專利名稱：基于單個柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域，涉及一種多穩(wěn)態(tài)柔性機(jī)構(gòu)，特別是基于單個柔性雙穩(wěn) 態(tài)機(jī)構(gòu)的多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計方法，可被用于開關(guān)、閥門、繼電器等產(chǎn)品中。
背景技術(shù)：
自適應(yīng)系統(tǒng)及其他一些領(lǐng)域常用到具有多個穩(wěn)定位置的多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)。傳統(tǒng)的自適 應(yīng)系統(tǒng)通過施加外作用力或摩擦力來使系統(tǒng)保留在需要的穩(wěn)定位置，施加外力的系統(tǒng)需要 的能量大，采用摩擦的系統(tǒng)會有損耗進(jìn)而降低系統(tǒng)的效率并可能最終導(dǎo)致系統(tǒng)失效。所以 需要有不依靠外界作用力或摩擦就可以保留在另外一個或多個穩(wěn)定位置的機(jī)構(gòu)來取代傳 統(tǒng)的機(jī)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能耗小、無需外力或摩擦作用、結(jié)構(gòu)簡單、造價低、穩(wěn)定 性好、易裝配、重復(fù)精度高的基于單個柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是基于單個柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計方法，至少包 括框架和框架內(nèi)的柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)中的梭通過第一級連桿連接第一級連 桿滑塊機(jī)構(gòu)，第一級連桿滑塊機(jī)構(gòu)包括第一級導(dǎo)軌、第一級導(dǎo)軌內(nèi)的第一級滑塊，第一級 連桿與第一級滑塊軸連接，第一級滑塊帶動連桿在第一級導(dǎo)軌內(nèi)移動，使第一級滑塊處在 三個穩(wěn)定的狀態(tài)，第一穩(wěn)定態(tài)是第一級連桿自然下垂，第一級滑塊在第一級導(dǎo)軌的中間位 置；第二個穩(wěn)定態(tài)是第一級滑塊在第一級導(dǎo)軌內(nèi)移動到左端(或右端)的一個移定位置； 第三個穩(wěn)定態(tài)是第一級滑塊在第一級導(dǎo)軌內(nèi)移動到右端(或左端)的一個移定位置，其特 征是所述的第一級導(dǎo)軌內(nèi)的第一級滑塊通過軸連接第二級連桿滑塊機(jī)構(gòu)的第二級連桿，由第二級連桿另一端串聯(lián)連接一級或多級連桿滑塊機(jī)構(gòu)構(gòu)成多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)。所述的多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)數(shù)目隊(duì)=2(M_1)+1，其中M是上一級連桿滑塊機(jī)構(gòu)確定的穩(wěn)態(tài)數(shù)目，M初始值為3。所述的第一級導(dǎo)軌是柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)框架下端位置的一個水平槽，水平槽與框架為一體結(jié)構(gòu)。所述的第一級導(dǎo)軌是柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)框架下端位置的一個水平槽，水平槽和其外框架與柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)框架為獨(dú)立結(jié)構(gòu)。所述的柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)是線性雙穩(wěn)態(tài)柔性結(jié)構(gòu)。所述的連桿是剛性連桿，在運(yùn)動中無彎曲扭轉(zhuǎn)等變形，與滑塊的連接為轉(zhuǎn)動副。所述的多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)數(shù)目N通過改變最末級導(dǎo)軌的長度減少。所述的相鄰兩級導(dǎo)軌的方向垂直，放置時相鄰兩級導(dǎo)軌可上可下(可左可右)。本發(fā)明的工作過程及優(yōu)點(diǎn)是雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的第一級滑塊通過第二級連桿串聯(lián)連接一級或多級連桿滑塊機(jī)構(gòu)構(gòu)成多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)。多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)數(shù)目隊(duì)=2(M-1)+1，其中M 是上一級連桿滑塊機(jī)構(gòu)確定的穩(wěn)態(tài)數(shù)目，M初始值為3，下標(biāo)i為串聯(lián)連接連桿滑塊機(jī)構(gòu)數(shù)。如，串聯(lián)連接一級連桿滑塊機(jī)構(gòu)，此時，M= 3，則& = 5，也就是串接一級連桿滑塊機(jī)構(gòu)是， 可使多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)數(shù)目達(dá)到五個穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)。以此類推，串聯(lián)連接二級連桿滑塊機(jī)構(gòu)，此 時，M = 5，則隊(duì)=9，也就是串接二級連桿滑塊機(jī)構(gòu)是，可使多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)數(shù)目達(dá)到九 個穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)。并且可以通過改變末級導(dǎo)軌的長度來減少穩(wěn)態(tài)的數(shù)目，可以根據(jù)需要組成任 意穩(wěn)態(tài)數(shù)目的多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)。由于這種機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低、穩(wěn)定性好、易裝配、重復(fù)精 度高的特點(diǎn)，可用于多路開關(guān)、多路閥門以及雙向加速度傳感器等的設(shè)計，且具有零件數(shù)目 少、裝配簡易、造價低廉、結(jié)構(gòu)對稱等特點(diǎn)。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明圖1是本發(fā)明實(shí)施例1結(jié)構(gòu)示意圖(圖1也是五穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的第一穩(wěn)定狀態(tài)(加工 初裝配狀態(tài))；圖2是實(shí)施例1的第二穩(wěn)定狀態(tài)示意圖；圖3是實(shí)施例1的第三穩(wěn)定狀態(tài)示意圖；圖4是實(shí)施例1的第四穩(wěn)定狀態(tài)示意圖(另一種加工初裝配狀態(tài))；圖5是實(shí)施例1的第五穩(wěn)定狀態(tài)示意圖；圖6是實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖(圖6也是九穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的第一穩(wěn)定狀態(tài)示意圖；圖7是實(shí)施例2的第二穩(wěn)定狀態(tài)示意圖，圖中雙點(diǎn)劃線表示連桿和滑塊的穩(wěn)態(tài)位 置，與實(shí)線所畫連桿滑塊的穩(wěn)態(tài)位置對稱；圖8是實(shí)施例2的第三穩(wěn)定狀態(tài)示意圖，圖中雙點(diǎn)劃線表示連桿和滑塊的穩(wěn)態(tài)位 置，與實(shí)線所畫連桿滑塊的穩(wěn)態(tài)位置對稱；圖9是實(shí)施例2的第四穩(wěn)定狀態(tài)示意圖，圖中雙點(diǎn)劃線表示連桿和滑塊的穩(wěn)態(tài)位 置，與實(shí)線所畫連桿滑塊的穩(wěn)態(tài)位置對稱；圖10是實(shí)施例2的第五穩(wěn)定狀態(tài)示意圖，圖中雙點(diǎn)劃線表示連桿和滑塊的穩(wěn)態(tài)位 置，與實(shí)線所畫連桿滑塊的穩(wěn)態(tài)位置對稱。圖中1、框架；2、柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)；3、第一級連桿滑塊機(jī)構(gòu)；4、第二級連桿滑塊機(jī) 構(gòu)；5、第三級連桿滑塊機(jī)構(gòu)；21、梭；31、第一級滑塊；32、第一級連桿；33、第一級導(dǎo)軌；41、 第二級滑塊；42、第二級連桿；43、第二級導(dǎo)軌；51、第三級滑塊；52、第三級連桿；53、第三級 導(dǎo)軌。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 如圖1所示，基于單個柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計方法，至少包括框架1和 框架1內(nèi)的柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)2，柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)2中的梭21通過第一級連桿32連接有第一 級連桿滑塊機(jī)構(gòu)3，第一級連桿滑塊機(jī)構(gòu)3包括第一級導(dǎo)軌33、第一級導(dǎo)軌33內(nèi)的第一級 滑塊31，第一級連桿32與第一級滑塊31軸連接，第一級滑塊31帶動連桿在第一級導(dǎo)軌33 內(nèi)移動，可使第一級滑塊31處在三個穩(wěn)定的狀態(tài)，第一穩(wěn)定態(tài)是第一級連桿32自然下垂， 第一級滑塊31在第一級導(dǎo)軌33的中間位置；第二個穩(wěn)定態(tài)是第一級滑塊31在第一級導(dǎo)軌 33內(nèi)移動到左端(或右端)的一個移定位置；第三個穩(wěn)定態(tài)是第一級滑塊31在第一級導(dǎo)軌
433內(nèi)移動到右端(或左端)的一個移定位置，第一級導(dǎo)軌33內(nèi)的第一級滑塊31通過軸連 接第二級連桿滑塊機(jī)構(gòu)4的第二級連桿42，第二級連桿42的端部通過軸連接有第二級滑塊 41，第二級滑塊41在第二級導(dǎo)軌43內(nèi)，第二級導(dǎo)軌43方向與上述第一級導(dǎo)軌33方向空間 垂直，通過第一級滑塊31在第一級導(dǎo)軌33內(nèi)移動和第二級滑塊41在第二級導(dǎo)軌43內(nèi)移 動構(gòu)成五級(個)穩(wěn)態(tài)。圖1也是五穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的第一穩(wěn)定狀態(tài)(加工初裝配狀態(tài))。本發(fā)明的工作狀態(tài)可結(jié)合圖1、圖2、圖3、圖4和圖5—起說明。當(dāng)?shù)诙壔瑝K41沿第二級導(dǎo)軌43從第一個穩(wěn)態(tài)平衡位置(圖1中第二級滑塊41 的位置)向上運(yùn)動，第一級滑塊31將在經(jīng)過一個非穩(wěn)態(tài)平衡位置后跳躍到第二個穩(wěn)態(tài)位置 (見圖2，此位置是機(jī)構(gòu)中存儲的彈性勢能的一個局部極小值點(diǎn))，無需施加外力機(jī)構(gòu)就可 以保持在此穩(wěn)定位置；如果從第一個穩(wěn)定平衡位置向下移動第二級滑塊41，第一級滑塊31 將跳躍到另一個穩(wěn)態(tài)平衡位置(圖3)，繼續(xù)向下移動第二級滑塊41，第一級滑塊31跳回初 始穩(wěn)定位置(第一級導(dǎo)軌33的中間位置)，而第二級滑塊41跳到第四個穩(wěn)定位置(圖4)， 再將第二級滑塊41向下移動，第一級滑塊31跳到第一級導(dǎo)軌33右側(cè)的穩(wěn)定位置，第二級 滑塊41跳到第五個穩(wěn)定位置(圖5)。實(shí)施例1中有5個穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)或穩(wěn)態(tài)數(shù)目也可通過如下公式得到求實(shí)，N,= 2 (M-1) +1，其中M是上一級連桿滑塊機(jī)構(gòu)確定的穩(wěn)態(tài)數(shù)目，M初始值為3。如，串聯(lián)連接一級 連桿滑塊機(jī)構(gòu)，此時，M= 3，則& = 5，也就是串接一級連桿滑塊機(jī)構(gòu)是，可使多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的 穩(wěn)態(tài)數(shù)目達(dá)到五個穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)。實(shí)施例2 圖6圖10是九穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，在五穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的第二級導(dǎo)軌43下方放置第三級連桿滑 塊機(jī)構(gòu)5的第三級導(dǎo)軌53，第三級導(dǎo)軌53方向與第二級導(dǎo)軌43垂直，第三級導(dǎo)軌53內(nèi)的 第三級滑塊51通過第三級連桿52與第二級滑塊41連接。圖6中第二級滑塊41在第二級 導(dǎo)軌43最上方穩(wěn)定位置，第三級滑塊51在第三級導(dǎo)軌53的中間位置，也是第二級滑塊41 的運(yùn)動路徑軸線上，即在九穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定位置對稱軸上；圖7中第二級滑塊41在第二穩(wěn) 定位置上，第三級滑塊51在第三級導(dǎo)軌53上有兩個穩(wěn)定位置，實(shí)線所畫為一個穩(wěn)定位置， 另外一個用雙點(diǎn)劃線表示，與實(shí)線所畫位置對稱；圖8、圖9和圖10中第二級滑塊41分別 在第三、第四和第五穩(wěn)定位置，實(shí)線與雙點(diǎn)劃線所畫為此時第三級滑塊51的兩個對稱的穩(wěn) 定位置。外力推動第三級滑塊51在第三級導(dǎo)軌53內(nèi)沿直線從左向右(或從右向左)移動 時，第二級滑塊41在第二級導(dǎo)軌43內(nèi)的五個穩(wěn)定位置間跳轉(zhuǎn)，第三級滑塊51可在第三級 導(dǎo)軌53內(nèi)的九個穩(wěn)定位置上停留?？蚣?與第三級導(dǎo)軌53可以分開固定。實(shí)施例1中有9個穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)或9個穩(wěn)態(tài)數(shù)目也可通過公式隊(duì)=2 (M-1) +1，得到求 實(shí)，其中M是上一級連桿滑塊機(jī)構(gòu)確定的穩(wěn)態(tài)數(shù)目，M初始值為3。如，串聯(lián)連接二級連桿滑 塊機(jī)構(gòu)，此時，在一級連桿滑塊機(jī)構(gòu)時，M = 5，則N2 = 9，也就是串接二級連桿滑塊機(jī)構(gòu)時， 可使多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)數(shù)目達(dá)到九個穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)。本發(fā)明中多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)數(shù)目N通過改 變最末級導(dǎo)軌的長度減少，如將最末級導(dǎo)軌的長度減少，使末級滑塊在末級導(dǎo)軌不會移動 到左端或右端的一個穩(wěn)定態(tài)，就能實(shí)現(xiàn)偶數(shù)穩(wěn)定態(tài)的數(shù)量。雖然本發(fā)明給出了兩個實(shí)施例，實(shí)施例1是五穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，實(shí)施例2是九穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)， 但由實(shí)施例1和實(shí)施例2不難得出，由第二級連桿另一端串聯(lián)連接多級連桿滑塊機(jī)構(gòu)可構(gòu) 成大于九穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的17級、16級或更少的多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，10-16級需要將第四級導(dǎo)軌的長度減少來實(shí)現(xiàn)。說明中如有9或九，5或五，則說明的是一回事。從上述的實(shí)例可以清楚的知道柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)2是變形能存儲的器件，借助其變 形能存儲滑塊可以實(shí)現(xiàn)多個獨(dú)立的位置上的穩(wěn)定平衡，無需再施加外作用力使滑塊停留。需要說明的是上一級導(dǎo)軌和下一級導(dǎo)軌的方向垂直，也就是相鄰兩級導(dǎo)軌的方向 垂直，放置時相鄰兩級導(dǎo)軌可上可下(可左可右)。本發(fā)明中，雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)是線性雙穩(wěn)態(tài)柔性結(jié)構(gòu)。它的連桿是剛性連桿，在運(yùn)動中 無彎曲扭轉(zhuǎn)等變形，與滑塊的連接為轉(zhuǎn)動副。下一級導(dǎo)軌可以在上一級導(dǎo)軌的上方或下方 (左側(cè)或右側(cè))放置，軸線與上一級導(dǎo)軌的軸線垂直。
權(quán)利要求
基于單個柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計方法，至少包括框架(1)和框架(1)內(nèi)的柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)(2)，柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)(2)中的梭(21)通過第一級連桿(32)連接有第一級連桿滑塊機(jī)構(gòu)(3)，第一級連桿滑塊機(jī)構(gòu)(3)包括第一級導(dǎo)軌(33)、第一級導(dǎo)軌(33)內(nèi)的第一級滑塊(31)，第一級連桿(32)與第一級滑塊(31)軸連接，第一級滑塊(31)帶動連桿在第一級導(dǎo)軌(33)內(nèi)移動，使第一級滑塊(31)處在三個穩(wěn)定的狀態(tài)，第一穩(wěn)定態(tài)是第一級連桿(32)自然下垂，第一級滑塊(31)在第一級導(dǎo)軌(33)的中間位置；第二個穩(wěn)定態(tài)是第一級滑塊(31)在第一級導(dǎo)軌(33)內(nèi)移動到左端或右端的一個移定位置；第三個穩(wěn)定態(tài)是第一級滑塊(31)在第一級導(dǎo)軌(33)內(nèi)移動到右端或左端的一個移定位置，其特征是所述的第一級導(dǎo)軌(33)內(nèi)的第一級滑塊(31)通過軸連接第二級連桿滑塊機(jī)構(gòu)(4)的第二級連桿(42)，由第二級連桿(42)另一端串聯(lián)連接一級或多級連桿滑塊機(jī)構(gòu)構(gòu)成多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單個柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計方法，其特征是所述的多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)數(shù)目隊(duì)=2(M-1)+1，其中M是上一級連桿滑塊機(jī)構(gòu)確定的穩(wěn) 態(tài)數(shù)目，M初始值為3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單個柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計方法，其特征是所述的第一級導(dǎo)軌(33)是柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)(2)框架(1)下端位置的一個水平槽，水平 槽與框架(1)為一體結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單個柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計方法，其特征是所述的第一級導(dǎo)軌(33)是柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)(2)框架下端位置的一個水平槽，水平槽和 其外框架與柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)(2)框架為獨(dú)立結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單個柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計方法，其特征是所述的柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)(2)是線性雙穩(wěn)態(tài)柔性結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單個柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計方法，其特征是所述的連桿是剛性連桿，在運(yùn)動中無彎曲扭轉(zhuǎn)等變形，與滑塊的連接為轉(zhuǎn)動副。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于單個柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計方法，其特征是所述的多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)數(shù)目N通過改變最末級導(dǎo)軌的長度減少。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單個柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計方法，其特征是所述的相鄰兩級導(dǎo)軌的方向垂直，放置時相鄰兩級導(dǎo)軌可上可下或可左可右。
全文摘要
本發(fā)明屬于機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域，涉及一種多穩(wěn)態(tài)柔性機(jī)構(gòu)，特別是基于單個柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計方法，至少包括框架和框架內(nèi)的柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)中的梭通過第一級連桿連接連桿滑塊機(jī)構(gòu)，所述的第一級導(dǎo)軌內(nèi)的第一級滑塊通過軸連接第二級連桿，第二級連桿的端部通過軸連接有第二級滑塊，第二級滑塊在第二級導(dǎo)軌內(nèi)，第二級導(dǎo)軌方向與上述第一級導(dǎo)軌方向空間垂直，通過連桿滑塊機(jī)構(gòu)滑塊移動到不同穩(wěn)定位置，構(gòu)成五級(個)穩(wěn)態(tài)。它提供了一種能耗小、無需外力或摩擦作用、結(jié)構(gòu)簡單、造價低、穩(wěn)定性好、易裝配、重復(fù)精度高的基于單個柔性雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計方法。
文檔編號F16K31/00GK101799086SQ20101030014
公開日2010年8月11日 申請日期2010年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月8日
發(fā)明者勾燕潔, 賈建援, 陳貴敏 申請人:西安電子科技大學(xué)