CN107255210A - 一种基于柔性Sarrus机构的恒力支撑机构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于柔性机构领域，涉及一种基于柔性Sarrus机构的恒力支撑机构，其特征是：至少包括六根刚性杆和连接六根刚性杆的铰链，六根刚性杆通过铰链刚性铰接形成空间六杆单自由度机构，六根刚性杆分别是第一杆件、第二杆件、第三杆件、第四杆件、第五杆件和第六杆件，第二杆件和第三杆件通过第三交叉簧片式柔性铰链连接；第三杆件和第四杆件通过第四交叉簧片式柔性铰链连接；第四杆件和第五杆件通过第五交叉簧片式柔性铰链连接；第五杆件和第六杆件通过第六交叉簧片式柔性铰链连。该结构简单、携带便利、稳定性好、可靠性高，可以用于需要恒力输出的场合与领域，如健身器材中恒定力的实现、医疗外科手术过程中肢体辅助支撑的实现。
Description
技术领域
本发明属于柔性机构领域，涉及一种基于柔性Sarrus机构的恒力支撑机构，可用于很多需要恒定力支撑的场合，比如医疗、家电、交通、建筑、冶金等领域的机械产品中。
背景技术
在一定运动范围内，恒力机构输出端产生的反力始终维持在某一定值或在某一定值附近波动。恒力机构因不满足胡克定律，与传统的圆柱弹簧或其他弹性体有着本质的区别，现已在机械、核工业、国防军事、仪器仪表等诸多领域和场合有着广泛的应用前景，如物体夹持、管道清洗、热力发电、火炮自动机、机器人末端等。目前获得恒力特性的方法主要有：机电一体化技术、重力平衡、线性弹簧或蝶形弹簧变形的相互补偿等方法。机电一体化技术主要通过反馈控制实现力的精确控制，但系统复杂、体积大、成本高。重力平衡法主要是利用重物受到的重力作为恒力的输入，该方法可实现较高的精度，但这类装置对安装位置有要求，难以满足多样化的应用需求。专利号为CN101652594A和CN101545562 A的专利公开了通过改变线弹性弹簧或蝶形弹簧作用的矩来实现恒力，或通过组合线弹性弹簧亦或蝶形弹簧于不同方位上，当输出端按指定方向运动时，一个（或一部分）弹簧变形增大、同时另一个（或另一部分）弹簧的变形减小，相互抵消后输出端产生的反力保持恒定。
受机构的复杂性及重量的限制，当前的恒力机构大多用于吊架与支架等工程领域，而在生活领域很少应用，专利号为CN201610003886.4中国专利公开了一种恒力可调的机构，它结构简单、可靠性高，但可提供的恒力工作区间较小，无法满足需要较大运动范围的恒力输出场合，比如用于下肢受伤病人的医疗器械，专利CN 2128879Y，CN 2885222Y等，且使用时病人只能躺着或坐着，大大降低了便利性、舒适性及康复活动的主动性；又如常见的电脑显示器支座或大型电子显示屏的支撑机构，CN 101178944A实现了可移动支座，但结构复杂、生产成本高。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有恒力工作区间大、结构简单、造价低廉、稳定性好的基于柔性Sarrus机构的恒力支撑机构。
本发明所采用的技术方案是，一种基于柔性Sarrus机构的恒力支撑机构，其特征是：至少包括六根刚性杆和连接六根刚性杆的铰链，六根刚性杆通过铰链刚性铰接形成空间六杆单自由度机构，六根刚性杆分别是第一杆件、第二杆件、第三杆件、第四杆件、第五杆件和第六杆件，第二杆件和第三杆件通过第三交叉簧片式柔性铰链连接；第三杆件和第四杆件通过第四交叉簧片式柔性铰链连接；第四杆件和第五杆件通过第五交叉簧片式柔性铰链连接；第五杆件和第六杆件通过第六交叉簧片式柔性铰链连；固定第六杆件，第三杆件既为输入杆也为输出杆；在极限范围内推动第三杆件，此时各柔性铰链发生弹性变形，并将运动传递至各杆件并带动各杆件运动；在该柔性Sarrus机构装配位置处，整个机构无能量存储，处于稳定平衡状态，此时第三杆件产生的反作用力为零；当第三杆件按指定方向从初始位置运动时，各铰链的变形角度逐渐增大，外力做的功以弹性势能的形式存储起来，整个机构的能量呈非线性逐渐增大，由能量守恒定律可知，第三杆件上产生的反作用力逐渐增大；当第三杆件运动到某一位置后，第三铰链的变形角度逐渐减小，其他铰链的变形角度继续增大，各柔性铰链的能量相互补偿后整个柔性Sarrus机构的能量呈线性变化，此时，第三杆件上产生的反作用力维持在某一定值或在某一定值附近波动，即输出恒力；当柔性Sarrus恒力支撑机构恢复到初始形状时，柔性铰链中存贮的能量全部释放，即柔性铰链在运动过程中不消耗能量。
所述第一杆件和第二杆件，第一杆件和第六杆件分别通过第一铰链和第二铰链连接，第一铰链是刚性铰链，第二铰链是刚性铰链或交叉簧片式柔性铰链。
所述第三杆件输出恒力的大小与交叉簧片式柔性铰链的簧片长度L、簧片的宽度W、簧片的厚度t、特征半径系数λ及每个刚性杆的长度ai (i=1~6)有关，通过对交叉簧片式柔性铰链的簧片长度L、簧片的宽度W、簧片的厚度t、特征半径系数λ及每个刚性杆的长度ai的调整实现输出恒力大小和恒力输出的工作区间的调整。
所述的第六杆件作为机架，起固定和支撑作用。
本发明的有益效果是：利用Sarrus机构独特的运动特性、结合柔性铰链变形过程中存储与释放能量的特性实现了柔性Sarrus机构直线运动杆在一定运动范围内输出恒定支撑力，用于各种需要恒力支撑的场合。改变柔性Sarrus机构的各杆件的长度或柔性铰链的结构参数可改变产生的支撑力的大小和提供恒定支撑力的位移区间。传统刚性Sarrus机构只有纯几何运动，而本发明所提出的柔性Sarrus恒力支撑机构在几何运动的基础上还具有良好的力学特性。
由于这种柔性恒力支撑机构恒力工作区间大、结构简单、稳定性好、可靠性高，可以用于需要恒力输出的场合与领域，比如不同身高及体重的下肢受伤病人在康复过程中对上体支撑的实现、电脑显示器的可调支撑的实现、用作机器人外骨骼的辅助支撑实现，以及健身器材中恒定力的实现、医疗外科手术过程中肢体辅助支撑的实现、在机械加工过程中恒定夹持力的实现、检测或测量时恒定接触力的实现、工程中吊架或支撑架的实现等。
附图说明
下面结合实施例附图对本发明做进一步说明。
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例2的结构示意图；
图3是本发明实施例2的应用示意图；
图4是刚性Sarrus机构的结构示意图；
图5是刚性Sarrus机构尺寸示意图；
图6是交叉簧片式柔性铰链结构示意图；
图7是交叉簧片式柔性铰链尺寸示意图；
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；3、显示器。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种基于柔性Sarrus机构的恒力支撑机构，至少包括六根刚性杆1和连接六根刚性杆的铰链，六根刚性杆通过铰链2刚性铰接形成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，除了第六杆件16外，其他刚性杆均为直杆，第二杆件12和第三杆件13通过第三交叉簧片式柔性铰链23连接；第三杆件13和第四杆件14通过第四交叉簧片式柔性铰链24连接；第四杆件14和第五杆件15通过第五交叉簧片式柔性铰链25连接；第五杆件15和第六杆件16通过第六交叉簧片式柔性铰链26连接。
第一杆件11和第二杆件12，第一杆件11和第六杆件16分别通过第一铰链21和第二铰链22连接，第一铰链21和第二铰链22是刚性铰链。
固定第六杆件16，第一杆件11可以绕固定轴第一铰链21做整周回转运动，第三杆件13既为输入杆也为输出杆，在极限范围内推动第三杆件13，此时各柔性铰链发生弹性变形，并将运动传递至各杆件并带动各杆件运动。在该柔性Sarrus机构装配位置处，整个机构无能量存储，处于稳定平衡状态，此时第三杆件产生的反作用力为零；当第三杆件13按指定方向从初始位置运动时，各铰链的变形角度（与柔性铰链连接的相邻杆件之间的夹角）逐渐增大，外力做的功以弹性势能的形式存储起来，整个机构的能量呈非线性逐渐增大，由能量守恒定律可知，第三杆件13上产生的反作用力逐渐增大；当第三杆件13运动到某一位置后，第三铰链23的变形角度逐渐减小，其他铰链的变形角度继续增大，各柔性铰链的能量相互补偿后整个柔性Sarrus机构的能量呈线性变化，此时，第三杆件13上产生的反作用力维持在某一定值或在某一定值附近波动，即输出恒力；当柔性Sarrus恒力支撑机构恢复到初始形状时，柔性铰链中存贮的能量全部释放，即柔性铰链在运动过程中不消耗能量。
第三杆件13输出恒力的大小与交叉簧片式柔性铰链的簧片长度L、簧片的宽度W、簧片的厚度t、特征半径系数λ及每个刚性杆的长度a i (i=1~6)有关，通过对交叉簧片式柔性铰链的簧片长度L、簧片的宽度W、簧片的厚度t、特征半径系数λ及每个刚性杆的长度a i 的调整实现输出恒力大小和恒力输出的工作区间的调整。
例如，选取尺寸为：a 1=0.470m, a 2=0.670m, a 3=0.530m, a 4=0.600m, a 5=0.662m,a 6=1.08m, d 1=0.100m, d 2=d 3=d 4=d 5=0, d 6=0.685m, L=0.040m, W=0.010m, t 3=4.1mm, t 4=1.6mm, t 5=3.0mm, t 6=1.6mm, λ=0.5, θ 10=0°, θ 20=180°, θ 40=116°, θ 50=22°，此部分柔性Sarrus恒力机构可在20cm直线范围内提供35.6N的恒定支撑力。
如图4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5所示，刚性Sarrus机构的尺寸参数主要有：六个刚性杆的长度分别为a 1, a 2,a 3, a 4, a 5, a 6, 第一铰链21与第二铰链22在竖直方向（Z轴方向）上的距离d 1，第二铰链22与第三铰链23在竖直方向（Z轴方向）上的距离d 2，第三铰链22与第四铰链24在Y轴方向上的距离d 3，第四铰链24与第五铰链25在Y轴方向上的距离d 4，第五铰链25与第六铰链26在Y轴方向上的距离d 5，第六铰链26与第一铰链21在竖直方向（Z轴方向）上的距离d 6，第一杆件11与水平方向（X轴）正向所成的夹角θ 1，第二杆件12与水平方向（X轴）正向所成的夹角θ 2，第四杆件14与水平方向（X轴）正向所成的夹角θ 4，第五杆件15与水平方向（X轴）正向所成的夹角θ 5，将各杆件与水平方向（X轴）正向的初始夹角定义为θ i0(i=1, 2, 4, 5)。固定第六杆件16，若满足杆长条件：a 2-a 1≥d 3+d 4+d 5，a 4+a 5＞d 1+d 2+d 6，第一杆件11可以绕第一铰链21旋转，第三杆件13可以沿直线平动。
如图6所示，选用交叉簧片式柔性铰链作为柔性Sarrus恒力机构的柔性铰链，它具有转动角度大、轴漂小、承载能力强，比较适合运动空间较大的机构的特点。此交叉簧片式柔性铰链由于已在中国专利中公开，因此本发明对此不做过多描述。
如图7所示，交叉簧片式柔性铰链的尺寸参数主要有：交叉簧片的交叉角度α，簧片的长度L，簧片的宽度W，簧片的厚度t，特征半径系数λ。柔性铰链通过发生弹性变形来实现铰链的转动特性，转动铰链一定角度，外力做的功会以弹性势能的形式存储在铰链中，当铰链恢复原状时，存储的能量释放，无能量损失。
实施例2
如图2所示，一种基于柔性Sarrus机构的恒力支撑机构，至少包括六根刚性杆和连接六根刚性杆的铰链，六根刚性杆通过铰链刚性铰接形成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，除了第六杆件16外，其他刚性杆件均为直杆，第二杆件12和第三杆件13通过第三交叉簧片式柔性铰链23连接；第三杆件13和第四杆件14通过第四交叉簧片式柔性铰链24连接；第四杆件14和第五杆件15通过第五交叉簧片式柔性铰链25连接；第五杆件15和第六杆件16通过第六交叉簧片式柔性铰链26连。
第一杆件11和第二杆件12，第一杆件11和第六杆件16分别通过第一铰链21和第二铰链22连接，第一铰链21是刚性铰链，第二铰链22是交叉簧片式柔性铰链。
实施例2与实施例1基本相同，是将第二铰链22由刚性铰链也替换成交叉簧片式柔性铰链。将形成的部分柔性Sarrus机构中的第六杆件16固定，驱动第三杆件13运动，柔性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。初始装配位置下柔性Sarrus机构无弹性变形，整个机构中无能量存储，处于稳定平衡状态，此时第三杆件产生的反作用力为零；当第三杆件13按指定方向从初始位置运动时，各铰链的变形角度（与柔性铰链连接的相邻杆件之间的夹角）逐渐增大，外力做的功以弹性势能的形式存储起来，整个机构的能量呈非线性逐渐增大，由能量守恒定律可知，第三杆件13上产生的反作用力逐渐增大；当第三杆件13运动到某一位置后，第三铰链23处的柔性铰链的变形角度逐渐减小，其他柔性铰链的变形角度继续增大，使得各柔性铰链的能量相互补偿后整个柔性Sarrus机构的能量呈线性变化，此时，第三杆件13上产生的反作用力维持在某一定值或在某一定值附近波动，即输出恒力；当柔性Sarrus恒力支撑机构恢复到初始形状时，柔性铰链中存贮的能量全部释放，即柔性铰链在运动过程中不消耗能量。
同样，第三杆件13输出恒力的大小与交叉簧片式柔性铰链的簧片长度L、簧片的宽度W、簧片的厚度t、特征半径系数λ及各刚性杆的长度a i (i=1~6)有关，可通过对这些尺寸参数的调整来实现输出恒力大小和恒力输出工作区间的调整。
例如，选取尺寸为：a 1=0.472m, a 2=0.551m, a 3=0.503m, a 4=0.550m, a 5=0.600m,a 6=1.136m, d 1=d 2=d 3=d 4=d 5=0, d 6=0.689m, L=0.040m, W=0.010m, t 2=0.7mm, t 3=1.0mm,t 4=1.0mm, t 5=1.0mm, t 6=0.8mm, λ=0.5, θ 10=62°, θ 20=228°, θ 40=120°, θ 50=12°，此部分柔性Sarrus恒力机构可在40cm直线范围内提供13N的恒定支撑力。
在实际应用中，可成对使用柔性Sarrus恒力支撑机构，如图3所示，将两组实施例2中柔性Sarrus恒力支撑机构对称布置于显示器3（或其他需要恒力支撑的平台）的两端，显示器3固接在两个柔性Sarrus恒力支撑机构的第三杆件13上。两个柔性Sarrus恒力支撑机构发生弹性变形直至整个系统处于静态平衡状态，两个柔性Sarrus恒力支撑机构共同承载显示器3的重量，恒力支撑机构将显示器3重力所做功以弹性势能形式存储于各柔性铰链中。柔性Sarrus恒力支撑机构提供一个大小基本恒定的支撑反力，当按需求设计交叉簧片式柔性铰链的刚度和各刚性杆的长度，使柔性Sarrus恒力支撑机构产生的恒定支撑力与显示器3的重量相同时，显示器3可以在不受外力的条件下实现上下移动，即显示器3可以被拉到所需求的高度且稳定停留，在整个工作过程中，显示器3的重力势能与柔性Sarrus恒力支撑机构中存储的弹性势能相互转化且其和基本保持恒定，即显示器3在上下移动过程中不需要额外的能量输入。
本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。
Claims (4)
1.一种基于柔性Sarrus机构的恒力支撑机构，其特征是：至少包括六根刚性杆和连接六根刚性杆的铰链，六根刚性杆通过铰链刚性铰接形成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），第二杆件（12）和第三杆件（13）通过第三交叉簧片式柔性铰链（23）连接；第三杆件（13）和第四杆件（14）通过第四交叉簧片式柔性铰链（24）连接；第四杆件（14）和第五杆件（15）通过第五交叉簧片式柔性铰链（25）连接；第五杆件（15）和第六杆件（16）通过第六交叉簧片式柔性铰链（26）连；固定第六杆件（16），第三杆件（13）既为输入杆也为输出杆；在极限范围内推动第三杆件（13），此时各柔性铰链发生弹性变形，并将运动传递至各杆件并带动各杆件运动；在该柔性Sarrus机构装配位置处，整个机构无能量存储，处于稳定平衡状态，此时第三杆件（13）产生的反作用力为零；当第三杆件（13）按指定方向从初始位置运动时，各铰链的变形角度逐渐增大，外力做的功以弹性势能的形式存储起来，整个机构的能量呈非线性逐渐增大，由能量守恒定律可知，第三杆件（13）上产生的反作用力逐渐增大；当第三杆件（13）运动到某一位置后，第三铰链（23）的变形角度逐渐减小，其他铰链的变形角度继续增大，各柔性铰链的能量相互补偿后整个柔性Sarrus机构的能量呈线性变化，此时，第三杆件（13）上产生的反作用力维持在某一定值或在某一定值附近波动，即输出恒力；当柔性Sarrus恒力支撑机构恢复到初始形状时，柔性铰链中存贮的能量全部释放，即柔性铰链在运动过程中不消耗能量。
2.根据权利要求1所述的一种基于柔性Sarrus机构的恒力支撑机构，其特征是：所述第一杆件（11）和第二杆件（12），第一杆件（11）和第六杆件分别通过第一铰链（21）和第二铰链（22）连接，第一铰链（21）是刚性铰链，第二铰链（22）是刚性铰链或交叉簧片式柔性铰链。
3.根据权利要求1所述的一种基于柔性Sarrus机构的恒力支撑机构，其特征是：所述第三杆件（13）输出恒力的大小与交叉簧片式柔性铰链的簧片长度L、簧片的宽度W、簧片的厚度t、特征半径系数λ及每个刚性杆的长度ai (i=1~6)有关，通过对交叉簧片式柔性铰链的簧片长度L、簧片的宽度W、簧片的厚度t、特征半径系数λ及每个刚性杆的长度ai的调整实现输出恒力大小和恒力输出的工作区间的调整。
4.根据权利要求1中所述的一种基于柔性Sarrus机构的恒力支撑机构，其特征是：所述的第六杆件（16）作为机架，起固定和支撑作用。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107255210B (zh) | 2019-02-26 |
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