[发明专利]一种多稳态柔顺机构及其稳态分析方法

说明书

本发明公开了一种多稳态柔顺机构及其稳态分析方法，是由多个基础单元首尾依次连接而成，构成一个环状封闭结构；每个基础单元均包括有两个互相异面正交的柔性铰链及用于连接柔性铰链的两个刚性连接部分，两个柔性铰链之间通过一个刚性连接部分进行连接，且其中一个柔性铰链通过另外一个刚性连接部分与相邻基础单元的一个柔性铰链连接，在同一个基础单元内的两个刚性连接部分的长度必须相等，但是不同基础单元的刚性连接部分长度不一定相等。本发明除了在继承柔顺三重机构连续转动、多稳态等优点的同时还具有机构拓扑可变、单元数量可调、易于实现与推广等优点。

技术领域

本发明涉及柔顺机构的技术领域，尤其是指一种多稳态柔顺机构及其稳态分析方法。

背景技术

柔顺机构的是指通过弹性变形传递输入力和位移的一种装置。柔顺机构具有无间隙、无润滑、不需要装配、高精度、高刚度等优点并且已经广泛应用于生活中的各个领域。

在柔顺机构的发展过程中，某些机构在运动中被发现具有一个或者几个平稳位置，这种现象叫做柔顺机构的稳态性，而这些机构处于平稳位置的状态被称为柔顺机构的稳态，因此这些机构的稳态位置往往都位于机构势能极小值的点。根据该类柔顺机构的稳态数量我们将柔顺机构的稳态分为单稳态、双稳态以及多稳态。其中，双稳态柔顺机构已经被广泛应用于开关、晶体管以及某些定位器中。虽然已经有一些三稳态或者多稳态柔顺机构被提出,多稳态柔顺机构依然没有得到足够多的关注。

现有的柔顺机构的主流设计方法有伪刚体法(PRBMs)和拓扑优化法。通过这两大类方法设计的柔顺机构往往也大多数只具有双稳态或者三稳态。然而多稳态机构的设计仍然是个难题。

近年来，受折纸机构启发的柔顺机构日渐被人们关注。实际折纸由于其折痕本身就可以被视作一种柔性铰链，很多具有多个稳态的折纸型柔顺机构被提出。折纸技术已经成为多稳态柔顺机构的新的设计方法。

折纸型旋转四面体因其具有连续转动、多稳态等性能已经被学者们所关注。尤其是它连续转动的性能更是打破了柔顺机构无法经受连续运动的缺点。目前已经有三重旋转四面体被设计成对称三重柔顺Bricard机构。

Bricard机构是一种全部使用转动低副和连杆组成的一类空间机构。三重Bricard机构在机构学上隶属于空间过约束机构，其机构的相邻关节呈现正交异面分布且运动自由度为1。三重柔顺Bricard机构受其固定的三角状的机构拓扑的限制，设计变换较少，适用范围有限并不能很好的满足所有工况。当旋转四面体的单元多于三个时，该机构变为多自由度机构分析较复杂，故尚未有人研究。

发明内容

本发明的目的在于克服现有三重柔顺Bricard机构的三角状拓扑结构应用场景单一的限制，丰富柔顺机构的设计，拓展空间柔顺机构的应用，提出了一种结构紧凑、简单可靠、加工方便、可适应多种复杂工况的多稳态柔顺机构及其稳态分析方法，该机构除了在继承三重柔顺Bricard机构连续转动、多稳态等优点的同时还具有机构拓扑可变、单元数量可调、易于实现与推广等优点。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：

一种多稳态柔顺机构，所述多稳态柔顺机构是由多个基础单元首尾依次连接而成，构成一个环状封闭结构；每个基础单元均包括有两个互相异面正交的柔性铰链及用于连接柔性铰链的两个刚性连接部分，两个柔性铰链之间通过一个刚性连接部分进行连接，且其中一个柔性铰链通过另外一个刚性连接部分与相邻基础单元的一个柔性铰链连接，在同一个基础单元内的两个刚性连接部分的长度必须相等，但是不同基础单元的刚性连接部分长度不一定相等。

所述多稳态柔顺机构有单稳态、双稳态、三稳态以及四稳态四种；其中，每个基础单元必须满足如下尺寸约束：