22、具有目标运动的连续体机构设计

具有目标运动的连续体机构设计

连续体机构在现代工程领域中展现出了巨大的潜力，它通过自身的变形来实现特定的运动，与传统的刚性连杆机构有着显著的区别。本文将深入探讨连续体机构的设计、优化以及实际应用，为相关领域的研究和实践提供有价值的参考。

1. 引言

连续体机构是一种通过自身变形来实现特定运动的机构，与传统的刚性连杆机构不同，它具有可扩展性和易于制造的优点。因为其生产方法不需要组装小型部件，所以在制造上更为便捷。而且，如果设计得当，连续体机构可以避免常见的疲劳问题，通过将应力分布在整个机构中，防止应力集中在弯曲部位。

在设计连续体机构时，我们从一个杆 - 节点框架的骨架开始，将杆和节点转换为加厚的构件和关节。引入厚度、长度和陡度系数等参数来完全定义模型。通过有限元分析模拟连续体机构的运动，并使用优化器调整设计参数，以在满足阈值应力标准的同时实现所需的运动。

2. 相关研究回顾

本文的设计方法与拓扑优化和Thomaszewski的方法有相似之处，但也存在明显的差异。
- 拓扑优化 ：拓扑优化是一类旨在同时确定结构拓扑（包括特征数量、大小和形状）的优化方法。例如，用于设计高刚度、低重量的杆 - 节点框架，或机翼的内部结构。然而，本文的方法从一个精确跟踪目标运动的数学计算杆 - 节点框架开始，因此形状优化更有可能从一个可行的设计开始，相比拓扑优化的通用初始体积，连续体机构的起始体积更有机会收敛到一个可行的可变形机构。
- Thomaszewski的方法 ：该方法的输入是一个刚性机构，输出是一个目标轨迹，传统的铰链被参数化的柔性弯曲所取代。而本文的方法