CN105697703B - 一种全柔顺五杆机构的三稳态实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全柔顺五杆机构的三稳态实现方法，其特征是：本发明一种全柔顺五杆机构的三稳态实现方法，至少包括：机架、主动杆、左连杆、右连杆、连架杆，及左下柔性铰链、左上柔性铰链、上柔性铰链、右上柔性铰链和右下柔性铰链；机架和主动杆以左下柔性铰链连接，主动杆和左连杆以左上柔性铰链连接，左连杆和右连杆以上柔性铰链连接，右连杆与连架杆以右上柔性铰链连接，连架杆与机架以右下柔性铰链连接。该全柔顺五杆三稳态机构结构简单、造价低廉、无摩擦、无磨损，可单片式加工，定位精确，可用于精密定位平台、多路光开关等设备中。

Description

一种全柔顺五杆机构的三稳态实现方法

技术领域

本发明属于柔顺机构领域，涉及一种全柔顺五杆机构的三稳态实现方法。具有结构简单、制造方便、造价低、使用可靠等特点，可以应用于开关、阀门、继电器等领域。

背景技术

在很多应用场合，需要实现三个稳定状态的控制与切换，例如三通阀，多路光开关等。一般机构的运行周期只有一个，多稳态机构可以稳定停留在多个平衡位置，而不需要额外的能量输入来维持这些稳定平衡状态，因而适于做阀门、开关、继电器等器件，近年来在可展开机构和可重构机器人领域也有所应用。

传统的开关等器件使用刚性结构和刚性连接，借助弹簧提供的弹性力和限位装置来实现稳定停留在某个状态，或借助外界能量输入（如电压持续作用以产生电磁力）来实现保持某种稳定状态。在工作过程中刚性连接会产生不利的摩擦和磨损，磨损可能导致限位装置失效。全柔顺五杆三稳态机构通过机构中柔顺片段的偏转和变形来获得有效运动及弹性回复力来使机构稳定停留在三个平衡位置，其运动过程伴随着弹性势能的存储和释放，在其稳定平衡状态，机构存储的弹性势能为局部极小值，当输入的外力超过转换阈值后，机构存储的弹性势能释放而使得机构转向相邻的稳定平衡位置并可稳定停留而不需额外输入能量。运动过程中无摩擦、磨损，可靠性高。已有的全柔顺三稳态机构大多为串联两个柔顺双稳态机构或在一个柔顺双稳态机构的基础上添加柔性构件构成，结构较为复杂。全柔顺五杆机构结构简单、用途广泛、运动学分析容易，用全柔顺五杆机构实现的三稳态机构具有容易制造、不需装配、无摩擦磨损等优点，可实现单片式加工，能耗小、造价低且稳定性好。

发明内容

本发明的目的是提供一种能耗小，无摩擦磨损，造价低，稳定性好，不需装配的全柔顺五杆三稳态机构。

本发明所采用的技术方案是：一种全柔顺五杆机构的三稳态实现方法，其特征是：本发明一种全柔顺五杆机构的三稳态实现方法，至少包括：机架、主动杆、左连杆、右连杆、连架杆，及左下柔性铰链、左上柔性铰链、上柔性铰链、右上柔性铰链和右下柔性铰链；机架和主动杆以左下柔性铰链连接，主动杆和左连杆以左上柔性铰链连接，左连杆和右连杆以上柔性铰链连接，右连杆与连架杆以右上柔性铰链连接，连架杆与机架以右下柔性铰链连接。

所述的主动杆与连架杆的长度相等，主动杆与机架之间的初始角度和连架杆与机架之间的初始角度之和为180°，左连杆与右连杆的长度相等，左连杆与机架之间的初始角度和右连杆与机架之间的初始角度之和为180°；机架、主动杆和左连杆的杆长度满足137～147:146:81或127:110～126:81或127:140:81～147。

所述的主动杆与机架之间的初始角度为93°，左连杆与机架之间的初始角度为5.4°，右连杆与机架之间的初始角度为174.6°，连架杆与机架之间的初始角度为87°。

所述的左下柔性铰链、左上柔性铰链、上柔性铰链、右上柔性铰链和右下柔性铰链的平面内弯曲刚度比例分别为1:20:40:20:1。

所述的主动杆角度为5°和258°时有两个弹性势能局部极小值，即机构除初始位置外有两个稳定平衡位置。

所述的左下柔性铰链和右下柔性铰链的最大弯曲角度为165°。

所述的左下柔性铰链和右下柔性铰链在弯曲165°时，使柔顺五杆机构在运动过程中，第二和第三稳定平衡位置处不发生运动干涉，则可以实现三个稳定平衡位置。

所述的机架的长度是右下柔性铰链的转动中心到左下柔性铰链的转动中心的距离，主动杆的杆长度是左下柔性铰链的转动中心到左上柔性铰链的转动中心的距离，左连杆的杆长度是左上柔性铰链的转动中心到上柔性铰链的转动中心的距离，右连杆的杆长度是上柔性铰链的转动中心到右上柔性铰链的转动中心的距离，连架杆的杆长度是右上柔性铰链的转动中心到右下柔性铰链的转动中心的距离。

所述的连架杆也可用做主动杆，此时主动杆变为连架杆。

所述的主动杆和左下柔性铰链或主动杆和左上柔性铰链，左连杆和左上柔性铰链或左连杆和上柔性铰链，右连杆和上柔性铰链或右连杆和右上柔性铰链，连架杆和右上柔性铰链或连架杆和右下柔性铰链分别可以合并设计为一根可弯曲的柔性杆。

本发明的有益效果是：柔顺五杆三稳态机构可以具有三个稳定平衡位置；维持机构的稳定平衡状态不需要输入能量，能耗低；含有柔性铰链的柔顺五杆机构综合了平面连杆机构和柔顺机构的优点，结构简单，加工方便，无需装配；使用过程中操作简单，无摩擦、磨损，易于维护且不易发生故障，可以用于需要三个稳态的各种场合，比如开关、阀门、继电器等等。

附图说明

下面是本发明的附图。

图1是全柔顺五杆机构的结构示意图；

图2是全柔顺五杆机构第一非稳定平衡位置的示意图；

图3是全柔顺五杆机构第二稳定平衡位置的示意图；

图4是全柔顺五杆机构第二非稳定平衡位置的示意图；

图5是全柔顺五杆机构第三稳定平衡位置的示意图；

图6是全柔顺五杆机构的势能随主动杆转角变化图；

图7是机构的势能变化示意图。

图中，1、机架；2、主动杆；3、左连杆；4、右连杆；5、连架杆；12、左下柔性铰链；23、左上柔性铰链；34、上柔性铰链；45、右上柔性铰链；51、右下柔性铰链。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明一种全柔顺五杆机构的三稳态实现方法，至少包括：机架1、主动杆2、左连杆3、右连杆4、连架杆5，及左下柔性铰链12、左上柔性铰链23、上柔性铰链34、右上柔性铰链45和右下柔性铰链51；机架1和主动杆2以左下柔性铰链12连接，主动杆2和左连杆3以左上柔性铰链23连接，左连杆3和右连杆4以上柔性铰链34连接，右连杆4与连架杆5以右上柔性铰链45连接，连架杆5与机架1以右下柔性铰链51连接。

机架1的长度为0.146m，主动杆2的长度为0.146m，左连杆3的长度为0.081m，右连杆4的长度为0.081m，连架杆5的长度为0.146m，主动杆2与机架1之间的初始角度为93°，左连杆3与机架1之间的初始角度为5.4°，右连杆4与机架1之间的初始角度为174.6°，连架杆5与机架1之间的初始角度为87°，左下柔性铰链12、左上柔性铰链23、上柔性铰链34、右上柔性铰链45和右下柔性铰链51的平面内弯曲刚度比例分别为1:20:40:20:1。

固定机架1，在主动杆2上施加逆时针方向的力矩时，主动杆2向逆时针方向转动，左连杆3、右连杆4和连架杆5随之转动，五个柔性铰链变形并储存弹性势能。转到如图2所示位置时，五个柔性铰链中储存的弹性势能达到极大值，柔顺五杆机构处在一个不稳定平衡位置；主动杆2继续向逆时针方向转动，弯曲刚度较大的左上柔性铰链23变形量减小并释放弹性势能，转动到如图3所示位置时，虽然柔性铰链仍有变形，但机构中存储的总弹性势能是局部极小值，全柔顺五杆机构到达第二稳定平衡位置。

给主动杆2上施加顺时针方向的转矩时，主动杆2向顺时针方向转动，左连杆3、右连杆4和连架杆5随之转动，五个柔性铰链变形并储存弹性势能。转到如图4所示位置时，柔性铰链中储存的弹性势能达到极大值，柔顺五杆机构处在一个不稳定平衡位置；主动杆2继续向顺时针方向转动，弯曲刚度较大的右上柔性铰链45释放弹性势能，转动到如图5所示位置时，虽然柔性铰链仍有变形，但机构中存储的总弹性势能是局部极小值，全柔顺五杆机构到达第三稳定平衡位置。

通过对实施例1的全柔顺五杆机构建立如图6所示的伪刚体模型并仿真得到全柔顺五杆机构的机构总弹性势能-主动杆2的转动角度曲线如图7所示。由图7可见该全柔顺五杆机构在主动杆角度为5°和258°时有两个弹性势能局部极小值，即机构除初始位置外有两个稳定平衡位置。

左下柔性铰链12和右下柔性铰链51的最大弯曲角度为165°，如果合理选择材料，使左下柔性铰链12和右下柔性铰链51在弯曲165°时未失效且合理设计刚性杆的宽度，使柔顺五杆机构在运动过程中（特别是第二和第三稳定平衡位置处）不发生运动干涉，则可以实现三个稳定平衡位置。

如图6所示，所述的全柔顺五杆机构中机架1的长度是右下柔性铰链51的理想转动中心到左下柔性铰链12的理想转动中心的距离，主动杆2的杆长度是左下柔性铰链12的理想转动中心到左上柔性铰链23的理想转动中心的距离，左连杆3的杆长度是左上柔性铰链23的理想转动中心到上柔性铰链34的理想转动中心的距离，右连杆4的杆长度是上柔性铰链34的理想转动中心到右上柔性铰链45的理想转动中心的距离，连架杆5的杆长度是右上柔性铰链45的理想转动中心到右下柔性铰链51的理想转动中心的距离。

本发明全柔顺五杆机构中连架杆5也可用做主动杆，此时主动杆2变为连架杆。

全柔顺五杆机构中主动杆2和左下柔性铰链12或主动杆2和左上柔性铰链23，左连杆3和左上柔性铰链23或左连杆3和上柔性铰链34，右连杆4和上柔性铰链34或右连杆4和右上柔性铰链45，连架杆5和右上柔性铰链45或连架杆5和右下柔性铰链51分别可以合并设计为一根可弯曲的柔性杆，该柔性杆兼有刚性杆和柔性铰链的作用，其伪刚体模型为刚性杆加扭簧，伪刚体杆长度为相邻两个扭簧中心之间的距离，初始伪刚体角度为伪刚体杆与机架之间的角度；该采用柔性杆代替刚性杆和柔性铰链设计的全柔顺五杆机构的伪刚体模型与图6所示的全柔顺五杆机构的伪刚体模型相同，亦可实现三个稳定平衡位置。

Claims (6)

1.一种全柔顺五杆机构的三稳态实现方法，其特征是：该全柔顺五杆机构的三稳态实现方法，至少包括：机架( 1 )、主动杆( 2 )、左连杆( 3 )、右连杆( 4 )、连架杆( 5 )，及左下柔性铰链( 12 )、左上柔性铰链( 23 )、上柔性铰链( 34 )、右上柔性铰链( 45 )和右下柔性铰链( 51 )；机架( 1 )和主动杆( 2 )以左下柔性铰链( 12 )连接，主动杆( 2 )和左连杆( 3 )以左上柔性铰链( 23 )连接，左连杆( 3 )和右连杆( 4 )以上柔性铰链( 34)连接，右连杆( 4 )与连架杆( 5 )以右上柔性铰链( 45 )连接，连架杆( 5 )与机架( 1 )以右下柔性铰链( 51 )连接；主动杆( 2 )与连架杆( 5 )的杆长度相等，主动杆( 2 )与机架( 1 )之间的初始角度和连架杆( 5 )与机架( 1 )之间的初始角度之和为180°，左连杆( 3 )与右连杆( 4 )的杆长度相等，左连杆( 3 )与机架( 1 )之间的初始角度和右连杆(4 )与机架( 1 )之间的初始角度之和为180°；当机架( 1 )、主动杆( 2 )和左连杆( 3 )的杆长度满足137～147:146:81或127:110～126:81或127:140:81～147，左下柔性铰链（12）、左上柔性铰链（23）、上柔性铰链（34）、右上柔性铰链（45）和右下柔性铰链（51）的平面内弯曲刚度比值为1:20:40:20:1，并且主动杆( 2 )与机架( 1 )之间的初始角度为93°、左连杆( 3 )与机架(1 )之间的初始角度为5.4°时，全柔顺五杆机构有三个稳定平衡位置；

在主动杆上施加逆时针方向的力矩时，主动杆向逆时针方向转动，左连杆、右连杆和连架杆随之转动，五个柔性铰链变形并储存弹性势能；五个柔性铰链中储存的弹性势能达到极大值，柔顺五杆机构处在一个不稳定平衡位置；主动杆继续向逆时针方向转动，弯曲刚度大的左上柔性铰链变形量减小并释放弹性势能，虽然柔性铰链仍有变形，但机构中存储的总弹性势能是局部极小值，全柔顺五杆机构到达第二稳定平衡位置；给主动杆上施加顺时针方向的转矩时，主动杆向顺时针方向转动，左连杆、右连杆和连架杆随之转动，五个柔性铰链变形并储存弹性势能，柔性铰链中储存的弹性势能达到极大值，柔顺五杆机构处在一个不稳定平衡位置；主动杆继续向顺时针方向转动，弯曲刚度大的右上柔性铰链释放弹性势能，虽然柔性铰链仍有变形，但机构中存储的总弹性势能是局部极小值，全柔顺五杆机构到达第三稳定平衡位置。

2.根据权利要求1所述的一种全柔顺五杆机构的三稳态实现方法， 其特征是：所述的机架( 1 )的长度是右下柔性铰链（51）的转动中心到左下柔性铰链（12）的转动中心的距离，主动杆（2）的杆长度是左下柔性铰链（12）的转动中心到左上柔性铰链（23）的转动中心的距离，左连杆（3）的杆长度是左上柔性铰链（23）的转动中心到上柔性铰链（34）的转动中心的距离，右连杆（4）的杆长度是上柔性铰链（34）的转动中心到右上柔性铰链（45）的转动中心的距离，连架杆（5）的杆长度是右上柔性铰链（45）的转动中心到右下柔性铰链（51）的转动中心的距离。

3.根据权利要求1所述的一种全柔顺五杆机构的三稳态实现方法，其特征是：所述的架杆( 5 )也可用做主动杆，此时主动杆（2）变为连架杆。

4.根据权利要求1所述的一种全柔顺五杆机构的三稳态实现方法，其特征是：所述的主动杆（2）角度为5°和258°时有两个弹性势能局部极小值，即机构除初始位置外有两个稳定平衡位置。

5.根据权利要求1所述的一种全柔顺五杆机构的三稳态实现方法，其特征是：所述的左下柔性铰链( 12 )和右下柔性铰链( 51 )在弯曲小于180°时，使柔顺五杆机构在运动过程中，第二和第三稳定平衡位置处不发生运动干涉，则可以实现三个稳定平衡位置。

6.根据权利要求1所述的一种全柔顺五杆机构的三稳态实现方法，其特征是：所述的主动杆（2）和左下柔性铰链（12）或主动杆（2）和左上柔性铰链（23），左连杆（3）和左上柔性铰链（23）或左连杆（3）和上柔性铰链（34），右连杆（4）和上柔性铰链（34）或右连杆（4）和右上柔性铰链（45），连架杆（5）和右上柔性铰链（45）或连架杆（5）和右下柔性铰链（51）分别可以合并设计为一根可弯曲的柔性杆。