[发明专利]一种基于柔性Sarrus机构的恒力支撑机构

权利要求书

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）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；

所述第一杆件（11）和第二杆件（12），第一杆件（11）和第六杆件分别通过第一铰链（21）和第二铰链（22）连接，第一铰链（21）是刚性铰链，第二铰链（22）是刚性铰链或交叉簧片式柔性铰链；

所述第三杆件（13）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有关，其中i=1-6，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；

当a₁=0.470m, a₂=0.670m, a₃=0.530m, a₄=0.600m, a₅=0.662m, a₆=1.08m, d₁=0.100m, d₂=d₃=d₄=d₅=0, d₆=0.685m, L=0.040m, W=0.010m, t₃=4.1mm, t₄=1.6mm, t₅=3.0mm, t₆=1.6mm, λ=0.5, θ₁₀=0°, θ₂₀=180°,θ₄₀=116°, θ₅₀=22°，此部分柔性Sarrus恒力机构可在20cm直线范围内提供35.6N的恒定支撑力；

或者当a₁=0.472m, a₂=0.551m, a₃=0.503m, a₄=0.550m, a₅=0.600m, a₆=1.136m, d₁=d₂=d₃=d₄=d₅=0, d₆=0.689m, L=0.040m, W=0.010m, t₂=0.7mm, t₃=1.0mm, t₄=1.0mm, t₅=1.0mm, t₆=0.8mm, λ=0.5, θ₁₀=62°, θ₂₀=228°, θ₄₀=120°, θ₅₀=12°，此部分柔性Sarrus恒力机构可在40cm直线范围内提供13N的恒定支撑力；

其中，六个刚性杆的长度分别为a₁, a₂, a₃, a₄, a₅, a₆, 第一铰链与第二铰链在竖直方向上的距离d₁，第二铰链与第三铰链在竖直方向上的距离d₂，第三铰链与第四铰链在Y轴方向上的距离d₃，第四铰链与第五铰链在Y轴方向上的距离d₄，第五铰链与第六铰链在Y轴方向上的距离d₅，第六铰链与第一铰链在竖直方向上的距离d₆，第一杆件与水平方向正向所成的夹角θ₁，第二杆件与水平方向正向所成的夹角θ₂，第四杆件与水平方向正向所成的夹角θ₄，第五杆件与水平方向正向所成的夹角θ₅，将各杆件与水平方向正向的初始夹角定义为θ_i0(i=1, 2, 4, 5)；固定第六杆件，若满足杆长条件：a₂-a₁≥d₃+d₄+d₅，a₄+a₅＞d₁+d₂+d₆，第一杆件可以绕第一铰链旋转，第三杆件可以沿直线平动。

2.根据权利要求1中所述的一种基于柔性Sarrus机构的恒力支撑机构，其特征是：所述的第六杆件（16）作为机架，起固定和支撑作用。