基于平面連桿構(gòu)型的多穩(wěn)態(tài)柔順機構(gòu)綜合與設(shè)計方法.pdf

1、柔順多穩(wěn)態(tài)機構(gòu)在其運動范圍內(nèi)具有多個穩(wěn)定平衡位置，而且不需要持續(xù)輸入能量來維持這些穩(wěn)定平衡位置，這種獨特的性能使其在開關(guān)、閥門、繼電器、空間可展開機構(gòu)等領(lǐng)域獲得諸多應(yīng)用。由于柔順多穩(wěn)態(tài)機構(gòu)的運動伴隨著復(fù)雜的大撓度非線性變形過程，使得這類機構(gòu)的綜合與設(shè)計難度很大。本文在國家自然科學基金的支持下，開展對柔順多穩(wěn)態(tài)機構(gòu)綜合與設(shè)計方法的研究，完成的主要工作如下所述:
　　以單個柔順雙穩(wěn)態(tài)機構(gòu)和多級連桿滑塊機構(gòu)為模塊，給出了一種直線型部分柔

2、順多穩(wěn)態(tài)機構(gòu)的通用構(gòu)型。通過單獨或混合使用兩種綜合方法，利用柔順雙穩(wěn)態(tài)機構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)特性、外特性和反外特性，可以得到具有任意穩(wěn)態(tài)數(shù)的柔順機構(gòu)。推導了滑塊的運動范圍和各穩(wěn)定平衡位置之間的距離計算公式，給出了部分柔順多穩(wěn)態(tài)機構(gòu)的驅(qū)動力和勢能計算公式，并通過多個實例展示了這種通用構(gòu)型設(shè)計出的部分柔順多穩(wěn)態(tài)機構(gòu)。
　　在上述通用構(gòu)型的基礎(chǔ)上，用具有初始傾斜角的柔順固定-導向機構(gòu)取代連桿滑塊機構(gòu)，獲得了全柔順的多穩(wěn)態(tài)機構(gòu)。建立了柔順固定-導向

3、機構(gòu)的偽剛體模型，在綜合考慮應(yīng)力和屈曲問題等設(shè)計約束條件下，給出了柔順固定-導向機構(gòu)的柔順片段長度、初始傾斜角、剛度和厚度等參數(shù)的確定方法。四個設(shè)計實例和樣機演示了該設(shè)計方法的有效性。
　　以兩個柔順雙穩(wěn)態(tài)機構(gòu)和一個柔順固定-導向片段為模塊，利用兩個柔順雙穩(wěn)態(tài)機構(gòu)的臨界跳轉(zhuǎn)力或穩(wěn)態(tài)距離的差異，給出了兩種全柔順六穩(wěn)態(tài)機構(gòu)和一種全柔順八穩(wěn)態(tài)機構(gòu)的構(gòu)型。分析了具有不同臨界跳轉(zhuǎn)力和不同穩(wěn)態(tài)距離的兩個柔順雙穩(wěn)態(tài)機構(gòu)力-位移特性的疊加，以及多

4、穩(wěn)態(tài)機構(gòu)中整體彈性勢能的等高線繪制方法，以此分析機構(gòu)在不同穩(wěn)態(tài)之間的跳轉(zhuǎn)。給出三個設(shè)計實例，并用非線性有限元分析及樣機驗證了三種構(gòu)型的可行性。
　　基于柔順五桿機構(gòu)偽剛體模型建立了柔順五桿機構(gòu)的靜平衡方程和輸入力矩表達式，得到了單輸入柔順五桿機構(gòu)的三個運動系數(shù)，并給出了用運動系數(shù)確定柔順五桿機構(gòu)運動位置的數(shù)值方法。以含有兩個柔性鉸鏈的柔順五桿機構(gòu)為例，分析了輸入力矩表達式的零點分布情況，得到了存在三個穩(wěn)定平衡位置和三個非穩(wěn)定平衡位