专利名称：一种全柔性四稳态机构及四稳态机构的实现方法
技术领域：
本发明属于机械柔性机构领域，涉及一种全柔性四稳态机构及四稳态机构的实现 方法，可被用于开关、阀门、定位器、可重构装备等产品中，具有能耗小、结构简单、造价低、 不需要装配等特点。
背景技术：
自适应系统及其他一些领域常用到具有多个稳定位置的多稳态机构。传统的自适 应系统通过施加外作用力或摩擦力来使系统保留在需要的稳定位置，施加外力的系统需要 的能量大，采用摩擦的系统会有损耗进而降低系统的效率并可能最终导致系统失效。现有的一些多稳态机构为部分柔性机构，装配和摩擦的问题依然存在，一些全柔 性双稳态机构，稳定状态数目比较少，不能满足产品需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种能耗小、无需外力或摩擦作用、结构简单、造价低、稳定 性好、不需要装配、重复精度高的一种全柔性四稳态机构及四稳态机构的实现方法。本发明的技术方案是一种全柔性四稳态机构，其特征是包括柔性双稳态机构 和柔性固定导向机构；柔性双稳态机构是双稳态柔性机构；柔性固定导向机构有一个导向 块，导向块的上、下两端各连接两组柔性梁，共四组柔性梁；每组柔性梁包括斜柔性梁的上 段、斜柔性梁的中段和斜柔性梁的下段，上、下两组柔性梁形状相同，斜柔性梁的上段和斜 柔性梁的下段形状相同，斜柔性梁的上段和斜柔性梁的下段是柔性细梁，斜柔性梁的中段 是刚性梁，斜柔性梁的中段长度和宽度都大于其两端的柔性细梁的斜柔性梁的下段和斜柔 性梁的上段；上下两组柔性梁与导向块的水平轴线对称；导向块下面的两组柔性梁的下端 固定，导向块上面的两组柔性梁的上端与柔性双稳态机构的梭连接。所述的斜柔性梁的上段、斜柔性梁的中段和斜柔性梁的下段的轴线是共线的，柔 性梁的轴线与导向块的水平轴线有夹角，夹角小于90度。所述的柔性双稳态机构的梭在上方，导向块上面的两组柔性梁的上端与梭连接构 成第一初始稳定态。所述的柔性双稳态机构的梭在下方，导向块上面的两组柔性梁的上端与梭连接构 成第二初始稳定态。依据全柔性四稳态机构的四稳态机构的实现方法，其方法是当全柔性四稳态机 构的梭处在上方构成第一初始稳定态时，其四稳态过程是导向块由第一初始位置向左运 动，柔性固定导向机构的柔性梁变形并拉动柔性双稳态机构的梭向下运动，梭将在经过一 个非稳定平衡位置后跳跃到第二个稳态位置，继续向右移动导向块，柔性固定导向机构的 柔性梁推动柔性双稳态机构梭向上微移并回弹，柔性梁失稳变形后使导向块停留在第三个 稳定平衡位置；从第三稳定位置继续向右移动导向块，柔性固定导向机构的柔性梁拉动柔 性双稳态机构的梭向下跳转到右侧的第四个稳定位置；当全柔性四稳态机构的梭处在下方构成第二初始稳定态时，其四稳态过程是导向块由第一初始位置向右运动，柔性固定导向 机构的柔性梁变形并推动柔性双稳态机构的梭向上运动，梭将在经过一个非稳态位置后跳 跃到第二个稳态位置，导向块在第二个稳定平衡位置继续向右移动导向块，柔性固定导向 机构的柔性梁推动梭向上微移并回弹，柔性梁失稳变形后使导向块停留在第三个稳定平衡 位置；再继续向右移动导向块，柔性固定导向机构的柔性梁拉动柔性双稳态机构的梭向下 跳转回其第一个稳定位置，然后导向块跳到右侧的第四个稳定位置。本发明的工作过程及优点是柔性固定导向机构的导向块有四个稳定位置，对应 着本发明的四个稳定状态；初始状态，导向块在加工位置；导向块受力向左移动时，两组柔 性梁拉动双稳态机构的梭向下移动，双稳态机构经过一个非稳定平衡位置后该双稳态机构 将释放弹性势能并输出力推动柔性梁和导向块继续向左移动，直到双稳态机构跳跃到第二 个稳定位置(此位置是机构中存储的弹性势能的一个局部极小值点，无需外力机构就可以 保持在此稳定位置)，导向块达到其第二个稳定平衡位置；导向块在初始位置受外力向右移 动时，两组柔性梁受压变形并向上推动双稳态机构梭向上移动，由于双稳态机构向上移动 时其中的柔性梁可有微小的变形并对推动梭的柔性固定导向机构的柔性梁产生向下的较 大的力，使柔性固定导向机构的柔性梁受压失去稳定性而发生弯曲变形，导向块移向双稳 态机构的竖直轴线的右侧，并在梭的压力下保持稳定，撤去外力后导向块停留在其第三个 稳定平衡位置；继续向右推动导向块向右移动，柔性固定导向机构的两组柔性梁将拉动柔 性双稳态机构的梭向下跳转到其第二稳定平衡位置，导向块到达第四个稳定平衡位置。由于该机构有四个稳定平衡位置，可用于多路开关、多路阀门以及双向加速度传 感器等的设计，且具有零件数目少、无需装配、无摩擦、造价低廉、结构对称等特点。全柔性机构不需要装配且工作过程中没有摩擦，损耗更小，并且四个稳态可以满 足更多稳定状态的要求。
下面结合附图对本发明作进一步说明
图1是本发明设计的全柔性四稳态机构结构示意图，处在第一稳定状态(初始加工状
态)；
图2是全柔性四稳态机构的第二稳定状态示意图； 图3是全柔性四稳态机构的第三稳定状态示意图； 图4是全柔性四稳态机构的第四稳定状态示意图5是全柔性四稳态机构实施例2的第一稳定状态示意图(初始加工状态)； 图6是全柔性四稳态机构实施例2的第二稳定状态示意图； 图7是全柔性四稳态机构实施例2的第三稳定状态示意图； 图8是全柔性四稳态机构实施例2的第四稳定状态示意图。图中1、柔性双稳态机构；2、柔性固定导向机构；11、梭；21、导向块；22、斜柔性梁 的下段；23、斜柔性梁的中段；24、斜柔性梁的上段。
具体实施例方式实施例1图1、图2、图3和图4给出了本发明第一种实施例的工作状态说明。如图1所示，一种全柔性四稳态机构的实现方法，包括柔性双稳态机构1和柔性固 定导向机构2 ；所述的柔性双稳态机构1是双稳态柔性机构。柔性固定导向机构2有一个导 向块21，导向块21的上、下两端各连接两组柔性梁，共四组柔性梁；每组柔性梁包括斜柔性 梁的上段24、斜柔性梁的中段23和斜柔性梁的下段22，上、下两组柔性梁形状相同，斜柔性 梁的上段24和斜柔性梁的下段22形状相同，斜柔性梁的上段24和斜柔性梁的下段22是 柔性细梁，斜柔性梁的中段23是刚性梁，长度和宽度都大于其两侧的柔性细梁的斜柔性梁 的中段22和斜柔性梁的上段24 (至少是柔性细梁的2倍以上)；斜柔性梁的上段上段24、 斜柔性梁的上段中段23和斜柔性梁的上段下段22的轴共线，柔性梁的轴线与导向块21的 水平轴线有夹角，夹角小于90度，上下两组柔性梁与导向块21的水平轴线对称；导向块21 下面的两组柔性梁的下端固定，导向块21上面的两组柔性梁的上端与双稳态机构1的梭11 连接。实施例1中柔性双稳态机构1的梭11处在上方初始位置，导向块21上面的两组 柔性梁的上端与梭11连接构成图1中的稳定态。按图2、图3和图4方向移动，可得到其它 三个稳定态。下面我们结合图1、图2、图3和图4构成的全柔性四稳态状态作进一步说明。当导向块21从第一个稳态平衡位置(图1中导向块21的位置)向左运动，柔性固 定导向机构2的柔性梁变形并拉动柔性双稳态机构1的梭11向下运动，梭11将在经过一 个非稳态位置后跳跃到第二个稳态位置(见图2，此位置是柔性双稳态机构1中存储的弹性 势能的一个局部极小值点)，无需施加外力机构就可以保持在此稳定位置，同时导向块21停 留在一个稳定平衡位置。如果从初始位置(图1中的位置)向右移动导向块21，柔性固定导 向机构2的柔性梁推动柔性双稳态机构1梭11向上微移并回弹，柔性梁失稳变形后使导向 块21停留在第三个稳定平衡位置(图3，在此位置借助柔性双稳态机构1对柔性固定导向机 构2的压力使柔性梁保持其变形状态不动);如果从第三稳定位置(图3中的位置)继续向右 移动导向块21，柔性固定导向机构2的柔性梁拉动柔性双稳态机构1的梭11向下跳转到右 侧的第四个稳定位置(图4)。从上述的实施例可以清楚地知道柔性双稳态机构1是变形能存储的器件，借助其 变形能存储导向块可以实现在四个独立的位置上的稳定平衡，无需再施加外作用力使导向 块停留。实施例2
实施例2与实施例1的结构相同，但初始态不同。如图5所示，柔性双稳态机构1的梭11处在下方初始位置，导向块21上面的两组 柔性梁的上端与梭11连接构成图1中的稳定态。同样按图6、图7和图8方向移动，可得到 其它三个稳定态。下面我们结合图5、图6、图7和图8构成的全柔性四稳态状态作进一步说明。当导向块21从第一个稳定平衡位置(图5中导向块21的位置)向右运动，柔性固 定导向机构2的柔性梁变形并推动柔性双稳态机构1的梭11向上运动，梭11将在经过一 个非稳态位置后跳跃到第二个稳态位置(见图6，此位置是机构中存储的弹性势能的一个局 部极小值点)，无需施加外力机构就可以保持在此稳定位置。导向块21在第二个稳定平衡位置继续向右移动导向块21，柔性固定导向机构2的柔性梁推动梭11向上微移并回弹，柔 性梁失稳变形后使导向块21停留在第三个稳定平衡位置图7(在此位置借助柔性双稳态机 构1对柔性固定导向机构2的压力使柔性梁保持其变形状态不动);再继续向右移动导向块 21，柔性固定导向机构2的柔性梁拉动柔性双稳态机构1的梭11向下跳转回其第一个稳定 位置，然后导向块21跳到右侧的第四个稳定位置(图8)。柔性梁也可以是某种能起到弯曲变形和连接作用的其它柔性结构形式(例如柔性 铰链)。本发明中柔性双稳态机构1由于已在美国专利中公开(美国专利7075209B2)，因 此本发明对此不做过多描述。
权利要求
一种全柔性四稳态机构，其特征是包括柔性双稳态机构(1)和柔性固定导向机构(2)；柔性双稳态机构(1)是双稳态柔性机构；柔性固定导向机构(2)有一个导向块(21)，导向块(21)的上、下两端各连接两组柔性梁，共四组柔性梁；每组柔性梁包括斜柔性梁的上段(24)、斜柔性梁的中段(23)和斜柔性梁的下段(22)，上、下两组柔性梁形状相同，斜柔性梁的上段(24)和斜柔性梁的下段(22)形状相同，斜柔性梁的上段(24)和斜柔性梁的下段(22)是柔性细梁，斜柔性梁的中段(23)是刚性梁，斜柔性梁的中段(23)长度和宽度都大于其两端的柔性细梁的斜柔性梁的下段(22)和斜柔性梁的上段(24)；上下两组柔性梁与导向块(21)的水平轴线对称；导向块(21)下面的两组柔性梁的下端固定，导向块(21)上面的两组柔性梁的上端与柔性双稳态机构(1)的梭11连接。
2.根据权利要求1所述的一种全柔性四稳态机构，其特征是所述的斜柔性梁的上段 (24)、斜柔性梁的中段(23)和斜柔性梁的下段(22)的轴线是共线的，柔性梁的轴线与导向 块(21)的水平轴线有夹角，夹角小于90度。
3.根据权利要求1所述的一种全柔性四稳态机构，其特征是所述的柔性双稳态机构 (1)的梭(11)在上方，导向块(21)上面的两组柔性梁的上端与梭(11)连接构成第一初始 稳定态。
4.根据权利要求1所述的一种全柔性四稳态机构，其特征是所述的柔性双稳态机构(1)的梭(11)在下方，导向块(21)上面的两组柔性梁的上端与梭(11)连接构成第二初始稳定态。
5.依据全柔性四稳态机构的四稳态机构的实现方法，其方法是当全柔性四稳态机构 的梭(11)处在上方构成第一初始稳定态时，其四稳态过程是导向块(21)由第一初始位 置向左运动，柔性固定导向机构(2)的柔性梁变形并拉动柔性双稳态机构(1)的梭(11)向 下运动，梭(11)将在经过一个非稳定平衡位置后跳跃到第二个稳态位置，继续向右移动导 向块(21)，柔性固定导向机构(2)的柔性梁推动柔性双稳态机构(1)梭(11)向上微移并回 弹，柔性梁失稳变形后使导向块(21)停留在第三个稳定平衡位置；从第三稳定位置继续向 右移动导向块(21)，柔性固定导向机构(2)的柔性梁拉动柔性双稳态机构(1)的梭(11)向 下跳转到右侧的第四个稳定位置；当全柔性四稳态机构的梭(11)处在下方构成第二初始 稳定态时，其四稳态过程是导向块(21)由第一初始位置向右运动，柔性固定导向机构(2) 的柔性梁变形并推动柔性双稳态机构(1)的梭(11)向上运动，梭(11)将在经过一个非稳 态位置后跳跃到第二个稳态位置，导向块(21)在第二个稳定平衡位置继续向右移动导向块 (21)，柔性固定导向机构(2)的柔性梁推动梭(11)向上微移并回弹，柔性梁失稳变形后使 导向块(21)停留在第三个稳定平衡位置；再继续向右移动导向块(21)，柔性固定导向机构(2)的柔性梁拉动柔性双稳态机构(1)的梭(11)向下跳转回其第一个稳定位置，然后导向 块(21)跳到右侧的第四个稳定位置。
全文摘要
本发明属于机械柔性机构领域，涉及一种全柔性四稳态机构及四稳态机构的实现方法，一种全柔性四稳态机构，包括柔性双稳态机构和柔性固定导向机构；柔性双稳态机构是双稳态柔性机构；柔性固定导向机构有一个导向块，导向块的上、下两端各连接两组柔性梁，共四组柔性梁；导向块下面的两组柔性梁的下端固定，导向块上面的两组柔性梁的上端与柔性双稳态机构的梭连接。依据全柔性四稳态机构形成四稳态方法。它能耗小、无需外力或摩擦作用、结构简单、造价低、稳定性好、不需要装配、重复精度高。
文档编号B81B3/00GK101798052SQ20101014658
公开日2010年8月11日 申请日期2010年4月15日 优先权日2010年4月15日
发明者勾燕洁, 张爱梅, 陈贵敏 申请人:西安电子科技大学