基于负刚度解耦的柔性驱动平台性能优化方法及其在快速控制反射镜中的应用

为解决柔性驱动平台模态频率耦合问题，研究人员创新性地提出基于负刚度特性的柔性机构设计方法，首次研制出负刚度快速控制反射镜(FSM)。该设计实现了工作方向刚度降低(增大工作范围)与非工作方向约束刚度提升的双重效果，闭环控制带宽达213.1 Hz，为柔性机构性能优化提供了新思路。

　　

在精密光学领域，快速控制反射镜(Fast Steering Mirror, FSM)作为光束指向控制的核心部件，其性能直接影响激光通信、光学跟踪等系统的精度。传统FSM依赖柔性铰链(flexible hinge)实现微角度偏转，但这类柔性机构存在固有刚度耦合特性：当通过减薄铰链厚度(如从t₁降至t₂)来增大工作角度θ时，会同步增大寄生位移Δy。这种跨方向刚度耦合导致模态频率相互制约——降低一阶模态频率以扩大工作范围时，会连带降低二阶模态频率，引发带宽受限(213.1 Hz)、指向精度下降等连锁问题，成为制约高精度FSM发展的瓶颈。

中国科学院光电技术研究所的研究团队在《Sensors and Actuators A: Physical》发表创新研究，提出基于负刚度(negative stiffness)解耦的柔性机构设计方法。通过将屈曲态负刚度机构与传统柔性支撑并联，首次实现FSM一阶模态频率降低(增大行程)与二阶模态频率提升(提高带宽)的协同优化。关键技术包括：1) 建立负刚度机构力学模型；2) 设计X/Y轴推挽式音圈电机驱动结构；3) 采用涡流传感器实现90°相位差位移检测；4) 通过电火花加工(EDM)制备复杂薄壁梁结构。

【基本结构和工作原理】
FSM原型包含120 mm直径镜片、负刚度柔性铰链和音圈电机组成的推挽结构。当机构进入屈曲状态时，特定自由度呈现负刚度特性，与传统柔性支撑并联后形成刚度互补，突破传统设计刚度耦合限制。

【FSM结构与工作原理】
实验采用四组涡流传感器测量Z轴位移，验证负刚度机构可使工作方向刚度降低40%，非工作方向约束刚度提升2倍。音圈电机产生的推力F与电流I呈线性关系(F=k_mI)，通过控制电流实现镜面±5°偏转。

【实验与结果】
原型测试显示：一阶模态频率从320 Hz降至280 Hz(增大行程15%)，二阶模态频率反升至850 Hz(提升22%)。闭环控制实验采用PID算法，带宽达213.1 Hz，较传统结构提升35%。工作范围测试表明，负刚度设计使最大偏转角从±3°扩展至±5°。

【结论与分析】
该研究首次将负刚度原理应用于柔性机构解耦设计，突破传统FSM行程与带宽的矛盾关系。创新点在于：1) 通过负刚度实现跨自由度刚度独立调控；2) 建立屈曲态机构动力学模型；3) 验证负刚度对模态频率的解耦效应。这项成果为高精度光学仪器设计提供了新范式，在空间激光通信等领域具有重要应用价值。