CN102826500A - 一种非对称式变截面突跳机构 - Google Patents

Abstract

一种非对称式变截面突跳机构，属于智能机构学领域。左锚点6a和右锚点6b通过多个柔性梁、刚性梁以及质量块相连接，组成非对称变截面突跳机构。该突跳机构通过调整刚性梁和柔性梁混合结构的空间布局，使得整个跳转过程为非对称变形模式，有效地降低了机构突跳所需的阈值力，仅为传统的均匀截面突跳机构的三分之一。本发明具有突跳变形稳定、能耗低、动作可靠和定位精度高的特点，在碰撞安全保护系统、航空航天姿态控制系统、武器引信系统、仪器跌落保护、机电设备过载保护系统以及病人摔倒监护系统等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种非对称式变截面突跳机构

技术领域

本发明涉及一种非对称式变截面突跳机构，属于微型机构学领域，可用于碰撞安全保护系统、航空航天控制系统、武器系统、仪器跌落保护以及病人摔倒监护系统等。

背景技术

突跳机构能够在外界阈值驱动力的作用下，迅速发生状态跳转，具有定位精度高、重复性好、状态保持无功耗、抗干扰能力强及可靠性高的优点，在航空航天、过载保护系统、引信系统、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MEMS技术的迅猛发展，降低功耗已成为微器件设计的重要发展方向之一。借助其优良力学特性，突跳机构已成为制作新型微驱动器和微继电器的重要结构元件。由于突跳机构的阈值驱动力与驱动器件的驱动电压和能耗密切相关(阈值力越大，所需的驱动能耗则越大)，因此，低阈值化已成为突跳机构设计的重要发展趋势，也是进一步解决微驱动器能耗问题的重要技术途径。

现有突跳机构以挠性双稳态结构为主，结构形式包括全柔性直线梁、蛇形梁、全柔性弧形梁、刚性梁与柔性梁混合以及多个双稳态单元组合结构等。受结构单元类型的限制，虽然这些结构类型能够实现突跳功能需求，但并未有效降低阈值跳转力。例如，CN101834097A，使用全柔性直线梁来实现双稳态机构的最初突跳。US20060087390A1，提出了一种使用蛇形梁作为弹性元件的继电器，通过控制固定梳齿和移动梳齿间距的变化来实现断开和闭合。US6303885B1，提出了三种具有对称结构形式的突跳结构，一种是使用全柔性的弧形梁作为双稳态单元，另一种是使用柔性梁和刚性梁混合的方式来实现双稳态结构，第三种为“山”字型的多个双稳态单元级联结构。CN101335137A利用滑块单元的运动转换功能来实现结构的跳转。但这些结构形式中，主要以对称形式为主，存在跳转阈值力偏高，能量耗散大等问题。另外，CN101837947A通过在双稳态单元上连接多级连杆滑块机构使最后一级滑块形成2^(M+1)数目的稳态平衡位置。CN101798052A使用两个双稳态单元横向和竖向级联，实现横向和竖向脉冲阈值力的检测。CN101798053A是第二级柔性固定导向机构借助于第一级柔性固定导向机构和双稳态机构存储的弹性势能使第二级柔性导向机构在五个独立平衡位置之间实现跳转，但由于引入了较多的运动副，使机构存在机构复杂和容易卡死等问题。US7075209B2提出了一种在固定端加入侧梁的方式来降低阈值，但由于其跳转过程为全对称变形，存在高阶屈曲变形的可能性，进而使机构存在阈值力不稳定的问题。

发明内容

本发明针对现有突跳机构存在的阈值力大、阈值不稳定的弱点，提供一种具有稳定的低跳转阈值力的双稳态突跳机构，通过引入刚性梁结构，使突跳机构的跳转阈值力仅为原机构的二分之一或三分之一，适用于低能耗、高可靠性开关系统、微继电器、驱动器、MEMS传感器等应用场合。

本发明的技术解决方案是：一种非对称式变截面突跳机构，包括左锚点、右锚点、左弹性梁、右弹性梁和质量块，质量块经左弹性梁与左锚点固定连接，质量块经右弹性梁与右锚点固定连接；所述左弹性梁采用三个柔性梁和二个刚性梁互相交替固定连接的组合结构，所述右弹性梁采用至少二个柔性梁和至少一个刚性梁互相交替固定连接的组合结构，构成非对称式变截面突跳机构；所述突跳机构的约束条件为：所述柔性梁和刚性梁的长度系数均小于1.0，所述左弹性梁或右弹性梁的柔性梁和刚性梁的长度系数之和均小于1.0。

所述左弹性梁采用左第一柔性梁、左第一刚性梁、左第二柔性梁、左第二刚性梁和左第三柔性梁依次固定连接的组合结构；所述右弹性梁采用右第一柔性梁、右第一刚性梁和右第二柔性梁依次固定连接的组合结构。

所述左弹性梁采用左第一柔性梁、左第一刚性梁、左第二柔性梁、左第二刚性梁和左第三柔性梁依次固定连接的组合结构；所述右弹性梁采用右第一柔性梁、右第一刚性梁、右第二柔性梁、右第二刚性梁和右第三柔性梁依次固定连接的组合结构。

所述柔性梁采用倾斜结构，倾斜的角度小于90度。

所述柔性梁采用橡胶、铍青铜、弹簧钢或高分子材料的弹性材料制作。

采用上述的技术方案，突跳机构在外部载荷作用下，位于中间的质量块带动两侧连接的支撑结构发生跳跃屈曲，并发生非对称变形，经过一个非稳态平衡位置后跳跃到第二个稳态平衡位置，此位置是结构中存储的弹性势能的一个局部最小点，无需外力保持，中间的质量块可以稳定停留在第二稳态位置。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1．本发明采用刚性梁与柔性梁混合支撑的方式，与传统的等截面厚度直线梁相比，在相同尺度下具有跳转阈值力低、能耗低和可靠性高的优点；

2．与传统的对称式突跳结构相比，充分利用变截面梁的非对称变形模式，使机构在突跳过程中以非对称模式为主，使得整个变形过程更为稳定，保证了结构多次跳转的一致性；

3．本发明利用刚性梁结构的应力调整功能，避免结构应力集中现象，增强了突跳机构的耐疲劳性。

综合分析，本发明所提出的跳转机构具有结构简单、驱动力小、变形稳定，大行程，低能耗，响应迅速，动作准确可靠和抗干扰能力强的优势，在通讯、工业控制、仪器仪表以及消费电子等领域具有广泛的推广价值。

附图说明

图1是一种非对称式变截面突跳机构的结构示意图。

图2是一种非对称式变截面突跳机构的非对称变形示意图。

图3是一种非对称式变截面突跳机构的第二稳态位置示意图。

图4是另一种非对称式变截面突跳机构的结构示意图。

图5是图1所示突跳机构与均一截面结构力位移曲线对比图。

图6是图4所示突跳机构与均一截面结构力位移曲线对比图。

图中：1a、左第一柔性梁；1b、左第二柔性梁；1c、左第三柔性梁，2a、左第一刚性梁；2b、左第二刚性梁；3a、右第一柔性梁；3b、右第二柔性梁，3c、右第三柔性梁，4a、右第一刚性梁，4b、右第二刚性梁，5、质量块；6a、左锚点；6b、右锚点。

具体实施方式

实施例一

图1是一种非对称式变截面突跳机构结构示意图，图中突跳机构主要包括左柔性梁、右柔性梁、左刚性梁、右刚性梁以及质量块5。其具体连接方式为：左第一柔性梁1a左端与左锚点6a连接，右端与左第一刚性梁2a左端连接；左第二柔性梁1b左端与左第一刚性梁2a右端连接，右端与左第二刚性梁2b左端连接；左第三柔性梁1c左端与左第二刚性梁2b右端连接，右端与中部质量块5左端连接。右第一柔性梁3a左端与右第一刚性梁4a右端连接，右端与右锚点6b连接；右第二柔性梁3b左端与质量块5右端连接，右端与右第一刚性梁4a左端连接。

图1中所示的尺寸标注为本实施方式的特色，其中各部分的尺寸约束见表1，具有几何不对称性。

表1列出了各部分的尺寸关系

L1	L2	R1	R2	R3	L3
						δ1*L	δ2*L	δ3*L	δ4*L	δ5*L	δ6*L

表中：δ₁、δ₂、δ₃、δ₄、δ₅、δ₆分别为左弹性梁和右弹性梁的柔性梁和刚性梁的长度系数。

在左侧部分中，左第一柔性梁1a的倾角为α1，左第二柔性梁1b的倾角为α2，左第三柔性梁1c的倾角为α3，右第一柔性梁3a的倾角为β1，右第二柔性梁的倾角为β2，这些倾角满足的角度约束条件为，倾斜角度值都小于90度。另外，长度系数δ₁、δ₂、δ₃、δ₄、δ₅、δ₆均小于1.0，并满足以下关系式：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&delta;}}_1+{\mathrm{\&delta;}}_2+{\mathrm{\&delta;}}_3+{\mathrm{\&delta;}}_4<1.0,& {\mathrm{\&delta;}}_6+{\mathrm{\&delta;}}_5<1.0\\ \begin{array}{cc}{\mathrm{\&delta;}}_3<{\mathrm{\&delta;}}_5,& {\mathrm{\&delta;}}_4<{\mathrm{\&delta;}}_5\end{array}& \\ {\mathrm{\&delta;}}_1\&NotEqual;{\mathrm{\&delta;}}_6& \end{array}\right.---\left(1\right)$

这种非对称式变截面突跳机构的工作状态如图1、2、3所示，图1是跳转机构的第一稳态位置图，在外载荷作用下，质量块5发生横向运动，此时突跳机构中左柔性梁和右柔性梁储存的弹性势能开始逐渐增大，由于左柔性梁、左刚性梁与右柔性梁，右刚性梁的结构、尺寸的几何不对称，造成该跳转机构左右两侧刚度不同。在实际跳转时，质量块5首先牵引左第三柔性梁1c向下跳转，而左第三柔性梁1c带动与它相连的左第二刚性梁2b，在结构内部应力作用下依次牵引与它相连的结构向下跳转，如图2所示。在稍滞后于左柔性梁和左刚性梁发生变形后，右第二柔性梁3b也在质量块5的牵引下向下跳转，在结构内应力的作用下，右第二柔性梁3b也依次牵引与它相连的机构向下跳转。这样质量块5带动两侧连接的双稳态梁结构发生跳跃屈曲变形，经过一个非稳态平衡位置后跳跃到第二个稳态平衡位置，如图3所示。此位置是结构中存储的弹性势能的一个局部最小点，无需外力保持，质量块5可以稳定停留在第二稳态位置。

实施例二

如图4所示，实施例二结构形式与实施例一相同，不同之处在于，突跳机构的右侧部分由两个刚性梁和三个柔性体交替连接构成，具体连接方式为，右第一柔性梁3a的右端与右锚点6b连接，左端与右第一刚性梁4a的右端连接，右第一刚性梁4a的左端与右第二柔性梁3b的右端相连，右第二柔性梁3b的左端与右第二刚性梁4b的右端相连，右第二刚性梁4b的左端与右第三柔性梁3c的右端连接，右第三柔性梁3c的左端与质量块5连接。其具体连接位置关系如表2所示。

表2列出了各部分的尺寸关系

DEG

L1

L2

R1

R2

L5

R8

R7

L6

α

δ1*L

δ2*L

δ3*L

δ4*L

δ6*L

δ7*L

δ8*L

δ9*L

表中：δ₁、δ₂、δ₃、δ₄、δ₆、δ₇、δ₈、δ₉分别为左弹性梁和右弹性梁的柔性梁和刚性梁的长度系数。

突跳机构的右侧部分对应的倾角都小于90度，右侧第一突跳机构各部分之间的位置关系满足，δ₁、δ₂、δ₃、δ₄、δ₆、δ₇、δ₈、δ₉均为小于1.0的系数，且满足如下关系式

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&delta;}}_1+{\mathrm{\&delta;}}_2+{\mathrm{\&delta;}}_3+{\mathrm{\&delta;}}_4<1.0,& {\mathrm{\&delta;}}_6+{\mathrm{\&delta;}}_7+{\mathrm{\&delta;}}_8+{\mathrm{\&delta;}}_9<1.0\\ \begin{array}{cc}{\mathrm{\&delta;}}_6<{\mathrm{\&delta;}}_1,& {\mathrm{\&delta;}}_9<{\mathrm{\&delta;}}_2\end{array}& \\ (1.0-({\mathrm{\&delta;}}_1+{\mathrm{\&delta;}}_2+{\mathrm{\&delta;}}_3+{\mathrm{\&delta;}}_4))>(1.0-({\mathrm{\&delta;}}_6+{\mathrm{\&delta;}}_7+{\mathrm{\&delta;}}_8+{\mathrm{\&delta;}}_9))& \end{array}\right.---\left(2\right)$

对于本发明机构而言，尺寸约束关系式（2）的不同决定了该机构跳转方式的不同，同时也从根本上决定了该机构的非对称跳转。实施例二，由于左右几何结构和尺寸的非对称性，导致质量块5两侧结构刚度的不同，从而依旧如实施例一相同，发生非对称跳转。

图5和图6分别为本发明所提出的实施例一和实施例二的跳转阈值力与传统结构的对比图。图5中，与相同结构尺寸的传统结构相比，实施例一的跳转阈值力仅为传统结构的三分之一，可以有效的降低跳转阈值力。另外，图6中，实施例二的跳转阈值力也仅为传统结构的三分之一。因此，本发明结构所具有的低阈值力功能得到了有效地验证。

Claims (5)

1.一种非对称式变截面突跳机构，包括左锚点（6a）、右锚点（6b）、左弹性梁、右弹性梁和质量块（5），质量块（5）经左弹性梁与左锚点（6a）固定连接，质量块（5）经右弹性梁与右锚点（6b）固定连接；其特征在于：所述左弹性梁采用三个柔性梁和二个刚性梁互相交替固定连接的组合结构，所述右弹性梁采用至少二个柔性梁和至少一个刚性梁互相交替固定连接的组合结构，构成非对称式变截面突跳机构；所述突跳机构的约束条件为：所述柔性梁和刚性梁的长度系数均小于1.0，所述左弹性梁或右弹性梁的柔性梁和刚性梁的长度系数之和均小于1.0。

2.根据权利要求1所述的一种非对称式变截面突跳机构，其特征在于：所述左弹性梁采用左第一柔性梁(1a)、左第一刚性梁(2a)、左第二柔性梁(1b)、左第二刚性梁(2b)和左第三柔性梁(1c)依次固定连接的组合结构；所述右弹性梁采用右第一柔性梁(3a)、右第一刚性梁(4a)和右第二柔性梁(3b)依次固定连接的组合结构。

3.根据权利要求1所述的一种非对称式变截面突跳机构，其特征在于：所述左弹性梁采用左第一柔性梁(1a)、左第一刚性梁(2a)、左第二柔性梁(1b)、左第二刚性梁(2b)和左第三柔性梁(1c)依次固定连接的组合结构；所述右弹性梁采用右第一柔性梁(3a)、右第一刚性梁(4a)、右第二柔性梁（3b）、右第二刚性梁（4b）和右第三柔性梁(3c)依次固定连接的组合结构。

4.根据权利要求1所述的一种非对称式变截面突跳机构，其特征在于：所述柔性梁采用倾斜结构，倾斜的角度小于90度。

5.根据权利要求1所述的一种非对称式变截面突跳机构，其特征在于：所述柔性梁采用橡胶、铍青铜、弹簧钢或高分子材料的弹性材料制作。

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