一种基于柔性Sarrus机构的恒力支撑机构制造技术

本发明专利技术属于柔性机构领域，涉及一种基于柔性Sarrus机构的恒力支撑机构，其特征是：至少包括六根刚性杆和连接六根刚性杆的铰链，六根刚性杆通过铰链刚性铰接形成空间六杆单自由度机构，六根刚性杆分别是第一杆件、第二杆件、第三杆件、第四杆件、第五杆件和第六杆件，第二杆件和第三杆件通过第三交叉簧片式柔性铰链连接；第三杆件和第四杆件通过第四交叉簧片式柔性铰链连接；第四杆件和第五杆件通过第五交叉簧片式柔性铰链连接；第五杆件和第六杆件通过第六交叉簧片式柔性铰链连。该结构简单、携带便利、稳定性好、可靠性高，可以用于需要恒力输出的场合与领域，如健身器材中恒定力的实现、医疗外科手术过程中肢体辅助支撑的实现。

A constant force supporting mechanism based on flexible Sarrus mechanism

The invention belongs to the field of flexible mechanism, which relates to a constant Sarrus mechanism based on flexible supporting mechanism, which is characterized in that at least comprises six rigid rod and connect the six rigid rod hinge, six rigid rods by hinge rigid hinged six bar spatial mechanism with single degree of freedom, six rigid rods were the first bar and second bars, third bars, fourth bars, fifth bars and sixth rods, second connecting rods and third rods through third cross spring type flexible hinge; third bar and fourth bar by fourth cross spring type flexible hinge connection; fourth connecting rods and fifth bar by fifth cross spring type flexible hinge; fifth bar and sixth bar by sixth cross spring type flexible hinge. It has the advantages of simple structure, convenient carrying, good stability, high reliability, can be used for occasions and areas in need of constant output, such as the realization of limb auxiliary support medical surgery in the process of implementation, fitness equipment in constant force.

【技术实现步骤摘要】
一种基于柔性Sarrus机构的恒力支撑机构
本专利技术属于柔性机构领域，涉及一种基于柔性Sarrus机构的恒力支撑机构，可用于很多需要恒定力支撑的场合，比如医疗、家电、交通、建筑、冶金等领域的机械产品中。
技术介绍
在一定运动范围内，恒力机构输出端产生的反力始终维持在某一定值或在某一定值附近波动。恒力机构因不满足胡克定律，与传统的圆柱弹簧或其他弹性体有着本质的区别，现已在机械、核工业、国防军事、仪器仪表等诸多领域和场合有着广泛的应用前景，如物体夹持、管道清洗、热力发电、火炮自动机、机器人末端等。目前获得恒力特性的方法主要有：机电一体化技术、重力平衡、线性弹簧或蝶形弹簧变形的相互补偿等方法。机电一体化技术主要通过反馈控制实现力的精确控制，但系统复杂、体积大、成本高。重力平衡法主要是利用重物受到的重力作为恒力的输入，该方法可实现较高的精度，但这类装置对安装位置有要求，难以满足多样化的应用需求。专利号为CN101652594A和CN101545562A的专利公开了通过改变线弹性弹簧或蝶形弹簧作用的矩来实现恒力，或通过组合线弹性弹簧亦或蝶形弹簧于不同方位上，当输出端按指定方向运动时，一个（或一部分）弹簧变形增大、同时另一个（或另一部分）弹簧的变形减小，相互抵消后输出端产生的反力保持恒定。受机构的复杂性及重量的限制，当前的恒力机构大多用于吊架与支架等工程领域，而在生活领域很少应用，专利号为CN201610003886.4中国专利公开了一种恒力可调的机构，它结构简单、可靠性高，但可提供的恒力工作区间较小，无法满足需要较大运动范围的恒力输出场合，比如用于下肢受伤病人的医疗器械，专利CN2128879Y，CN2885222Y等，且使用时病人只能躺着或坐着，大大降低了便利性、舒适性及康复活动的主动性；又如常见的电脑显示器支座或大型电子显示屏的支撑机构，CN101178944A实现了可移动支座，但结构复杂、生产成本高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有恒力工作区间大、结构简单、造价低廉、稳定性好的基于柔性Sarrus机构的恒力支撑机构。本专利技术所采用的技术方案是，一种基于柔性Sarrus机构的恒力支撑机构，其特征是：至少包括六根刚性杆和连接六根刚性杆的铰链，六根刚性杆通过铰链刚性铰接形成空间六杆单自由度机构，六根刚性杆分别是第一杆件、第二杆件、第三杆件、第四杆件、第五杆件和第六杆件，第二杆件和第三杆件通过第三交叉簧片式柔性铰链连接；第三杆件和第四杆件通过第四交叉簧片式柔性铰链连接；第四杆件和第五杆件通过第五交叉簧片式柔性铰链连接；第五杆件和第六杆件通过第六交叉簧片式柔性铰链连；固定第六杆件，第三杆件既为输入杆也为输出杆；在极限范围内推动第三杆件，此时各柔性铰链发生弹性变形，并将运动传递至各杆件并带动各杆件运动；在该柔性Sarrus机构装配位置处，整个机构无能量存储，处于稳定平衡状态，此时第三杆件产生的反作用力为零；当第三杆件按指定方向从初始位置运动时，各铰链的变形角度逐渐增大，外力做的功以弹性势能的形式存储起来，整个机构的能量呈非线性逐渐增大，由能量守恒定律可知，第三杆件上产生的反作用力逐渐增大；当第三杆件运动到某一位置后，第三铰链的变形角度逐渐减小，其他铰链的变形角度继续增大，各柔性铰链的能量相互补偿后整个柔性Sarrus机构的能量呈线性变化，此时，第三杆件上产生的反作用力维持在某一定值或在某一定值附近波动，即输出恒力；当柔性Sarrus恒力支撑机构恢复到初始形状时，柔性铰链中存贮的能量全部释放，即柔性铰链在运动过程中不消耗能量。所述第一杆件和第二杆件，第一杆件和第六杆件分别通过第一铰链和第二铰链连接，第一铰链是刚性铰链，第二铰链是刚性铰链或交叉簧片式柔性铰链。所述第三杆件输出恒力的大小与交叉簧片式柔性铰链的簧片长度L、簧片的宽度W、簧片的厚度t、特征半径系数λ及每个刚性杆的长度ai(i=1~6)有关，通过对交叉簧片式柔性铰链的簧片长度L、簧片的宽度W、簧片的厚度t、特征半径系数λ及每个刚性杆的长度ai的调整实现输出恒力大小和恒力输出的工作区间的调整。所述的第六杆件作为机架，起固定和支撑作用。本专利技术的有益效果是：利用Sarrus机构独特的运动特性、结合柔性铰链变形过程中存储与释放能量的特性实现了柔性Sarrus机构直线运动杆在一定运动范围内输出恒定支撑力，用于各种需要恒力支撑的场合。改变柔性Sarrus机构的各杆件的长度或柔性铰链的结构参数可改变产生的支撑力的大小和提供恒定支撑力的位移区间。传统刚性Sarrus机构只有纯几何运动，而本专利技术所提出的柔性Sarrus恒力支撑机构在几何运动的基础上还具有良好的力学特性。由于这种柔性恒力支撑机构恒力工作区间大、结构简单、稳定性好、可靠性高，可以用于需要恒力输出的场合与领域，比如不同身高及体重的下肢受伤病人在康复过程中对上体支撑的实现、电脑显示器的可调支撑的实现、用作机器人外骨骼的辅助支撑实现，以及健身器材中恒定力的实现、医疗外科手术过程中肢体辅助支撑的实现、在机械加工过程中恒定夹持力的实现、检测或测量时恒定接触力的实现、工程中吊架或支撑架的实现等。附图说明下面结合实施例附图对本专利技术做进一步说明。图1是本专利技术实施例1的结构示意图；图2是本专利技术实施例2的结构示意图；图3是本专利技术实施例2的应用示意图；图4是刚性Sarrus机构的结构示意图；图5是刚性Sarrus机构尺寸示意图；图6是交叉簧片式柔性铰链结构示意图；图7是交叉簧片式柔性铰链尺寸示意图；图中：1、刚性杆；2、铰链；11、第一杆件；12、第二杆件；13、第三杆件；14、第四杆件；15、第五杆件；16、第六杆件；21、第一铰链；22、第二铰链；23、第三铰链；24、第四铰链；25、第五铰链；26、第六铰链；3、显示器。具体实施方式实施例1如图1所示，一种基于柔性Sarrus机构的恒力支撑机构，至少包括六根刚性杆1和连接六根刚性杆的铰链，六根刚性杆通过铰链2刚性铰接形成空间六杆单自由度机构，六根刚性杆分别是第一杆件11、第二杆件12、第三杆件13、第四杆件14、第五杆件15和第六杆件16，除了第六杆件16外，其他刚性杆均为直杆，第二杆件12和第三杆件13通过第三交叉簧片式柔性铰链23连接；第三杆件13和第四杆件14通过第四交叉簧片式柔性铰链24连接；第四杆件14和第五杆件15通过第五交叉簧片式柔性铰链25连接；第五杆件15和第六杆件16通过第六交叉簧片式柔性铰链26连接。第一杆件11和第二杆件12，第一杆件11和第六杆件16分别通过第一铰链21和第二铰链22连接，第一铰链21和第二铰链22是刚性铰链。固定第六杆件16，第一杆件11可以绕固定轴第一铰链21做整周回转运动，第三杆件13既为输入杆也为输出杆，在极限范围内推动第三杆件13，此时各柔性铰链发生弹性变形，并将运动传递至各杆件并带动各杆件运动。在该柔性Sarrus机构装配位置处，整个机构无能量存储，处于稳定平衡状态，此时第三杆件产生的反作用力为零；当第三杆件13按指定方向从初始位置运动时，各铰链的变形角度（与柔性铰链连接的相邻杆件之间的夹角）逐渐增大，外力做的功以弹性势能的形式存储起来，整个机构的能量呈非线性逐渐增大，由能量守恒定律可知，第三杆件13上产生的反作用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于柔性Sarrus机构的恒力支撑机构，其特征是：至少包括六根刚性杆和连接六根刚性杆的铰链，六根刚性杆通过铰链刚性铰接形成空间六杆单自由度机构，六根刚性杆分别是第一杆件（11）、第二杆件（12）、第三杆件（13）、第四杆件（14）、第五杆件（15）和第六杆件（16），第二杆件（12）和第三杆件（13）通过第三交叉簧片式柔性铰链（23）连接；第三杆件（13）和第四杆件（14）通过第四交叉簧片式柔性铰链（24）连接；第四杆件（14）和第五杆件（15）通过第五交叉簧片式柔性铰链（25）连接；第五杆件（15）和第六杆件（16）通过第六交叉簧片式柔性铰链（26）连；固定第六杆件（16），第三杆件（13）既为输入杆也为输出杆；在极限范围内推动第三杆件（13），此时各柔性铰链发生弹性变形，并将运动传递至各杆件并带动各杆件运动；在该柔性Sarrus机构装配位置处，整个机构无能量存储，处于稳定平衡状态，此时第三杆件（13）产生的反作用力为零；当第三杆件（13）按指定方向从初始位置运动时，各铰链的变形角度逐渐增大，外力做的功以弹性势能的形式存储起来，整个机构的能量呈非线性逐渐增大，由能量守恒定律可知，第三杆件（13）上产生的反作用力逐渐增大；当第三杆件（13）运动到某一位置后，第三铰链（23）的变形角度逐渐减小，其他铰链的变形角度继续增大，各柔性铰链的能量相互补偿后整个柔性Sarrus机构的能量呈线性变化，此时，第三杆件（13）上产生的反作用力维持在某一定值或在某一定值附近波动，即输出恒力；当柔性Sarrus恒力支撑机构恢复到初始形状时，柔性铰链中存贮的能量全部释放，即柔性铰链在运动过程中不消耗能量。...

【技术特征摘要】
1.一种基于柔性Sarrus机构的恒力支撑机构，其特征是：至少包括六根刚性杆和连接六根刚性杆的铰链，六根刚性杆通过铰链刚性铰接形成空间六杆单自由度机构，六根刚性杆分别是第一杆件（11）、第二杆件（12）、第三杆件（13）、第四杆件（14）、第五杆件（15）和第六杆件（16），第二杆件（12）和第三杆件（13）通过第三交叉簧片式柔性铰链（23）连接；第三杆件（13）和第四杆件（14）通过第四交叉簧片式柔性铰链（24）连接；第四杆件（14）和第五杆件（15）通过第五交叉簧片式柔性铰链（25）连接；第五杆件（15）和第六杆件（16）通过第六交叉簧片式柔性铰链（26）连；固定第六杆件（16），第三杆件（13）既为输入杆也为输出杆；在极限范围内推动第三杆件（13），此时各柔性铰链发生弹性变形，并将运动传递至各杆件并带动各杆件运动；在该柔性Sarrus机构装配位置处，整个机构无能量存储，处于稳定平衡状态，此时第三杆件（13）产生的反作用力为零；当第三杆件（13）按指定方向从初始位置运动时，各铰链的变形角度逐渐增大，外力做的功以弹性势能的形式存储起来，整个机构的能量呈非线性逐渐增大，由能量守恒定律可知，第三杆件（13）上产生的反作用力逐渐增大；当第三杆件（13）运动到某一位置后，第三铰链（23...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈贵敏，金开放，常洪烨，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61