CN102157277A - 一种基于级联双稳态机构的三稳态或四稳态机构及其变体方法 - Google Patents

Abstract

一种基于级联双稳态机构的三稳态或四稳态机构及其变体方法，属于机电系统装置技术领域。上端双稳态机构和下端双稳态机构通过连接杆和连接槽形成级联双稳态机构，并与框架连接，定位杆沿竖直方向运动，当上端双稳态机构对定位杆的作用力方向改变时，依靠下端双稳态机构的支撑，使其平衡于第二稳态位置；当上端双稳态机构和下端双稳态机构同时跳转时，到达第三个稳态位置。其变体方法通过调整连接杆和连接槽之间的相对位置以及连接槽的长度来改变行程大小和逻辑关系a≤c=b或a≤c≠b，实现三稳态或四稳态之间的功能转换。本机构结构简单，无摩擦，稳态个数和位置可调，可用于多路开关和多级变体中。

Description

一种基于级联双稳态机构的三稳态或四稳态机构及其变体方法

技术领域

本发明涉及一种基于级联双稳态机构的三稳态或四稳态机构及其变体方法，属于机电系统装置技术领域。

背景技术

双稳态机构具有能耗低、定位准确、动作迅速和抗干扰能力强的特点，是一种优良的开关设计元件，可广泛应用于开关、位置控制器和数据存储装置等设计中。为此，美国专利（专利号6215081B1、7126446B2和7075209B2）和国内的专利（公开号CN101654216A）公开了可用于开关设计的双稳态机构，主要能够实现“开”和“关”两种状态的控制与转换。随着光通信和多路复用技术的迅速发展，传统的两稳态机构设计已经难以满足多路信号的开关控制，为此国内专利（公开号CN101335137A，公开号CN101798052A和CN101834097 ）分别采用双稳态机构作为基本单元，公开了一种三稳态机构和一种四稳态机构，但在稳态位置和稳态个数调节方面存在困难。其中国内专利（公开号CN101335137A）中采用滑块导向机构巧妙的实现三稳态功能，但滑块所引起的摩擦难以避免，影响了稳态跳转阈值的控制精度。国内专利（公开号CN101798052A）中采用了正交布局的双稳态机构来实现四稳态功能，但在实际应用中需要同时控制水平和垂直方向的运动来控制稳态跳转，这就增加了控制难度。

经过文献调研发现，目前可调性是多稳态机构设计难以逾越的障碍，尤其在多稳态机构装配完成后，用户难以根据实际需要来调整机构的参数来改变稳态个数和稳态位置，而只能依靠笨拙的拆卸、再装配来进行稳态参数设置，这就严重影响了多稳态机构的实用性。例如，当电路系统需要由三路控制变为四路控制时，传统方法需要用四稳态开关来替换正在使用的三稳态开关，这个过程不仅费时和费力，而且容易出现故障，增加运营成本。因此，迫切需要有效便捷的调节机制来实现稳态个数和位置的调节，实现稳态机构变体，以满足不同运行场合的需求。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种基于级联双稳态机构的三稳态或四稳态机构及其变体方法，将两组双稳态机构相互连接形成级联双稳态机构作为多稳态机构变体的稳态控制元件，通过与框架固联，实现三稳态或四稳态功能。其变体方法主要通过调整连接杆与连接槽相对位置或连接槽长度来改变稳态行程大小和逻辑关系，实现三稳态与四稳态机构之间的相互转换，即调整稳态个数和稳态位置。机构动作过程中驱动力与定位杆运动方向一致，具有结构简单、能耗低、无摩擦、稳态个数和稳态位置可调、稳态可控性高的特点。

本发明的技术方案是：一种基于级联双稳态机构的三稳态或四稳态机构，它主要包括一个与框架连接的上端双稳态机构，它还包括一个与框架连接的下端双稳态机构，所述上端双稳态机构的上质量块上部设有一个定位杆，下部设有一个连接杆，下端双稳态机构的下质量块上部设有一个连接槽，把连接杆设置在连接槽中，构成由上端双稳态机构和下端双稳态机构级联的双稳态机构；所述定位杆竖直向下运动过程中，当上端双稳态机构对其作用力方向改变时，下端双稳态机构通过连接槽支撑连接杆，定位杆稳定平衡于第二稳态位置，行程为a；定位杆继续运动，直到上端双稳态机构和下端双稳态机构同时发生跳转，达到第三稳态位置，行程为b；反向拉动定位杆，直到连接杆的上表面与连接槽接触，依靠下端双稳态机构的反向拉力使定位杆稳定平衡于第四稳态位置，行程为c。

所述上端双稳态机构和下端双稳态机构采用双层V型结构或双层余弦结构。

所述上端双稳态机构采用上端第一层机构和上端第二层机构构成，上端双稳态机构的中间端与上质量块连接，外侧两端与框架连接；所述下端双稳态机构采用下端第一层机构和下端第二层机构构成，双层机构的中间端与下质量块连接，外侧两端与框架连接。

所述双层V型结构的第一层机构和第二层机构与水平线的夹角小于80度。

所述连接杆与连接槽之间设有阻尼机构。

所述连接杆通过螺纹连接在上质量块的下部，连接槽通过螺纹连接在下质量块的上部，且连接杆与连接槽之间可相对运动，连接槽左挡板和连接槽右挡板与连接槽底板采用螺纹连接，构成连接槽的长度可调节机构。

所述各部件之间可以通过直接固联实现一体化，实现MEMS一体化加工和封装。

通过调整所述连接杆与上质量块的相对位置来改变定位杆行程a，调整所述连接槽与下质量块的相对位置来改变定位杆行程b，通过调整连接槽的长度来改变定位杆行程c；通过调节定位杆的行程，使其满足逻辑条件a≤c=b时，构成三稳态机构；通过调整定位杆的行程，使其满足逻辑条件a≤c≠b时，构成四稳态机构。

所述定位杆的运动方向与驱动力的方向为同一方向。

上述的技术方案主要根据上端双稳态机构和下端双稳态机构的非线性力学特性，通过调整连接杆与连接槽之间的相对距离，或调整连接槽挡块与连接槽底板之间的相对位置来改变各个稳态行程之间的逻辑关系来改变稳态个数和稳态位置。其具体控制措施实际为稳态行程a、b和c之间的逻辑关系的调整方法：（1）调整连接杆在连接槽中的位置来改变行程a的大小；（2）调整连接槽与连接杆之间的位置，使其拉紧或挤压上下两端双稳态机构而产生预变形来改变b的大小；（3）调整连接槽的长度，即通过调整两端带有螺纹杆的连接槽底板与连接槽挡块之间的相对位置，改变行程c的大小；当行程之间满足条件a≤c=b时，实现三稳态功能；当满足行程之间满足逻辑关系a≤c≠b即（c>b和c<b），实现四稳态功能，最终实现三稳态与四稳态的相互转换。

本发明的有益效果是：结构简单，可调性好，稳态转换过程中无摩擦，稳态个数和稳态位置可调，可控性高，重复精度高，并且驱动力方向与定位杆运动方向保持一致，便于实时准确控制。尤其是通过引入位置可调机构，实现不同多稳态机构之间的变体，即改变机构的稳态个数，有效避免控制系统由于装卸不同多稳态机构而引起的效率和成本问题，满足不同应用场合的使用要求。因此，本发明所述机构可以作为关键控制元件来实现系统的多级控制在可变通路个数的多路控制开关、多级致动器、多路阀、变体机构、高密度存储装置以及多阈值碰撞传感器等领域具有广泛的应用前景。另外，本发明零件数目少，结构简单，且易于装配，适合大批量生产。

附图说明

通过下列的说明和附图，将可以更好的理解本发明的特性和优点：

图1是本发明实施1的示意图。

图2是图1中所示机构的第二稳态位置。

图3是图1中所示机构的第三稳态位置。

图4是图1中所示机构的第四稳态位置。

图5是本发明实施2具有两组双稳态余弦双层机构的多稳态机构示意图。

图6是本发明实施2中连接杆与连接槽之间带有阻尼结构的示意图。

图7是本发明实施3可用于MEMS一体化加工的结构示意图。

图中：1、上端双稳态机构，1a、上端第一层机构，1b、上端第二层机构，2、下端双稳态机构，2a、下端第一层机构，2b、下端第二层机构，3、框架，4、连接杆， 5、连接槽，5a、连接槽左挡块，5b、连接槽右挡块，5c、连接槽底板，6、定位杆， 7、上质量块，8、下质量块，9、上端余弦双稳态机构，9a、上端第一层余弦机构，9b、上端第二层余弦机构，10、下端余弦双稳态机构，10a、下端第一层余弦机构，10b、下端第二层余弦机构，11、阻尼机构；Ⅰ、第一稳态位置，Ⅱ、第二稳态位置，Ⅲ、第三稳态位置，Ⅳ、第四稳态位置。

具体实施方式

实施例一

关于双稳态V型机构的跳转过程已经在国内专利（公开号CN101834097）中公开， 机构在行程范围内具有两个局部势能最小点，机构从第一个局部势能最小点开始发生变形时，将外力做功转换为变形能存储，当变形到一定程度后，迅速将所存储的变形能释放，机构到达第二个是势能局部最小点，实现双稳态跳转，本发明因此不对其进行详细描述。

图1为一种基于级联双稳态机构的三稳态或四稳态机构。图中给出了初始情况下机构处于第一稳定平衡状态，上端双稳态机构1与框架3连接，并通过上质量块7与连接杆4和定位杆6螺纹连接，下端双稳态2与框架3连接，并通过下质量块8与连接槽5螺纹相连，最后通过连接杆4与连接槽5之间的位置配合，构成级联式双稳态机构，其中连接槽左挡块5a和连接槽右挡块5b与连接槽底板5c通过螺纹连接，其相对位置可调，定位杆6可以沿着竖直方向运动，在往返行程范围内具有三稳态或四稳态保持功能。各稳态之间的行程分别为a、b和c，通过改变连接杆4和连接槽5在上质量块7和下质量块8内的螺纹旋进程度以及连接槽5的长度，来改变各行程的大小和相互之间的逻辑关系，进而改变所述机构的稳态个数。

图2、图3和图4给出了三稳态机构和四稳态机构的动作示意图及稳态个数调整实现方法，所谓三稳态或四稳态机构主要包括第一稳态位置Ⅰ、第二稳态位置Ⅱ、第三稳态位置Ⅲ和第四稳态位置Ⅳ。关键在于，框架3与两组双稳态机构相固联，通过调整机构内部连接杆4和连接槽5的相对位置和连接槽5的槽长来改变各个稳态之间的行程大小和逻辑关系，实现稳态位置调整和三稳态与四稳态机构之间的变体。

图2中，定位杆6带动上质量块7和连接杆4沿竖直向下运动，上端双稳态机构1发生屈曲变形，直到连接杆4受到的作用力方向发生改变，且连接杆4的下表面接触到连接槽5，定位杆6依靠下端双稳态机构2的支撑力保持稳定平衡，即实现第二稳态位置Ⅱ，行程为a；

图3中，定位杆6继续沿竖直方向向下运动，此时连接杆4通过连接槽5挤压下端双稳态机构2，直到上下两组双稳态机构同时发生跳转，定位杆6稳定平衡于第三稳态位置Ⅲ，行程为b；

图4中，将定位杆6从第三稳态位置Ⅲ沿竖直方向向上移动，当上端双稳态机构1对连接杆4的作用力由向下变为向上时，连接杆4的上表面与连接槽5接触，并依靠下端双稳态机构2的拉力使定位杆6停止运动并稳定平衡，此时定位杆6行程为c，若c≠b，则定位杆6平衡于新出现的第四稳态位置Ⅳ，机构实现了四稳态的功能。当行程满足条件c=b时，定位杆6在向上运动过程中恢复到第二稳态位置Ⅱ，机构实现三稳态功能。本发明可以通过连接杆4和连接槽5与上质量块7和下质量块8的相对位置以及连接槽5的长度来改变稳态之间的行程大小和逻辑关系，进而调整机构的稳态位置和稳态个数。

实施例2

图5和图6给出了一种具有两组双稳态余弦双层机构的三稳态或四稳态机构。在实施1的基础上，上端双稳态机构1和下端双稳态机构2分别采用上端余弦双稳态机构9和下端余弦双稳态机10，依靠上下两组余弦双稳态机构之间的相互作用，实现三稳态和四稳态功能，并可以通过调整连接杆4和连接槽5之间的相对位置或连接槽5的长度，改变各个稳态之间的行程大小和行程之间的逻辑关系，来实现稳态位置的调整和三稳态与四稳态功能的相互转换。图6中在连接杆4和连接槽5之间依靠阻尼机构11来调整状态转换过程中的冲击振动。

实施例3

图7给出了一种适合MEMS一体化加工的三稳态机构和四稳态机构，依靠MEMS微加工技术，可以将上端双稳态机构1、下端双稳态机构2和框架3固联，同时连接杆4、定位杆6与上质量块7固联，连接槽5与下质量块7固联，形成一体化机构，实现MEMS整体加工，避免繁琐的装配过程。

Claims (8)

1.一种基于级联双稳态机构的三稳态或四稳态机构，它主要包括一个与框架（3）连接的上端双稳态机构（1），其特征在于：它还包括一个与框架（3）连接的下端双稳态机构（2），所述上端双稳态机构（1）的上质量块（7）上部设有一个定位杆（6），下部设有一个连接杆（4），下端双稳态机构（2）的下质量块（8）上部设有一个连接槽（5），把连接杆（4）设置在连接槽（5）中，构成由上端双稳态机构（1）和下端双稳态机构（2）级联的双稳态机构；所述定位杆（6）竖直向下运动过程中，当上端双稳态机构（1）对其作用力方向改变时，下端双稳态机构（2）通过连接槽（5）支撑连接杆（4），定位杆（6）稳定平衡于第二稳态位置，行程为a；定位杆（6）继续运动，直到上端双稳态机构（1）和下端双稳态机构（2）同时发生跳转，达到第三稳态位置，行程为b；反向拉动定位杆（6），直到连接杆（4）的上表面与连接槽（5）接触，依靠下端双稳态机构（2）的反向拉力使定位杆（6）稳定平衡于第四稳态位置，行程为c。

2.据权利要求1所述的基于级联双稳态机构的三稳态或四稳态机构，其特征在于：所述上端双稳态机构（1）和下端双稳态机构（2）采用双层V型结构或双层余弦结构。

3.据权利要求2所述的基于级联双稳态机构的三稳态或四稳态机构，其特征在于：所述上端双稳态机构（1）的双层V型结构采用上端第一层机构（1a）和上端第二层机构（1b）构成，双层V型结构的中间端与上质量块（7）连接，双层V型结构的外侧两端与框架（3）连接；所述下端双稳态机构（2）的双层V型结构采用下端第一层机构（2a）和下端第二层机构（2b）构成，双层V型结构的中间端与下质量块（8）连接，V型结构的外侧两端与框架（3）连接。

4.据权利要求3所述的基于级联双稳态机构的三稳态或四稳态机构，其特征在于：所述双层V型结构的第一层机构和第二层机构各自的V形结构与水平线夹角小于80度。

5.据权利要求1所述的基于级联双稳态机构的三稳态或四稳态机构，其特征在于：所述连接杆（4）与连接槽（5）之间设有阻尼机构（11）。

6.据权利要求1所述的基于级联双稳态机构的三稳态或四稳态机构，其特征在于：所述连接杆（4）通过螺纹连接在上质量块（7）的下部，连接槽（5）通过螺纹连接在下质量块（8）的上部，且连接杆（4）与连接槽（5）之间可相对运动，连接槽左挡板（5a）和连接槽右挡板（5b）与连接槽底板（5c）采用螺纹连接，构成连接槽（5）的长度可调节机构。

7.据权利要求1所述的基于级联双稳态机构的三稳态或四稳态机构变体方法，其特征在于：通过调整所述连接杆（4）与上质量块（7）的相对位置来改变行程a，调整所述连接槽（5）与下质量块（8）的相对位置来改变行程b，通过调整连接槽（5）的长度来改变行程c；通过调整定位杆（6）的行程，使其满足逻辑条件a≤c=b时，构成三稳态机构；通过调整定位杆（6）的行程，使其满足逻辑条件a≤c≠b时，构成四稳态机构。

8.据权利要求5所述的基于级联双稳态机构的三稳态或四稳态机构变体方法，其特征在于：所述定位杆（6）的运动方向与驱动力的方向为同一方向。

Images