CN107002814B - 无铰链大动程负刚度结构 - Google Patents

Abstract

一种用于隔振、冲击缓解和/或信号处理的负刚度结构包含挠性拉伸部件和弯曲压缩部件。所述拉伸部件的第一末端附接到第一结构。所述弯曲压缩部件的第一末端耦合到第一结构，且所述弯曲压缩部件的第二末端耦合到所述挠性拉伸部件的第二末端。所述拉伸部件的长度大于所述压缩部件的长度。所述负刚度结构的顶端经配置以展现对施加于所述顶端的负载的负刚度机械响应。所述负刚度机械响应在正交于所述拉伸部件的所述长度的方向上起作用。

Description

无铰链大动程负刚度结构

技术领域

以下描述大体上涉及负刚度结构，并且更确切地说涉及无铰链负刚度结构。

背景技术

多种非线性结构展现负机械刚度，例如跃迁横梁(snap-through beams)和屈曲横梁(buckling beams)。也可以通过具有销住或夹住的边界的弹簧和/或横梁的各种组合和布置而展现负刚度。举例来说，可能由于组件中的一个的过度旋转或者组件之间的滚动或滑动接触而展现负刚度。负刚度机构对多种应用是有用的，包含隔振、冲击缓解以及信号处理。

然而，现有技术负刚度机构可能并入有销、铰链或滑动机械关节，这增加了所述机构的复杂性和成本。现有技术负刚度机构还通常包含轴承组件，其增加了所述机构的成本且增加了摩擦和磨损，这可能限制所述机构的使用寿命。另外，现有技术负刚度机构大体上具有相对小的运动范围(例如，低动程与横梁长度比率)。举例来说，现有技术负刚度机构可能限于近似或大约20:1或10:1的横梁长度与动程比率(beam length to throw ratio)。

发明内容

本发明是针对负刚度结构的各种实施例。在一个实施例中，所述负刚度结构包含至少一个挠性拉伸部件和至少一个弯曲压缩部件。所述挠性拉伸部件的第一末端耦合到第一结构。所述弯曲压缩部件的第一末端的第一末端耦合到第二结构，且所述弯曲压缩部件的第二末端耦合到所述挠性拉伸部件的第二末端。所述挠性拉伸部件的长度大于所述弯曲压缩部件的长度。所述负刚度结构的顶端经配置以展现对施加于所述顶端的负载的负刚度机械响应。所述负刚度机械响应在正交于所述拉伸部件的所述长度的方向上起作用。

所述压缩部件可具有大体上均匀厚度或非均匀厚度。所述至少一个弯曲压缩部件可包含一系列弯曲压缩部件的堆叠。所述至少一个挠性拉伸部件可包含一系列拉伸部件。所述至少一个压缩部件可为矩形横梁。所述至少一个拉伸部件可为横梁、绳索、缆线、杆、链或带。

所述负刚度结构还可包含第二弯曲压缩部件，其具有耦合到所述第二结构的第一末端以及耦合到所述拉伸部件的第二末端的第二末端。所述第一压缩部件可在第一方向上屈曲，且所述第二压缩部件可在与所述第一方向相反的第二方向上屈曲。所述第一和第二压缩部件可为余弦形的。所述负刚度结构还可包含位于所述第一压缩部件与所述第二压缩部件之间的第一和第二楔形嵌件。所述第一楔形嵌件可接近于所述第一和第二压缩部件的第一末端，且所述第二楔形嵌件可接近于所述第一和第二压缩部件的第二末端。

所述第一结构可包含界定锥形凹部的一对弯曲壁。所述拉伸部件的第一末端可接纳于所述锥形凹部中。所述负刚度结构可包含耦合到所述拉伸部件的第一末端的致动器。所述致动器可经配置以调整施加于所述拉伸部件的拉伸或调整所述拉伸部件的有效长度以改变所述顶端的机械响应。所述负刚度结构可包含耦合到所述拉伸部件的第一末端的夹持致动器。所述夹持致动器可经配置以在沿着所述拉伸部件的长度的多个位置处夹持所述拉伸部件。所述第二结构可包含离合机构，其包含具有凸表面的第一离合部件以及具有与所述第一离合部件的凸表面配合的凹表面的第二离合部件。所述第二离合部件可经配置以沿着所述第一离合部件的凸表面在第一角位置与第二角位置之间滑动。

在一个实施例中，所述负刚度结构包含至少一个挠性拉伸部件、耦合到所述至少一个挠性拉伸部件的第一末端的致动器，以及第一和第二弯曲压缩部件。所述弯曲压缩部件的第一末端耦合到一结构。所述弯曲压缩部件的第二末端耦合到所述挠性拉伸部件的第二末端。所述拉伸部件的长度大于所述第一和第二弯曲压缩部件中的每一个的长度。所述第一弯曲压缩部件在第一方向上弯曲且所述第二弯曲压缩部件在与所述第一方向相反的第二方向上弯曲。所述负刚度结构的顶端经配置以当负载施加于所述顶端时展现机械响应。所述致动器经配置以改变所述顶端的机械响应。所述致动器可为齿形齿轮、滑轮，或经配置以在沿着所述拉伸部件的长度的一系列位置处夹持所述拉伸部件的夹具。

提供此发明内容是为了介绍一系列概念，所述概念在以下具体实施方式中进一步加以描述。此发明内容并不打算确定所要求的主题的关键或基本特征，并且也不打算用于限制所要求的主题的范围。

附图说明

当与附图结合考虑时通过参考以下详细描述将更明白本发明的实施例的这些和其它特征及优点。在附图中，贯穿附图使用相同参考标号来参考相同特征和组件。图式不一定按比例绘制。

图1A是根据本发明的一个实施例的包含拉伸部件和一对压缩部件的负刚度结构在第一位置中的示意性侧视图；

图1B是通过拉紧所述拉伸部件而处于第二位置中的图1A的负刚度结构的侧视图；

图1C是通过使负刚度结构的顶端向上偏移而处于第三位置中的图1A的负刚度结构的侧视图；

图1D是通过使负刚度结构的顶端向下偏移而处于第四位置中的图1A的负刚度结构的侧视图；

图2是说明根据本发明的一个实施例的负刚度结构针对拉伸部件的不同有效长度的范围的机械响应的曲线图；

图3是根据本发明的另一个实施例的负刚度结构的示意性侧视图；

图4是根据本发明的另一个实施例的负刚度结构的示意性侧视图；

图5是根据本发明的另一个实施例的负刚度结构的示意性侧视图；

图6是根据本发明的另一个实施例的负刚度结构的示意性侧视图；

图7是说明图6的负刚度结构针对拉伸部件的不同夹持位置的范围的机械响应的曲线图；

图8A到8E是根据本发明的另一个实施例的负刚度结构的示意性侧视图；

图9是根据本发明的另一个实施例的负刚度结构的示意性侧视图；以及

图10是根据本发明的一个实施例的负刚度结构并入到主体结构中的侧视图。

具体实施方式

本发明是针对负刚度结构的各种实施例。负刚度结构的实施例经配置以改变结构的机械响应(即，可调谐的或可变的负刚度结构)。负刚度结构的实施例也是无铰链的。本发明的负刚度结构可取决于负刚度结构的既定目的或功能而并入到任何所需的结构或装置中，例如作为调谐质量阻尼器或作为用于隔振、冲击缓解或信号处理的机构。举例来说，本发明的负刚度结构可并入到结构中作为设备座架(例如，用于陀螺仪的座架)，作为主动或被动交通工具悬挂的组件(例如，用于引擎与底盘之间和/或车轮与道路之间的隔振)，或作为飞机的组件(例如，用于直升机桨叶与直升机的轮毂之间的隔振)。

现在参看图1A到1D，根据本发明的一个实施例的负刚度结构100包含一对压缩元件或部件101、102，以及拉伸元件或部件103。在所说明的实施例中，压缩部件101、102成压缩放置，且拉伸部件103成拉伸放置。其中组件分隔为纯拉伸和纯压缩部件的这些结构被称为张拉整体结构。压缩部件101、102中的每一个的内部或基底末端104、105分别固定地耦合(例如，通过挠性部件(例如，橡胶衬套)而夹住或销住或耦合)到第一结构106，且压缩部件101、102的外部末端107、108是自由的(即，压缩部件101、102是从第一结构106为悬臂式的)。在所说明的实施例中，压缩部件101、102分别的内部末端104、105和外部末端107、108耦合到一起。另外，在所说明的实施例中，拉伸部件103的内部或基底末端109耦合到第二结构110，且拉伸部件103的外部末端111连接到压缩部件101、102的外部末端107、108。另外，拉伸部件103可通过或绕过第一结构106以使得拉伸部件103不耦合到第一结构106。拉伸部件103和压缩部件101、102的外部末端111、107、108一起界定负刚度结构100的顶端112。

虽然在所说明的实施例中，负刚度结构100包含一对压缩部件101、102，但在一个或多个替代实施例中，负刚度结构100可具有任何其它合适数目的压缩部件，例如从一个到二十个。在一个实施例中，负刚度结构100可包含压缩部件的一个或多个堆叠，例如多达十个或更多个压缩部件的堆叠(例如，压缩部件的上部和/或下部堆叠)。虽然在一个实施例中每一堆叠可包含相同数目的压缩部件(例如，上部和下部堆叠中的压缩部件的数目可关于拉伸部件103为对称的)，但在一个或多个替代实施例中，堆叠可具有不同数目的压缩部件。另外，在所说明的实施例中，压缩部件101、102是矩形横梁，但在一个或多个替代实施例中，压缩部件101、102可具有任何其它合适的形状。

另外，在所说明的实施例中，压缩部件101、102被预成型为弯曲或波状的形状(例如，钟形曲线或具有单个弓起的余弦形状)。在一个实施例中，压缩部件101、102在压缩之后可具有任何其它合适的形状。所说明的实施例中的压缩部件101、102还在相反方向上弯曲或成波状(例如，上部压缩部件101向上弯曲且下部压缩部件102向下弯曲)。因此，在所说明的实施例中，相应压缩部件的内部和外部末端彼此接触，且压缩部件101、102在内部与外部末端之间的中间部分间隔开最大振幅h。举例来说，在所说明的实施例中，压缩部件101、102的中心部分间隔开振幅h。另外，虽然在所说明的实施例中压缩部件101、102中的每一个具有大体上恒定厚度t，但在一个或多个替代实施例中，压缩部件101、102中的一个或多个可具有非均匀厚度。此外，虽然在所说明的实施例中上部压缩部件101具有与下部压缩部件102相同或大体上相同的厚度型面，但在一个或多个替代实施例中，上部压缩部件101可具有与下部压缩部件102不同的厚度型面。

在一个实施例中，压缩部件101、102可由具有相对高弹性应变极限的任何材料形成，例如玻璃纤维、钛或其组合。在一个或多个替代实施例中，压缩部件101、102可由任何其它适合的材料形成，例如钢、硅或其组合。

继续参考图1A到1D中说明的实施例，拉伸部件103可为适合于承载拉伸负载的任何结构，例如横梁、绳索(例如，线或克维拉绳索)、缆线(例如，编织缆线)、细杆、链或传动带。在一个实施例中，拉伸部件103可为与压缩部件101、102中的一个相同或类似的矩形横梁，但无预成型形状(例如，拉伸部件103可为平坦矩形横梁)。另外，在一个实施例中，拉伸部件103可为挠性的以使得拉伸部件103具有低抗弯刚度，但当拉伸负载施加于拉伸部件103时为刚性的。另外，拉伸部件103可在仅一个平面中具有低或相对低的抗弯刚度，这可有助于将负刚度结构100的运动限制于单个平面(例如，拉伸部件103可为在仅一个平面中具有低抗弯刚度的辊链)。在一个或多个替代实施例中，拉伸部件103可具有经配置以对负刚度结构100提供正刚度的抗弯刚度，这将使负刚度结构100稳定化为有限刚度结构。如果拉伸部件103的正刚度仅稍微高于压缩部件101、102的负刚度，那么正和负刚度组合而产生准零刚度(Quasi-Zero-Stiffness，QZS)结构100。

在图1A中说明的初始状态中，拉伸部件103具有初始长度L₁，且压缩部件101、102的内部末端104、105与外部末端107、108之间的直线距离具有初始长度L₂。在所说明的实施例中，拉伸部件103的长度L₁长于压缩部件101、102的内部末端104、105与外部末端107、108之间的初始长度L₂。如图1B中所说明，拉伸部件103的有效长度和/或施加于拉伸部件103的拉伸可基于负刚度结构100的所需机械响应而变化(即，结构100的负刚度响应可通过改变施加于拉伸部件103的拉伸和/或拉伸部件103的有效长度来调整)。拉紧拉伸部件103经配置以通过减小压缩部件101、102的内部末端104、105与外部末端107、108之间的距离L₂'而增加压缩部件101、102上的压缩负载。另外，如图1B中所说明，增加压缩部件101、102上的压缩负载增加了压缩部件101、102的中间部分之间的最大振幅h'。可通过以任何合适的机构在拉伸部件103的内部末端上拉动而对拉伸部件103施加拉伸。在图1B中说明的实施例中，可通过在远离拉伸部件103的外部末端111的方向上使拉伸部件103的内部末端所固定地耦合到的第二结构110移动距离e，而增加施加于拉伸部件103的拉伸。在另一实施例中，拉伸部件103的内部末端109可耦合到致动器(例如，滑轮或齿轮)，其经配置以减小拉伸部件103的有效长度且进而增加施加于拉伸部件103的拉伸负载。

如图1C中所说明，当向上力施加于负刚度结构100的顶端112(即，拉伸部件103和压缩部件101、102的共同外部末端111、107、108)以使得顶端112在+y方向向上偏移时，结构100经配置以初始地展现抵抗向上偏移的正刚度。然而，随着向上偏移的力和量值增加，结构100将到达跃迁点，在此结构100将“跃迁”到稳定的较高位置，如图1C中所示。在跃迁期间，结构100展现负刚度。即，结构100的顶端112展现向上力(即，在负载施加于结构100的顶端112的方向上的力)。因此，结构100展现跨越结构100的顶端112的向上偏移范围的非线性刚度(即，在结构100的顶端112向上偏移时结构100展现正和负刚度两者)。

类似地，如图1D中所说明，当向下力施加于结构100的顶端112以使得顶端112在-y方向向下偏移时，结构100初始地经配置以展现抵抗向下偏移的正刚度。然而，随着向下偏移的力和量值增加，结构100将到达跃迁点，在此结构100将跃迁到稳定的较低位置，如图1D中所示。在跃迁期间，结构100展现负刚度。即，结构100的顶端112展现向下力(即，在负载施加于结构100的顶端112的方向上的力)。

在结构100的顶端112展现的力可通过任何合适的机构传递到负刚度结构100所并入于的系统或装置，所述机构例如连接杆或其它合适的推挽式机构。

图2是展示当拉伸部件103的内部末端109被拉动远离拉伸部件103的外部末端111从近似或大约4mm到近似或大约6mm的不同距离e的范围(见图1A)时，在结构100的顶端112处的解析垂直力的绘图。图2中所示的绘图是从负刚度结构100获得，其包含具有近似或大约1/16英寸的直径以及近似或大约150mm的初始长度L₁的线绳索拉伸部件103。上部和下部压缩部件101、102中的每一个在相反方向上预成型为余弦形状，且在压缩部件101、102的内部末端104、105与外部末端107、108之间具有近似或大约100mm的初始长度L₂。另外，压缩部件101、102中的每一个是矩形横梁，其具有近似或大约10mm的宽度以及近似或大约0.3mm的恒定厚度t。在初始状态中，上部和下部压缩部件101、102的中间部分之间的最大距离或振幅h近似或大约为10mm。确切地说，图2示出了当拉伸部件103的内部末端109被拉动近似或大约4.0mm、近似或大约4.5mm、近似或大约5.0mm、近似或大约5.5mm和近似或大约6.0mm的距离e时，在结构100的顶端112处的解析垂直力。

如图2中所说明，当拉伸部件103的内部末端109被从其初始位置拉动近似或大约4.0mm的距离e时，结构100针对从近似或大约-0.01m到近似或大约+0.01m的顶端112偏移展现正刚度，且针对从近似或大约-0.01m到近似或大约-0.04m、以及从近似或大约+0.01m到近似或大约+0.04m的顶端112偏移展现负刚度。另外，当拉伸部件103的内部末端109被拉动近似或大约4.0mm的距离e时，结构100在近似或大约0.01m的顶端112偏移下展现近似或大约0.1N的最大正刚度力，且在近似或大约0.04m的顶端112偏移下展现近似或大约2N的最大负刚度力。因此，所测试的负刚度结构100的实施例经配置以在压缩部件101、102的内部末端104、105与外部末端107、108之间的长度L₂的近似或大约40％的动程(即，顶端112的偏移)下展现最大负刚度(即，结构100在近似或大约40mm的动程下展现最大负刚度，且压缩部件101、102的内部末端104、105与外部末端107、108之间的初始长度L₂是近似或大约100mm)。

当拉伸部件103的内部末端109被拉动近似或大约6.0mm的距离e时，结构100针对从近似或大约-0.02m到近似或大约+0.02m的顶端112偏移展现正刚度，且针对从近似或大约-0.02m到近似或大约-0.04m、以及从近似或大约+0.02m到近似或大约+0.04m的顶端112偏移展现负刚度。因此，施加于拉伸部件103的拉伸之增加经配置以增加顶端112偏移中所述结构100经配置成展现正刚度的范围。另外，当拉伸部件103的内部末端109被拉动近似或大约6.0mm的距离e时，结构100在近似或大约0.02m的顶端偏移下展现近似或大约0.9N的最大正刚度力，且在近似或大约0.04m的顶端偏移下展现近似或大约0N的最大负刚度力。

现在参看图3，根据本发明的另一个实施例的负刚度结构200包含一对上部和下部压缩部件201、202，以及拉伸部件203。压缩部件201、202的内部末端204、205分别固定地耦合到结构206，且压缩部件201、202的外部末端207、208是自由的。在所说明的实施例中，压缩部件201、202分别的内部末端204、205和外部末端207、208耦合到一起。压缩部件201、202预成型为在相反方向上延伸的弯曲或波状形状(例如，余弦形状)(例如，上部压缩部件201向上弯曲且下部压缩部件202向下弯曲)。另外，在所说明的实施例中，拉伸部件203的内部末端209操作性地耦合到致动器210，且拉伸部件203的外部末端211耦合到压缩部件201、202的外部末端207、208。拉伸部件203和压缩部件201、202的外部末端211、207、208一起界定负刚度结构200的顶端212。拉伸部件203和压缩部件201、202可相同或类似于上文参考图1A到1D中说明的实施例描述的拉伸部件103和压缩部件101、102。

致动器210经配置以减少拉伸部件203的有效长度和/或增加施加于拉伸部件203的拉伸以修改当负载施加于结构200的顶端212时结构200的机械响应。举例来说，在一个实施例中，结构200的机械响应可取决于所述有效长度和/或施加于拉伸部件203的拉伸负载而如图2中所示变化。致动器210可为经配置以减少拉伸部件203的有效长度和/或增加施加于拉伸部件203的拉伸的任何合适类型或种类的致动器，例如齿形齿轮机构或滑轮。

现在参看在图4中说明的实施例，根据本发明的另一个实施例的负刚度结构300包含一对上部和下部压缩部件301、302，以及拉伸部件303。压缩部件301、302的内部末端304、305分别固定地耦合到第一结构306，且压缩部件301、302的外部末端307、308是自由的。在所说明的实施例中，压缩部件301、302分别的内部末端304、305和外部末端307、308耦合到一起。压缩部件301、302被预成型为在相反方向上延伸的弯曲或波状形状(例如，余弦形状)(例如，上部压缩部件301向上弯曲且下部压缩部件302向下弯曲)。另外，在所说明的实施例中，拉伸部件303的内部末端309耦合到第二结构310，且拉伸部件303的外部末端311耦合到压缩部件301、302的外部末端307、308。拉伸部件303和压缩部件301、302的外部末端311、307、308一起界定负刚度结构300的顶端312。在一个或多个替代实施例中，拉伸部件303的内部末端309可耦合到致动器(例如，滑轮或齿轮)，例如上文参考图3中说明的实施例描述的致动器210，其经配置以修改当负载施加于结构300的顶端312时结构300的机械响应。拉伸部件303和压缩部件301、302可相同或类似于上文参考图1A到1D中说明的实施例描述的拉伸部件103和压缩部件101、102。

继续参考在图4中说明的实施例，负刚度结构300还包含一对楔形嵌件313、314，其分别安置于上部和下部压缩部件301、302的内部末端304、305与外部末端307、308之间(即，楔形嵌件313、314位于压缩部件301、302之间的相对末端处)。即，在所说明的实施例中，楔形嵌件313接近于压缩部件301、302的内部末端304、305而定位，且楔形嵌件314接近于压缩部件301、302的外部末端307、308而定位。在一个实施例中，楔形嵌件313、314可由任何合适的弹性材料制成，例如天然或合成橡胶(例如由Sorbothane公司制造的合成粘弹性氨基甲酸酯聚合物)。楔形嵌件313、314可通过任何合适的工艺耦合到压缩部件301、302，例如粘结、粘附或模制。在所说明的实施例中，当负刚度结构300在中性位置中时，楔形嵌件313、314匹配或大体上匹配压缩部件301、302的内部和外部末端304、305、307、308的形状或轮廓。另外，在一个实施例中，在压缩部件301、302响应于施加于结构300的顶端312的外部负载而屈曲时，楔形嵌件313、314可经配置以弹性变形以匹配压缩部件301、302的内部和外部末端304、305、307、308的形状或轮廓。楔形嵌件313、314经配置以在结构300的顶端312的高偏移下对负刚度结构300提供额外稳定性而不需要压缩部件301、302的额外预先塑形。因此，楔形嵌件313、314经配置以增加结构300的负刚度或质量效率。

现在参看在图5中说明的实施例，根据本发明的另一个实施例的负刚度结构400包含一对上部和下部压缩部件401、402，以及拉伸部件403。压缩部件401、402的内部末端404、405分别固定地耦合到第一结构406，且压缩部件401、402的外部末端407、408是自由的。在所说明的实施例中，压缩部件401、402分别的内部末端404、405和外部末端407、408耦合到一起。压缩部件401、402被预成型为在相反方向上延伸的弯曲或波状形状(例如，余弦形状)(例如，上部压缩部件401向上弯曲且下部压缩部件402向下弯曲)。另外，在所说明的实施例中，拉伸部件403的内部末端409耦合到第二结构410，且拉伸部件403的外部末端411耦合到压缩部件401、402的外部末端407、408。拉伸部件403和压缩部件401、402的外部末端411、407、408一起界定负刚度结构400的顶端412。拉伸部件403和压缩部件401、402可相同或类似于上文参考图1A到1D中说明的实施例描述的拉伸部件103和压缩部件101、102。

仍参考在图5中说明的实施例，第二结构410包含彼此发散分开的一对弯曲壁或表面413、414。弯曲壁413、414一起界定锥形或楔状凹部415。凹部415沿着从拉伸部件403的内部末端409到外部末端411延伸的方向在较窄末端416与较宽末端417之间成锥形。拉伸部件403的内部末端409接纳于由第二结构410的所述对弯曲壁413、414界定的锥形凹部415中。因此，在结构400的顶端412向上或向下偏移时，拉伸部件403与第二结构410之间的接触点在朝向拉伸部件403的外部末端411的方向上移位(例如，拉伸部件403与第二结构410的上部或下部弯曲壁413、414之间的接触点在结构400的顶端412的冲程期间连续地改变)。拉伸部件403与第二结构410之间的接触点之改变经配置以被动地改变拉伸部件403的有效长度且进而更改结构400的机械响应。如本文所使用，拉伸部件403的“有效长度”被定义为从拉伸部件403与弯曲壁413、414中的一者之间的接触点到拉伸部件403的外部末端411的拉伸部件403的长度。在一个或多个替代实施例中，结构400可包含多个离散止挡件，其经配置以被动地调整拉伸部件403的有效长度。举例来说，在一个实施例中，第二结构410的弯曲壁413、414可包含多个离散突出部或边缘(例如，弯曲壁413、414可能不光滑)。离散突出部与拉伸部件403之间的接触经配置以调整拉伸部件403的有效长度。

另外，在图5中说明的实施例中，负刚度结构400还包含一对楔形嵌件418、419，其安置于压缩部件401、402的相对末端之间。在一个实施例中，楔形嵌件418、419可相同或类似于上文参考图4中说明的实施例描述的楔形嵌件313、314。在一个或多个替代实施例中，可提供不具有楔形嵌件418、419的负刚度结构400。

现在参看图6中说明的实施例，根据本发明的另一个实施例的负刚度结构500包含一对上部和下部压缩部件501、502，以及拉伸部件503。压缩部件501、502的内部末端504、505分别固定地耦合到第一结构506，且压缩部件501、502的外部末端507、508是自由的。在所说明的实施例中，压缩部件501、502分别的内部末端504、505和外部末端507、508耦合到一起。压缩部件501、502被预成型为在相反方向上延伸的弯曲或波状形状(例如，余弦形状)(例如，上部压缩部件501向上弯曲且下部压缩部件502向下弯曲)。另外，在所说明的实施例中，拉伸部件503的内部末端509耦合到第二结构510，且拉伸部件503的外部末端511耦合到压缩部件501、502的外部末端507、508。拉伸部件503和压缩部件501、502的外部末端511、507、508一起界定负刚度结构500的顶端512。拉伸部件503和压缩部件501、502可相同或类似于上文参考图1A到1D中说明的实施例描述的拉伸部件103和压缩部件101、102。

继续参考在图6中说明的实施例，负刚度结构500还包含耦合到第二结构510的夹具513。夹具513经配置以在沿着拉伸部件503的长度的各种点或位置夹到拉伸部件503上。拉伸部件503上之夹持经配置以主动地更改拉伸部件503的有效长度且进而改变结构500的机械响应，如下参考图7所述。当夹具513接合拉伸部件503时，拉伸部件503的有效长度被定义为从夹持点到拉伸部件503的外部末端511的拉伸部件503的长度。

另外，虽然在所说明的实施例中负刚度结构500还包含安置于压缩部件501、502的相对末端之间的一对楔形嵌件514、515，但在一个或多个替代实施例中，可提供无楔形嵌件514、515的负刚度结构500。在一个实施例中，楔形嵌件514、515可相同或类似于上文参考图4中说明的实施例描述的楔形嵌件313、314。

图7是展示图6中所说明的负刚度结构500的实施例的机械响应的绘图，其针对夹具513夹到拉伸部件503上的不同夹持位置的范围。如上文所描述，夹具513经配置以通过夹到拉伸部件503上而减少拉伸部件503的有效长度。确切地说，图7说明当拉伸部件503的有效长度已从近似或大约150mm的初始长度L减少到近似或大约140mm、近似或大约130mm和近似或大约120mm时负刚度结构500的机械响应。

当夹具513未经致动以使得拉伸部件503具有等于近似或大约150mm的其总长度L的有效长度时，结构500针对从近似或大约-0.02m到近似或大约+0.02m的顶端512偏移范围展现正刚度，且结构500针对从近似或大约-0.02m到近似或大约-0.04m、以及从近似或大约+0.02m到近似或大约+0.04m的顶端512偏移范围展现负刚度。另外，结构500展现近似或大约0.9N的最大正刚度力以及近似或大约0N的最大负刚度力。当夹具513经致动以使得拉伸部件503具有近似或大约140mm的有效长度时(即，夹具513在距拉伸部件503的内部末端509近似或大约10mm处夹到拉伸部件503上)，结构500针对从近似或大约-0.02m到近似或大约+0.02m的顶端512偏移范围展现正刚度，且展现近似或大约0.5N的最大正刚度力以及近似或大约0.2N的最大负刚度力。当夹具513经致动以使得拉伸部件503具有近似或大约130mm的有效长度时(即，夹具513在距拉伸部件503的内部末端509近似或大约20mm处夹到拉伸部件503上)，结构500针对从近似或大约-0.02m到近似或大约+0.02m的顶端512偏移范围展现正刚度，且展现近似或大约0.1N的最大正刚度力以及近似或大约0.7N的最大负刚度力。当夹具513经致动以使得拉伸部件503具有近似或大约120mm的有效长度时(即，夹具513在距拉伸部件503的内部末端509近似或大约30mm处夹到拉伸部件503上)，结构500跨越从近似或大约-0.04m到近似或大约+0.04m的顶端512偏移的整个范围展现负刚度，且展现近似或大约1.2N的最大负刚度力。

现在参看图8A到8D中说明的实施例，根据本发明的另一个实施例的负刚度结构600包含一对上部和下部压缩部件601、602，以及拉伸部件603。压缩部件601、602的内部末端604、605分别固定地耦合到第一结构606，且压缩部件601、602的外部末端607、608是自由的。在所说明的实施例中，压缩部件601、602分别的内部末端604、605和外部末端607、608耦合到一起。压缩部件601、602被预成型为在相反方向上延伸的弯曲或波状形状(例如，余弦形状)(例如，上部压缩部件601向上弯曲且下部压缩部件602向下弯曲)。另外，在所说明的实施例中，拉伸部件603的内部末端609耦合到第二结构610，且拉伸部件603的外部末端611耦合到压缩部件601、602的外部末端607、608。拉伸部件603和压缩部件601、602的外部末端611、607、608一起界定负刚度结构600的顶端612。拉伸部件603和压缩部件601、602可相同或类似于上文参考图1A到1D中说明的实施例描述的拉伸部件103和压缩部件101、102。

继续参考图8A到8D中说明的实施例，负刚度结构600还包含耦合到第一结构606的离合或制动机构613。如下文更详细地描述，离合机构613经配置以使得能够调整拉伸部件603以及上部和下部压缩部件601、602的角位置，同时维持压缩部件601、602关于拉伸部件603的对称性。可基于负刚度结构600既定并入到的结构或装置、和/或基于施加于负刚度结构600的顶端612的外部负载的性质，而调整拉伸部件603和压缩部件601、602的角位置。离合机构613可为用于将两个表面一起可逆地锁定和解锁的任何合适类型的机构，例如摩擦类型或种类的离合机构或者机械锁定类型或种类的离合机构。

仍参考图8A到8D中说明的实施例，离合机构613包含具有外部接口表面615的内部离合部件614，以及具有内部接口表面617的外部离合部件616，所述内部接口表面匹配或大体上匹配内部离合部件614的外部接口表面615的形状或轮廓(例如，内部离合部件614和外部离合部件616的接口表面615、617是互补的)。在所说明的实施例中，内部离合部件614的外部接口表面615是凸表面，且外部离合部件616的内部接口表面617是凹表面，所述凹表面符合或大体上符合内部离合部件614的凸外部接口表面615。另外，在一个实施例中，内部离合部件614的外部接口表面615可界定以拉伸部件603的内部末端609为中心的弧。在一个或多个替代实施例中，内部离合部件614和外部离合部件616的接口表面615、617可具有适合于使外部离合部件616能够相对于内部离合部件614旋转或枢转(箭头618)的任何其它形状。举例来说，在一个实施例中，内部离合部件614可包含凹接口表面615，且外部离合部件616可包含凸接口表面617(例如，内部离合部件614和外部离合部件616可类似于球窝接头而起作用)。另外，在所说明的实施例中，压缩部件601、602的内部末端604、605耦合到外部离合部件616。

如图8B中所说明，在压缩部件601、602和外部离合部件616的角位置已经调整之前，负刚度结构600经配置以响应于施加于结构600的顶端612的负载而以与上文参考图1A到1D描述的实施例相同或相似的方式起作用。

可通过减少施加于拉伸部件603的拉伸或增加拉伸部件603的有效长度而调整(箭头618)拉伸和压缩部件601、602的角位置。在一个实施例中，拉伸部件603的内部末端609可耦合到经配置以调整拉伸部件603的拉伸或调整拉伸部件603的有效长度的任何合适的机构。如图8C中所说明，可通过在朝向拉伸部件603的外部末端611的方向上移动(箭头619)拉伸部件603的内部末端609所固定地耦合到的第二结构610，来减少施加于拉伸部件603的拉伸。在另一实施例中，拉伸部件603的内部末端609可耦合到致动器(例如，滑轮或齿轮)，其经配置以增加拉伸部件603的有效长度且进而减小施加于拉伸部件603的拉伸。

施加于拉伸部件603的拉伸之减少或拉伸部件603的有效长度之增加经配置以减少施加于压缩部件601、602的压缩力，且进而减少内部离合部件614和外部离合部件616的接口表面615、617之间的摩擦。如图8D中所说明，内部离合部件614和外部离合部件616的接口表面615、617之间的减少摩擦造成或使得外部离合部件616沿着内部离合部件614的接口表面615旋转、枢转或向下滑动(箭头618)。一旦外部离合部件616和与其耦合的压缩部件601、602已向下旋转(箭头618)到所需角位置，如图8E中所说明，则可通过增加施加于拉伸部件603的拉伸或减小拉伸部件603的有效长度来设定所需角位置以增加施加于压缩部件601、602的压缩力。如图8E中所说明，可以通过在远离拉伸部件603的外部末端611的方向上移动(箭头620)第二结构610、或通过致动耦合到拉伸部件603的内部末端609的致动器，来增加施加于拉伸部件603的拉伸或减小拉伸部件603的有效长度。

施加于压缩部件601、602的增加的压缩力经配置以将外部离合部件616拉入与内部离合部件614的较紧密接合，且进而增加内部离合部件614和外部离合部件616的接口表面615、617之间的摩擦。内部离合部件614和外部离合部件616的接口表面615、617之间的增加摩擦经配置以防止外部离合部件616和与其耦合的压缩部件601、602相对于内部离合部件614无意中旋转(箭头618)。在一个实施例中，离合机构613经配置以将拉伸部件603和压缩部件601、602的角位置从图8A中所示的中性位置调整近似或大约+/-10度，但在一个或多个替代实施例中，离合机构613可经配置以将拉伸部件603和压缩部件601、602的角位置调整到任何其它合适的范围。

一旦负刚度结构600已定位到所需角位置，负刚度结构600便经配置以当负载施加于结构600的顶端612时以与上文参考图1A到1D和图2详细描述的负刚度结构100相同或相似的方式起作用。

另外，在一个或多个替代实施例中，负刚度结构600可包含安置于压缩部件601、602之间的一个或多个楔形嵌件。所述楔形嵌件可相同或类似于上文参考图4中说明的实施例描述的楔形嵌件313、314。

现在参看图9，根据本发明的另一个实施例的负刚度结构700包含一对上部和下部压缩部件701、702，以及拉伸部件703。负刚度结构700还包含离合机构704，其包含内部离合部件705和外部离合部件706，其经配置以沿着内部离合部件705从第一角位置(实线所示)选择性枢转或旋转(箭头707)到第二角位置(虚线所示)。如上文参考图8A到8D中说明的实施例所描述，离合机构704经配置以使得能够例如基于负刚度结构700既定并入于的结构或装置、和/或基于施加于负刚度结构700的外部负载的性质，而调整拉伸部件703以及上部和下部压缩部件701、702的角位置。压缩部件701、702的内部末端708、709分别固定地耦合到外部离合部件706，且压缩部件701、702的外部末端710、711是自由的。在所说明的实施例中，压缩部件701、702分别的内部末端708、709和外部末端710、711耦合到一起。压缩部件701、702被预成型为在相反方向上延伸的弯曲或波状形状(例如，余弦形状)(例如，上部压缩部件701向上弯曲且下部压缩部件602向下弯曲)。另外，在所说明的实施例中，拉伸部件703的内部末端712耦合到结构713，且拉伸部件703的外部末端714耦合到压缩部件701、702的外部末端710、711。拉伸部件703和压缩部件701、702的外部末端714、710、711一起界定负刚度结构700的顶端715。拉伸部件703和压缩部件701、702可相同或类似于上文参考图1A到1D中说明的实施例描述的拉伸部件103和压缩部件101、102。离合机构704可相同或类似于上文参考图8A到8D描述的离合机构613。在一个实施例中，结构713还包含经配置以调整施加于拉伸部件703的拉伸的致动器716。拉伸部件703的拉伸之调整经配置以增加或减小内部离合部件705与外部离合部件706之间的摩擦，且进而锁定压缩部件701、702和拉伸部件703的角位置，或准许外部离合部件706和压缩部件701、702沿着内部离合部件705旋转(箭头707)到不同角位置(虚线所示)。

图10说明与主体结构801集成的根据本发明的一个实施例的负刚度结构800。负刚度结构800可相同或类似于上述实施例中的任一个。在所说明的实施例中，负刚度结构800包含一对上部和下部压缩部件802、803以及一对拉伸部件804、805。压缩部件802、803的内部末端806、807分别固定地耦合到第一结构808。在所说明的实施例中，压缩部件802、803分别的内部末端806、807和外部末端809、810耦合到一起。压缩部件802、803被预成型为在相反方向上延伸的弯曲或波状形状(例如，余弦形状)(例如，上部压缩部件802向上弯曲且下部压缩部件803向下弯曲)。另外，在所说明的实施例中，拉伸部件804、805的内部末端811、812耦合到第二结构813，且拉伸部件804、805的外部末端814、815耦合到压缩部件802、803的外部末端809、810。拉伸部件804、805和压缩部件802、803的外部末端814、815、809、810一起界定负刚度结构800的顶端816。拉伸部件804、805和压缩部件802、803可相同或类似于上文参考图1A到1D中说明的实施例描述的拉伸部件103和压缩部件101、102。

仍参考图10中说明的实施例，主体结构801包含连接杆817、正刚度摆臂818以及弹簧819。在所说明的实施例中，连接杆817的下部末端820耦合到第二结构813，拉伸部件804、805的内部末端811、812耦合到所述第二结构。连接杆817从第二结构813向上延伸。摆臂818包含水平部件821以及铰接耦合到水平部件821的竖直部件822。水平部件821的内部末端823耦合到连接杆817的上部末端824且从其向外延伸。竖直部件822的上部末端825铰接耦合到水平部件821的外部末端826。竖直部件822的下部末端827耦合到拉伸部件804、805和压缩部件802、803的外部末端814、815、809、810。在所说明的实施例中，弹簧819在水平部件821的中间部分与第二结构813之间延伸，拉伸部件804、805的内部末端811、812耦合到所述第二结构。

负刚度结构800的顶端816的机械响应传递到摆臂818的竖直部件822。另外，可通过调整施加于拉伸部件804、805的拉伸或调整拉伸部件804、805的有效长度来改变负刚度结构800的机械响应。负刚度结构800可包含用于调整施加于拉伸部件804、805的拉伸和/或调整拉伸部件804、805的有效长度的任何合适的机构，例如耦合到拉伸部件804、805的内部末端811、812的致动器(例如，滑轮或齿轮)。举例来说，在一个实施例中，可如图2中所示改变负刚度结构800的机械响应。

虽然已特定参考本发明的示范性实施例详细地描述本发明，但本文所描述的示范性实施例并不希望为穷尽性的或者将本发明的范围限于所揭示的确切形式。本发明涉及的所属领域的技术人员将了解，可实践所描述结构以及组装和操作方法的更改和改变而不会有意地脱离如所附权利要求书中阐述的本发明的原理、精神和范围及其等效物。虽然本文已经使用例如“外部”、“内部”、“上部”、“下部”和相似术语等相对术语来描述一个元件与另一元件的空间关系，但应理解除了附图中描绘的定向之外，这些术语还希望涵盖本发明的各种元件和组件的不同定向。另外，如本文所使用，术语“大体上”、“大约”和相似术语用作近似的术语且不用作程度的术语，且希望考虑所属领域的技术人员将认识到的所测得或计算的值中的固有偏差。此外，当组件是称为“耦合”到另一组件的组件时，其可直接附接到另一组件，或者其间可存在介入的组件。

Claims (21)

1.一种负刚度结构，其包括：

至少一个挠性拉伸部件，其具有第一末端和第二末端，所述第一末端耦合到第一结构；以及

第一弯曲压缩部件，其具有第一末端和第二末端，所述第一末端耦合到第二结构，所述第二末端耦合到所述至少一个挠性拉伸部件的所述第二末端，其中

所述至少一个挠性拉伸部件中每一个挠性拉伸部件的长度大于所述第一弯曲压缩部件的长度，且

所述负刚度结构的顶端经配置以展现对施加于所述顶端的负载的负刚度机械响应，所述负刚度机械响应在正交于所述至少一个挠性拉伸部件的所述长度的方向上起作用。

2.根据权利要求1所述的负刚度结构，其进一步包括第二弯曲压缩部件，所述第二弯曲压缩部件具有耦合到所述第二结构的第一末端以及耦合到所述至少一个挠性拉伸部件的所述第二末端的第二末端。

3.根据权利要求2所述的负刚度结构，其中所述第一弯曲压缩部件在第一方向上屈曲，且其中所述第二弯曲压缩部件在与所述第一方向相反的第二方向上屈曲。

4.根据权利要求2或3中任一权利要求所述的负刚度结构，其中所述第一和第二弯曲压缩部件是余弦形的。

5.根据权利要求2或3中任一权利要求所述的负刚度结构，其进一步包括位于所述第一弯曲压缩部件与所述第二弯曲压缩部件之间的第一和第二楔形嵌件，所述第一楔形嵌件接近于所述第一和第二弯曲压缩部件的所述第一末端，且所述第二楔形嵌件接近于所述第一和第二弯曲压缩部件的所述第二末端。

6.根据权利要求2或3中任一权利要求所述的负刚度结构，其中所述第一结构包括界定锥形凹部的一对弯曲壁，且其中所述至少一个挠性拉伸部件的所述第一末端接纳于所述锥形凹部中。

7.根据权利要求2或3中任一权利要求所述的负刚度结构，其进一步包括耦合到所述至少一个挠性拉伸部件的所述第一末端的致动器，所述致动器经配置以调整施加于所述至少一个挠性拉伸部件的拉伸或调整所述至少一个挠性拉伸部件的有效长度以改变所述顶端的所述机械响应。

8.根据权利要求2或3中任一权利要求所述的负刚度结构，其进一步包括耦合到所述至少一个挠性拉伸部件的所述第一末端的夹持致动器，所述夹持致动器经配置以在沿着所述至少一个挠性拉伸部件的长度的多个位置处夹持所述至少一个挠性拉伸部件。

9.根据权利要求2或3中任一权利要求所述的负刚度结构，其中所述第二结构包括离合机构，所述离合机构包括：

第一离合部件，其具有凸表面；以及

第二离合部件，其具有与所述第一离合部件的所述凸表面配合的凹表面，其中所述第二离合部件经配置以沿着所述第一离合部件的所述凸表面在第一角位置与第二角位置之间滑动。

10.根据权利要求2或3中任一权利要求所述的负刚度结构，其中所述第一弯曲压缩部件具有大体上均匀的厚度。

11.根据权利要求2或3中任一权利要求所述的负刚度结构，其中所述第一弯曲压缩部件具有非均匀厚度。

12.根据权利要求2或3中任一权利要求所述的负刚度结构，其中所述第一弯曲压缩部件包括多个弯曲压缩部件的堆叠。

13.根据权利要求2或3中任一权利要求所述的负刚度结构，其中所述至少一个挠性拉伸部件包括多个拉伸部件。

14.根据权利要求2或3中任一权利要求所述的负刚度结构，其中所述第一弯曲压缩部件是矩形横梁。

15.根据权利要求2或3中任一权利要求所述的负刚度结构，其中所述至少一个挠性拉伸部件选自由以下各项组成的群组：横梁、绳索、缆线、杆、链或带。

16.一种负刚度结构，其包括：

至少一个挠性拉伸部件，其具有第一末端和第二末端；

致动器，其耦合到所述至少一个挠性拉伸部件的所述第一末端；以及

第一和第二弯曲压缩部件，其各自具有第一末端和第二末端，所述第一末端耦合到一结构，所述第二末端耦合到所述至少一个挠性拉伸部件的所述第二末端，其中

所述至少一个挠性拉伸部件中每一个挠性拉伸部件的长度大于所述第一和第二弯曲压缩部件中的每一个的长度，

所述第一弯曲压缩部件在第一方向上弯曲且所述第二弯曲压缩部件在与所述第一方向相反的第二方向上弯曲，

所述负刚度结构的顶端经配置以当负载施加于所述顶端时展现机械响应，且

所述致动器经配置以改变所述顶端的所述机械响应。

17.根据权利要求16所述的负刚度结构，其中所述致动器是齿形齿轮。

18.根据权利要求16所述的负刚度结构，其中所述致动器是滑轮。

19.根据权利要求16所述的负刚度结构，其中所述致动器是经配置以在沿着所述至少一个挠性拉伸部件的所述长度的多个位置处夹持所述至少一个挠性拉伸部件的夹具。

20.根据权利要求16至19中任一权利要求所述的负刚度结构，其中所述至少一个挠性拉伸部件选自由以下各项组成的群组：横梁、绳索、缆线、杆、链或带。

21.根据权利要求16至19中任一权利要求所述的负刚度结构，其中所述负刚度结构具有所述第一和第二弯曲压缩部件的所述第一末端与所述第二末端之间的长度的近似40％的动程。