CN102556934B - 可调多稳态机构及其实现方法 - Google Patents

Abstract

一种可调多稳态机构及其实现方法，属于精密机构学及智能机械装置技术领域。该可调多稳态机构采用四个导槽和一个动滑块，m个永磁体通过各自的调节固定杆采用可调连接在位于动滑块的第四导槽上，n个永磁体通过各自的调节固定杆采用可调连接在第一导槽上；(m+n)个永磁体构成永磁组合机构，通过各个调节固定杆调整(m+n)个永磁体之间的相对距离和位置，使动滑块沿第二导槽方向上存在不同个数的稳定平衡位置，同时，调整第五调节固定杆和第六调节固定杆来改变第一导槽和第二导槽之间的相对距离，实现稳态保持力和稳态数为(mn+1)个稳态协同调整。本发明无需增加运动副或零件即可实现行程范围内多稳态机构的自由调整，具有结构简单、稳态保持无功耗、定位精度高、可调性好和可靠性高的特点。

Description

可调多稳态机构及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种可调多稳态机构及其实现方法，属于精密机构学及智能机械装置技术领域，可用于机械存储、继电器、多路开关、碰撞传感器及航空航天姿态调整系统等。

背景技术

传统的线弹性机构特定姿态的保持需要持续施加外力作用，存在能耗高和控制精度难以保证的缺点。多稳态机构利用特定构型下机械能的存储释放过程，无需外界力作用即可实现多个稳定平衡位置的保持功能，具有定位精度高、稳态保持无功耗、抗干扰能力强及可靠性高的特点，在航空航天、运载工具安全保护系统、精密仪器、电子设备保护系统、机电设备和航空航天姿态调整系统等领域具有广泛的应用前景。

随着精密机械装置的快速发展，满足多个特定功能的多稳态机构可调节性已成为制约其控制精度提高的关键技术。现有多稳态机构一旦装配完成后，其稳态个数、行程等参数就难以调整。中国专利CN101837947A和CN101799086提出采用单个柔性双稳态机构结合多级连杆滑块机构的多稳态机构，由于受单胞双稳态结构的影响，只能通过增加滑块运动副的方式来调整稳态个数，难以在原有机构尺度内调整行程和稳态个数。美国专利US 2009/0186196A1和美国专利US2007/01200011A1所述的多稳态结构主要依靠残余应力使结构产生多级塑性变形，存在一旦成型后稳态数目和行程无法调整的缺点。

因此，综合分析目前多稳态机构在可调性方面所存在的问题，亟需一种结构简单、无需改变结构组成即可实现稳态数目、行程调节的多稳态机构及其实现方法。

发明内容

为了克服现有多稳态机构存在的难以调节的技术问题，本发明提供一种可调多稳态机构及其实现方法，使多稳态机构能够在无需增加运动副和零件的情况下，实现多种工况下（行程不变、行程变化）稳态数目、行程范围的自由调整，具有结构简单、稳态保持无功耗、定位精度高、可调性好和可靠性高的特点。

本发明采用的技术方案是：一种可调多稳态机构及其实现方法，所述可调多稳态机构把设有第一导槽的第一导槽体通过第六调节固定杆、设有第二导槽的第二导槽体通过第五调节固定杆采用可调连接在设有第三导槽的第三导槽体上；所述第二导槽中设有一个动滑块，m个永磁体通过各自的调节固定杆采用可调连接在位于动滑块的第四导槽上，n个永磁体通过各自的调节固定杆采用可调连接在第一导槽上；所述（m+n）个永磁体构成永磁组合机构，通过各个调节固定杆调整（m+n）个永磁体之间的相对距离和位置，使动滑块沿第二导槽方向上存在不同个数的稳定平衡位置，同时，调整第五调节固定杆和第六调节固定杆来改变第一导槽和第二导槽之间的相对距离，实现稳态保持力和稳态数为（mn+1）个稳态协同调整。

调整所述动滑块和第一导槽上永磁体之间的相对距离，实现永磁体有效作用范围的调整，使有效永磁体个数分别变为n1和m1，其中n1小于n，m1小于m。

所述动滑块上的永磁体数m为2时，第一永磁体通过第一调节固定杆、第二永磁体通过第二调节固定杆采用可调连接在位于动滑块的第四导槽上；所述第一导槽上的永磁体数n为2时，第三永磁体通过第三调节固定杆、第四永磁体通过第四调节固定杆采用可调连接在第一导槽上；连接于动滑块上的第一永磁体和第二永磁体与连接于第一导槽的第三永磁体和第四永磁体构成永磁组合机构，通过所述六个调节固定杆调整四个永磁体之间的相对距离和位置，使动滑块沿第二导槽方向上存在不同个数的稳定平衡位置，同时，调整第五调节固定杆和第六调节固定杆来改变第一导槽和第二导槽之间的垂直距离，实现稳态保持力和稳态数为5个稳态协同调整。

通过调整所述动滑块和第一导槽中二个永磁体之间的相对距离L1和L2，实现稳态个数的改变。

所述动滑块上第四导槽的长度至少大于2倍的永磁体宽度，以保证第一永磁体和第二永磁体的相对位置。

所述第一导槽的长度至少大于2倍永磁体宽度，以保证调节第三永磁体和第四永磁体的相对位置。

所述稳态行程的调节方法在于，在保持动滑块中永磁体相对位置L1不变的情况下，通过调整第一导槽中永磁体之间的相对距离L2来实现。

所述稳态保持力的调节方法在于，保持动滑块和第一导槽中的永磁体相对位置不变，通过第五调节固定杆和第六调节固定杆来调整第一导槽和第二导槽之间的相对距离D。

所述调整动滑块和第一导槽中磁体之间的相对距离，实现永磁体有效作用范围的调整，使有效磁体个数分别变为n1和m1，其中n1小于n，m1小于m。

所述4个导槽、动滑块1、6个调节固定杆的材料为非导磁材料。

所述稳态个数调节方法的另一种方式为，调整连接于第三导槽的第一导槽和第二导槽之间的垂直距离D，使动滑块沿第二导槽方向获得不同个数的力平衡位置。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）与现有多稳态机构相比，本发明无需增加运动副和复杂零件，仅通过调整永磁体组合机构的相对位置和空间距离即可实现稳态个数、行程和稳态保持的调整功能，以满足不同应用场合的多个特定需求，具有结构简单、稳态保持无功耗、调节性好和可靠性高的特点。例如，第四导槽中永磁体数m=2，第一导槽中永磁体数目n=3时，则N=2×3+1，为7稳态机构；通过缩小第一导槽中任意两个磁体之间的距离，使导槽中有效永磁体数目n=2时，此时多稳态数目N=2×2+1，机构变为5稳态机构。

（2）传统多稳态机构一旦装配完成，其稳态保持力无法调节。本发明与现有技术相比，在保证行程、稳态个数不变的情况下，通过改变永磁体组合机构之间的垂直距离可以连续调整稳态保持力，提高机构的抗干扰能力和系统可靠性。

（3）与现有技术相比，本发明调节方法灵活，通过多个办法实现定行程下稳态个数的连续降阶调整。例如，可分别通过调整永磁体之间的水平距离和垂直距离来改变永磁体的有效作用区域，实现稳态个数的自由调整。

（4）本发明结构简单，可装配性好，无需增加运动副或改变机构的几何形状就可以实现多稳态调节功能，在航空航天姿态调整系统、多路开关和继电器、车辆安全传感系统等具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是一种2×2可调多稳态机构的结构示意图。

图2是5个稳定状态示意图。

图3是具有5个稳定状态时的力位移曲线。

图4是由5稳态变为3稳态后的机构示意图。

图5是由5稳态变为3稳态后的力位移曲线。

图6是由5稳态变为2稳态后的机构示意图。

图7是由5稳态变为2稳态后的力位移曲线。

图8是一种2×3可调多稳态机构的结构示意图。

图中，1、动滑块，2、第一导槽，2a、第二道轨，2b、第三导槽，2c、第四导槽，3、第一调节固定杆，3a、第二调节固定杆，3b、第三调节固定杆，3c、第四调节固定杆，3d、第五调节固定杆，4、第一永磁体，4a、第二永磁体，4b、第三永磁体，4c、第四永磁体，4d、第五永磁体。

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1：

如图1所示，机构主要包括：动滑块1、第一导槽2、第二导槽2a、第三导槽2b、4个永磁体、6个调节固定杆。可调多稳态机构把设有第一导槽2的第一导槽体通过第六调节固定杆3e、设有第二导槽2a的第二导槽体通过第五调节固定杆3d采用可调连接在设有第三导槽2b的第三导槽体上，另一端自由。第二导槽2a中设有一个嵌有第四导槽2c的动滑块1，动滑块1可沿第二导槽2a移动，第一永磁体4和第二永磁体4a通过第一调节固定杆3和第二调节固定杆3a连接于动滑块1中的第四导槽2c，并且第一永磁体4和第二永磁体4a可沿第四导槽2c移动。第三永磁体4b和第四永磁体4c分别通过第三调节固定杆3b和第四调节固定杆3c与第一导槽2连接，并可沿第一导槽2移动。第一导槽2和第二导槽2a通过第五调节杆3d和第六调节杆3e与第三导槽2b连接，并可通过调整第五调节杆3d和第六调节杆3e调整两者之间的相对距离。连接于第四导槽2c中的第一永磁体4和第二永磁体4a，与连接于第一导槽的第三永磁体4b和第四永磁体4c构成四永磁体组合机构，并且可以通过6个调节固定杆调整四个永磁体之间的相对水平距离L1和L2和垂直距离D，进而改变动滑块1沿第二导槽2a方向上存在的稳定平衡位置个数、行程和稳态保持力。

动滑块1上连接第四导槽2c，第四导槽2c的长度至少大于2倍的永磁体宽度，以保证第一永磁体4和第二永磁体4a的相对位置。

第一导槽2的长度至少大于2倍永磁体宽度，以保证调节第三永磁体4b和第四永磁体4c的相对位置。

4个导槽、动滑块1、6个调节固定杆的材料为非导磁材料。

针对上述2×2可调多稳态机构技术方案对可调多稳态机构及调节过程进行进一步阐述：动滑块1中固定第一永磁体4和第二永磁体4a，第一导槽2中固定第二永磁体4b和地三永磁体4c，所以多稳态机构最多稳态数目为N=2×2+1=5个，为5稳态机构。

（1）结合图1、图2和图3对机构出现5稳态进行阐述，首先通过第一调节固定杆3a和第二调节固定杆3b调节第一永磁体3a和第二永磁体3b在动滑块1横向导向槽中的位置，使第一永磁体4和第二永磁体4a之间的距离L1>w，其中w为第一永磁体4、第二永磁体4a、第三永磁体4b和第四永磁体4c的宽度。然后，通过第三调节固定杆3b和第四调节固定杆3c调节第三永磁体3b和第四永磁体3c在第一导槽2中的位置，使第三永磁体4b和第四永磁体4c之间的距离L2>2w+L1（如图1）。图2为对应图1中永磁体相对位置时，动滑块1从起始位置移动到终止位置时存在5个稳态位置，其运动过程中的力位移曲线如图3所示，在5个稳定力平衡位置处合力为0。

稳态保持力调整方法，通过调整第五调节杆3d和第六调节杆3e调整第一导槽2和第二导槽2a之间的垂直距离D来改变稳态保持力的大小，如图3所示，通过调整垂直距离的大小，使垂直距离1对应的稳态保持力大于垂直距离2所对应的稳态保持力。

（2）五稳态机构变为三稳态机构的阐述，如图4所示，通过第一调节固定杆3a和第二调节固定杆3b调节第一永磁体3a和第二永磁体3b在动滑块1导向槽中的位置，使第一永磁体4和第二永磁体4a之间的距离L1<<w；通过第三调节固定杆3b和第四调节固定杆3c调节第三永磁体3b和第四永磁体3c在第一导槽2中的位置，使第三永磁体4b和第四永磁体4c之间的距离L2>2w+L1（如图4）。动滑块1沿第二导槽2a从起始位置移动到终止位置时存在3个稳态位置，其所对应的力位移曲线如图5所示，在整个运动过程中存在3个力平衡位置，即合力为零点。

（3）五稳态机构变为二稳态机构的阐述，如图6所示，通过第一调节固定杆3a和第二调节固定杆3b调节第一永磁体3a和第二永磁体3b在动滑块1导向槽中的位置，使第一永磁体4和第二永磁体4a之间的距离L1<<w；通过第三调节固定杆3b和第四调节固定杆3c调节第三永磁体3b和第四永磁体3c在第一导槽2中的位置，使第三永磁体4b和第四永磁体4c之间的距离L2<<w（如图6）。动滑块1从起始位置移动到终止位置时存在2个稳态位置，所对应的力位移曲线如图7所示，在行程范围内存在两个力平衡位置，即合力为0。

（4）稳态个数调整的另一种方法阐述，当第一永磁体4和第二永磁体4a之间的距离L1>w，第三永磁体4b和第四永磁体4c之间的距离L2>2w+L1时，调节第一导槽2和第二导槽2a之间的距离D，多稳态机构可以从5稳态退化成4稳态、3稳态和2稳态；当第一永磁体4和第二永磁体4a之间的距离L1<<w，第三永磁体4b和第四永磁体4c之间的距离L2>2w+L1时，调节第一导槽2和第二导槽2a之间的距离D，多稳态机构可以从3稳态调节成2稳态。

实施例2：

图8给出了一种2×3可调多稳态机构。在实施例1的基础上，保持图1永磁体相对位置不变，在第一导向槽2中增加第五永磁体4d，使动滑块1沿第二导槽2a运动过程中存在7个稳定平衡位置。与图2相比，在保持总行程不变的情况下，通过增加第五永磁体4d将5稳态机构变为7稳态机构，使各个稳态之间的行程减小。

Claims (6)

1.一种可调多稳态机构的实现方法，其特征在于：所述可调多稳态机构把设有第一导槽（2）的第一导槽体通过第六调节固定杆（3e）、设有第二导槽（2a）的第二导槽体通过第五调节固定杆（3d）可调连接在设有第三导槽（2b）的第三导槽体上；所述第二导槽（2a）中设有一个动滑块（1），m个永磁体通过各自的调节固定杆可调连接在位于动滑块（1）的第四导槽（2c）上，n个永磁体通过各自的调节固定杆可调连接在第一导槽（2）上，所述m=2，n=2-3；所述（m+n）个永磁体构成永磁组合机构，通过各个调节固定杆调整（m+n）个永磁体之间的相对距离和位置，使动滑块（1）沿第二导槽（2a）方向上存在不同个数的稳定平衡位置，同时，调整第五调节固定杆（3d）和第六调节固定杆（3e）来改变第一导槽（2）和第二导槽（2a）之间的相对距离，实现稳态保持力和稳态数为（mn+1）个稳态协同调整。

2.根据权利要求1所述的可调多稳态机构的实现方法，其特征在于：调整所述动滑块（1）和第一导槽（2）上永磁体之间的相对距离，实现永磁体有效作用范围的调整，使有效永磁体个数分别变为n1和m1，其中n1小于n，m1小于m。

3.根据权利要求1所述的可调多稳态机构的实现方法，其特征在于：所述动滑块（1）上的永磁体数m为2时，第一永磁体（4）通过第一调节固定杆（3）、第二永磁体（4a）通过第二调节固定杆（3a）可调连接在位于动滑块（1）的第四导槽（2c）上；所述第一导槽（2）上的永磁体数n为2时，第三永磁体（4b）通过第三调节固定杆（3b）、第四永磁体（4c）通过第四调节固定杆（3c）可调连接在第一导槽（2）上；连接于动滑块（1）上的第一永磁体（4）和第二永磁体（4a）与连接于第一导槽（2）的第三永磁体（4b）和第四永磁体（4c）构成永磁组合机构；当第一永磁体（4）和第二永磁体（4a）之间的距离L1>w，第三永磁体（4b）和第四永磁体（4c）之间的距离L2>2w+L1时，实现稳态个数为5的稳态机构，其中w为第一永磁体（4）、第二永磁体（4a）、第三永磁体（4b）和第四永磁体（4c）的宽度。

4.根据权利要求3所述的可调多稳态机构的实现方法，其特征在于：通过调整所述动滑块（1）和第一导槽（2）中二个永磁体之间的相对距离L1和L2，实现稳态个数的改变。

5.根据权利要求3所述的可调多稳态机构的实现方法，其特征在于：所述动滑块（1）上第四导槽的长度至少大于2倍的永磁体宽度。

6.根据权利要求3所述的可调多稳态机构的实现方法，其特征在于：所述第一导槽（2）的长度至少大于2倍永磁体宽度。