大变形柔性铰链转角特性测试仪的研究

　　1引言

　　柔性铰链由于其本身所具有的体积小、无机械摩擦、无间隙、运动平稳无需润滑等优点，在精密机械和微机械中得到了广泛应用。但目前大多数柔性铰链都是采用弹性金属整体加工方法制作，只能在其线弹性范围内作小变形运动，无法满足大变形的需要。在微型仿生飞行器、微执行器、微步进工作台等产品中需要采用复合型柔性铰链机构来完成相应的动作，这就需要能够产生大变形的柔性铰链。这种复合型柔性铰链从材料构成上可以分为两种类型，第一种是基于弹性金属材料(如图1中a所示)，在两个方形金属件中插人并焊接一片弹性金属薄片如被青铜。第二种是基于超弹性高分子材料如聚氨脂、聚酞胺、聚醚酞胺等材料来制作(如图1中b所示)，通过高分子材料整体成型加工来制作。

　　为了设计基于大变形柔性铰链的运动机构，必须知道不同结构参数的大变形柔性铰链的转角特性，即所施加的力矩与其转角之间的关系。由于其分析计算过程属于几何非线性和材料非线性，因为难以得到精确解析式，必须在数值解的基础上通过实验数据进行修正。为此，本文提出一种测试大变形柔性铰链转角特性测试仪，通过旋转编码器和MsP430单片机构成等空间数据采集装置来获得大变形柔性铰链的转角实验数据。

　　2测试仪总体设计

　　测试仪的整体结构如图2所示，在测试过程中，大变形柔性铰链的固定端被夹持固定住，而自由端在扭转装置的作用下产生旋转运动，并通过压力传感器对大变形柔性铰链的转角特性进行测量。在测量过程中，通过带有放大镜头的CCD摄像头对大变形柔性铰链的弯曲部分进行图像采集，以便于进行后续的几何分析，CCD摄像头通过USB接口连接到PC机上。

　　大变形柔性铰链的扭转装置如图3所示，首先将大变形柔性铰链的一端通过紧固螺钉和压板固定起来，另一端在摆杆的作用下产生弯曲变形。而摆杆则是通过安装在台面上的螺旋顶杆来驱动。测量过程中，通过旋转螺旋顶杆使摆杆产生向上的运动，由于系统采用的是等空间数据采样，因此摆杆运动的时间变化对数据采集不产生影响。在摆杆与大变形柔性铰链一定距离L(该距离可调)处安装了一只Honeyweu公司的FSS微型压力传感器，由于转动过程中压力传感器的测力面始终垂直于大变形柔性铰链的自由端，因此压力传感器测得的压力值乘以距离L便是施加到大变形柔性铰链上的力矩。而大变形柔性铰链所转过的角度可通过安装在转轴下端的旋转编码器来获得。

　　由于所要测最的是大变形柔性铰链的转角与所受到的力矩之间的对应关系，因而不能采用通常惯用的时域数据采样，而应该采用以角度为变量的等空间数据采样，即以旋转编码器输出的脉冲信号作为数据采样的触发信号，而旋转编码器每产生一个脉冲所转过的角度是固定不变的，所以称为等空间数据采样。所采集的数据经过上位机软件处理后可获得大变形柔性铰链的转角特性曲线。