一种多稳态柔顺折展机构制造技术

本发明专利技术公开了一种多稳态柔顺折展机构，包括波纹型柔顺片段，波纹型柔顺片段由多个相同的周期波形柔顺片依次连接而成，每个周期波形柔顺片的1/2周期波形曲线均由一个半圆连接两条相同竖直线而成，每个周期波形柔顺片均预留有一个安装孔，用于连接其它需要折展的构件，安装孔设在周期波形柔顺片的其中一个峰位处，且所有周期波形柔顺片的安装孔位于同一侧，波纹型柔顺片段的首、尾均设有连接孔，将波纹型柔顺片段的首、尾相连，能形成环状封闭结构并维持住由弯曲形变所储存的初始应变能，进而形成所需的多稳态柔顺折展机构。本发明专利技术结构简单、加工方便，对复杂的空间折展机构尤为适用，且折展过程中无明显应力集中、不容易疲劳，可以连续翻转。

Multi steady compliant folding mechanism

The invention discloses a multi stable smooth unfolding mechanism, including corrugated soft segments, corrugated soft fragments from the same piece of smooth periodic waveforms which are connected in turn, the 1/2 cycle curve of each cycle waveform piece by a compliant connection semicircle two identical vertical lines into each cycle waveform there is a piece of soft are reserved mounting holes for connecting other needs deployable components, the mounting hole is arranged on the waveform of one piece soft peaks, and all the smooth periodic waveform mounting holes located on the same side, corrugated soft segment of the head and tail are provided with connecting holes, a corrugated type of compliant fragment head and tail connected, can form the initial strain cyclic closed structure and hold stored by the bending deformation, and the formation of multi state unfolding mechanism required for compliance. The invention has the advantages of simple structure and convenient processing, and is especially suitable for the complicated space folding mechanism, and the folding process has no obvious stress concentration and is not easy to fatigue, and can be continuously overturned.

【技术实现步骤摘要】
一种多稳态柔顺折展机构
本专利技术涉及折展机构的
，尤其是指一种多稳态柔顺折展机构。
技术介绍
折展机构是一种可以通过改变自己的机构拓扑构型以实现明显的结构改变的机构，生活中处处可见折展机构，譬如雨伞、某些张拉机构、双稳态机构以及剪铰机构等等。折展机构也广泛用于航空航天中比如太阳能电池板、太阳帆的展开中，以及生物医疗中的血管支架、人体介入机器人等等诸多运用。现有的折展机构主要分为刚性折展机构和柔顺折展机构:1、刚性折展机构为实现刚性折展功能，主要通过刚性转动铰链约束部件的运动代替折痕以实现折展运动，此种方式虽然实现起来十分简单便捷，却也带来了无法忽视的由于部件厚度所引起的运动干涉的缺陷。而现今存在的常见解决办法是利用偏置转动关节的位置或者用多条折痕代替一条折痕解决运动干涉问题。但是这两种解决方法都使得折展机构结构更加复杂，大大增加了刚性折展机构的制造难度。而且，刚性折展机构通常要配合专门的驱动装置和自锁装置才能实现机构的折展和展开状态保持，这不仅使得折展机构结构复杂、控制困难而且也会引起加工误差和装配误差所带来折展运动不平稳等问题。2、柔顺机构的是指通过弹性变形将输入的力或者位移传递到输出点的一种机构。柔顺机构相比与传统刚性折展机构具有精度高、无间隙、无润滑、不需要装配等优点。现有的柔顺折展机构往往是通过刚体替代法即通过柔顺铰链代替刚性折展机构的刚性铰链。通过这种方法设计的柔顺机构往往也有结构复杂、运动范围有限、容易出现应力集中现象、容易疲劳等缺点。Bricard多杆折展机构是一种经典的折展机构，其运动特征是可以通过翻转动作实现空间折展运动。它既有用刚性铰链设计的刚性Bricard多杆折展机构也有用刚体替代法设计的柔顺Bricard多杆折展机构。刚性Bricard多杆折展机构具有所有刚性折展机构的优缺点。柔顺Bricard多杆折展机构具有所有柔顺折展机构的优缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有刚性Bricard折展机构和用传统的刚体替代法设计的Bricard柔顺折展机构的不足，针对刚性折展机构结构复杂、控制困难、有加工误差和装配误差以及它们所带来的运动不稳定、需要姿态保持装置等刚性折展机构的缺点和用传统的刚体替代法设计的Bricard柔顺折展机构结构复杂、运动范围有限、容易出现应力集中现象、容易疲劳的缺点，提供了一种结构紧凑、简单可靠、加工方便、无明显应力集中、不容易疲劳，具有多稳态特性的多稳态柔顺折展机构。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：一种多稳态柔顺折展机构，包括波纹型柔顺片段，所述波纹型柔顺片段由多个相同的周期波形柔顺片依次连接而成，每个周期波形柔顺片的1/2周期波形曲线均由一个半圆连接两条相同竖直线而成，每个周期波形柔顺片均预留有一个安装孔，用于连接其它需要折展的构件，该安装孔设在周期波形柔顺片的其中一个峰位处，且所有周期波形柔顺片的安装孔位于同一侧，所述波纹型柔顺片段的首、尾均设有连接孔，将波纹型柔顺片段的首、尾通过连接孔相连，能够使该波纹型柔顺片段形成环状封闭结构并维持住由弯曲形变所储存的初始应变能，进而形成所需的多稳态柔顺折展机构。所述多稳态柔顺折展机构有双稳态构型或四稳态构型两种；所述双稳态构型是在初始状态和翻转到180度时具有两个稳态，或在从初始状态翻转到90度时和270度时具有两个稳态；所述四稳态构型是在初始状态、翻转到90度、翻转到180度和270度时具有四个稳态；其中，在初始状态和翻转到180度时具有两个稳态的双稳态构型的尺寸约束为：在从初始状态翻转到90度时和270度时具有两个稳态的双稳态构型的尺寸约束为：在初始状态、翻转到90度、翻转到180度和270度时具有四个稳态的四稳态构型的尺寸约束为：上式中，H为周期波形柔顺片的厚度，B为1/2周期波形柔顺片的竖直面宽度，ν为材料的泊松比，L为1/2周期波形柔顺片的竖直面长度，n为周期波形柔顺片个数。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：1、本专利技术具有多稳态性能，可利用其稳态性能即可保持其折叠和展开状态而不需要专门姿态保持装置。2、本专利技术的特征形状为平面结构，结构紧凑、简单可靠，可一体成型。加工方法既可以用数控铣削又可以用线切割亦可采用普通3D打印的方式，极大降低了加工技术门槛的要求。3、与传统刚体替代法设计的Bricard柔顺折展机构相比，本专利技术具有无明显应力集中、不容易疲劳，转动范围大、可以连续翻转等优点。4、与传统刚性铰链Bricard柔顺折展机构相比，本专利技术不仅具有精度高、无间隙、无润滑、无需装配等优点，还能克服由加工误差所带来运动干涉以及折展运动不稳定现象等缺点。附图说明图1为本专利技术的多稳态柔顺折展机构的结构示意图。图2为本专利技术的周期波形柔顺片的结构示意图。图3为本专利技术的波纹型柔顺片段形成环状封闭结构的示意图。图4a为本专利技术的多稳态柔顺折展机构为四稳态构型时的第一个稳态示意图。图4b为本专利技术的多稳态柔顺折展机构为四稳态构型时的第二个稳态示意图。图4c为本专利技术的多稳态柔顺折展机构为四稳态构型时的第三个稳态示意图。图4d为本专利技术的多稳态柔顺折展机构为四稳态构型时的第四个稳态示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明。参见图1至图3所示，本实施例所提供的多稳态柔顺折展机构，包括波纹型柔顺片段1，所述波纹型柔顺片段由多个相同的周期波形柔顺片101依次连接而成，每个周期波形柔顺片101的1/2周期波形曲线均由一个半圆连接两条相同竖直线而成，每个周期波形柔顺片101均预留有一个安装孔2，用于连接其它需要折展的构件，该安装孔2设在周期波形柔顺片101的其中一个峰位处，且所有周期波形柔顺片101的安装孔位于同一侧，所述波纹型柔顺片段1的首、尾均设有连接孔3，将波纹型柔顺片段1的首、尾通过连接孔3相连，能够使该波纹型柔顺片段3形成环状封闭结构并维持住由弯曲形变所储存的初始应变能，进而形成所需的多稳态柔顺折展机构。其中，所述多稳态柔顺折展机构有双稳态构型或四稳态构型两种；所述双稳态构型是在初始状态和翻转到180度时具有两个稳态，或在从初始状态翻转到90度时和270度时具有两个稳态；所述四稳态构型是在初始状态、翻转到90度、翻转到180度和270度时具有四个稳态；在初始状态和翻转到180度时具有两个稳态的双稳态构型的尺寸约束为：在从初始状态翻转到90度时和270度时具有两个稳态的双稳态构型的尺寸约束为：在初始状态、翻转到90度、翻转到180度和270度时具有四个稳态的四稳态构型的尺寸约束为：上式中，H为周期波形柔顺片的厚度，B为1/2周期波形柔顺片的竖直面宽度，ν为材料的泊松比，L为1/2周期波形柔顺片的竖直面长度，n为周期波形柔顺片个数。从图1和图2可见，本专利技术在加工初始状态为没有预弯曲的一段波纹型柔顺片段，在工作时需要对其进行预弯曲使之具有一定的初始应变能，并使之形成封闭结构。由于周期波形柔顺片具有弯矩变形和扭转变形两个正交转动方向上的变形柔度，这使得周期波形柔顺片与Bicard多杆机构两个相邻的正交转动副等效，且弯曲角度、扭转角度所满足的运动学关系与Bricard机构两个相邻的正交转动副运动学关系相同。本专利技术的整个折展过程即为柔顺折展机构的翻转过程。参见图4a至图4d所示，在翻转过程本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多稳态柔顺折展机构，其特征在于：包括波纹型柔顺片段，所述波纹型柔顺片段由多个相同的周期波形柔顺片依次连接而成，每个周期波形柔顺片的1/2周期波形曲线均由一个半圆连接两条相同竖直线而成，每个周期波形柔顺片均预留有一个安装孔，用于连接其它需要折展的构件，该安装孔设在周期波形柔顺片的其中一个峰位处，且所有周期波形柔顺片的安装孔位于同一侧，所述波纹型柔顺片段的首、尾均设有连接孔，将波纹型柔顺片段的首、尾通过连接孔相连，能够使该波纹型柔顺片段形成环状封闭结构并维持住由弯曲形变所储存的初始应变能，进而形成所需的多稳态柔顺折展机构。

【技术特征摘要】
1.一种多稳态柔顺折展机构，其特征在于：包括波纹型柔顺片段，所述波纹型柔顺片段由多个相同的周期波形柔顺片依次连接而成，每个周期波形柔顺片的1/2周期波形曲线均由一个半圆连接两条相同竖直线而成，每个周期波形柔顺片均预留有一个安装孔，用于连接其它需要折展的构件，该安装孔设在周期波形柔顺片的其中一个峰位处，且所有周期波形柔顺片的安装孔位于同一侧，所述波纹型柔顺片段的首、尾均设有连接孔，将波纹型柔顺片段的首、尾通过连接孔相连，能够使该波纹型柔顺片段形成环状封闭结构并维持住由弯曲形变所储存的初始应变能，进而形成所需的多稳态柔顺折展机构。2.根据权利要求1所述的一种多稳态柔顺折展机构，其特征在于：所述多稳态柔顺折展机构有双稳态构型或四稳态构型两种；所述双稳态构型是在初始状态和翻转到180度时具有两个稳态，或在从初始状态翻转到90度时和270度时具有两个稳态；所述四稳态构型是在初始状态、翻转到90度、翻转到180度和270度时具有四个稳态；其中，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宪民，张洪川，何振亚，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44