Гибкий механизм

Гибкий механизм — это упругий механизм, который обеспечивает передачу силы и движения за счёт деформации упругого тела. Он получает часть или все движение за счёт относительной эластичности его элементов, а не только за счёт твердых соединений. Это могут быть монолитные (цельные) или бесшовные структуры.^{[источник не указан 831 день]} Некоторые распространенные устройства, использующие гибкие механизмы, — это защелки рюкзаков и скрепки. Одним из старейших примеров использования гибких конструкций является лук.^[1]

Методы проектирования

Гибкие механизмы обычно разрабатываются с использованием двух методов:^[2]

Кинематический подход

Кинематический анализ может использоваться для разработки гибкого механизма путем создания псевдожесткой модели механизма.^[1] В данной модели гибкие элементы моделируются как жесткие звенья, соединенные с вращающимися соединениями с торсионными пружинами . Другие конструкции можно моделировать как комбинацию жестких звеньев, пружин и демпферов.^[3]^[4]

Подход структурной оптимизации

В данном методе вычислительные методы используются для оптимизации топологии структуры. Вносятся ожидаемая нагрузка, желаемое движение и передача силы, и система оптимизируется по весу, точности и минимальному напряжению. Более продвинутые методы сперва оптимизируют конфигурацию базовых соединений, а уже после оптимизируют топологию вокруг данной конфигурации. Другие техники оптимизации сосредотачиваются на оптимизации топологии шарниров изгиба принимая на ввод жесткий механизм и заменяя все жесткие шарниры оптимизированными шарнирами изгиба.^[4] Чтобы предсказать поведение конструкции, выполняется конечный анализ напряжения, чтобы найти деформацию и напряжения во всей конструкции.

Преимущества

Гибкие конструкции часто создаются как замена схожим механизмам, использующим несколько частей. Существует два преимущества использования гибких механизмов:

Низкая стоимость: Гибкий механизм обычно может быть изготовлен как единая конструкция, что в свою очередь значительно уменьшает количество деталей.^{[источник не указан 831 день]} Гибкая конструкция, состоящая из одной единственной части, может быть изготовлена с помощью литья под давлением, экструзии, 3D-печати и других методов. Все вышеперечисленное делает производство относительно дешёвым и доступным.^[1]
Более высокая эффективность: Гибкие механизмы не страдают от таких проблем, как люфт и износ поверхности, которые влияют на механизмы, состоящие из нескольких частей. Благодаря использованию гибких элементов, гибкие механизмы могут с легкостью накапливать энергию для её дальнейшего высвобождения или преобразования в иные формы энергии.^[1]

Недостатки

Полный диапазон механизма зависит от материала и геометрии конструкции; из-за природы изгибных соединений, ни один абсолютно гибкий механизм не в состоянии обеспечить непрерывное движение, подобное тому, которое наблюдается в обычном соединении. Кроме того, усилия, прилагаемые механизмом, ограничены нагрузками, которые элементы конструкции могут выдержать без разрушения. Из-за формы изгибных соединений, именно на них приходится большая часть нагрузки. Все вышеперечисленное в сочетании с тем фактом, что данные механизмы склонны совершать циклические или периодические движения, может вызвать ослабление и возможное разрушение конструкции. Кроме того, поскольку часть или вся подводимая энергия сохраняется в конструкции в течение некоторого времени, не вся эта энергия высвобождается обратно по желанию. Однако это может быть желательным свойством для добавления демпфирования в систему.^[1]

Примеры

Некоторые из применений гибких конструкций датируются несколькими тысячелетиями. Одним из древнейших примеров является лук и стрелы. В некоторых конструкциях катапульт также использовалась гибкость рычага для накопления и высвобождения энергии для запуска снаряда на большие расстояния.^[1] В наши дни, гибкие механизмы используются во многих областях, таких как адаптивные структуры и биомедицинские устройства. Гибкие мехнаизмы могут быть использованы для создания самоадаптирующихся механизмов, обычно используемых для захвата в робототехнике.^[5] Поскольку роботы требуют высокой точности и имеют ограниченный радиус действия, были проведены обширные исследования гибких механизмов для роботов. Одним из основных применений гибкого механизма является микроэлектромеханические системы. Преимущества микроэлектромеханических систем заключаются в отсутствии необходимости сборки простой плоской форме конструкции, которую можно легко изготовить с помощью фотолитографии.^{[источник не указан 831 день]}

Одним из примеров является гибкий привод или упругий привод, часто используемый для соединения электродвигателя с машиной при помощи муфты (например, насосом). Привод состоит из резинового вкладыша турбомуфты, зажатого между двумя металлическими запорными устройствами. Одно такое устройство крепится к валу привода, а другое устройство к валу насоса. Гибкость резиновой части компенсирует любое незначительное смещение между двигателем и насосом.

Галерея

Робот для лазерной сварки располагает заготовки для работы с помощью гибкого механизма между столом и креплением.
Закрытый гибкий механизм Iris
Открытый гибкий механизм Iris
Гибкий зажим
Бистабильный гибкий механизм переключения

См. также

Примечания

↑ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ Howell, Larry (2013). Howell, Larry L; Magleby, Spencer P; Olsen, Brian M (eds.). Handbook of compliant mechanisms. Chichester, West Sussex, United Kingdom. p. 300. doi:10.1002/9781118516485. ISBN 9781119953456.
↑ Albanesi, Alejandro E. (November 2010). "A Review on Design Methods for Compliant Mechanisms". Mecánica Computacional. 29: 59—72. Архивировано 28 июля 2021. Дата обращения: 29 июля 2022.
↑ Albanesi, Alejandro E., Victor D. Fachinotti, and Martin A. Pucheta. «A review on design methods for compliant mechanisms.» Mecánica Computacional 29.3 (2010).
↑ ¹ ² Megaro, Vittorio (2017). "A computational design tool for compliant mechanisms". ACM Transactions on Graphics. 36 (4): 1—12. doi:10.1145/3072959.3073636.
↑ Doria, Mario (2009-03-17). "Design of an Underactuated Compliant Gripper for Surgery Using Nitinol" (PDF). Journal of Medical Devices. 3 (1): 011007–011007–7. doi:10.1115/1.3089249. ISSN 1932-6181. Архивировано (PDF) 23 июня 2022. Дата обращения: 29 июля 2022.

Ссылки

Почему машины, которые сгибаются, лучше — видео на YouTube от Veritasium
[1] — Видео на YouTube — Инструмент вычислительного проектирования для совместимых механизмов от Disney Research Hub
[2] — Исследование механизмов, совместимых с BYU

[:0-1] ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ Howell, Larry (2013). Howell, Larry L; Magleby, Spencer P; Olsen, Brian M (eds.). Handbook of compliant mechanisms. Chichester, West Sussex, United Kingdom. p. 300. doi:10.1002/9781118516485. ISBN 9781119953456.

[2] Albanesi, Alejandro E. (November 2010). "A Review on Design Methods for Compliant Mechanisms". Mecánica Computacional. 29: 59—72. Архивировано 28 июля 2021. Дата обращения: 29 июля 2022.

[3] Albanesi, Alejandro E., Victor D. Fachinotti, and Martin A. Pucheta. «A review on design methods for compliant mechanisms.» Mecánica Computacional 29.3 (2010).

[:3-4] ¹ ² Megaro, Vittorio (2017). "A computational design tool for compliant mechanisms". ACM Transactions on Graphics. 36 (4): 1—12. doi:10.1145/3072959.3073636.

[5] Doria, Mario (2009-03-17). "Design of an Underactuated Compliant Gripper for Surgery Using Nitinol" (PDF). Journal of Medical Devices. 3 (1): 011007–011007–7. doi:10.1115/1.3089249. ISSN 1932-6181. Архивировано (PDF) 23 июня 2022. Дата обращения: 29 июля 2022.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]