CN101799086A - 基于单个柔性双稳态机构的多稳态机构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械设备领域，涉及一种多稳态柔性机构，特别是基于单个柔性双稳态机构的多稳态机构设计方法，至少包括框架和框架内的柔性双稳态机构，柔性双稳态机构中的梭通过第一级连杆连接连杆滑块机构，所述的第一级导轨内的第一级滑块通过轴连接第二级连杆，第二级连杆的端部通过轴连接有第二级滑块，第二级滑块在第二级导轨内，第二级导轨方向与上述第一级导轨方向空间垂直，通过连杆滑块机构滑块移动到不同稳定位置，构成五级(个)稳态。它提供了一种能耗小、无需外力或摩擦作用、结构简单、造价低、稳定性好、易装配、重复精度高的基于单个柔性双稳态机构的多稳态机构设计方法。

Description

基于单个柔性双稳态机构的多稳态机构设计方法

技术领域

本发明属于机械设备领域，涉及一种多稳态柔性机构，特别是基于单个柔性双稳态机构的多稳态机构设计方法，可被用于开关、阀门、继电器等产品中。

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界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。

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、易装配、重复精度高的基于单个柔性双稳态机构的多稳态机构设计方法。

本发明的技术方案是：基于单个柔性双稳态机构的多稳态机构设计方法，至少包括框架和框架内的柔性双稳态机构，柔性双稳态机构中的梭通过第一级连杆连接第一级连杆滑块机构，第一级连杆滑块机构包括：第一级导轨、第一级导轨内的第一级滑块，第一级连杆与第一级滑块轴连接，第一级滑块带动连杆在第一级导轨内移动，使第一级滑块处在三个稳定的状态，第一稳定态是第一级连杆自然下垂，第一级滑块在第一级导轨的中间位置；第二个稳定态是第一级滑块在第一级导轨内移动到左端(或右端)的一个移定位置；第三个稳定态是第一级滑块在第一级导轨内移动到右端(或左端)的一个移定位置，其特征是：所述的第一级导轨内的第一级滑块通过轴连接第二级连杆滑块机构的第二级连杆，由第二级连杆另一端串联连接一级或多级连杆滑块机构构成多稳态机构。

所述的多稳态机构的稳态数目N_i＝2(M-1)+1，其中M是上一级连杆滑块机构确定的稳态数目，M初始值为3。

所述的第一级导轨是柔性双稳态机构框架下端位置的一个水平槽，水平槽与框架为一体结构。

所述的第一级导轨是柔性双稳态机构框架下端位置的一个水平槽，水平槽和其外框架与柔性双稳态机构框架为独立结构。

所述的柔性双稳态机构是线性双稳态柔性结构。

所述的连杆是刚性连杆，在运动中无弯曲扭转等变形，与滑块的连接为转动副。

所述的多稳态机构的稳态数目N通过改变最末级导轨的长度减少。

所述的相邻两级导轨的方向垂直，放置时相邻两级导轨可上可下(可左可右)。

本发明的工作过程及优点是：双稳态机构的第一级滑块通过第二级连杆串联连接一级或多级连杆滑块机构构成多稳态机构。多稳态机构的稳态数目N_i＝2(M-1)+1，其中M是上一级连杆滑块机构确定的稳态数目，M初始值为3，下标i为串联连接连杆滑块机构数。如，串联连接一级连杆滑块机构，此时，M＝3，则N₁＝5，也就是串接一级连杆滑块机构是，可使多稳态机构的稳态数目达到五个稳态机构。以此类推，串联连接二级连杆滑块机构，此时，M＝5，则N₂＝9，也就是串接二级连杆滑块机构是，可使多稳态机构的稳态数目达到九个稳态机构。并且可以通过改变末级导轨的长度来减少稳态的数目，可以根据需要组成任意稳态数目的多稳态机构。由于这种机构具有结构简单、造价低、稳定性好、易装配、重复精度高的特点，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、装配简易、造价低廉、结构对称等特点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明实施例1结构示意图(图1也是五稳态机构的第一稳定状态(加工初装配状态)；

图2是实施例1的第二稳定状态示意图；

图3是实施例1的第三稳定状态示意图；

图4是实施例1的第四稳定状态示意图(另一种加工初装配状态)；

图5是实施例1的第五稳定状态示意图；

图6是实施例2的结构示意图(图6也是九稳态机构的第一稳定状态示意图；

图7是实施例2的第二稳定状态示意图，图中双点划线表示连杆和滑块的稳态位置，与实线所画连杆滑块的稳态位置对称；

图8是实施例2的第三稳定状态示意图，图中双点划线表示连杆和滑块的稳态位置，与实线所画连杆滑块的稳态位置对称；

图9是实施例2的第四稳定状态示意图，图中双点划线表示连杆和滑块的稳态位置，与实线所画连杆滑块的稳态位置对称；

图10是实施例2的第五稳定状态示意图，图中双点划线表示连杆和滑块的稳态位置，与实线所画连杆滑块的稳态位置对称。

图中：1、框架；2、柔性双稳态机构；3、第一级连杆滑块机构；4、第二级连杆滑块机构；5、第三级连杆滑块机构；21、梭；31、第一级滑块；32、第一级连杆；33、第一级导轨；41、第二级滑块；42、第二级连杆；43、第二级导轨；51、第三级滑块；52、第三级连杆；53、第三级导轨。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，基于单个柔性双稳态机构的多稳态机构设计方法，至少包括框架1和框架1内的柔性双稳态机构2，柔性双稳态机构2中的梭21通过第一级连杆32连接有第一级连杆滑块机构3，第一级连杆滑块机构3包括：第一级导轨33、第一级导轨33内的第一级滑块31，第一级连杆32与第一级滑块31轴连接，第一级滑块31带动连杆在第一级导轨33内移动，可使第一级滑块31处在三个稳定的状态，第一稳定态是第一级连杆32自然下垂，第一级滑块31在第一级导轨33的中间位置；第二个稳定态是第一级滑块31在第一级导轨33内移动到左端(或右端)的一个移定位置；第三个稳定态是第一级滑块31在第一级导轨33内移动到右端(或左端)的一个移定位置，第一级导轨33内的第一级滑块31通过轴连接第二级连杆滑块机构4的第二级连杆42，第二级连杆42的端部通过轴连接有第二级滑块41，第二级滑块41在第二级导轨43内，第二级导轨43方向与上述第一级导轨33方向空间垂直，通过第一级滑块31在第一级导轨33内移动和第二级滑块41在第二级导轨43内移动构成五级(个)稳态。图1也是五稳态机构的第一稳定状态(加工初装配状态)。

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。

当第二级滑块41沿第二级导轨43从第一个稳态平衡位置(图1中第二级滑块41的位置)向上运动，第一级滑块31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；如果从第一个稳定平衡位置向下移动第二级滑块41，第一级滑块31将跳跃到另一个稳态平衡位置(图3)，继续向下移动第二级滑块41，第一级滑块31跳回初始稳定位置(第一级导轨33的中间位置)，而第二级滑块41跳到第四个稳定位置(图4)，再将第二级滑块41向下移动，第一级滑块31跳到第一级导轨33右侧的稳定位置，第二级滑块41跳到第五个稳定位置(图5)。

实施例1中有5个稳态机构或稳态数目也可通过如下公式得到求实，N_i＝2(M-1)+1，其中M是上一级连杆滑块机构确定的稳态数目，M初始值为3。如，串联连接一级连杆滑块机构，此时，M＝3，则N₁＝5，也就是串接一级连杆滑块机构是，可使多稳态机构的稳态数目达到五个稳态机构。

实施例2：

图6图10是九稳态机构，在五稳态机构的第二级导轨43下方放置第三级连杆滑块机构5的第三级导轨53，第三级导轨53方向与第二级导轨43垂直，第三级导轨53内的第三级滑块51通过第三级连杆52与第二级滑块41连接。图6中第二级滑块41在第二级导轨43最上方稳定位置，第三级滑块51在第三级导轨53的中间位置，也是第二级滑块41的运动路径轴线上，即在九稳态机构的稳定位置对称轴上；图7中第二级滑块41在第二稳定位置上，第三级滑块51在第三级导轨53上有两个稳定位置，实线所画为一个稳定位置，另外一个用双点划线表示，与实线所画位置对称；图8、图9和图10中第二级滑块41分别在第三、第四和第五稳定位置，实线与双点划线所画为此时第三级滑块51的两个对称的稳定位置。外力推动第三级滑块51在第三级导轨53内沿直线从左向右(或从右向左)移动时，第二级滑块41在第二级导轨43内的五个稳定位置间跳转，第三级滑块51可在第三级导轨53内的九个稳定位置上停留。框架1与第三级导轨53可以分开固定。

实施例1中有9个稳态机构或9个稳态数目也可通过公式：N_i＝2(M-1)+1，得到求实，其中M是上一级连杆滑块机构确定的稳态数目，M初始值为3。如，串联连接二级连杆滑块机构，此时，在一级连杆滑块机构时，M＝5，则N₂＝9，也就是串接二级连杆滑块机构时，可使多稳态机构的稳态数目达到九个稳态机构。本发明中多稳态机构的稳态数目N通过改变最末级导轨的长度减少，如将最末级导轨的长度减少，使末级滑块在末级导轨不会移动到左端或右端的一个稳定态，就能实现偶数稳定态的数量。

虽然本发明给出了两个实施例，实施例1是五稳态机构，实施例2是九稳态机构，但由实施例1和实施例2不难得出，由第二级连杆另一端串联连接多级连杆滑块机构可构成大于九稳态机构的17级、16级或更少的多稳态机构，10-16级需要将第四级导轨的长度减少来实现。

说明中如有9或九，5或五，则说明的是一回事。

从上述的实例可以清楚的知道柔性双稳态机构2是变形能存储的器件，借助其变形能存储滑块可以实现多个独立的位置上的稳定平衡，无需再施加外作用力使滑块停留。

需要说明的是上一级导轨和下一级导轨的方向垂直，也就是相邻两级导轨的方向垂直，放置时相邻两级导轨可上可下(可左可右)。

本发明中，双稳态机构是线性双稳态柔性结构。它的连杆是刚性连杆，在运动中无弯曲扭转等变形，与滑块的连接为转动副。下一级导轨可以在上一级导轨的上方或下方(左侧或右侧)放置，轴线与上一级导轨的轴线垂直。

Claims (8)

1.基于单个柔性双稳态机构的多稳态机构设计方法，至少包括框架(1)和框架(1)内的柔性双稳态机构(2)，柔性双稳态机构(2)中的梭(21)通过第一级连杆(32)连接有第一级连杆滑块机构(3)，第一级连杆滑块机构(3)包括：第一级导轨(33)、第一级导轨(33)内的第一级滑块(31)，第一级连杆(32)与第一级滑块(31)轴连接，第一级滑块(31)带动连杆在第一级导轨(33)内移动，使第一级滑块(31)处在三个稳定的状态，第一稳定态是第一级连杆(32)自然下垂，第一级滑块(31)在第一级导轨(33)的中间位置；第二个稳定态是第一级滑块(31)在第一级导轨(33)内移动到左端或右端的一个移定位置；第三个稳定态是第一级滑块(31)在第一级导轨(33)内移动到右端或左端的一个移定位置，其特征是：所述的第一级导轨(33)内的第一级滑块(31)通过轴连接第二级连杆滑块机构(4)的第二级连杆(42)，由第二级连杆(42)另一端串联连接一级或多级连杆滑块机构构成多稳态机构。

2.根据权利要求1所述的基于单个柔性双稳态机构的多稳态机构设计方法，其特征是：所述的多稳态机构的稳态数目N_i＝2(M-1)+1，其中M是上一级连杆滑块机构确定的稳态数目，M初始值为3。

3.根据权利要求1所述的基于单个柔性双稳态机构的多稳态机构设计方法，其特征是：所述的第一级导轨(33)是柔性双稳态机构(2)框架(1)下端位置的一个水平槽，水平槽与框架(1)为一体结构。

4.根据权利要求1所述的基于单个柔性双稳态机构的多稳态机构设计方法，其特征是：所述的第一级导轨(33)是柔性双稳态机构(2)框架下端位置的一个水平槽，水平槽和其外框架与柔性双稳态机构(2)框架为独立结构。

5.根据权利要求1所述的基于单个柔性双稳态机构的多稳态机构设计方法，其特征是：所述的柔性双稳态机构(2)是线性双稳态柔性结构。

6.根据权利要求1所述的基于单个柔性双稳态机构的多稳态机构设计方法，其特征是：所述的连杆是刚性连杆，在运动中无弯曲扭转等变形，与滑块的连接为转动副。

7.根据权利要求2所述的基于单个柔性双稳态机构的多稳态机构设计方法，其特征是：所述的多稳态机构的稳态数目N通过改变最末级导轨的长度减少。

8.根据权利要求1所述的基于单个柔性双稳态机构的多稳态机构设计方法，其特征是：所述的相邻两级导轨的方向垂直，放置时相邻两级导轨可上可下或可左可右。

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