[发明专利]一种基于柔性Sarrus机构的恒力支撑机构

摘要

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。

主权项

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θi0(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。