CN101798053B - 一种全柔性五稳态机构及五稳态机构的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于柔性机构领域，涉及一种全柔性五稳态机构及五稳态机构的实现方法，一种全柔性五稳态机构，其特征是：包括双稳态机构，第一级柔性固定导向机构和第二级柔性固定导向机构；第二级柔性固定导向机构借助第一级柔性固定导向机构和双稳态机构存储的弹性势能使第二级导向块在五个独立位置上稳定平衡；依据全柔性五稳态机构形成五稳态机构的实现方法。它能耗小、无需外力或摩擦作用、结构简单、造价低、稳定性好、不需要装配、重复精度高。

Description

一种全柔性五稳态机构及五稳态机构的实现方法

技术领域

本发明属于柔性机构领域，涉及一种全柔性五稳态机构及五稳态机构的实现方法，可被用于开关、阀门、继电器、定位装置、可重构装备等产品中。

背景技术

自适应系统及其他一些领域常用到具有多个稳定位置的多稳态机构。传统的自适应系统通过施加外作用力或摩擦力来使系统保留在需要的稳定位置，施加外力的系统需要的能量大，采用摩擦的系统会有损耗进而降低系统的效率并可能最终导致系统失效。所以需要有不依靠外作用力或摩擦就可以保留在另外一个或多个稳定位置的机构来取代传统的机构。

现有的一些多稳态机构为部分柔性机构，装配和摩擦的问题依然存在，全柔性机构不需要装配且工作过程中没有摩擦，损耗更小。

发明内容

本发明的目的是提供一种能耗小、无需外力或摩擦作用、结构简单、造价低、稳定性好、不需要装配、重复精度高的一种全柔性五稳态机构及五稳态机构的实现方法。

本发明的技术方案是：一种全柔性五稳态机构，其特征是：包括双稳态机构，第一级柔性固定导向机构和第二级柔性固定导向机构；双稳态机构的左右两端固定，双稳态机构的梭和第一级柔性固定导向机构的一端连接，第一级柔性固定导向机构的另一端固定，第一级柔性固定导向机构的第一级导向块与第二级柔性固定导向机构的一端连接，第二级柔性固定导向机构的另一端固定；第二级柔性固定导向机构借助第一级柔性固定导向机构和双稳态机构存储的弹性势能使第二级导向块在五个独立位置上稳定平衡。

所述的双稳态机构是双稳态柔性机构。

所述的第一级柔性固定导向机构包括：第一级导向块、四组柔性梁，在第一级导向块的上、下两端各连接两组柔性梁，每组柔性梁包括第一柔性梁上段、第一柔性梁中段和第一柔性梁下段，第一柔性梁下段与第一柔性梁上段相同，其轴线与第一级导向块的水平轴线有小于90度夹角，第一级导向块上方的柔性梁最上端与双稳态机构的梭连接，第一级导向块下方的柔性梁最下端固定，第一级导向块有三个稳定平衡位置。

所述的第一级导向块的右端连接有第二级柔性固定导向机构。

所述的第二级柔性固定导向机构的中间有第二级导向块，第二级导向块的左右两端各有两组柔性梁，每组柔性梁分第二柔性梁的左段、第二柔性梁的中段和第二柔性梁的右段，第二柔性梁的右段与第二柔性梁的左段相同，这四组柔性梁轴线是水平的，第二级导向块左侧的柔性梁的最左端与第一级导向块连接，第二级导向块右侧的柔性梁的最右端固定。

所述的第一级柔性固定导向机构中的第一柔性梁中段和第二级柔性固定导向机构中的第二柔性梁的中段的长度和宽度大于第一柔性梁上段、第一柔性梁下段、第二柔性梁的左段、第二柔性梁的右段两倍以上。

所述的第一级柔性固定导向机构中的第一柔性梁中段和第二级柔性固定导向机构中的第二柔性梁的中段为在运动中不会发生变形的刚性梁。

一种全柔性五稳态机构的实现方法，其方法是：第一级导向块在双稳态机构的梭竖直轴线的左侧，第二级柔性固定导向机构水平放置构成第一稳定状态，当第二级导向块从第一个稳态平衡位置向上运动，其左侧的柔性梁拉动第一级导向块向右运动，第一级导向块上方的柔性梁变形并推动双稳态机构的梭向上运动，梭将在经过一个非稳态平衡位置后跳跃到第二个稳态位置，第二级导向块停留在其初始位置上方的一个稳定平衡位置；

如果继续向上移动第二级导向块，柔性梁拉动梭跳回到第一个稳态平衡位置，第一级导向块停留在其第二稳定平衡位置右侧的一个稳定平衡位置，第二级导向块停留在其第二稳定平衡位置上方的一个稳定平衡位置，形成第三个稳态位置；

向下移动第二级导向块时，梭、第一级导向块和柔性梁的运动过程和第二级导向块向上移动时的情况相同，第一级导向块先跳转到其第二个稳定位置，第二级导向块跳到第四个稳定位置；

再将第二级导向块向下移动，第一级导向块跳到右侧的第三个稳定位置，第二级导向块跳到第五个稳定位置。

本发明的工作过程及优点是：第二级柔性固定导向机构的第二级导向块有五个稳定位置，对应着本发明的五个稳定状态；初始状态，第二级导向块在加工位置（即左侧位置），第二级导向块受力向上移动时，左侧的两组柔性梁拉动柔性固定-导向机构的第一级导向块向右移动，第一级导向块上端的两组柔性梁推动双稳态机构的梭向上移动，双稳态机构经过一个非稳态平衡位置后该双稳态机构将释放弹性势能并输出力拉动柔性梁和第一级导向块继续向右移动，直到双稳态机构跳跃到第二个稳态位置（此位置是机构中存储的弹性势能的一个局部极小值点，无需外力机构就可以保持在此稳定位置），第一级导向块达到其第二个稳定平衡位置，第二级导向块也到达其上方的一个稳定平衡位置；继续推动第二级导向块向上移动，第二级导向块左侧的两组柔性梁变形并继续拉动第一级导向块向右移动，第一级导向块移到梭竖直轴线的右侧，第一级导向块上方的两组柔性梁会拉动双稳态机构的梭向下运动，将梭拉回其初始稳定位置，同时第一级导向块停留在其第三个稳定平衡位置（在其第二个稳定位置的右方），第二级导向块到达其最上方的稳定平衡位置；同理，如果在加工状态（初始状态）第二级导向块受力向下移动，则其左侧的两组柔性梁还将拉动第一级导向块向右运动，第一级导向块（此时位于梭的竖直轴线左侧）上方的两组柔性梁推动双稳态机构的梭向上跳转到其第二稳定平衡位置，第一级导向块将跳跃到第二个稳态平衡位置，第二级导向块可到达下方的第一个稳定平衡位置；如果第二级导向块继续向下移动，其左侧的两组柔性梁拉动第一级导向块向右移动，第一级导向块上方的两组柔性梁拉动双稳态机构的梭跳回初始稳定位置，第一级导向块已移到梭竖直轴线的右侧并停留在其第三个稳定平衡位置，第二级导向块到达最下方的稳定平衡位置。

由于该机构有五个稳定平衡位置，并且这五个位置中有四个是以第一个位置为轴对称的，可用于多路开关、多路阀门以及双向加速度传感器等的设计，且具有零件数目少、无需装配、无摩擦、造价低廉、结构对称等特点。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明设计的五稳态机构结构示意图，处在第一稳定状态（加工初始状态）；

图2是五稳态机构的第二稳定状态示意图；

图3是五稳态机构的第三稳定状态示意图；

图4是五稳态机构的第四稳定状态示意图（第二级导向块31的稳定位置与其第二个稳定位置对称）；

图5是五稳态机构的第五稳定状态示意图（第二级导向块31的稳定位置与其第三个稳定位置对称）。

图中：1、双稳态机构；2、第一级柔性固定导向机构；3、第二级柔性固定导向机构；11、梭；21、第一级导向块；22、第一柔性梁上段；23、第一柔性梁中段；24、第一柔性梁下段；31、第二级导向块；32、第二柔性梁的左段；33、第二柔性梁的中段；34、第二柔性梁的右段。

具体实施方式：

双稳态机构1的梭11可提供向上的直线运动和向下的直线运动形成两种状态，也就是梭11有两个稳定平衡位置，图1是初始加工好的一种稳定平衡状态，梭11位于初始位置的下方；第一级导向块21在双稳态机构1的梭11竖直轴线的左侧，双稳态机构1左右两端固定，第二级柔性固定导向机构3水平放置构成第一稳定状态。

在双稳态机构1的梭11下端连接有第一级柔性固定导向机构2，在第一级柔性固定导向机构2的中间有第一级导向块21，第一级导向块21在双稳态机构1的梭11竖直轴线的左侧，第一级导向块21上下各有两组柔性梁，每组柔性梁分第一柔性梁上段22、第一柔性梁中段23和第一柔性梁下段24，第一柔性梁下段24与第一柔性梁上段22相同，其轴线与第一级导向块21的水平轴线有夹角（夹角小于90度），第一级导向块21上方的柔性梁最上端与双稳态机构1的梭11连接，第一级导向块21下方的柔性梁最下端固定，第一级导向块21有三个稳定平衡位置，第二、第三稳定平衡位置在第一平衡位置（即初始加工位置）的右侧。

第一级导向块21的右端连接有第二级柔性固定导向机构3，第二级柔性固定导向机构3的中间有第二级导向块31，第二级导向块31的左右两端各有两组柔性梁，每组柔性梁分第二柔性梁的左段32、第二柔性梁的中段33和第二柔性梁的右段34，第二柔性梁的右段34与第二柔性梁的左段32相同，这四组柔性梁轴线是水平的，第二级导向块31左侧的柔性梁的最左端与第一级导向块21连接，第二级导向块31右侧的柔性梁的最右端固定。

图中的双稳态机构1由于已在美国专利中公开（美国专利7075209B2）,因此本发明对此不做过多描述。

第二级导向块31的运动方向与双稳态机构1的运动方向相同，与第一级导向块21的运动方向垂直；第一级导向块21通过柔性梁与双稳态机构1的梭11连接，第一级导向块21向右运动，依靠双稳态机构1存储的弹性势能实现在三个独立位置上的稳定平衡，第二级柔性固定导向机构3借助第一级柔性固定导向机构2和双稳态机构1使第二级导向块31实现在五个独立位置上的稳定平衡。第二级导向块31受力向上或向下运动时，其左侧的两组柔性梁拉动第一级导向块21向右运动，第一级导向块21在其三个稳定平衡位置上停留时，第二级导向块31可在五个位置上稳定停留，且这五个位置是关于初始位置的水平轴线对称的。

第一级柔性固定导向机构2中的第一柔性梁中段23和第二级柔性固定导向机构3中的第二柔性梁的中段33的长度和宽度大于第一柔性梁上段22、第一柔性梁下段24、第二柔性梁的左段32、第二柔性梁的右段34两倍以上。第一级柔性固定导向机构2中的第一柔性梁中段23和第二级柔性固定导向机构3中的第二柔性梁的中段33可视为刚性梁，在运动中不会发生变形。柔性梁也可以是某种能起到弯曲变形和连接作用的其它柔性结构形式（例如柔性铰链）。

本发明的工作状态可结合图1、图2、图3、图4和图5一起说明。

当第二级导向块31从第一个稳态平衡位置（图1中第二级导向块31的位置）向上运动，其左侧的柔性梁拉动第一级导向块21向右运动，第一级导向块21上方的柔性梁变形并推动双稳态机构1的梭11向上运动，梭11将在经过一个非稳态平衡位置后跳跃到第二个稳态位置（见图2，此位置是机构中存储的弹性势能的一个局部极小值点，无需施加外力机构就可以保持在此稳定位置）。同时第一级导向块21停留在其初始位置右侧的一个稳定平衡位置，第二级导向块31停留在其初始位置上方的一个稳定平衡位置。

如果继续向上移动第二级导向块31，柔性梁拉动梭11跳回到第一个稳态平衡位置，第一级导向块21停留在其第二稳定平衡位置右侧的一个稳定平衡位置，第二级导向块31停留在其第二稳定平衡位置上方的一个稳定平衡位置，如图3所示。

向下移动第二级导向块31时，梭11、第一级导向块21和柔性梁的运动过程和第二级导向块31向上移动时的情况相同，第一级导向块21先跳转到其第二个稳定位置，第二级导向块31跳到第四个稳定位置（图4）。

再将第二级导向块31向下移动，第一级导向块21跳到右侧的第三个稳定位置，第二级导向块31跳到第五个稳定位置（图5）。

从上述的实例可以清楚的知道双稳态机构1是变形能存储的器件，借助其变形能存储导向块可以实现第二级导向块31在五个独立的位置上的稳定平衡，无需再施加外作用力使导向块停留。

Claims (8)

1.一种全柔性五稳态机构，其特征是：包括双稳态机构（1），第一级柔性固定导向机构（2）和第二级柔性固定导向机构（3）；双稳态机构（1）的左右两端固定，双稳态机构（1）的梭（11）和第一级柔性固定导向机构（2）的一端连接，第一级柔性固定导向机构（2）的另一端固定，第一级柔性固定导向机构（2）的第一级导向块（21）与第二级柔性固定导向机构（3）的一端连接，第二级柔性固定导向机构（3）的另一端固定；第二级柔性固定导向机构（3）借助第一级柔性固定导向机构（2）和双稳态机构（1）存储的弹性势能使第二级导向块（31）在五个独立位置上稳定平衡。

2.根据权利要求1所述的一种全柔性五稳态机构，其特征是：所述的双稳态机构（1）是双稳态柔性机构。

3.根据权利要求1所述的一种全柔性五稳态机构，其特征是：所述的第一级柔性固定导向机构（2）包括：第一级导向块（21）、四组柔性梁，在第一级导向块（21）的上、下两端各连接两组柔性梁，每组柔性梁包括第一柔性梁上段（22）、第一柔性梁中段（23）和第一柔性梁下段（24），第一柔性梁下段（24）与第一柔性梁上段（22）相同，其轴线与第一级导向块（21）的水平轴线有小于90度夹角，第一级导向块（21）上方的柔性梁最上端与双稳态机构（1）的梭（11）连接，第一级导向块（21）下方的柔性梁最下端固定，第一级导向块（21）有三个稳定平衡位置。

4.根据权利要求1所述的一种全柔性五稳态机构，其特征是：所述的第一级导向块（21）的右端连接有第二级柔性固定导向机构（3）。

5.根据权利要求1所述的一种全柔性五稳态机构，其特征是：所述的第二级柔性固定导向机构（3）的中间有第二级导向块（31），第二级导向块（31）的左右两端各有两组柔性梁，每组柔性梁分第二柔性梁的左段（32）、第二柔性梁的中段（33）和第二柔性梁的右段（34），第二柔性梁的右段（34）与第二柔性梁的左段（32）相同，这四组柔性梁轴线是水平的，第二级导向块（31）左侧的柔性梁的最左端与第一级导向块（21）连接，第二级导向块（31）右侧的柔性梁的最右端固定。

6.根据权利要求1所述的一种全柔性五稳态机构，其特征是：第一级柔性固定导向机构（2）中的第一柔性梁中段（23）和第二级柔性固定导向机构（3）中的第二柔性梁的中段（33）的长度和宽度大于第一柔性梁上段（22）、第一柔性梁下段（24）、第二柔性梁的左段（32）、第二柔性梁的右段（34）的长度和宽度的两倍。

7.根据权利要求1所述的一种全柔性五稳态机构，其特征是：所述的第一级柔性固定导向机构（2）中的第一柔性梁中段（23）和第二级柔性固定导向机构（3）中的第二柔性梁的中段（33）为在运动中不会发生变形的刚性梁。

8.一种全柔性五稳态机构的实现方法，其方法是：第一级导向块（21）在双稳态机构（1）的梭（11）竖直轴线的左侧，第二级柔性固定导向机构（3）水平放置构成第一稳定状态，当第二级导向块（31）从第一个稳态平衡位置向上运动，其左侧的柔性梁拉动第一级导向块（21）向右运动，第一级导向块（21）上方的柔性梁变形并推动双稳态机构（1）的梭（11）向上运动，梭（11）将在经过一个非稳态平衡位置后跳跃到第二个稳态位置，第二级导向块（31）停留在其初始位置上方的一个稳定平衡位置；

如果继续向上移动第二级导向块（31），柔性梁拉动梭（11）跳回到第一个稳态平衡位置，第一级导向块（21）停留在其第二稳定平衡位置右侧的一个稳定平衡位置，第二级导向块（31）停留在其第二稳定平衡位置上方的一个稳定平衡位置，形成第三个稳态位置；

向下移动第二级导向块（31）时，梭（11）、第一级导向块（21）和柔性梁的运动过程和第二级导向块（31）向上移动时的情况相同，第一级导向块（21）先跳转到其第二个稳定位置，第二级导向块（31）跳到第四个稳定位置；

再将第二级导向块（31）向下移动，第一级导向块（21）跳到右侧的第三个稳定位置，第二级导向块（31）跳到第五个稳定位置。

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