CN112837951B - 一种基于双稳态单元的无中继三稳态机构 - Google Patents

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Abstract

一种基于双稳态单元的无中继三稳态机构，包括双稳态单元、连接梁和连接块；连接块上等弧度固定连接有三个连接梁，每个连接梁的端部均连接有双稳态单元，形成无中继三稳态机构。本发明当给双稳态单元之一施加推力或拉力后，可改变包括该双稳态单元在内的两个双稳态单元的稳定位置，同时，也切换了三稳态机构的稳态，而且通过对整体机构的几何参数的调整，对于本机构的三个稳态对应的三个变形能局部极小值点，两两之间存在都低能量路径，从而使本三稳态机构任意两个稳态之间可以不经过终极状态而直接切换。

Description

一种基于双稳态单元的无中继三稳态机构
技术领域
本发明属于三稳态机构技术领域，特别涉及一种基于双稳态单元的无中继三稳态机构。
背景技术
三稳态机构在其运动范围内有三个平衡稳定位置，因此在三通阀、光开关装置、机械记忆等很多方面具有应用价值。三稳态机构的三个稳态可被分为机构未有任何变形的初始稳态和两个变形稳态。对于目前绝大多数的三稳态机构，由于其构型的限制，两个变形稳态在相互切换的时候，需要将初始稳态作为转换过程的中间状态，这造成了切换的延迟。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可在任意两个稳态间直接切换的三稳态机构，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于双稳态单元的无中继三稳态机构，包括双稳态单元、连接梁和连接块；连接块上固定连接有三个连接梁，每个连接梁的端部均连接有双稳态单元，双稳态单元包括一个正向双稳态单元和两个反向双稳态单元，所有双稳态单元的端部均固定，形成无中继三稳态机构。
进一步的，双稳态单元为可提供两个位置上稳定停留的机构，具体为由刚性块和若干固定-导向型双稳态梁组成的双稳态机构。
进一步的，固定-导向型双稳态梁对称分布设置在刚性块的两端；固定-导向型双稳态梁为三段式双稳态机构或屈曲梁型双稳态机构；三段式双稳态机构包括中间块和柔性支链，中间块的两端对称设置有柔性支链，形成固定-导向型双稳态梁；屈曲梁型双稳态机构为互相平行的屈曲梁。
进一步的，固定-导向型双稳态梁的个数大于等于2n，n＝1、2、3……。
进一步的，连接梁为柔性直梁，连接梁能够在运动中发生弯曲形变。
进一步的，连接梁连接到对应双稳态单元的对称轴线上。
进一步的，连接块为刚性块，连接块的中心与三个双稳态单元对称轴的交点重合。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明当给双稳态单元之一施加推力或拉力后，可改变包括该双稳态单元在内的两个双稳态单元的稳定位置，同时，也切换了三稳态机构的稳态，而且通过对整体机构的几何参数的调整，对于本机构的三个稳态对应的三个变形能局部极小值点，两两之间存在都低能量路径，从而使本三稳态机构任意两个稳态之间可以不经过终极状态而直接切换。由于本机构具有三个稳态位置，且可以直接相互切换，可以用于多路开关、多路阀门等产品，与有中继状态的三稳态机构相比，相应更加及时。此外，本机构具有结构简单、对称、造价低等特点。
附图说明
图1是本发明初始时的第一稳态示意图。
图2是图1向左侧运动的第二稳态示意图。
图3是图2向右侧运动的第二稳态示意图。
图4是以屈曲梁型双稳态机构取代三段式双稳态机构的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例附图对本发明做进一步说明。
一种基于双稳态单元的无中继三稳态机构，包括双稳态单元、连接梁4和连接块7；连接块7上等弧度固定连接有三个连接梁4，每个连接梁4的端部均连接有双稳态单元，形成无中继三稳态机构。
双稳态单元包括刚性块8和固定-导向型双稳态梁9；刚性块8的两端分别设置有若干固定-导向型双稳态梁9，刚性块8两端的固定-导向型双稳态梁9对称设置。
固定-导向型双稳态梁9包括中间块10和柔性支链11，中间块10的两端对称设置有柔性支链11，形成固定-导向型双稳态梁9。
如图1所示，包括三个双稳态单元，一个双稳态单元作为正向双稳态单元1，另外两个分别为反向双稳态单元2，这三个双稳态单元呈三角形分布，分别与一根梁连接，三根梁汇聚在一个连接块7上；三稳态机构未发生任何变形时的初始状态为它的第一稳态.
在初始的第一稳态给反向双稳态单元2施加沿该双稳态单元的对称轴的力后，反向双稳态单元2会沿自身轴线运动，然后到达自身的第二个稳定位置，同时，由于三根由连接块7连接的梁的作用，正向双稳态单元1也会到达其第二个稳定位置，此时，整个三稳态机构处于弹性势能的极小值点，同时变形的三稳态机构也达到了第二个稳态，如图2所示。
然后给另一个反向双稳态单元2施加沿轴线的力，令该双稳态单元沿轴线运动一定距离，到达其第二个稳定位置，同时使反向双稳态单元2回到其自身的第一个稳定位置，而正向双稳态单元1的状态保持不变，那么本三稳态机构则达到了如图3的第三个稳态。
当本三稳态机构处于两个变形稳态之一时，对任意一个处于其自身的第二个稳定位置的双稳态单元施加沿其轴线的力，使该双稳态单元回到第一稳定位置，都可使本三稳态机构恢复至初始的第一稳态。
从上述的三幅图可以清楚地知道正向双稳态单元1、反向双稳态单元一2、连接梁是变形能存储的结构，通过适当的几何参数调整，借助其变形能可以实现在三个独立位置的稳定平衡，三个稳态位置对应变形能曲线上的局部极小值点。

Claims (4)

1.一种基于双稳态单元的无中继三稳态机构，其特征在于，包括双稳态单元、连接梁(4)和连接块(7)；连接块(7)上固定连接有三个连接梁(4)，每个连接梁(4)的端部均连接有双稳态单元，双稳态单元包括一个正向双稳态单元(1)和两个反向双稳态单元(2)，所有双稳态单元的端部均固定，形成无中继三稳态机构；
双稳态单元为可提供两个位置上稳定停留的机构，为由刚性块(8)和若干固定-导向型双稳态梁(9)组成的双稳态机构；
连接梁(4)为柔性直梁，连接梁(4)能够在运动中发生弯曲形变；
连接块(7)为刚性块，连接块(7)的中心与三个双稳态单元对称轴的交点重合。
2.根据权利要求1所述的一种基于双稳态单元的无中继三稳态机构，其特征在于，固定-导向型双稳态梁(9)对称分布设置在刚性块(8)的两端；固定-导向型双稳态梁(9)为三段式双稳态机构或屈曲梁型双稳态机构；三段式双稳态机构包括中间块(10)和柔性支链(11)，中间块(10)的两端对称设置有柔性支链(11)，形成固定-导向型双稳态梁(9)；屈曲梁型双稳态机构为互相平行的屈曲梁。
3.根据权利要求1所述的一种基于双稳态单元的无中继三稳态机构，其特征在于，固定-导向型双稳态梁(9)的个数大于等于2n，n＝1、2、3……。
4.根据权利要求1所述的一种基于双稳态单元的无中继三稳态机构，其特征在于，连接梁(4)连接到对应双稳态单元的对称轴线上。
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