Analytical Models for Large Displacement Behavior of Elliptical Flexure Joints

Flexure mechanisms, also known as compliant mechanisms, provide guided motion via elastic deformation. Their ability to produce repeatable and precise frictionless motion makes them a common choice in precision positioning devices, frictionless bearings, biomedical devices and prosthetics. Traditionally, design of fexure mechanisms has been conducted in an intuitive manner using simplistic linear models. For fexure mechanisms where nonlinear efects that contribute to error motions and stifness variations are present, designers have had to use computational methods such as fnite elements modeling, which provides relatively limited design insight. This dissertation aims to create simple analytical models that capture nonlinear efects in closed form, so that the parametric variation of various performance attributes in fexure mechanisms can be easily studied. As a result, several complex mechanisms could be analyzed accurately without resorting to computational and numerical techniques or restricting the loading conditions. Given the generality of the proposed analytical models, the latter can be used in the future for optimization of fexure mechanisms in terms of shape,type and number of fexure joints as well as their spatial arrangement. Furthermore, this work can provide a foundation for a new nonlinear constraint based synthesis approach.

I meccanismi flexure, noti anche come compliant mechanisms, forniscono un movimento guidato tramite deformazione elastica. La loro capacità di produrre un movimento ripetibile/preciso senza attrito li rende una scelta comune nei dispositivi di posizionamento di precisione, cuscinetti senza attrito, dispositivi biomedici e protesi. Tradizionalmente, la progettazione di meccanismi a flessione è stata condotta in modo intuitivo, utilizzando modelli lineari semplicistici. Per i meccanismi a flessione in cui sono presenti effetti non lineari che contribuiscono ai movimenti di errore e alle variazioni di rigidità, i progettisti hanno dovuto utilizzare metodi computazionali come la modellazione a elementi finiti, che fornisce una visione relativamente limitata della progettazione. Questa tesi mira a creare un modello che catturi gli effetti non lineari in modo semplice e chiuso, in modo da poter studiare facilmente la variazione parametrica di vari attributi prestazionali nei meccanismi a flessione. Di conseguenza, diversi meccanismi complessi potrebbero essere analizzati accuratamente senza ricorrere a tecniche computazionali/numeriche o limitare le condizioni di carico. Data la generalità dei modelli analitici degli elementi flexure, questa formulazione può essere utilizzata in futuro per l'ottimizzazione dei meccanismi di flessione. Questa formulazione può essere utilizzata in futuro per l'ottimizzazione dei meccanismi di flessione in termini di forma/tipo/numero degli elementi di flessione e della loro disposizione spaziale. Inoltre, questo lavoro può fornire una base per un nuovo approccio di sintesi basato su vincoli non lineari. ​