[发明专利]一种全柔顺五杆机构的三稳态实现方法

说明书

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