本發(fā)明涉及直線驅(qū)動(dòng)裝置領(lǐng)域，具體涉及一種雙穩(wěn)態(tài)直線驅(qū)動(dòng)裝置。

背景技術(shù)：

1、在諸多工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中，直線驅(qū)動(dòng)裝置廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備、機(jī)器人及工業(yè)生產(chǎn)線等領(lǐng)域。然而，現(xiàn)有的直線驅(qū)動(dòng)裝置在設(shè)計(jì)上面臨諸多挑戰(zhàn)，尤其在需要高效直線運(yùn)動(dòng)輸出的場(chǎng)合。傳統(tǒng)的直線驅(qū)動(dòng)裝置，如直線電機(jī)、液壓缸等，雖然能夠提供一定的輸出力和位移，但其結(jié)構(gòu)往往較為復(fù)雜，響應(yīng)速度慢。此外，這類裝置通常無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速位移輸出，并且需要持續(xù)的外部能量輸入來(lái)維持其工作狀態(tài)。在如存在磁場(chǎng)干擾、灰塵、精度要求不高但響應(yīng)速度要求快等環(huán)境下，傳統(tǒng)直線驅(qū)動(dòng)裝置的適應(yīng)能力有限。

2、雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，通過(guò)利用材料或結(jié)構(gòu)的內(nèi)在應(yīng)力，在兩種穩(wěn)定狀態(tài)之間進(jìn)行切換，并且不需要持續(xù)能量輸入來(lái)維持穩(wěn)定狀態(tài)。這種獨(dú)特的特征使其非常適合于低能耗、抗干擾、響應(yīng)快的應(yīng)用場(chǎng)景，尤其在微型機(jī)器人、微控制器等領(lǐng)域展現(xiàn)出極大的潛力。但是，在現(xiàn)有技術(shù)中，雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)在直線驅(qū)動(dòng)裝置中的應(yīng)用較為少見(jiàn)，這在一定程度上限制了其在更廣泛工業(yè)場(chǎng)景中的推廣應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種雙穩(wěn)態(tài)直線驅(qū)動(dòng)裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耗低，響應(yīng)速度快，抗干擾性能好。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種雙穩(wěn)態(tài)直線驅(qū)動(dòng)裝置，包括水泡組件、轉(zhuǎn)動(dòng)組件和直線運(yùn)動(dòng)件；所述水泡組件包括殼體和雙層金屬片，所述殼體由扇形底板和設(shè)于其外周部上的弧形約束環(huán)構(gòu)成，所述雙層金屬片的長(zhǎng)度大于弧形約束環(huán)的弧長(zhǎng)，所述雙層金屬片設(shè)于殼體內(nèi)且其兩端分別固定在弧形約束環(huán)兩端，從而向內(nèi)屈曲形成水泡結(jié)構(gòu)；所述轉(zhuǎn)動(dòng)組件包括轉(zhuǎn)動(dòng)基板和兩套夾片加熱組件，所述轉(zhuǎn)動(dòng)基板的轉(zhuǎn)動(dòng)中心部與扇形底板的圓心位置轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述兩套夾片加熱組件分別固定連接在轉(zhuǎn)動(dòng)基板下部的左右兩側(cè)，且?jiàn)A片加熱組件的加熱片和運(yùn)動(dòng)傳遞件分別夾設(shè)在向內(nèi)屈曲的雙層金屬片兩側(cè)；所述直線運(yùn)動(dòng)件包括導(dǎo)套和滑桿，所述轉(zhuǎn)動(dòng)基板上中部設(shè)置有導(dǎo)塊，所述導(dǎo)套內(nèi)開(kāi)設(shè)有滑槽，所述導(dǎo)塊滑動(dòng)嵌設(shè)于滑槽內(nèi)并能在其內(nèi)上下滑移，所述扇形底板上設(shè)置有滑桿導(dǎo)向座，所述滑桿前端與導(dǎo)套固定連接，后部與滑桿導(dǎo)向座滑動(dòng)配合。

3、進(jìn)一步地，所述水泡組件包括兩個(gè)壓塊，所述雙層金屬片兩端分別通過(guò)壓塊固定連接在弧形約束環(huán)兩端。

4、進(jìn)一步地，所述轉(zhuǎn)動(dòng)基板上沿周向開(kāi)設(shè)有一弧形滑槽，用于便捷調(diào)節(jié)夾片加熱組件在轉(zhuǎn)動(dòng)基板的安裝位置，所述夾片加熱組件固定安裝于轉(zhuǎn)動(dòng)基板的弧形滑槽上。

5、進(jìn)一步地，所述夾片加熱組件包括安裝架、陶瓷加熱片、第一螺釘、第一螺母和第一軸承；所述安裝架由橫向部和連接于其旁側(cè)下部的豎向部構(gòu)成，所述陶瓷加熱片安裝于豎向部上，以對(duì)其旁側(cè)的雙層金屬片進(jìn)行加熱；所述安裝架設(shè)置于轉(zhuǎn)動(dòng)基板下側(cè)，所述第一螺釘向下穿過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)基板和橫向部與第一螺母配合，從而將安裝架固定連接在轉(zhuǎn)動(dòng)基板下部；所述第一軸承安裝于第一螺母下部，且其外側(cè)面與旁側(cè)的雙層金屬片接觸，從而與陶瓷加熱片配合將雙層金屬片夾設(shè)在兩者之間；

6、進(jìn)一步地，所述陶瓷加熱片的連接導(dǎo)線向上穿過(guò)安裝架的橫向部和轉(zhuǎn)動(dòng)基板后，與外部電源連接。

7、進(jìn)一步地，所述扇形底板的圓心位置設(shè)置有一轉(zhuǎn)動(dòng)連接座，所述轉(zhuǎn)動(dòng)基板的轉(zhuǎn)動(dòng)中心部與轉(zhuǎn)動(dòng)連接座之間通過(guò)第二軸承轉(zhuǎn)動(dòng)連接；所述轉(zhuǎn)動(dòng)基板下部連接有一水平設(shè)置的第二軸承，所述第二軸承的上下側(cè)分別與扇形底板和轉(zhuǎn)動(dòng)基板接觸，以對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)基板進(jìn)行支撐并減小轉(zhuǎn)動(dòng)基板與扇形底板之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦力。

8、進(jìn)一步地，所述雙層金屬片向內(nèi)屈曲形成的水泡結(jié)構(gòu)具有正曲率區(qū)域和負(fù)曲率區(qū)域；所述雙層金屬片內(nèi)外兩層的熱膨脹系數(shù)不同，通過(guò)對(duì)一側(cè)的加熱片通電，加熱局部雙層金屬片引入與其反向的曲率，加載段的邊界驅(qū)動(dòng)角度β隨著溫度升高增大，中點(diǎn)撓度先增大后減小，直到與施加相同邊界驅(qū)動(dòng)角度β的不穩(wěn)定構(gòu)型所對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)撓度相等，此時(shí)應(yīng)變能達(dá)到極大值，加載段發(fā)生跳變，水泡結(jié)構(gòu)發(fā)生跳變滾動(dòng)；轉(zhuǎn)動(dòng)組件將水泡結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞至直線運(yùn)動(dòng)件，使直線運(yùn)動(dòng)件快速伸縮。

9、進(jìn)一步地，內(nèi)外兩層熱膨脹系數(shù)不同的雙層金屬片，在加熱后引入邊界角度，加載段雙層金屬片的構(gòu)型由如下方程組確定：

10、

11、

12、θ(o1)＝β,θ(o2)＝-β,x(o1)＝0,y(o1)＝0,y(o2)＝0,x(o2)＝dls

13、其中，k是雙層金屬片的彎曲剛度，s表示水泡的自然坐標(biāo)弧長(zhǎng)，o1、o2分別為雙層金屬片加載段的左、右端點(diǎn)，x軸與o1、o2所成矢量重合，y軸符合右手法則，θ(s)表示加載段上距o1弧長(zhǎng)為s點(diǎn)處切線與x軸之間的夾角，x和y是加載段上任一點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)，fx、fy分別表示加載段沿x軸方向的內(nèi)力和沿y軸方向的內(nèi)力，dls表示加載段的兩端距離，β表示加載段兩端的邊界驅(qū)動(dòng)角；

14、雙穩(wěn)態(tài)直線驅(qū)動(dòng)裝置的臨界加載曲率通過(guò)如下公式確定：

15、

16、其中，κcr為加載段發(fā)生跳變所需要的臨界加載曲率，ε為比例因子，βc表示加載段發(fā)生跳變所需要的臨界驅(qū)動(dòng)角度，sls表示加載段的長(zhǎng)度。

17、進(jìn)一步地，減小弧形約束環(huán)的半徑和增大加載位置使雙穩(wěn)態(tài)直線驅(qū)動(dòng)裝置的臨界加載曲率κcr增大，需要更高的加載溫度，但能提高雙穩(wěn)態(tài)直線驅(qū)動(dòng)裝置的輸出功率。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

19、(1)本發(fā)明采用高效的雙穩(wěn)態(tài)伸縮機(jī)制，通過(guò)利用局部加載段跳變驅(qū)動(dòng)水泡結(jié)構(gòu)突滾的特征，實(shí)現(xiàn)了雙穩(wěn)態(tài)的快速輸出直線運(yùn)動(dòng)，提升了系統(tǒng)的響應(yīng)速度；

20、(2)本發(fā)明的雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)具有更低的能耗特征，本發(fā)明利用熱激勵(lì)觸發(fā)加載段跳變，而水泡整體邊界可以移動(dòng)，從而所需的加載溫度較低，在保留雙穩(wěn)態(tài)跳變的特征的同時(shí)能有效降低輸入成本；

21、(3)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，制造成本低，具備良好的經(jīng)濟(jì)性。

技術(shù)特征：

1.一種雙穩(wěn)態(tài)直線驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，包括水泡組件、轉(zhuǎn)動(dòng)組件和直線運(yùn)動(dòng)件；所述水泡組件包括殼體和雙層金屬片，所述殼體由扇形底板和設(shè)于其外周部上的弧形約束環(huán)構(gòu)成，所述雙層金屬片的長(zhǎng)度大于弧形約束環(huán)的弧長(zhǎng)，所述雙層金屬片設(shè)于殼體內(nèi)且其兩端分別固定在弧形約束環(huán)兩端，從而向內(nèi)屈曲形成水泡結(jié)構(gòu)；所述轉(zhuǎn)動(dòng)組件包括轉(zhuǎn)動(dòng)基板和兩套夾片加熱組件，所述轉(zhuǎn)動(dòng)基板的轉(zhuǎn)動(dòng)中心部與扇形底板的圓心位置轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述兩套夾片加熱組件分別固定連接在轉(zhuǎn)動(dòng)基板下部的左右兩側(cè)，且?jiàn)A片加熱組件的加熱片和運(yùn)動(dòng)傳遞件分別夾設(shè)在向內(nèi)屈曲的雙層金屬片兩側(cè)；所述直線運(yùn)動(dòng)件包括導(dǎo)套和滑桿，所述轉(zhuǎn)動(dòng)基板上中部設(shè)置有導(dǎo)塊，所述導(dǎo)套內(nèi)開(kāi)設(shè)有滑槽，所述導(dǎo)塊滑動(dòng)嵌設(shè)于滑槽內(nèi)并能在其內(nèi)上下滑移，所述扇形底板上設(shè)置有滑桿導(dǎo)向座，所述滑桿前端與導(dǎo)套固定連接，后部與滑桿導(dǎo)向座滑動(dòng)配合。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙穩(wěn)態(tài)直線驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，所述水泡組件包括兩個(gè)壓塊，所述雙層金屬片兩端分別通過(guò)壓塊固定連接在弧形約束環(huán)兩端。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙穩(wěn)態(tài)直線驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，所述轉(zhuǎn)動(dòng)基板上沿周向開(kāi)設(shè)有一弧形滑槽，用于便捷調(diào)節(jié)夾片加熱組件在轉(zhuǎn)動(dòng)基板的安裝位置，所述夾片加熱組件固定安裝于轉(zhuǎn)動(dòng)基板的弧形滑槽上。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙穩(wěn)態(tài)直線驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，所述夾片加熱組件包括安裝架、陶瓷加熱片、第一螺釘、第一螺母和第一軸承；所述安裝架由橫向部和連接于其旁側(cè)下部的豎向部構(gòu)成，所述陶瓷加熱片安裝于豎向部上，以對(duì)其旁側(cè)的雙層金屬片進(jìn)行加熱；所述安裝架設(shè)置于轉(zhuǎn)動(dòng)基板下側(cè)，所述第一螺釘向下穿過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)基板和橫向部與第一螺母配合，從而將安裝架固定連接在轉(zhuǎn)動(dòng)基板下部；所述第一軸承安裝于第一螺母下部，且其外側(cè)面與旁側(cè)的雙層金屬片接觸，從而與陶瓷加熱片配合將雙層金屬片夾設(shè)在兩者之間。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種雙穩(wěn)態(tài)直線驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，所述陶瓷加熱片的連接導(dǎo)線向上穿過(guò)安裝架的橫向部和轉(zhuǎn)動(dòng)基板后，與外部電源連接。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙穩(wěn)態(tài)直線驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，所述扇形底板的圓心位置設(shè)置有一轉(zhuǎn)動(dòng)連接座，所述轉(zhuǎn)動(dòng)基板的轉(zhuǎn)動(dòng)中心部與轉(zhuǎn)動(dòng)連接座之間通過(guò)第二軸承轉(zhuǎn)動(dòng)連接；所述轉(zhuǎn)動(dòng)基板下部連接有一水平設(shè)置的第二軸承，所述第二軸承的上下側(cè)分別與扇形底板和轉(zhuǎn)動(dòng)基板接觸，以對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)基板進(jìn)行支撐并減小轉(zhuǎn)動(dòng)基板與扇形底板之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦力。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙穩(wěn)態(tài)直線驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，所述雙層金屬片向內(nèi)屈曲形成的水泡結(jié)構(gòu)具有正曲率區(qū)域和負(fù)曲率區(qū)域；所述雙層金屬片內(nèi)外兩層的熱膨脹系數(shù)不同，通過(guò)對(duì)一側(cè)的加熱片通電，加熱局部雙層金屬片引入與其反向的曲率，加載段的邊界驅(qū)動(dòng)角度β隨著溫度升高增大，中點(diǎn)撓度先增大后減小，直到與施加相同邊界驅(qū)動(dòng)角度β的不穩(wěn)定構(gòu)型所對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)撓度相等，此時(shí)應(yīng)變能達(dá)到極大值，加載段發(fā)生跳變，水泡結(jié)構(gòu)發(fā)生跳變滾動(dòng)；轉(zhuǎn)動(dòng)組件將水泡結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞至直線運(yùn)動(dòng)件，使直線運(yùn)動(dòng)件快速伸縮。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種雙穩(wěn)態(tài)直線驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，內(nèi)外兩層熱膨脹系數(shù)不同的雙層金屬片，在加熱后引入邊界角度，加載段雙層金屬片的構(gòu)型由如下方程組確定：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種雙穩(wěn)態(tài)直線驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，減小弧形約束環(huán)的半徑和增大加載位置使雙穩(wěn)態(tài)直線驅(qū)動(dòng)裝置的臨界加載曲率κcr增大，需要更高的加載溫度，但能提高雙穩(wěn)態(tài)直線驅(qū)動(dòng)裝置的輸出功率。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種雙穩(wěn)態(tài)直線驅(qū)動(dòng)裝置，包括水泡組件、轉(zhuǎn)動(dòng)組件和直線運(yùn)動(dòng)件；水泡組件包括殼體和雙層金屬片，殼體由扇形底板和弧形約束環(huán)構(gòu)成，雙層金屬片長(zhǎng)度大于弧形約束環(huán)弧長(zhǎng)，其兩端分別固定在弧形約束環(huán)兩端，向內(nèi)屈曲形成水泡結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)動(dòng)組件包括轉(zhuǎn)動(dòng)基板和兩套夾片加熱組件，轉(zhuǎn)動(dòng)基板與扇形底板轉(zhuǎn)動(dòng)連接，兩套夾片加熱組件分別固定連接在轉(zhuǎn)動(dòng)基板下部的左右兩側(cè)，且加熱片和運(yùn)動(dòng)傳遞件分別夾設(shè)在向內(nèi)屈曲的雙層金屬片兩側(cè)；直線運(yùn)動(dòng)件包括導(dǎo)套和滑桿，轉(zhuǎn)動(dòng)基板上設(shè)有導(dǎo)塊，導(dǎo)塊滑動(dòng)嵌設(shè)于導(dǎo)套上的滑槽內(nèi)，扇形底板上設(shè)有滑桿導(dǎo)向座，滑桿前端與導(dǎo)套固定連接，后部與滑桿導(dǎo)向座滑動(dòng)配合。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耗低，響應(yīng)速度快，抗干擾性能好。

技術(shù)研發(fā)人員：楊鵬飛,李學(xué)鋒,高陸宇,毛雨清,辛詩(shī)煒
受保護(hù)的技術(shù)使用者：福州大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30