一種多穩態柔順折展機構的制作方法

本發明涉及折展機構的技術領域，尤其是指一種多穩態柔順折展機構。

背景技術：

折展機構是一種可以通過改變自己的機構拓撲構型以實現明顯的結構改變的機構，生活中處處可見折展機構，譬如雨傘、某些張拉機構、雙穩態機構以及剪鉸機構等等。折展機構也廣泛用于航空航天中比如太陽能電池板、太陽帆的展開中，以及生物醫療中的血管支架、人體介入機器人等等諸多運用。

現有的折展機構主要分為剛性折展機構和柔順折展機構:

1、剛性折展機構為實現剛性折展功能，主要通過剛性轉動鉸鏈約束部件的運動代替折痕以實現折展運動，此種方式雖然實現起來十分簡單便捷，卻也帶來了無法忽視的由于部件厚度所引起的運動干涉的缺陷。而現今存在的常見解決辦法是利用偏置轉動關節的位置或者用多條折痕代替一條折痕解決運動干涉問題。但是這兩種解決方法都使得折展機構結構更加復雜，大大增加了剛性折展機構的制造難度。而且，剛性折展機構通常要配合專門的驅動裝置和自鎖裝置才能實現機構的折展和展開狀態保持，這不僅使得折展機構結構復雜、控制困難而且也會引起加工誤差和裝配誤差所帶來折展運動不平穩等問題。

2、柔順機構的是指通過彈性變形將輸入的力或者位移傳遞到輸出點的一種機構。柔順機構相比與傳統剛性折展機構具有精度高、無間隙、無潤滑、不需要裝配等優點。現有的柔順折展機構往往是通過剛體替代法即通過柔順鉸鏈代替剛性折展機構的剛性鉸鏈。通過這種方法設計的柔順機構往往也有結構復雜、運動范圍有限、容易出現應力集中現象、容易疲勞等缺點。

bricard多桿折展機構是一種經典的折展機構，其運動特征是可以通過翻轉動作實現空間折展運動。它既有用剛性鉸鏈設計的剛性bricard多桿折展機構也有用剛體替代法設計的柔順bricard多桿折展機構。剛性bricard多桿折展機構具有所有剛性折展機構的優缺點。柔順bricard多桿折展機構具有所有柔順折展機構的優缺點。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有剛性bricard折展機構和用傳統的剛體替代法設計的bricard柔順折展機構的不足，針對剛性折展機構結構復雜、控制困難、有加工誤差和裝配誤差以及它們所帶來的運動不穩定、需要姿態保持裝置等剛性折展機構的缺點和用傳統的剛體替代法設計的bricard柔順折展機構結構復雜、運動范圍有限、容易出現應力集中現象、容易疲勞的缺點，提供了一種結構緊湊、簡單可靠、加工方便、無明顯應力集中、不容易疲勞，具有多穩態特性的多穩態柔順折展機構。

為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為：一種多穩態柔順折展機構，包括波紋型柔順片段，所述波紋型柔順片段由多個相同的周期波形柔順片依次連接而成，每個周期波形柔順片的1/2周期波形曲線均由一個半圓連接兩條相同豎直線而成，每個周期波形柔順片均預留有一個安裝孔，用于連接其它需要折展的構件，該安裝孔設在周期波形柔順片的其中一個峰位處，且所有周期波形柔順片的安裝孔位于同一側，所述波紋型柔順片段的首、尾均設有連接孔，將波紋型柔順片段的首、尾通過連接孔相連，能夠使該波紋型柔順片段形成環狀封閉結構并維持住由彎曲形變所儲存的初始應變能，進而形成所需的多穩態柔順折展機構。

所述多穩態柔順折展機構有雙穩態構型或四穩態構型兩種；所述雙穩態構型是在初始狀態和翻轉到180度時具有兩個穩態，或在從初始狀態翻轉到90度時和270度時具有兩個穩態；所述四穩態構型是在初始狀態、翻轉到90度、翻轉到180度和270度時具有四個穩態；

其中，在初始狀態和翻轉到180度時具有兩個穩態的雙穩態構型的尺寸約束為：

在從初始狀態翻轉到90度時和270度時具有兩個穩態的雙穩態構型的尺寸約束為：

在初始狀態、翻轉到90度、翻轉到180度和270度時具有四個穩態的四穩態構型的尺寸約束為：

上式中，h為周期波形柔順片的厚度，b為1/2周期波形柔順片的豎直面寬度，ν為材料的泊松比，l為1/2周期波形柔順片的豎直面長度，n為周期波形柔順片個數。

本發明與現有技術相比，具有如下優點與有益效果：

1、本發明具有多穩態性能，可利用其穩態性能即可保持其折疊和展開狀態而不需要專門姿態保持裝置。

2、本發明的特征形狀為平面結構，結構緊湊、簡單可靠，可一體成型。加工方法既可以用數控銑削又可以用線切割亦可采用普通3d打印的方式，極大降低了加工技術門檻的要求。

3、與傳統剛體替代法設計的bricard柔順折展機構相比，本發明具有無明顯應力集中、不容易疲勞，轉動范圍大、可以連續翻轉等優點。

4、與傳統剛性鉸鏈bricard柔順折展機構相比，本發明不僅具有精度高、無間隙、無潤滑、無需裝配等優點，還能克服由加工誤差所帶來運動干涉以及折展運動不穩定現象等缺點。

附圖說明

圖1為本發明的多穩態柔順折展機構的結構示意圖。

圖2為本發明的周期波形柔順片的結構示意圖。

圖3為本發明的波紋型柔順片段形成環狀封閉結構的示意圖。

圖4a為本發明的多穩態柔順折展機構為四穩態構型時的第一個穩態示意圖。

圖4b為本發明的多穩態柔順折展機構為四穩態構型時的第二個穩態示意圖。

圖4c為本發明的多穩態柔順折展機構為四穩態構型時的第三個穩態示意圖。

圖4d為本發明的多穩態柔順折展機構為四穩態構型時的第四個穩態示意圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。

參見圖1至圖3所示，本實施例所提供的多穩態柔順折展機構，包括波紋型柔順片段1，所述波紋型柔順片段由多個相同的周期波形柔順片101依次連接而成，每個周期波形柔順片101的1/2周期波形曲線均由一個半圓連接兩條相同豎直線而成，每個周期波形柔順片101均預留有一個安裝孔2，用于連接其它需要折展的構件，該安裝孔2設在周期波形柔順片101的其中一個峰位處，且所有周期波形柔順片101的安裝孔位于同一側，所述波紋型柔順片段1的首、尾均設有連接孔3，將波紋型柔順片段1的首、尾通過連接孔3相連，能夠使該波紋型柔順片段3形成環狀封閉結構并維持住由彎曲形變所儲存的初始應變能，進而形成所需的多穩態柔順折展機構。其中，所述多穩態柔順折展機構有雙穩態構型或四穩態構型兩種；所述雙穩態構型是在初始狀態和翻轉到180度時具有兩個穩態，或在從初始狀態翻轉到90度時和270度時具有兩個穩態；所述四穩態構型是在初始狀態、翻轉到90度、翻轉到180度和270度時具有四個穩態；

在初始狀態和翻轉到180度時具有兩個穩態的雙穩態構型的尺寸約束為：

在從初始狀態翻轉到90度時和270度時具有兩個穩態的雙穩態構型的尺寸約束為：

在初始狀態、翻轉到90度、翻轉到180度和270度時具有四個穩態的四穩態構型的尺寸約束為：

上式中，h為周期波形柔順片的厚度，b為1/2周期波形柔順片的豎直面寬度，ν為材料的泊松比，l為1/2周期波形柔順片的豎直面長度，n為周期波形柔順片個數。

從圖1和圖2可見，本發明在加工初始狀態為沒有預彎曲的一段波紋型柔順片段，在工作時需要對其進行預彎曲使之具有一定的初始應變能，并使之形成封閉結構。由于周期波形柔順片具有彎矩變形和扭轉變形兩個正交轉動方向上的變形柔度，這使得周期波形柔順片與bicard多桿機構兩個相鄰的正交轉動副等效，且彎曲角度、扭轉角度所滿足的運動學關系與bricard機構兩個相鄰的正交轉動副運動學關系相同。

本發明的整個折展過程即為柔順折展機構的翻轉過程。參見圖4a至圖4d所示，在翻轉過程中，該柔順折展機構會有四個或者兩個能量儲存后又釋放最后趨近于穩定的過程，這種運動過程說表現的性能在柔順機構學上被稱為穩態。在翻轉過程中，每一個周期波形柔順片會有彎曲變形和扭轉變形，該柔順折展機構在第一個穩態(如圖4a所示)時只有彎曲變形的狀態(默認為初始狀態)，在翻轉過程中彎曲變形逐漸變小，扭轉變形逐漸變大，最后彎曲變形所儲存的應變能和外力做功產生的能量會轉換成扭轉變形的應變能然后再在翻轉到臨界位置時會把系統的總應變能釋放一部分，形成第二個穩態(如圖4b所示)，然后扭轉變形的應變能和外力做的功又逐漸轉化為彎曲應變，同樣在過臨界位置后會把系統的總應變能釋放一部分，形成第三個穩態(如圖4c所示)，最后彎曲應變能又傳遞給扭轉應變能性，形成第四個穩態(如圖4d所示)。該柔順折展機構即利用其穩態性能實現折展過程中的折疊和展開動作，以及其折姿態的保持。

此外，本發明通過其安裝孔2連接其它構件就可以直接運用于比如太陽能電池板展開與收起，太陽帆展開與收起，天線的展開與收起，新型的血管支架的展開與收起，以及人體介入機器人的折展與收起等場合中。

綜上所述，本發明能有效完成bicard折展機構以及類bicard折展機構的折展運動，且結構簡單、加工方便，對復雜的空間折展機構尤為適用，且折展過程中無明顯應力集中、不容易疲勞，可以連續翻轉。因此，相比現有技術，本發明是一款結構簡單、運動可靠、使用簡單的新型多穩態柔順折展機構，值得推廣。

以上所述之實施例子只為本發明之較佳實施例，并非以此限制本發明的實施范圍，故凡依本發明之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本發明的保護范圍內。