[发明专利]一种基于柔性Sarrus机构的恒力支撑机构

说明书

本发明属于柔性机构领域，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。

技术领域

本发明属于柔性机构领域，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。

背景技术

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CN101545562 A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CN 2128879Y，CN 2885222Y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，CN 101178944A实现了可移动支座，但结构复杂、生产成本高。

发明内容

本发明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。

本发明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。