CN107140237B - 一种多稳态柔顺折展机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多稳态柔顺折展机构，包括波纹型柔顺片段，波纹型柔顺片段由多个相同的周期波形柔顺片依次连接而成，每个周期波形柔顺片的1/2周期波形曲线均由一个半圆连接两条相同竖直线而成，每个周期波形柔顺片均预留有一个安装孔，用于连接其它需要折展的构件，安装孔设在周期波形柔顺片的其中一个峰位处，且所有周期波形柔顺片的安装孔位于同一侧，波纹型柔顺片段的首、尾均设有连接孔，将波纹型柔顺片段的首、尾相连，能形成环状封闭结构并维持住由弯曲形变所储存的初始应变能，进而形成所需的多稳态柔顺折展机构。本发明结构简单、加工方便，对复杂的空间折展机构尤为适用，且折展过程中无明显应力集中、不容易疲劳，可以连续翻转。
Description
技术领域
本发明涉及折展机构的技术领域，尤其是指一种多稳态柔顺折展机构。
背景技术
折展机构是一种可以通过改变自己的机构拓扑构型以实现明显的结构改变的机构，生活中处处可见折展机构，譬如雨伞、某些张拉机构、双稳态机构以及剪铰机构等等。折展机构也广泛用于航空航天中比如太阳能电池板、太阳帆的展开中，以及生物医疗中的血管支架、人体介入机器人等等诸多运用。
现有的折展机构主要分为刚性折展机构和柔顺折展机构:
1、刚性折展机构为实现刚性折展功能，主要通过刚性转动铰链约束部件的运动代替折痕以实现折展运动，此种方式虽然实现起来十分简单便捷，却也带来了无法忽视的由于部件厚度所引起的运动干涉的缺陷。而现今存在的常见解决办法是利用偏置转动关节的位置或者用多条折痕代替一条折痕解决运动干涉问题。但是这两种解决方法都使得折展机构结构更加复杂，大大增加了刚性折展机构的制造难度。而且，刚性折展机构通常要配合专门的驱动装置和自锁装置才能实现机构的折展和展开状态保持，这不仅使得折展机构结构复杂、控制困难而且也会引起加工误差和装配误差所带来折展运动不平稳等问题。
2、柔顺机构的是指通过弹性变形将输入的力或者位移传递到输出点的一种机构。柔顺机构相比与传统刚性折展机构具有精度高、无间隙、无润滑、不需要装配等优点。现有的柔顺折展机构往往是通过刚体替代法即通过柔顺铰链代替刚性折展机构的刚性铰链。通过这种方法设计的柔顺机构往往也有结构复杂、运动范围有限、容易出现应力集中现象、容易疲劳等缺点。
Bricard多杆折展机构是一种经典的折展机构，其运动特征是可以通过翻转动作实现空间折展运动。它既有用刚性铰链设计的刚性Bricard多杆折展机构也有用刚体替代法设计的柔顺Bricard多杆折展机构。刚性Bricard多杆折展机构具有所有刚性折展机构的优缺点。柔顺Bricard多杆折展机构具有所有柔顺折展机构的优缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有刚性Bricard折展机构和用传统的刚体替代法设计的Bricard柔顺折展机构的不足，针对刚性折展机构结构复杂、控制困难、有加工误差和装配误差以及它们所带来的运动不稳定、需要姿态保持装置等刚性折展机构的缺点和用传统的刚体替代法设计的Bricard柔顺折展机构结构复杂、运动范围有限、容易出现应力集中现象、容易疲劳的缺点，提供了一种结构紧凑、简单可靠、加工方便、无明显应力集中、不容易疲劳，具有多稳态特性的多稳态柔顺折展机构。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种多稳态柔顺折展机构，包括波纹型柔顺片段，所述波纹型柔顺片段由多个相同的周期波形柔顺片依次连接而成，每个周期波形柔顺片的1/2周期波形曲线均由一个半圆连接两条相同竖直线而成，每个周期波形柔顺片均预留有一个安装孔，用于连接其它需要折展的构件，该安装孔设在周期波形柔顺片的其中一个峰位处，且所有周期波形柔顺片的安装孔位于同一侧，所述波纹型柔顺片段的首、尾均设有连接孔，将波纹型柔顺片段的首、尾通过连接孔相连，能够使该波纹型柔顺片段形成环状封闭结构并维持住由弯曲形变所储存的初始应变能，进而形成所需的多稳态柔顺折展机构。
所述多稳态柔顺折展机构有双稳态构型或四稳态构型两种；所述双稳态构型是在初始状态和翻转到180度时具有两个稳态，或在从初始状态翻转到90度时和270度时具有两个稳态；所述四稳态构型是在初始状态、翻转到90度、翻转到180度和270度时具有四个稳态；
其中，在初始状态和翻转到180度时具有两个稳态的双稳态构型的尺寸约束为：
在从初始状态翻转到90度时和270度时具有两个稳态的双稳态构型的尺寸约束为：
在初始状态、翻转到90度、翻转到180度和270度时具有四个稳态的四稳态构型的尺寸约束为：
上式中，H为周期波形柔顺片的厚度，B为1/2周期波形柔顺片的竖直面宽度，ν为材料的泊松比，L为1/2周期波形柔顺片的竖直面长度，n为周期波形柔顺片个数。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明具有多稳态性能，可利用其稳态性能即可保持其折叠和展开状态而不需要专门姿态保持装置。
2、本发明的特征形状为平面结构，结构紧凑、简单可靠，可一体成型。加工方法既可以用数控铣削又可以用线切割亦可采用普通3D打印的方式，极大降低了加工技术门槛的要求。
3、与传统刚体替代法设计的Bricard柔顺折展机构相比，本发明具有无明显应力集中、不容易疲劳，转动范围大、可以连续翻转等优点。
4、与传统刚性铰链Bricard柔顺折展机构相比，本发明不仅具有精度高、无间隙、无润滑、无需装配等优点，还能克服由加工误差所带来运动干涉以及折展运动不稳定现象等缺点。
附图说明
图1为本发明的多稳态柔顺折展机构的结构示意图。
图2为本发明的周期波形柔顺片的结构示意图。
图3为本发明的波纹型柔顺片段形成环状封闭结构的示意图。
图4a为本发明的多稳态柔顺折展机构为四稳态构型时的第一个稳态示意图。
图4b为本发明的多稳态柔顺折展机构为四稳态构型时的第二个稳态示意图。
图4c为本发明的多稳态柔顺折展机构为四稳态构型时的第三个稳态示意图。
图4d为本发明的多稳态柔顺折展机构为四稳态构型时的第四个稳态示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1至图3所示，本实施例所提供的多稳态柔顺折展机构，包括波纹型柔顺片段1，所述波纹型柔顺片段由多个相同的周期波形柔顺片101依次连接而成，每个周期波形柔顺片101的1/2周期波形曲线均由一个半圆连接两条相同竖直线而成，每个周期波形柔顺片101均预留有一个安装孔2，用于连接其它需要折展的构件，该安装孔2设在周期波形柔顺片101的其中一个峰位处，且所有周期波形柔顺片101的安装孔位于同一侧，所述波纹型柔顺片段1的首、尾均设有连接孔3，将波纹型柔顺片段1的首、尾通过连接孔3相连，能够使该波纹型柔顺片段3形成环状封闭结构并维持住由弯曲形变所储存的初始应变能，进而形成所需的多稳态柔顺折展机构。其中，所述多稳态柔顺折展机构有双稳态构型或四稳态构型两种；所述双稳态构型是在初始状态和翻转到180度时具有两个稳态，或在从初始状态翻转到90度时和270度时具有两个稳态；所述四稳态构型是在初始状态、翻转到90度、翻转到180度和270度时具有四个稳态；
在初始状态和翻转到180度时具有两个稳态的双稳态构型的尺寸约束为：
在从初始状态翻转到90度时和270度时具有两个稳态的双稳态构型的尺寸约束为：
在初始状态、翻转到90度、翻转到180度和270度时具有四个稳态的四稳态构型的尺寸约束为：
上式中，H为周期波形柔顺片的厚度，B为1/2周期波形柔顺片的竖直面宽度，ν为材料的泊松比，L为1/2周期波形柔顺片的竖直面长度，n为周期波形柔顺片个数。
从图1和图2可见，本发明在加工初始状态为没有预弯曲的一段波纹型柔顺片段，在工作时需要对其进行预弯曲使之具有一定的初始应变能，并使之形成封闭结构。由于周期波形柔顺片具有弯矩变形和扭转变形两个正交转动方向上的变形柔度，这使得周期波形柔顺片与Bicard多杆机构两个相邻的正交转动副等效，且弯曲角度、扭转角度所满足的运动学关系与Bricard机构两个相邻的正交转动副运动学关系相同。
本发明的整个折展过程即为柔顺折展机构的翻转过程。参见图4a至图4d所示，在翻转过程中，该柔顺折展机构会有四个或者两个能量储存后又释放最后趋近于稳定的过程，这种运动过程说表现的性能在柔顺机构学上被称为稳态。在翻转过程中，每一个周期波形柔顺片会有弯曲变形和扭转变形，该柔顺折展机构在第一个稳态(如图4a所示)时只有弯曲变形的状态(默认为初始状态)，在翻转过程中弯曲变形逐渐变小，扭转变形逐渐变大，最后弯曲变形所储存的应变能和外力做功产生的能量会转换成扭转变形的应变能然后再在翻转到临界位置时会把系统的总应变能释放一部分，形成第二个稳态(如图4b所示)，然后扭转变形的应变能和外力做的功又逐渐转化为弯曲应变，同样在过临界位置后会把系统的总应变能释放一部分，形成第三个稳态(如图4c所示)，最后弯曲应变能又传递给扭转应变能性，形成第四个稳态(如图4d所示)。该柔顺折展机构即利用其稳态性能实现折展过程中的折叠和展开动作，以及其折姿态的保持。
此外，本发明通过其安装孔2连接其它构件就可以直接运用于比如太阳能电池板展开与收起，太阳帆展开与收起，天线的展开与收起，新型的血管支架的展开与收起，以及人体介入机器人的折展与收起等场合中。
综上所述，本发明能有效完成Bicard折展机构以及类Bicard折展机构的折展运动，且结构简单、加工方便，对复杂的空间折展机构尤为适用，且折展过程中无明显应力集中、不容易疲劳，可以连续翻转。因此，相比现有技术，本发明是一款结构简单、运动可靠、使用简单的新型多稳态柔顺折展机构，值得推广。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种多稳态柔顺折展机构，其特征在于：包括波纹型柔顺片段，所述波纹型柔顺片段由多个相同的周期波形柔顺片依次连接而成，每个周期波形柔顺片的1/2周期波形曲线均由一个半圆连接两条相同竖直线而成，每个周期波形柔顺片均预留有一个安装孔，用于连接其它需要折展的构件，该安装孔设在周期波形柔顺片的其中一个峰位处，且所有周期波形柔顺片的安装孔位于同一侧，所述波纹型柔顺片段的首、尾均设有连接孔，将波纹型柔顺片段的首、尾通过连接孔相连，能够使该波纹型柔顺片段形成环状封闭结构并维持住由弯曲形变所储存的初始应变能，进而形成所需的多稳态柔顺折展机构；
所述多稳态柔顺折展机构有双稳态构型或四稳态构型两种；所述双稳态构型是在初始状态和翻转到180度时具有两个稳态，或在从初始状态翻转到90度时和270度时具有两个稳态；所述四稳态构型是在初始状态、翻转到90度、翻转到180度和270度时具有四个稳态；
其中，在初始状态和翻转到180度时具有两个稳态的双稳态构型的尺寸约束为：
在从初始状态翻转到90度时和270度时具有两个稳态的双稳态构型的尺寸约束为：
在初始状态、翻转到90度、翻转到180度和270度时具有四个稳态的四稳态构型的尺寸约束为：
上式中，H为周期波形柔顺片的厚度，B为1/2周期波形柔顺片的竖直面宽度，ν为材料的泊松比，L为1/2周期波形柔顺片的竖直面长度，n为周期波形柔顺片个数，R为周期波形柔顺片的半圆半径。
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