形傳遞或轉(zhuǎn)換運動、力或能量的新型機(jī)構(gòu)。柔性機(jī)構(gòu)實施運動時若通過柔性錢鏈來實現(xiàn)，則通常稱為柔性錢鏈機(jī)構(gòu)；如果應(yīng)用在精密工程場合，該類機(jī)構(gòu)又稱為柔性精微機(jī)構(gòu)

9、。在仿生機(jī)械及機(jī)器人等領(lǐng)域，柔性機(jī)構(gòu)正發(fā)揮著越來越重要的作用。例如，各種新型柔性關(guān)節(jié)、柔性爬蟲等大大改善了機(jī)械（或機(jī)器人）的靈活性或機(jī)動性能。這類機(jī)構(gòu)通常又稱為柔性仿生機(jī)構(gòu)。在智能結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，將驅(qū)動元件、傳感元件和控制系統(tǒng)結(jié)合或融合在柔性機(jī)構(gòu)中，感知外部環(huán)境和內(nèi)部狀態(tài)變化，并通過自身機(jī)制對信息加以識別和推斷，合理決策并驅(qū)動機(jī)構(gòu)作出響應(yīng)，這類機(jī)構(gòu)也稱作柔性智能機(jī)構(gòu)或柔性智能。隨著對柔性及柔性機(jī)構(gòu)認(rèn)識不斷深入，柔性機(jī)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用也取得了一些較大的研究進(jìn)展，從以下幾個方面介紹柔性機(jī)構(gòu)的應(yīng)用：1柔性機(jī)構(gòu)與精密工程伴隨著微納米科技浪潮所引發(fā)的制造、信息、材料、生物、醫(yī)療和國防等眾多領(lǐng)域的革命性變化，使得柔性

10、機(jī)構(gòu)在微電子、光電子元器件的微制造和微操作、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）生物醫(yī)學(xué)工程等這些定位精度要求一般在亞微米級甚至納米級的領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。例如，基于傳統(tǒng)剛性較鏈結(jié)構(gòu)的商用精密運動平臺所能達(dá)到的分辨率極限是50nm精度1m很難突破這一瓶頸。而柔性定位平臺可以使同類產(chǎn)品的精度提高1-3個數(shù)量級。在精微領(lǐng)域，柔性機(jī)構(gòu)可以設(shè)計作為精密運動定位平臺、超精密加工機(jī)床、精密傳動裝置、執(zhí)行器、傳感器等。2柔性機(jī)構(gòu)與仿生機(jī)器人在仿生機(jī)械及機(jī)器人領(lǐng)域，柔性機(jī)構(gòu)也發(fā)揮著越來越重要的作用。各種新型柔性關(guān)節(jié)及驅(qū)動器的開發(fā)大大改善了仿生機(jī)械及仿生機(jī)器人的靈活性與機(jī)動性，如多足機(jī)器人、蛇形臂等。另外，由于尺度效應(yīng)對微

11、小型生物的影響起著支配作用，因此在微小型仿生機(jī)械的研究及研制過程中，也很難離開柔性的作用。目前柔性在微小型仿生機(jī)械的應(yīng)用越來越多，如微小型飛行器、機(jī)器魚、仿生爬蟲、機(jī)器跳蚤、仿生壁虎等。1、微小型飛行器：Vanderbilt大學(xué)研制的撲翼式飛行昆蟲、加州大學(xué)伯克利分校研制的微型機(jī)器昆蟲MFI,北京航空航天大學(xué)將“分布式全柔性機(jī)構(gòu)”的概念引入到撲翼式微型飛行機(jī)器人設(shè)計中，通過控制柔性胸腔各部位的不同柔度，使翅膀產(chǎn)生不同形式的復(fù)雜撲翼運動。哈佛大學(xué)開發(fā)了一種能夠像真蒼蠅一樣飛行的機(jī)器蒼蠅,主體用碳纖維制成，體重只有80mg,翼展3cm,能連續(xù)飛行超過20s。2、仿生爬蟲：目前最成功的爬壁機(jī)器人當(dāng)屬

12、美國Stanford大學(xué)研制的RiSE。它采用了模塊化設(shè)計和仿生設(shè)計思想，指端和腿部采用柔性機(jī)構(gòu)，使指端能與壁面充分貼合，減小指端位置擾動對附著力的影響。當(dāng)機(jī)器人在玻璃等光滑表面爬行時，在指端處安裝粘接貼片實現(xiàn)附著，爬壁角度可達(dá)65度。MIT也正在基于柔性軟體材料，研制高機(jī)動性的仿生壁虎。最近Nature和Science等發(fā)表的文獻(xiàn)指出無骨骼的毛蟲具有最高超的三維空間爬行運動能力。為此，TRIMME您試圖嚴(yán)格按照毛蟲身體解剖學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計爬壁機(jī)器人樣機(jī)，將形狀記憶合金嵌入到硅橡膠中，構(gòu)成可充氣的圓柱狀軀體結(jié)構(gòu)，期望可以模擬毛蟲的波動運動。3、柔性腿及跳躍機(jī)器人：目前有關(guān)柔性仿生腿的研究尚處于起步階

13、段：美國波士頓動力公司研制的著名四足機(jī)器人BigDog,腿部驅(qū)動中含有柔性單元。加拿大McGill大學(xué)的RHex柔性腿機(jī)器人利用腿與地面接觸時發(fā)生的彈性變形儲存能量，在離開地面時釋放并轉(zhuǎn)化為機(jī)器人的動能，從而減少動力源的能量支出，提高移動效率，增強(qiáng)穩(wěn)定性。4、柔性仿生多足機(jī)器人：目前仿生機(jī)器人多采用四足式。在Tekken系列中，具有自適應(yīng)性的TekkenII四足機(jī)器人由電機(jī)、機(jī)械彈簧和柔性關(guān)節(jié)共同驅(qū)動，它能通過CPG控制實現(xiàn)動態(tài)步態(tài)行走。TekkenII機(jī)器人能夠完成步行、對角小跑、溜蹄、奔跑等多種運動步態(tài)以及步態(tài)的轉(zhuǎn)換，運動速度可以達(dá)到0.60.8m/s,可以完成12°的爬坡、跨越

14、4cm高的障礙等。5、柔性關(guān)節(jié)：大變形柔性較鏈可用于仿生人造關(guān)節(jié)，例如仿生手指、人造膝關(guān)節(jié)、以及用于脊椎運動功能重建的柔性椎問盤以及柔性踝關(guān)節(jié)等。美國BYU對集中式柔性被動關(guān)節(jié)進(jìn)行了研究和設(shè)計，這種關(guān)節(jié)具有儲存能量、減小沖擊等優(yōu)點，為設(shè)計緊湊型柔性關(guān)節(jié)提供了參考。6、連續(xù)體機(jī)器人及蛇形臂：由柔性結(jié)構(gòu)及軟體材料組成的連續(xù)體機(jī)器人正成為機(jī)器人領(lǐng)域的一大研究熱點。當(dāng)前主要模仿對象是象鼻和章魚觸角等。3幾種頗具應(yīng)用前景的新型柔性機(jī)構(gòu)柔性機(jī)構(gòu)研究的早期，利用能量儲存特性的柔性雙穩(wěn)態(tài)及多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)等因其特有的應(yīng)用場合而得到了廣泛的研究。隨著研究的深入，越來越多的頗具應(yīng)用前景的新型柔性機(jī)構(gòu)被挖掘出來。這里舉幾

15、個典型的例子。1、胞元式柔性機(jī)構(gòu)：胞元式柔性機(jī)構(gòu)在精密工程、仿生機(jī)器人、航空航天、生物醫(yī)學(xué)工程等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)了誘人的應(yīng)用前景，比如用作微創(chuàng)手術(shù)器械或機(jī)器人執(zhí)行器、變形機(jī)翼、可展天線、冠脈支架、免充氣輪胎等。2、輔助接觸式柔性機(jī)構(gòu)：多數(shù)柔性機(jī)構(gòu)運動行程相對較小、運動平滑連續(xù)難以實現(xiàn)間歇運動，這些缺點在一定程度上限制了柔性機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。受高副機(jī)構(gòu)(凸輪、齒輪機(jī)構(gòu)等)啟發(fā)，MANKAME提出了基于柔性高副的輔助接觸式柔性機(jī)構(gòu)(Contactaidedcompliantmechanisms,CCMs)總之，CCM蚱為一種特殊的高副機(jī)構(gòu)類型，既彌補(bǔ)了傳動柔性機(jī)構(gòu)的若干缺陷，同時保留了傳統(tǒng)高副機(jī)構(gòu)的某些優(yōu)點

16、。在生物醫(yī)學(xué)工程、航空航天等領(lǐng)域展現(xiàn)出光明的應(yīng)用前景。4平板折展機(jī)構(gòu)與折紙藝術(shù)與變胞機(jī)構(gòu)結(jié)合，用同一薄片材料制成的、可在制造平面之外運動的一種新的柔性機(jī)構(gòu)類型，被HOWELL義為平板折展機(jī)構(gòu)(Laminaemergentmechanisms,LEMs它既可以實現(xiàn)如四桿機(jī)構(gòu)、滑塊機(jī)構(gòu)等簡單的運動，還能實現(xiàn)如球面四桿機(jī)構(gòu)、Sanus機(jī)構(gòu)等復(fù)雜的運動LEMsM有的獨特特點，不但使其加工過程簡單、經(jīng)濟(jì)，加工材料種類多、成本低，而且在設(shè)備空間受限時，能夠滿足設(shè)計需求；同時，它在運輸和存儲等需節(jié)省空間成本的場合也得到了廣泛應(yīng)用，如航空旅行、醫(yī)療設(shè)備、電子工業(yè)、自動化工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、搜救場合等。以醫(yī)療領(lǐng)域的

17、應(yīng)用為例，含LEMs的注射器便于攜帶出行在緊急狀況下注射藥物，借助LET較鏈的變形旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)垂直運動。美國哈佛大學(xué)loy以LEMs為基礎(chǔ)研制出彈出式微型機(jī)器蜜蜂，高度僅2.4mmLEMs技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為能應(yīng)用于商業(yè)產(chǎn)品實現(xiàn)特定功能的科學(xué)技術(shù)。LEMs尤其適用于MEMSJ計，如投影機(jī)、顯微鏡的驅(qū)動系統(tǒng)及基于MEMS勺光調(diào)幅器；醫(yī)學(xué)MEMS:備能在身體的單個細(xì)胞上進(jìn)行各種操作，診斷疾病并釋放對癥的藥物；微切割機(jī)構(gòu)用于血管清理動脈結(jié)塊，這避免了繁瑣的外科醫(yī)治；在微飛行器方面也已經(jīng)開展了相關(guān)研究。此外，LEM曲可用于運動場地、跑馬場、運動鞋、坐墊的減振設(shè)計；用多層減振LEMs機(jī)構(gòu)設(shè)計的裝甲防護(hù)裝備也具有

18、較好的防彈效果。運動場地上能夠提高彈簧和阻尼性能的吸震LEMs。5總結(jié)柔性機(jī)構(gòu)在精密工程、仿生機(jī)器人、智能結(jié)構(gòu)三大主陣地均得到了廣泛應(yīng)用。新型柔性機(jī)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，柔性機(jī)構(gòu)應(yīng)用不斷擴(kuò)展，日益增加的應(yīng)用需求同時也在導(dǎo)引柔性機(jī)構(gòu)設(shè)計理論及方法的快速發(fā)展。柔性機(jī)構(gòu)作為學(xué)科體系的發(fā)展雖然還很短暫，但已經(jīng)展現(xiàn)出極其廣闊的應(yīng)用前景。隨著世界的進(jìn)步、國家的需求和學(xué)科的發(fā)展，機(jī)械工程科學(xué)的發(fā)展有以下顯著特點和趨勢：一方面，由于高技術(shù)領(lǐng)域如光電子、微納系統(tǒng)、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、重大工程等的發(fā)展，出現(xiàn)和發(fā)展著微納制造、仿生及生物制造、微電子制造等制造科學(xué)新領(lǐng)域；另一方面，隨著機(jī)械與制造科學(xué)與信息科學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、納米科學(xué)技術(shù)的交叉，除了推動著機(jī)構(gòu)學(xué)、摩擦學(xué)、動力學(xué)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度學(xué)、傳動學(xué)和設(shè)計學(xué)的發(fā)展外，還產(chǎn)生和發(fā)展著仿生機(jī)械學(xué)、納米摩擦學(xué)、等新的交叉科學(xué)。而在這些方面柔性機(jī)構(gòu)有著更為廣泛的應(yīng)用前景。尤其與