CN102541075B - 具有多稳定构型的可展开机构 - Google Patents
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Abstract
一种具有多稳定构型的可展开机构，属于精密调节机构及控制领域。嵌有二个永磁体的动滑块受三个固定永磁体的磁力作用，带动连杆沿导槽水平方向运动，并能够稳定保持于多个预先设定的不同平衡位置，即无需外力即可使柔性杆所连接的托板保持在不同的姿态，实现机构运动位置和倾角的精确控制。本发明所采用的多稳定构型可展开机构具有位置控制精度高、调节性好、构型保持无能耗和可靠性高的特点，可用于天线可展开机构、太阳能帆板调节系统、航空航天姿态调整系统及车辆安全控制保护等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有多稳定构型的可展开机构，属于精密机械调节与控制领域。
技术背景
机械装置的位置和角度控制是实现准确定位和数据采集的关键技术，在雷达跟踪系统、航天器姿态调整系统、太阳能帆板控制系统以及太阳能发电厂帆板调节装置等领域具有广泛的应用需求。
传统的线弹性调节机构需要在驱动力作用下，依靠复杂的传感器系统来实时测量位置、角度等参数反馈给处理器，进而做出判断和反复调整。即使达到预定位置，仍然需要额外的供能系统或复杂的锁死装置来进行姿态保持。这种反复调整系统不仅成本昂贵、耗时和耗能，而且系统冗余度高，传感器系统容易受环境干扰造成较大的测量和控制误差。美国专利US4731934采用调整三点相对高度的办法来控制倾角，但需要角度传感器来测量整个调整过程。
综合分析发现，对于多个稳定状态需要实时、灵活转换的调节系统，如果能够通过预先多稳定构型设计，使系统既能够在无外界驱动力作用就可以快速稳定平衡于一系列预定位置或特定构型，又兼具一定的抗干扰能力，对于简化调节复杂度，提升系统的控制精度和可靠性、降低成本具有重要的实践意义。
发明内容
本发明提供一种具有多稳定构型的可展开机构，使其在不同平衡位置具有多个稳定构型，兼具低能耗、位置控制精度高、可靠性高和结构简单的特点，实现高效的预定位置展开功能。
本发明采用的技术方案是：一种具有多稳定构型的可展开机构主要包括一个设有导槽的支架，在导槽内设有一个滑块，它还包括一个柔性支撑机构，所述支架由导槽和间隙构成E字形结构，所述柔性支撑机构采用至少二个柔性杆与至少一个托板相互连接，其中一端的柔性杆连接于固定点，另一端的柔性杆经连杆连接滑块；所述滑块中嵌入的第一永磁体和第二永磁体与固定于支架中的第三永磁体、第四永磁体和第五永磁体构成由间隙隔开的空间五磁体组合结构；在多个永磁体及柔性杆之间的相互作用下，外界驱动力通过承载轴销带动滑块和连杆沿水平方向移动，推动由柔性杆连接的托板发生平面旋转运动，并保持于不同的平衡位置，实现多个稳定构型。
所述柔性支撑机构依次采用第一柔性杆、第一托板、第二柔性杆、第二托板和第三柔性杆连接，第三柔性杆连接于固定点，第一柔性杆经连杆连接滑块。
所述柔性支撑机构依次采用第一弧形柔性杆、水平托板和第二弧形柔性杆连接，第二弧形柔性杆连接于固定点，第一弧形柔性杆经连杆连接滑块。
所述第三永磁体、第四永磁体和第五永磁体沿直线排列，且固定于支架的底部。
所述间隙采用空隙结构或填充导磁材料。
上述技术方案采用滑块带动两个永磁体沿导槽运动，三个永磁体固定于支架的底端，通过五个永磁体之间的相互作用，使的滑块能够稳定停留于导槽上的多个位置。在多个稳定平衡位置上，与滑块相连的连杆推动柔性杆发生不同程度的变形，依靠弹性杆的支撑作用，托板可以达到不同的位置和倾角，并借助永磁力和弹性力的耦合作用下来保持构型，实现不同稳态构型的展开功能。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1)通过滑块中运动永磁体与支架中固定永磁体的相互作用，使得滑块沿导槽方向具有多个不同的稳定位置，依靠在稳定位置产生的保持力，可以使托板达到预定的倾角和位置。无需外界输入力和锁死机构即可实现稳定构型的保持功能，并且各个稳定构型之间可自由变换，具有机构简单、稳态保持无功耗、位置和角度调整准确度高的特点。
2)间隙中通过填充不同磁导率的材料，可以调整保持力的大小，进而获得不同的调整角度和位置，具有抗干扰能力强和可调节性好的特点。
3)与传统可展开机构的复杂控制系统相比，通过多稳定构型的预先设计，即可实现机构的自适应调整，避免了大量传感器的使用，在简化结构、降低成本的同时，提高了系统可靠性。
附图说明
图1是一种具有多稳定构型的可展开机构结构图。
图2是一种可展开机构的稳定构型图。
图3是滑块沿导槽运动过程中的力位移曲线
图4是另一种具有多稳定构型的可展开机构结构图。
图5是另一种可展开机构的稳定构型图。
图中：1、支架，2、滑块，3、第一永磁体，3a、第二永磁体，3b、第三永磁体，3c、第四永磁体，3d、第五永磁体，4、连杆，5、第一柔性杆，5a、第二柔性杆，5b、第三柔性杆，6、第一托板，6a、第二托板，7、导槽，8、承载轴销，9、间隙，10、水平托板，11、第一弧形柔性杆，11a、第二弧形柔性杆。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的结构做进一步描述。
实施例一
图1示出了一种具有多稳定构型的可展开机构。图中，支架1为E字形结构，通过第三柔性杆5b与固定端相连。支架1上端为导槽7，第一永磁体3、和第二永磁体3a嵌入于滑块2内形成动永磁体组合。连杆4、第一柔性杆5，第一托板6、第二柔性杆5a、第二托板6a和第三柔性杆5b依次相连。支架1下端连接第三永磁体3b、第四永磁体3c和第五永磁体3d，三个永磁体沿直线等间距排列，形成固定永磁体组合。滑块2中间连接承载轴销8。可移动永磁体组合与固定永磁体组合通过间隙9隔开。外界驱动装置通过承载轴销8带动滑块2沿导槽7运动，连杆4带动3个柔性杆产生不同程度变形，进而使第一托板6和第二托板6a产生不同的位移和倾角。由于永磁体组合机构的相互作用，无需外界输入力，滑块2可以稳定保持于导槽7上的不同位置，使第一托板6和第二托板6a能够保持不同的展开构型。
如图2所示，当滑块2保持稳定平衡时，无需外界力和锁死装置的作用，依靠永磁作用力就可以使连杆4推动柔性杆发生变形，进而获得图2中所示的稳态1-稳态7共七种不同的稳定构型。图中，滑块2推动连杆4在不同的平衡位置停留就可以得到不同的稳定构型。
图3所示为多稳定构型产生过程中的力位移变化曲线，当外界力推动滑块2沿导槽7运动时，所需要的外界力随位移产生近似周期性变化，当滑块2到达稳定位置时，连杆4受到的磁力与弹性力的和为零，且曲线上该处的斜率大于零。从图中看出，沿导槽7方向上，滑块2存在7个不同的受力为零的位置，即可展开机构可以在保持7个稳定的构型。通过调整永磁体之间的相对距离，可是实现不同的稳态构型个数。从图中看出，各个稳定构型之间存在力的峰值，该峰值为可展开机构所能承受的最大干扰力，即当外界干扰力小于峰值时，该展开机构仍然能够保持该稳定构型。当外界干扰力大于该峰值时，可展开机构将会变换到相应的稳态构型。
实施例二
图4示出了另一种具有多稳定构型的可展开机构结构图。图中，总体结构和实施例一相似，不同之处在于采用第一弧形柔性杆11和第二弧形柔性杆11a支撑水平托板10。在滑块2的推动下，水平托板10在弧形轨迹下保持五个稳定水平状态，如图5所示。图中各个位置，水平托板10始终保持平动，无旋转运动。
Claims (1)
1. 一种具有多稳定构型的可展开机构，它主要包括一个设有导槽（7）的支架（1），在导槽（7）内设有一个滑块（2），其特征是：它还包括一个柔性支撑机构，所述支架（1）由导槽（7）和间隙（9）构成E字形结构，所述柔性支撑机构采用至少二个柔性杆与至少一个托板相互连接，其中一端的柔性杆连接于固定点，另一端的柔性杆经连杆（4）连接滑块（2）；所述滑块（2）中嵌入的第一永磁体（3）和第二永磁体（3a）与固定于支架（1）中的第三永磁体（3b）、第四永磁体（3c）和第五永磁体（3d）构成由间隙（9）隔开的空间五磁体组合结构；在多个永磁体及柔性杆之间的相互作用下，外界驱动力通过承载轴销（8）带动滑块（2）和连杆（4）沿水平方向移动，推动由柔性杆连接的托板发生平面旋转运动，并保持于不同的平衡位置，实现多个稳定构型；在稳定构型时，滑块（2）达到稳定位置，连杆（4）受到的磁力和弹性力的和为零。
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