CN102705461A - 柔顺Sarrus机构多稳态的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于柔顺机构领域，是柔顺Sarrus机构多稳态的实现方法，其特征是：将刚性Sarrus机构中的部分或全部刚性铰链替换为柔顺铰链，形成部分柔顺或全柔顺Sarrus机构，且可以呈现旋转型和直线型的多稳态特征。柔顺Sarrus机构的稳态位置数目和稳定平衡位置的选取可以通过改变杆长来实现，且旋转型稳定平衡位置与直线型稳定平衡位置相互对应。这种柔顺Sarrus机构结构简单、运动特性好、制造方便、造价低、使用可靠，可用于需要旋转型或直线型多稳态的机械产品中，或需将旋转运动转化为直线运动的场合中，如升降装置、平动机构等。

Description

柔顺Sarrus机构多稳态的实现方法

技术领域

本发明属于柔顺机构领域，是柔顺Sarrus机构多稳态的实现方法。

背景技术

刚性Sarrus机构是由六根刚性杆通过铰链刚性铰接形成的空间六杆单自由度机构，可以将旋转运动转化为直线运动，其结构简单，现已较多用于诸多机械产品中。然而，刚性Sarrus机构中由于存在刚性铰链，其带来的装配误差及摩擦损耗等，使Sarrus机构的使用寿命与运动精度降低，因此可以应用柔顺Sarrus机构来提高Sarrus机构的运动精度，满足其特定的使用场合。此外，柔顺Sarrus机构中可以既存在旋转型的多稳态位置，又存在直线型的多稳态位置，使得柔顺Sarrus机构的多稳态特性获得更加广泛的应用领域。

由于所实现的多稳态柔顺Sarrus机构结构简单、制造容易，机构中既有旋转型多稳态位置，又有直线型多稳态位置，因此多稳态柔顺Sarrus机构有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔顺Sarrus机构多稳态的实现方法，并提出多稳态柔顺Sarrus机构，这种柔顺Sarrus机构结构简单、运动特性好、制造方便、造价低、使用可靠，可用于需要旋转型或直线型多稳态的机械产品中，或需将旋转运动转化为直线运动的场合中，如升降装置、平动机构等。

本发明的技术方案是柔顺Sarrus机构多稳态的实现方法，其特征是：将刚性Sarrus机构中的部分或全部铰链替换为柔顺铰链，形成部分柔顺或全柔顺Sarrus机构，且可以呈现旋转型和直线型的多稳态特征。

所述的部分柔顺或全柔顺Sarrus机构中刚性杆的运动特性与相同尺寸下刚性Sarrus机构的一致，并同时存在做旋转运动和做直线运动的刚性杆。

所述的柔顺Sarrus机构中的柔顺铰链的呈现单轴转动特性，即在平面内转动；刚性杆呈现刚性，即在柔顺Sarrus机构的运动过程中不发生弹性变形。

所述的柔顺Sarrus机构中，不同位置处的单个柔顺铰链可以使柔顺Sarrus机构中呈现由单个柔顺铰链作用形成的多稳态特性，也可以呈现由不同位置处多个柔顺铰链相互作用叠加而形成的多稳态特性。

所述的柔顺Sarrus机构的多稳态位置既可以为旋转型的稳态位置，也可以为直线型的稳态位置，且旋转型稳定平衡位置与直线型稳定平衡位置相互对应。

所述的柔顺Sarrus机构的稳定平衡位置可以根据实际需要，通过改变杆长来实现稳态位置数目和稳定平衡位置的选取。

所述的柔顺Sarrus机构在使用过程中，可以将其中任何一杆作为固定的机架。

本发明的特点是这种柔顺Sarrus机构多稳态的实现方法成功地实现了柔顺Sarrus机构的多稳态特性。其特征是：将刚性Sarrus机构中的一个或全部刚性铰链替换为柔顺铰链，形成部分柔顺或全柔顺Sarrus机构，所形成的机构在适当尺寸下便呈现多稳态特性，且得到的机构中稳态位置既有旋转型的多稳态位置，又有直线型的多稳态位置，旋转型稳态位置所处的机构位置与直线型稳态位置所处的机构位置互相对应。

附图说明

下面将结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1是刚性Sarrus机构的结构示意图；

图2是刚性Sarrus机构的尺寸示意图；

图3是旋转型双稳态柔顺Sarrus机构的第一稳态位置示意图；

图4是旋转型双稳态柔顺Sarrus机构的第二稳态位置示意图；

图5是旋转型三稳态柔顺Sarrus机构的第一稳态位置示意图；

图6是旋转型三稳态柔顺Sarrus机构的第二稳态位置示意图；

图7是旋转型三稳态柔顺Sarrus机构的第三稳态位置示意图；

图8是旋转型四稳态柔顺Sarrus机构的第一稳态位置示意图；

图9是旋转型四稳态柔顺Sarrus机构的第二稳态位置示意图；

图10是旋转型四稳态柔顺Sarrus机构的第三稳态位置示意图；

图11是旋转型四稳态柔顺Sarrus机构的第四稳态位置示意图；

图中：1、刚性杆；2、铰链；11、第一杆件；12、第二杆件；13、第三杆件；14、第四杆件；15、第五杆件；16、第六杆件；21、第一铰链；22、第二铰链；23、第三铰链；24、第四铰链；25、第五铰链；26、第六铰链。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，刚性Sarrus机构是由六根刚性杆1通过铰链2刚性铰接形成的空间六杆单自由度机构，六根刚性杆分别是第一杆件11、第二杆件12、第三杆件13、第四杆件14、第五杆件15和第六杆件16，铰链2共六个，分别是第一铰链21、第二铰链22、第三铰链23、第四铰链24、第五铰链25和第六铰链26。

如图2所示，固定第六杆件16，第一杆件11可以绕第一铰链21旋转，即满足杆长条件：a₁-a₂≥d₄+d₅+d₆；第三杆件13可以沿直线平动，即满足杆长条件：a₄+a₅＞d₁+d₂+d₃。

当将铰链2由刚性铰链部分或全部替换为柔顺铰链时，在适当尺寸下形成的部分柔顺或全柔顺Sarrus机构可以呈现多稳态特性，其中第一杆件11呈现旋转型的多稳态特性，第三杆件13呈现直线型多稳态特性，且第一杆件11的旋转型多稳态的机构稳定平衡位置与第三杆件13的直线型多稳态的机构稳定平衡位置相对应。

下面对于尺寸的具体要求作详细说明：

当第一铰链21、第二铰链22或第三铰链23其中一个由刚性铰链替换为柔顺铰链时，柔顺Sarrus机构各杆件尺寸只需满足运动学条件即可实现双稳态特性。

当第四铰链24、第五铰链25或第六铰链26其中一个由刚性铰链替换为柔顺铰链时，柔顺Sarrus机构的多稳态特性将由具体的各杆件尺寸所定。设初始状态时，第一铰链21与第三铰链23之间的水平距离为S_A，第四铰链24与第五铰链25之间的水平距离为S_B，第一杆件11作整周回转运动时，第三杆件13的最大位移为△_x。当|△_x|≤S_B时，第一杆件11可以呈现旋转型的双稳态特性，第三杆件13可以呈现直线型的双稳态特性；当S_B＜|△_x|≤2S_B时，第一杆件11可以呈现旋转型的三稳态特性，第三杆件13可以呈现直线型的三稳态特性；当|△_x|＞2S_B时，第一杆件11可以呈现旋转型的四稳态特性，第三杆件13可以呈现直线型的四稳态特性。

如图3和图4所示，将第三铰链23由刚性铰链替换为柔顺铰链的部分柔顺Sarrus机构中，固定第六杆件16，当第三铰链23无变形（第二杆件12和第三杆件13之间的夹角不变）时，第一杆件11可以在不同的两个位置稳定停留，则机构为双稳态柔顺Sarrus机构，机构的两个稳定位置对应于第一杆件11的两个旋转型稳态位置和第三杆件13的两个直线型稳态位置。

选取尺寸为：a₁=0.13m,a₂=0.32m,a₃=0.1m,a₄=0.19m,a₅=0.1m, a₆=0.38m,d₁=0.06m,d₂=0.07m,d₃=0.07m,d₄=0.04m,d₅=0.04m,d₆=0.08m。

此时，机构为双稳态部分柔顺Sarrus机构，第一杆件11有两个旋转型的稳定平衡位置，第三杆件13有两个直线型的稳定平衡位置，且分别对应于部分柔顺Sarrus机构的两个稳定平衡位置。

当固定第六杆件16时，第一杆件11可以绕固定轴第一铰链21做整周回转运动，第三铰链23处的柔顺铰链可以发生弹性变形来实现铰链的转动特性，第三杆件13可以沿直线平动，如图3所示，当该柔顺Sarrus机构的初始装配，整个机构中无能量存储，处于稳定平衡状态，此为柔顺Sarrus机构的第一个稳态位置，此位置为第一杆件11的第一个旋转型稳态位置，亦为第三杆件13的第一个直线型稳态位置；当图3中的第一杆件11绕固定轴第一铰链21逆时针旋转时（第一杆件11亦可以顺时针旋转，此处选用逆时针进行说明），第三铰链23处的柔顺铰链发生弹性变形，机构中存储的能量增加，在经过一个柔顺铰链发生变形最大的位置，即能量存储最大值所对应位置后，柔顺铰链开始逐渐恢复变形，机构开始释放能量，直到柔顺铰链恢复初始形状，如图4所示，第一杆件11转动角度为180^°，机构中存储的能量全部释放，机构处于稳定平衡状态，此位置为柔顺Sarrus机构第二个稳态位置，相应的此位置为第一杆件11的第二个旋转型稳态位置，亦为第三杆件13的第二个直线型稳态位置；当图4中的第一杆件11沿原方向继续旋转时，柔顺铰链继续发生弹性变形，柔顺Sarrus机构继续逐渐存储能量，柔顺铰链经过一个变形最大的位置后形变逐渐恢复，机构中存储的逐渐能量减少，直到第一杆件11旋转到初始装配位置即第一杆件11旋转360^°时，整个机构恢复到初始装配位置，机构中存储的能量为零，即机构恢复到图3所示的第一个稳态位置。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，不同的是将第五铰链25由刚性铰链替换为柔顺铰链的部分柔顺Sarrus机构中，固定第六杆件16，如果形成第五铰链25不变形（第四杆件14和第五杆件15之间的夹角不变）时，当第一杆件11可以在两个不同的位置稳定停留，则机构为双稳态柔顺Sarrus机构，机构的两个稳定位置对应于第一杆件11的两个旋转型稳态位置和第三杆件13的两个直线型稳态位置；如果形成第五铰链25不变形（第四杆件14和第五杆件15之间的夹角不变）时，当第一杆件11可以在三个不同的位置稳定停留，则该柔顺Sarrus机构的第一杆件11有三个旋转型的稳态位置，第三杆件13有两个直线型稳态位置，第一杆件11的一个稳态位置所处的机构位置对应与第三杆件13的一个直线型稳态位置所处的机构位置，第一杆件11的另外两个稳态位置所处的机构位置对应与第三杆件13的另一个直线型稳态位置所对应的机构位置。

选取尺寸为：a₁=0.14m,a₂=0.29m,a₃=0.131m,a₄=0.19m,a₅=0.1m, a₆=0.44m,d₁=0.1m,d₂=0.1m,d₃=0m,d₄=0.04m,d₅=0,d₆=0.04m。

如图5、图6和图7所示，初始装配可形成的柔顺Sarrus机构可为图5、图6或图7所示的形态，本实例中选图5（亦可以选图6或图7）所示的机构形态为初始装配状态进行机构工作状态分析。

在图5中，当固定第六杆件16时，第一杆件11可以绕固定轴第一铰链21做整周回转运动，第五铰链25处的柔顺铰链可以发生弹性变形来实现铰链的特性，第三杆件13可以沿直线平动，且该位置下柔顺Sarrus机构为无弹性变形的初始装配位置，整个机构中无能量存储，整个机构处于稳定平稳状态，此为柔顺Sarrus机构中第一杆件11的第一个旋转型稳态位置，相应的此位置为第三杆件13的第一个直线型稳态位置；当图5中的第一杆件11绕固定轴第一铰链21逆时针旋转时（第一杆件11亦可以顺时针旋转，此处选用逆时针进行说明），第五铰链25处的柔顺铰链发生弹性变形，机构中存储的能量增加，在经过一个柔顺铰链发生变形最大的位置（即能量存储最大值所对应位置）后，柔顺铰链开始逐渐恢复变形，机构开始释放能量，直到柔顺铰链恢复初始形状，如图6所示，第一杆件11转动到与第六杆件16平行的位置，机构中存储的能量全部释放，柔顺Sarrus机构可以稳定的停留，得到机构中第一杆件11的第二个旋转型稳态位置，此位置亦为第三杆件13的第二个直线型稳态位置；当图6中的第一杆件11沿原方向继续绕固定轴第一铰链21旋转时，第五铰链25处的柔顺铰链发生弹性变形，机构中存储的能量增加，在经过一个柔顺铰链发生变形最大的位置后，柔顺铰链开始逐渐恢复变形，机构开始释放能量，直到柔顺铰链恢复初始形状，如图7所示，第一杆件11转动到与图5所示位置关于第六杆件16对称的位置，机构中存储的能量全部释放，柔顺Sarrus机构可以稳定的停留，得到机构中第一杆件11的第三个旋转型稳态位置，而第三杆件13恢复到第一个直线型稳态位置；当图7中的第一杆件11沿原方向继续旋转时，柔顺铰链继续发生弹性变形，柔顺Sarrus机构继续逐渐存储能量，柔顺铰链经过一个变形最大的位置后形变逐渐恢复，机构中存储的能量减少，直到第一杆件11旋转到初始装配位置即转到图5所示的机构位置时，整个机构恢复到初始装配位置，机构中存储的能量为零，即柔顺Sarrus机构中第一杆件11恢复到图5所示的第一个旋转型稳态位置，第三杆件13恢复到图5所示的第一个直线型稳态位置。

实施例3

本实施例与实施例2基本相同，不同的是选取尺寸为：a₁=0.14m,a₂=0.3m,a₃=0.1m,a₄=0.15m,a₅=0.1m,a₆=0.4m,d₁=0.05m, d₂=0.05m,d₃=0.06m,d₄=0.04m,d₅=0,d₆=0.04m。

第五铰链25不变形（第四杆件14和第五杆件15之间的夹角不变）时，当第一杆件11可以在四个不同的位置稳定停留，则该柔顺Sarrus机构的第一杆件11有四个旋转型的稳态位置，第三杆件13有两个直线型稳态位置，第一杆件11的其中两个稳态位置所处的机构位置对应于第三杆件13的一个直线型稳态位置所处的机构位置，第一杆件11的另外两个稳态位置所处的机构位置对应于第三杆件13的另一个直线型稳态位置所处的机构位置。

如图8、图9、图10和图11所示，初始装配可形成的柔顺Sarrus机构可为图8、图9、图10或图11所示的形态，本实例中选图8（亦可以选图9、图10或图11）所示的机构形态为初始装配状态进行机构工作状态分析。

在图8中，当固定第六杆件16时，第一杆件11可以绕固定轴第一铰链21做整周回转运动，第五铰链25处的柔顺铰链可以发生弹性变形来实现铰链的特性，第三杆件13可以沿直线平动，且该位置下柔顺Sarrus机构为无弹性变形的初始装配位置，整个机构中无能量存储，整个机构处于稳定平稳状态，此为柔顺Sarrus机构中第一杆件11的第一个旋转型稳态位置，相应的此位置为第三杆件13的第一个直线型稳态位置；当图8中的第一杆件11绕固定轴第一铰链21逆时针旋转时（第一杆件11亦可以顺时针旋转，此处选用逆时针进行说明），第五铰链25处的柔顺铰链发生弹性变形，机构中存储的能量逐渐增加，在经过一个柔顺铰链发生变形最大的位置（即能量存储最大值所对应位置）后，柔顺铰链开始逐渐恢复弹性变形，机构开始释放能量，直到柔顺铰链恢复初始形状，如图9所示，机构中存储的能量全部释放，柔顺Sarrus机构可以在此位置稳定的停留，得到机构中第一杆件11的第二个旋转型稳态位置，此位置亦为第三杆件13的第二个直线型稳态位置；当图9中的第一杆件11沿原方向继续绕固定轴第一铰链21旋转时，第五铰链25处的柔顺铰链发生弹性变形，机构中存储的能量又逐渐增加，在经过一个柔顺铰链发生变形最大的位置后，柔顺铰链开始恢复弹性变形，机构开始释放能量，直到柔顺铰链恢复初始形状，如图10所示，第一杆件11转动到与图9所示位置关于第六杆件16对称的位置，机构中存储的能量全部释放，柔顺Sarrus机构可以稳定的停留，得到机构中第一杆件11的第三个旋转型稳态位置，而第三杆件13恢复到第二个直线型稳态位置即图9中第三杆件13的位置；当图10中的第一杆件11沿原方向继续绕固定轴第一铰链21旋转时，第五铰链25处的柔顺铰链发生弹性变形，机构中存储的弹性势能逐渐增加，在经过一个柔顺铰链发生变形最大的位置后，柔顺铰链开始恢复弹性变形，机构开始释放能量，直到柔顺铰链恢复初始形状，如图11所示，此时机构可以稳定的停留，第一杆件11转动到与图8所示位置关于第六杆件16对称的位置，机构中存储的能量全部释放，柔顺Sarrus机构可以稳定的停留，得到机构中第一杆件11的第四个旋转型稳态位置，而第三杆件13恢复到第一个直线型稳态位置即图8中第三杆件13的位置；当图11中的第一杆件11沿原方向继续旋转时，柔顺铰链继续发生弹性变形，柔顺Sarrus机构继续逐渐存储能量，柔顺铰链经过一个变形最大的位置后形变逐渐恢复，机构中存储的能量减少，直到第一杆件11旋转到初始装配位置即转到图8所示的机构位置时，整个机构恢复到初始装配位置，机构中的能量为零，即柔顺Sarrus机构中第一杆件11恢复到图5所示的第一个旋转型稳态位置，第三杆件13恢复到图8所示的第一个直线型稳态位置。

以上实施例均是将刚性Sarrus的一个刚性铰链替换为柔顺铰链，使机构在适当尺寸下由一个柔顺铰链单独作用来形成多稳态柔顺Sarrus机构的，此外，将两个或多个刚性Sarrus机构的刚性铰链替换为柔顺铰链时，所得机构在适当尺寸及柔顺机构刚度下，由两个或多个柔顺铰链相互作用叠加亦可形成多稳态柔顺Sarrus机构，所形成的多稳态柔顺Sarrus机构的工作状态亦类同于上述由单个柔顺铰链形成的多稳态柔顺Sarrus机构。

刚性铰链、柔性铰链以及具体链接实现方法等属于本领域常用的技术手段，在此不作特别的说明。

Claims (7)

1.柔顺Sarrus机构多稳态的实现方法，其特征是：将刚性Sarrus机构中的部分或全部铰链替换为柔顺铰链，形成部分柔顺或全柔顺Sarrus机构，且可以呈现旋转型和直线型的多稳态特征。

2.根据权利要求1中所述的柔顺Sarrus机构多稳态的实现方法，其特征是：所述的部分柔顺或全柔顺Sarrus机构中刚性杆的运动特性与相同尺寸下刚性Sarrus机构的一致，并同时存在做旋转运动和做直线运动的刚性杆。

3.根据权利要求1中所述的柔顺Sarrus机构多稳态的实现方法，其特征是：所述的柔顺Sarrus机构中的柔顺铰链的呈现单轴转动特性，即在平面内转动；刚性杆呈现刚性，即在柔顺Sarrus机构的运动过程中不发生弹性变形。

4.根据权利要求1中所述的柔顺Sarrus机构多稳态的实现方法，其特征是：所述的柔顺Sarrus机构中，不同位置处的单个柔顺铰链可以使柔顺Sarrus机构中呈现由单个柔顺铰链作用形成的多稳态特性，也可以呈现由不同位置处多个柔顺铰链相互作用叠加而形成的多稳态特性。

5.根据权利要求1中所述的柔顺Sarrus机构多稳态的实现方法，其特征是：所述的柔顺Sarrus机构的多稳态位置既可以为旋转型的稳态位置，也可以为直线型的稳态位置，且旋转型稳定平衡位置与直线型稳定平衡位置相互对应。

6.根据权利要求1中所述的柔顺Sarrus机构多稳态的实现方法，其特征是：所述的柔顺Sarrus机构的稳定平衡位置可以根据实际需要，通过改变杆长来实现稳态位置数目和稳定平衡位置的选取。

7.根据权利要求1中所述的柔顺Sarrus机构多稳态的实现方法，其特征是：多稳态柔顺Sarrus机构在使用过程中，可以将其中任何一杆作为固定的机架。

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