[实用新型]一种多稳态柔顺折展机构

说明书

技术领域

本实用新型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。

实用新型内容

本实用新型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，本实用新型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。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本实用新型具有多稳态性能，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、本实用新型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。