CN101837947B

CN101837947B - 基于单个双稳态机构及其外特性的多稳态机构实现方法

Info

Publication number: CN101837947B
Application number: CN2010101720177A
Authority: CN
Inventors: 陈贵敏; 勾燕洁; 刘小院
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2010-05-14
Filing date: 2010-05-14
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2030-05-14
Also published as: CN101837947A

Abstract

本发明属于柔性机构领域，涉及一种基于单个双稳态机构及其外特性的多稳态机构实现方法，包括框架和框架内的柔性双稳态机构，柔性双稳态机构的左右两端固定在框架内，其特征是：平行于柔性双稳态机构水平轴线有连杆滑块机构，连杆滑块机构包括导轨、滑块和连杆，滑块在导轨内，下一级连杆滑块机构导轨与相邻的上一级连杆滑块机构导轨相互垂直，第一级连杆滑块机构的连杆连接柔性双稳态机构的梭，通过每一级连杆滑块机构导轨内滑块的移动和柔性双稳态机构的梭的上下位置变化，使最后一级滑块形成N=2^M+1数目的稳态位置，其中M是连杆滑块机构的数目，M最小值为1。它依靠柔性双稳态机构存储的弹性势能来保留稳定状态，不需外力的持续作用。

Description

基于单个双稳态机构及其外特性的多稳态机构实现方法

技术领域

本发明属于柔性机构领域，涉及一种基于单个双稳态机构及其外特性的多稳态机构实现方法，具有能耗小、结构简单、造价低、装配成本低等特点，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双稳态机构及其外特性的多稳态机构实现方法。

本发明的技术方案是：基于单个双稳态机构及其外特性的多稳态机构实现方法，至少包括框架和框架内的柔性双稳态机构，柔性双稳态机构的左右两端固定在框架内，其特征是：平行于柔性双稳态机构水平轴线有连杆滑块机构，连杆滑块机构包括导轨、滑块和连杆，滑块在导轨内，下一级连杆滑块机构导轨与相邻的上一级连杆滑块机构导轨相互垂直，第一级连杆滑块机构的连杆连接柔性双稳态机构的梭，通过每一级连杆滑块机构导轨内滑块的移动和柔性双稳态机构的梭的上下位置变化，使最后一级滑块形成N=2^M+1数目的稳态位置，其中M是连杆滑块机构的数目，M最小值为1。

所述的导轨是柔性双稳态机构的框架下端位置的一个水平槽，水平槽与框架为一体或独立结构。

所述的连杆是刚性连杆，在运动中无弯曲扭转等变形，与滑块和梭的连接为转动副。

所述的柔性双稳态机构是线性双稳态柔性机构。

所述的最后一级滑块稳定位置在一条直线上，并且与上一级滑块的运动直线对称，第一级滑块的稳定位置与梭的运动直线对称。

所述的连杆的有效长度等于连杆的两个铰接点之间的距离。

所述的最后一级滑块的稳态数目N通过改变最末级导轨的长度减少。

所述的最后一级滑块的稳态数目N通过改变连杆的有效长度减少。

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。

所述的多稳态机构的稳态数目N通过改变连杆的有效长度减少。

本发明的工作过程及优点是：双稳态机构的梭通过第一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=2^M+1，其中M是连杆滑块机构的数目，M最小值为1。例如，串联连接一级连杆滑块机构,此时,M=1,则N=4,也就是串接一级连杆滑块机构可得到四稳态机构。依此类推，串联连接二级连杆滑块机构时,M=2,则N=8,也就是串接二级连杆滑块机构是,可得到八稳态机构。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，比如八稳态机构中，最后一个导轨的长度减小一些，使滑块不能达到最下端或最上端的稳定位置，就可以实现一个七稳态机构。也可以通过改变连杆的有效长度来改变稳定位置的数目，例如，使第一级连杆的有效长度等于双稳态机构的梭到第一级导轨轴线的距离，此时第一级滑块在双稳态机构梭的正下方，即不利用双稳态机构的外特性，可以得到三稳态机构；第一级连杆利用双稳态机构的外特性得到四稳态机构，同时使第二级连杆的有效长度等于第一级滑块最左端稳定位置到第二级导轨轴线的距离，即在第二级连杆滑块机构中不利用双稳态机构的外特性，可以得到七稳态机构。

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也是四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的双稳态机构外特性示意图；

图4是实施例1的第三稳定状态示意图（另一种加工初装配状态）；

图5是实施例1的第四稳定状态示意图；

图6是实施例2的结构示意图（图6也是八稳态机构的第一稳定状态示意图（加工初装配状态）），图中双点划线的连杆和滑块处于第八稳定位置，与实线所画连杆滑块的稳定位置对称；

图7是实施例2的第二稳定状态示意图，图中双点划线的连杆和滑块处于第七稳定位置，与实线所画连杆滑块的稳定位置对称；

图8是实施例2的第三稳定状态示意图，图中双点划线的连杆和滑块处于第六稳定位置，与实线所画连杆滑块的稳定位置对称，虚线所画连杆和滑块是从第二稳定位置移向第三稳定位置途中利用双稳态机构外特性时的连杆滑块位置；

图9是实施例2的第四稳定状态示意图，图中双点划线的连杆和滑块处于第五稳定位置，与实线所画连杆滑块的稳定位置对称；

图10是实施例2的外特性示意图。

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；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。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，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的左右两端固定在框架1内，平行于柔性双稳态机构2水平轴线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、第一级滑块31和第一级连杆32，第一级滑块31在第一级导轨33内，第一级滑块31和柔性双稳态机构2的梭21分别通过轴连接第一级连杆32；第一级导轨33中的第一级滑块31放置在梭21右下方或左下方的位置构成第一初始稳定态。通过梭21和第一级滑块31的位置变化，柔性双稳态机构2和一级连杆滑块机构形成四稳态机构。其具体实现或工作状态可结合图1、图2、图3、图4和图5一起说明。

第一级滑块31在导轨内从初始位置（图1中第一级滑块31的位置）向右运动时，第一级连杆32拉动柔性双稳态机构2的梭21向下运动，柔性双稳态机构2的梭21在经过一个非稳定平衡位置后跳跃到第二个稳定位置，此位置是双稳态机构中存储的弹性势能的一个局部极小值点构成的稳定位置，该位置在梭21的初始稳定位置的正下方，此时第一级滑块31可以稳定地停留在最右侧的第二稳定位置上（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）。

当第一级滑块31在导轨内从初始位置向左运动时，由于第一级连杆32的有效长度大于双稳态机构梭21到第一级导轨33水平中心线的距离，第一级连杆32会推动柔性双稳态机构2的梭21向上移动，此时柔性双稳态机构2中的柔性梁可有微小的变形，允许第一级连杆32能到达与第一级导轨33垂直的位置，如图3所示（虚线所画滑块和连杆的位置是其第一稳定位置），继续使第一级滑块31通过梭21的正下方向左移动，变形后的柔性双稳态机构2的梭21向下回弹至初始稳定位置，第一级滑块31到达梭21左侧的第三稳定位置，如图4所示，此位置也可以是另一个加工初装配位置。

从第三稳定位置继续推动第一级滑块31向左移动，第一级连杆32拉动柔性双稳态机构2的梭21向下运动，柔性双稳态机构2的梭21在经过一个非稳定平衡位置后跳跃到第二个稳定位置，第一级滑块31可以稳定地停留在最左侧的第四稳定位置上，如图5所示。第一、第二和第三、第四稳态位置是一种对称的结构。

实施例2

如图6所示，与图1的结构不同，实施例2是在第一级导轨33的右方（也可以是左方）有垂直固定的第二级导轨43，第二级导轨43内有第二级滑块41，第二级导轨43内的第二级滑块41和第一级导轨33内的第一级滑块31分别通过轴连接有第二级连杆42，使第二级滑块41在第二级导轨43内放置在第一级滑块31的水平轴线偏下（或偏上）的位置构成滑块41的一个初始稳定态（第一稳定位置）。同样通过梭21和第一级滑块31的位置变化以及第二级滑块41的位置变化，柔性双稳态机构2、第一级连杆滑块机构和第二级连杆滑块机构形成更多的稳态。其具体实现或工作状态可结合结合图6、图7、图8、图9和图10一起说明。

如图6所示，第二级滑块41从初始稳定位置向下移动时，第二级连杆42拉动第一级滑块31在第一级导轨33内向右移动，第一级滑块31被拉到其在第一级导轨33最右侧的第二稳定位置，第二级滑块41由于第二级连杆42的长度限制停留在第二级导轨43最下侧的第二稳定位置（图7中实线所画滑块和连杆的位置）。

第二级滑块41从初始稳定位置（图8中双点划线所示无阴影滑块位置，与图6的第一稳定位置相同）向上移动时，第二级连杆42推动第一级滑块31向左滑块，利用柔性双稳态机构2的外特性（图8中点线所示双稳态机构及连杆滑块机构的位置），第一级滑块31被推到其在第一级导轨33偏左侧的第三稳定位置，由于第二级连杆42长度限制，第二级滑块41停留在第二级导轨43偏下侧的第三稳定位置上。

图9中的第二级滑块41从第三稳定位置向上移动时，第二级连杆42推动第一级滑块31从其第三稳定位置向左滑动，第一级滑块31滑动至其在第一级导轨33内最左侧的第四稳定位置，第二级滑块41可稳定停留在第二级导轨43偏下侧的第四稳定位置（图9中实线所画滑块和连杆的位置）。

从图9的第四稳定位置继续向上移动第二级滑块41，第二级连杆42推动第一级滑块31从第四稳定位置再向左移，由于第二级连杆42的有效长度大于第一级滑块31第四稳定位置到第二级导轨43竖直轴线的距离，柔性双稳态机构2的柔性梁会产生微小拉伸变形，允许第二级连杆42到达与第二级导轨43垂直的位置（图10中实线所画滑块和连杆的位置，也即图9中点线所画滑块和连杆的位置），使第二级滑块41通过第一级滑块31的右方向上滑动，变形后的柔性双稳态机构2回弹至其第二稳定位置，将第一级滑块31拉回其第四稳定位置，此时第二级滑块41已在第一级滑块31的水平轴线上方，由于第二级连杆42的长度限制，稳定停留在第二级导轨43偏上侧的第五稳定位置（图9中双点划线所画滑块和连杆的位置），第五稳定位置与第四稳定位置是关于第一级滑块31的水平轴线对称的位置。

继续向上移动第二级滑块41，第二级连杆42拉动第一级滑块31向右滑动回其第三稳定位置，第二级滑块41停留在其第五稳定位置上方的第六稳定位置（图8中双点划线所画滑块和连杆的位置），该稳定位置与第三稳定位置关于第一级滑块31的水平轴线对称。

继续向上移动第二级滑块41，第二级连杆42拉动第一级滑块31向右滑动回其第二稳定位置，第二级滑块41停留在其第六稳定位置上方的第七稳定位置（图7中双点划线所画滑块和连杆的位置），该稳定位置与第二稳定位置关于第一级滑块31的水平轴线对称。

再向上移动第二级滑块41，第二级连杆42拉动第一级滑块31向右滑动回其第一稳定位置，第二级滑块41停留在其最上方的第八稳定位置（图6中双点划线所画滑块和连杆的位置），该稳定位置与第一稳定位置关于第一级滑块31的水平轴线对称；第二级滑块41有八个稳态位置。

通过上面的两个实施例不难总结出：下一级连杆滑块机构与相邻的上一级连杆滑块机构相互垂直，第一级连杆滑块机构的第一级连杆32通过轴连接柔性双稳态机构2的梭21和第一级连杆滑块机构的第一级滑块31，通过每一级连杆滑块机构导轨内的滑块移动和柔性双稳态机构2的梭21的上下位置变化，使最后一级滑块形成N=2^M+1数目的稳态位置，其中M是连杆滑块机构的数目，M最小值为1。在实施例1中，M=1。在实施例2中，M=2。由于对本发明的思想通过两个实施例的说明已清楚表达，因此，更大数值的M实施方案不再过多说明。

本发明中，只在图1和图6中给出标号，其它图虽未给出标号，但通过对照图1和图6可以清楚完整说明其它图所表达的意思。

第一级导轨33是柔性双稳态机构2的框架1下端位置的一个水平槽，水平槽与框架1为一体结构或为独立结构。连杆是刚性连杆，在运动中无弯曲扭转等变形，与滑块和梭的连接为转动副。而柔性双稳态机构2是线性双稳态柔性机构。图中的柔性双稳态机构2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。

最后一级滑块的稳定位置在一条直线上或稳定在最后一级连杆滑块机构的导轨内，并且与上一级滑块的运动直线对称，第一级滑块的稳定位置与梭的运动直线对称。稳态机构的稳态数目N通过改变最末级导轨的长度或改变连杆的有效长度减少。相邻两级导轨的方向垂直，放置时次级导轨可上可下（可左可右）。

本发明中连杆的有效长度等于连杆的两个铰接点之间的距离。

框架1起支撑固定作用，第一级导轨33、第二级导轨43用于限制滑块的运动。框架与导轨可以固定为一体，也可以分开。它们也可以是某种能起到固定和限制运动作用的其它结构形式。

在双稳态机构上添加连杆滑块机构并利用双稳态机构的外特性可以构成多稳态机构，上述实例为四稳态和八稳态机构；如果继续添加连杆滑块机构，可以增加机构的稳定位置。

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在N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。

Claims

1.一种基于单个双稳态机构及其外特性的多稳态机构实现方法，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）的左右两端固定在框架（1）内，其特征是：平行于柔性双稳态机构（2）水平轴线有连杆滑块机构，连杆滑块机构包括导轨、滑块和连杆，滑块在导轨内，下一级连杆滑块机构导轨与相邻的上一级连杆滑块机构导轨相互垂直，第一级连杆滑块机构的连杆连接柔性双稳态机构（2）的梭（21），通过每一级连杆滑块机构导轨内滑块的移动和柔性双稳态机构（2）的梭（21）的上下位置变化，使最后一级滑块形成N=2^M+1数目的稳态位置，其中M是连杆滑块机构的数目，M最小值为1。

2.根据权利要求1所述的一种基于单个双稳态机构及其外特性的多稳态机构实现方法，其特征是：所述的导轨是柔性双稳态机构（2）的框架（1）下端位置的一个水平槽，水平槽与框架（1）为一体或独立结构。

3.根据权利要求1所述的一种基于单个双稳态机构及其外特性的多稳态机构实现方法，其特征是：所述的连杆是刚性连杆，在运动中无弯曲扭转变形，与滑块和梭的连接为转动副。

4.根据权利要求1所述的一种基于单个双稳态机构及其外特性的多稳态机构实现方法，其特征是：所述的柔性双稳态机构（2）是线性双稳态柔性机构。

5.根据权利要求1所述的一种基于单个双稳态机构及其外特性的多稳态机构实现方法，其特征是：所述的最后一级滑块稳定位置在一条直线上，并且关于上一级滑块的运动直线对称，第一级滑块的稳定位置关于梭的运动直线对称。

6.根据权利要求1所述的一种基于单个双稳态机构及其外特性的多稳态机构实现方法，其特征是：所述的连杆的有效长度等于连杆的两个铰接点之间的距离。

7.根据权利要求1所述的一种基于单个双稳态机构及其外特性的多稳态机构实现方法，其特征是：所述的最后一级滑块的稳态数目N通过改变最末级导轨的长度减少。

8.根据权利要求1所述的一种基于单个双稳态机构及其外特性的多稳态机构实现方法，其特征是：所述的最后一级滑块的稳态数目N通过改变连杆的有效长度减少。