基于 Young 双稳态柔性机构的三稳态实现方法 技术领域 本发明涉及一种机械稳态机构， 特别是一种基于 Young 双稳态柔性机构的三稳态 实现方法， 应用于开关、 阀门、 继电器等领域的柔性三稳态机构。
背景技术
在很多应用场合， 需要实现三个稳定状态的控制与切换， 这方面的例子如三通阀、 两路光开关等。美国专利， 专利号 US 6215081 B1 公开了一种 Young 双稳态柔性机构。这 种稳态柔性机构只能完成双稳态机械控制过程。发明内容
本发明的目的是提供一种耗能小、 摩擦力小、 造价低、 稳定性好、 装配简单的基于 Young 双稳态柔性机构的三稳态实现方法。
本发明的目的是这样实现的， 基于 Young 双稳态柔性机构的三稳态实现方法， 包 括两个 Young 双稳态机构， 其特征是 ： 一个 Young 双稳态机构作为反向 Young 双稳态机构， 另一个作为正向 Young 双稳态机构， 将反向 Young 双稳态机构在预应变的状态下通过连接 连杆和正向 Young 双稳态机构铰接， 两个铰接点分别在反向 Young 双稳态机构和正向 Young 双稳态机构的刚性杆上， 构成三稳态机构初始的第一稳态 ； 在初始的第一稳态给连杆施加 向左的拉力时， 连杆会拉动反向 Young 双稳态机构和正向 Young 双稳态机构向左侧运动， 通 过两个 Young 双稳态机构柔性杆存储弹性势能到达第一个非稳态平衡位置， 此时弹性势能 达到第一个局部极大值 ； 然后经过此位置后开始释放弹性势能并输出力推动三稳态机构继 续向左运动， 直到跳跃到第二个稳态位置， 此刻弹性势能达到第二个局部极小值 ； 继续给连 杆施加向左的拉力， 则三稳态机构又将继续向左运动， 连杆又拉动反向 Young 双稳态机构 和正向 Young 双稳态机构向左运动， 三稳态机构再次储存弹性势能到达第二个非稳态平衡 位置， 此时弹性势能达到第二个局部极大值， 然后经过第二个非稳态平衡位置后， 开始释放 弹性势能并输出力推动三稳态机构继续向左运动， 直到跳跃到第三个稳态位置。
所述的连杆是刚性杆， 在运动中无弯曲扭转等变形， 与两个 Young 双稳态机构的 连接为转动副。
所述的连杆起连接作用， 与反向 Young 双稳态机构和正向 Young 双稳态机构铰接。
所述的反向 Young 双稳态机构和正向 Young 双稳态机构的柔性杆一端固定。
本发明的有益效果是 ： 当给连杆施加外力时， 三稳态机构从第一个稳态位置 （最右 侧装配位置） 开始向左侧运动， 连杆将拉动这两个 Young 双稳态机构经过第一个非稳态平衡 位置， 然后释放弹性势能并输出力推动机构继续向左运动， 直到三稳态机构跳跃到第二个 稳态位置， 然后连杆会拉动这两个 Young 双稳态机构继续向左侧运动， 经过第二个非稳态 平衡位置后， 该机构又将释放弹性势能并输出力推动机构继续向左运动， 直到三稳态机构 该机构可以从最左侧向右运动到达最右侧位置。由于 跳跃到第三个稳态位置。同样原理， 这种机构有三个稳态位置， 可以应用于多路开关、 多路阀门以及双向旋转加速度传感器、 继电器等产品， 且具有零件数目少、 结构简单、 装配简易、 造价低廉、 结构对称等特点。 附图说明 下面结合实施例附图对本发明做进一步说明。
图 1 是本发明的装配位置示意图 ； 图 2 是图 1 向左侧运动的第二稳态示意图 ； 图 3 是图 2 向左侧运动的第三稳态示意图 ； 图 4 举例说明三稳态机构应用在门中的示意图。
图中 ： 1、 反向 Young 双稳态机构 ； 2、 连杆 ； 3、 正向 Young 双稳态机构 ； 11、 反向 Young 双稳态机构柔性杆 ； 12、 刚性杆 ； 13、 反向 Young 双稳态机构柔性杆 ； 31、 正向 Young 双 稳态机构柔性杆 ； 32、 刚性杆 ； 33、 正向 Young 双稳态机构柔性杆。
具体实施方式
如图 1、 图 2 所示， 包括两个 Young 双稳态机构， 一个 Young 双稳态机构作为反向 Young 双稳态机构 1， 另一个作为正向 Young 双稳态机构 3， 将反向 Young 双稳态机构 1 在 预应变的状态下通过连接连杆 2 和正向 Young 双稳态机构 3 铰接， 两个铰接点分别在反向 Young 双稳态机构 1 的刚性杆 12 和正向 Young 双稳态机构 3 的刚性杆 32 上， 构成三稳态机 构初始的第一稳态。 在初始装配位置给连杆 2 施加向左的拉力时， 连杆 2 会拉动反向 Young 双稳态机 构 1 和正向 Young 双稳态机构 3 向左侧运动， 三稳态机构将通过柔性杆存储弹性势能到达 第一个非稳态平衡位置， 此时弹性势能达到第一个局部极大值 ； 然后经过此位置后开始释 放弹性势能并输出力推动三稳态机构继续向左运动， 直到跳跃到第二个稳态位置。
此刻弹性势能达到第二个局部极小值 ； 继续给连杆施加向左的拉力， 则三稳态机 构又将继续向左运动， 连杆 2 又拉动反向 Young 双稳态机构 1 和正向 Young 双稳态机构 3 向左运动， 三稳态机构再次储存弹性势能到达第二个非稳态平衡位置， 此时弹性势能达到 第二个局部极大值， 然后经过第二个非稳态平衡位置后， 开始释放弹性势能并输出力推动 三稳态机构继续向左运动， 直到跳跃到第三个稳态位置， 如图 3 所示， 此刻弹性势能达到第 三个局部极小值。
从上述的三幅图可以清楚地知道反向 Young 双稳态机构 1 和正向 Young 双稳态机 构 3 的反向 Young 双稳态机构柔性杆 11、 反向 Young 双稳态机构柔性杆 13、 正向 Young 双 稳态机构柔性杆 31、 正向 Young 双稳态机构柔性杆 33 是变形能存储的器件， 通过适当长度 的连杆组合， 借助其变形能可以实现在三个独立位置上的稳定平衡， 对应的其弹性势能曲 线上有两个局部极大值点， 三个局部极小值点。
本发明可以应用在一种新式的门中， 如图 4 所示， 在门上装一个三稳态机构 D， 使 该门具有三个稳定位置， 该门的三个稳定位置为门的 “打开” 位置 A、 门的 “关闭” 位置 B 和 门的 “打开” 位置 C， 非稳态平衡位置在图中用虚线所示。设计门在 “关闭” 的状态下位于第 二个稳定位置门的 “关闭” 位置 B 处， “打开” 的状态位于两侧对称的稳定位置门的 “打开” 位置 A、 门的 “打开” 位置 C 处， 图中虚线位置代表门运动时经过的非稳定平衡位置。该门再 往某一侧运动时， 如果没有经过其非稳态平衡位置， 那么撤销施加给门上的外力， 该门就会
自动回到 “关闭” 状态 ； 如果经过其非稳态平衡位置后， 就会自动跳跃到下一个稳态位置， 即 “打开” 状态， 同理， 可以从 “打开” 状态返回到 “关闭” 状态。
比如 ： 在商场中， 当顾客流量较少时， 门的运动不需要跃过其非稳态平衡位置， 当 顾客都进去后， 撤销施加在门上的外力， 该门会自动地回到中间 “关闭” 状态 B ； 而当顾客人 流量很大时， 只需施加外力使该门的运动经过其非稳态平衡位置， 门就会自动的跳跃到下 一个稳态位置， 即位于 “打开” 状态 A(C)， 且门会稳定的停留在这个位置， 此时便于人流大量 的进入， 等顾客都进完时， 又可以加外力使门回到中间 “关闭” 状态 B。