基于平面連桿構型的多穩(wěn)態(tài)柔順機構綜合與設計方法.pdf

1、柔順多穩(wěn)態(tài)機構在其運動范圍內具有多個穩(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、閥門、繼電器、空間可展開機構等領域獲得諸多應用。由于柔順多穩(wěn)態(tài)機構的運動伴隨著復雜的大撓度非線性變形過程，使得這類機構的綜合與設計難度很大。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)機構綜合與設計方法的研究，完成的主要工作如下所述:
　　以單個柔順雙穩(wěn)態(tài)機構和多級連桿滑塊機構為模塊，給出了一種直線型部分柔

2、順多穩(wěn)態(tài)機構的通用構型。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)數的柔順機構。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)機構的驅動力和勢能計算公式，并通過多個實例展示了這種通用構型設計出的部分柔順多穩(wěn)態(tài)機構。
　　在上述通用構型的基礎上，用具有初始傾斜角的柔順固定-導向機構取代連桿滑塊機構，獲得了全柔順的多穩(wěn)態(tài)機構。建立了柔順固定-導向

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

4、穩(wěn)態(tài)機構中整體彈性勢能的等高線繪制方法，以此分析機構在不同穩(wěn)態(tài)之間的跳轉。給出三個設計實例，并用非線性有限元分析及樣機驗證了三種構型的可行性。
　　基于柔順五桿機構偽剛體模型建立了柔順五桿機構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的三個運動系數，并給出了用運動系數確定柔順五桿機構運動位置的數值方法。以含有兩個柔性鉸鏈的柔順五桿機構為例，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