專利名稱：一種非對稱式變截面突跳機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非對稱式變截面突跳機(jī)構(gòu)，屬于微型機(jī)構(gòu)學(xué)領(lǐng)域，可用于碰撞安全保護(hù)系統(tǒng)、航空航天控制系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、儀器跌落保護(hù)以及病人摔倒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)等。
背景技術(shù)：
突跳機(jī)構(gòu)能夠在外界閾值驅(qū)動(dòng)カ的作用下，迅速發(fā)生狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，具有定位精度高、重復(fù)性好、狀態(tài)保持無功耗、抗干擾能力強(qiáng)及可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、過載保護(hù)系統(tǒng)、引信系統(tǒng)、精密儀器、電子設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)、機(jī)電設(shè)備和航空航天姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

隨著MEMS技術(shù)的迅猛發(fā)展，降低功耗已成為微器件設(shè)計(jì)的重要發(fā)展方向之一。借助其優(yōu)良力學(xué)特性，突跳機(jī)構(gòu)已成為制作新型微驅(qū)動(dòng)器和微繼電器的重要結(jié)構(gòu)元件。由于突跳機(jī)構(gòu)的閾值驅(qū)動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)器件的驅(qū)動(dòng)電壓和能耗密切相關(guān)(閾值カ越大，所需的驅(qū)動(dòng)能耗則越大)，因此，低閾值化已成為突跳機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要發(fā)展趨勢，也是進(jìn)一歩解決微驅(qū)動(dòng)器能耗問題的重要技術(shù)途徑?，F(xiàn)有突跳機(jī)構(gòu)以撓性雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)為主，結(jié)構(gòu)形式包括全柔性直線梁、蛇形梁、全柔性弧形梁、剛性梁與柔性梁混合以及多個(gè)雙穩(wěn)態(tài)單元組合結(jié)構(gòu)等。受結(jié)構(gòu)單元類型的限制，雖然這些結(jié)構(gòu)類型能夠?qū)崿F(xiàn)突跳功能需求，但并未有效降低閾值跳轉(zhuǎn)力。例如，CN101834097A，使用全柔性直線梁來實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的最初突跳。US20060087390A1，提出了ー種使用蛇形梁作為彈性元件的繼電器，通過控制固定梳齒和移動(dòng)梳齒間距的變化來實(shí)現(xiàn)斷開和閉合。US6303885B1，提出了三種具有對稱結(jié)構(gòu)形式的突跳結(jié)構(gòu)，一種是使用全柔性的弧形梁作為雙穩(wěn)態(tài)單元，另ー種是使用柔性梁和剛性梁混合的方式來實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，第三種為“山”字型的多個(gè)雙穩(wěn)態(tài)單元級聯(lián)結(jié)構(gòu)。CN101335137A利用滑塊單元的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換功能來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的跳轉(zhuǎn)。但這些結(jié)構(gòu)形式中，主要以對稱形式為主，存在跳轉(zhuǎn)閾值力偏高，能量耗散大等問題。另外，CN101837947A通過在雙穩(wěn)態(tài)單元上連接多級連桿滑塊機(jī)構(gòu)使最后ー級滑塊形成2~(M+1)數(shù)目的穩(wěn)態(tài)平衡位置。CN101798052A使用兩個(gè)雙穩(wěn)態(tài)單元橫向和豎向級聯(lián)，實(shí)現(xiàn)橫向和豎向脈沖閾值力的檢測。CN101798053A是第二級柔性固定導(dǎo)向機(jī)構(gòu)借助于第一級柔性固定導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)存儲(chǔ)的彈性勢能使第二級柔性導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在五個(gè)獨(dú)立平衡位置之間實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)，但由于引入了較多的運(yùn)動(dòng)副，使機(jī)構(gòu)存在機(jī)構(gòu)復(fù)雜和容易卡死等問題。US7075209B2提出了ー種在固定端加入側(cè)梁的方式來降低閾值，但由于其跳轉(zhuǎn)過程為全對稱變形，存在高階屈曲變形的可能性，進(jìn)而使機(jī)構(gòu)存在閾值カ不穩(wěn)定的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有突跳機(jī)構(gòu)存在的閾值カ大、閾值不穩(wěn)定的弱點(diǎn)，提供ー種具有穩(wěn)定的低跳轉(zhuǎn)閾值力的雙穩(wěn)態(tài)突跳機(jī)構(gòu)，通過引入剛性梁結(jié)構(gòu)，使突跳機(jī)構(gòu)的跳轉(zhuǎn)閾值カ僅為原機(jī)構(gòu)的二分之一或三分之一，適用于低能耗、高可靠性開關(guān)系統(tǒng)、微繼電器、驅(qū)動(dòng)器、MEMS傳感器等應(yīng)用場合。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種非對稱式變截面突跳機(jī)構(gòu)，包括左錨點(diǎn)、右錨點(diǎn)、左弾性梁、右弾性梁和質(zhì)量塊，質(zhì)量塊經(jīng)左弾性梁與左錨點(diǎn)固定連接，質(zhì)量塊經(jīng)右彈性梁與右錨點(diǎn)固定連接；所述左彈性梁采用三個(gè)柔性梁和ニ個(gè)剛性梁互相交替固定連接的組合結(jié)構(gòu)，所述右彈性梁采用至少ニ個(gè)柔性梁和至少ー個(gè)剛性梁互相交替固定連接的組合結(jié)構(gòu)，構(gòu)成非対稱式變截面突跳機(jī)構(gòu)；所述突跳機(jī)構(gòu)的約束條件為所述柔性梁和剛性梁的長度系數(shù)均小于1.0，所述左彈性梁或右弾性梁的柔性梁和剛性梁的長度系數(shù)之和均小于I. O。所述左彈性梁采用左第一柔性梁、左第一剛性梁、左第二柔性梁、左第二剛性梁和左第三柔性梁依次固定連接的組合結(jié)構(gòu)；所述右彈性梁采用右第一柔性梁、右第一剛性梁和右第二柔性梁依次固定連接的組合結(jié)構(gòu)。所述左彈性梁采用左第一柔性梁、左第一剛性梁、左第二柔性梁、左第二剛性梁和左第三柔性梁依次固定連接的組合結(jié)構(gòu)；所述右彈性梁采用右第一柔性梁、右第一剛性梁、右第二柔性梁、右第二剛性梁和右第三柔性梁依次固定連接的組合結(jié)構(gòu)。 所述柔性梁采用傾斜結(jié)構(gòu)，傾斜的角度小于90度。所述柔性梁采用橡膠、鈹青銅、彈簧鋼或高分子材料的弾性材料制作。采用上述的技術(shù)方案，突跳機(jī)構(gòu)在外部載荷作用下，位于中間的質(zhì)量塊帶動(dòng)兩側(cè)連接的支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生跳躍屈曲，并發(fā)生非對稱變形，經(jīng)過ー個(gè)非穩(wěn)態(tài)平衡位置后跳躍到第ニ個(gè)穩(wěn)態(tài)平衡位置，此位置是結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)的彈性勢能的ー個(gè)局部最小點(diǎn)，無需外力保持，中間的質(zhì)量塊可以穩(wěn)定停留在第二穩(wěn)態(tài)位置。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)I.本發(fā)明采用剛性梁與柔性梁混合支撐的方式，與傳統(tǒng)的等截面厚度直線梁相比，在相同尺度下具有跳轉(zhuǎn)閾值力低、能耗低和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)；2.與傳統(tǒng)的對稱式突跳結(jié)構(gòu)相比，充分利用變截面梁的非対稱變形模式，使機(jī)構(gòu)在突跳過程中以非對稱模式為主，使得整個(gè)變形過程更為穩(wěn)定，保證了結(jié)構(gòu)多次跳轉(zhuǎn)的ー致性；3.本發(fā)明利用剛性梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)カ調(diào)整功能，避免結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象，增強(qiáng)了突跳機(jī)構(gòu)的耐疲勞性。綜合分析，本發(fā)明所提出的跳轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動(dòng)力小、變形穩(wěn)定，大行程，低能耗，響應(yīng)迅速，動(dòng)作準(zhǔn)確可靠和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢，在通訊、エ業(yè)控制、儀器儀表以及消費(fèi)電子等領(lǐng)域具有廣泛的推廣價(jià)值。


圖I是ー種非対稱式變截面突跳機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是ー種非対稱式變截面突跳機(jī)構(gòu)的非對稱變形示意圖。圖3是ー種非対稱式變截面突跳機(jī)構(gòu)的第二穩(wěn)態(tài)位置示意圖。圖4是另ー種非對稱式變截面突跳機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是圖I所示突跳機(jī)構(gòu)與均一截面結(jié)構(gòu)カ位移曲線對比圖。圖6是圖4所示突跳機(jī)構(gòu)與均一截面結(jié)構(gòu)カ位移曲線對比圖。圖中1a、左第一柔性梁；lb、左第二柔性梁；lc、左第三柔性梁，2a、左第一剛性梁；2b、左第二剛性梁；3a、右第一柔性梁；3b、右第二柔性梁，3c、右第三柔性梁，4a、右第一剛性梁，4b、右第二剛性梁，5、質(zhì)量塊；6a、左錨點(diǎn)；6b、右錨點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一圖I是ー種非対稱式變截面突跳機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖，圖中突跳機(jī)構(gòu)主要包括左柔性梁、右柔性梁、左剛性梁、右剛性梁以及質(zhì)量塊5。其具體連接方式為左第一柔性梁Ia左端與左錨點(diǎn)6a連接，右端與左第一剛性梁2a左端連接；左第二柔性梁Ib左端與左第一剛性梁2a右端連接，右端與左第二剛性梁2b左端連接；左第三柔性梁Ic左端與左第二剛性梁2b右端連接，右端與中部質(zhì)量塊5左端連接。右第一柔性梁3a左端與右第一剛性梁4a右端連接，右端與右錨點(diǎn)6b連接；右第二柔性梁3b左端與質(zhì)量塊5右端連接，右端與右第一剛性梁4a左端連接。圖I中所示的尺寸標(biāo)注為本實(shí)施方式的特色，其中各部分的尺寸約束見表1，具有幾何不對稱性。表I列出了各部分的尺寸關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種非對稱式變截面突跳機(jī)構(gòu)，包括左錨點(diǎn)(6a)、右錨點(diǎn)(6b)、左弾性梁、右弾性梁和質(zhì)量塊(5)，質(zhì)量塊(5)經(jīng)左彈性梁與左錨點(diǎn)(6a)固定連接，質(zhì)量塊(5)經(jīng)右彈性梁與右錨點(diǎn)(6b)固定連接；其特征在于所述左彈性梁采用三個(gè)柔性梁和ニ個(gè)剛性梁互相交替固定連接的組合結(jié)構(gòu)，所述右彈性梁采用至少ニ個(gè)柔性梁和至少ー個(gè)剛性梁互相交替固定連接的組合結(jié)構(gòu)，構(gòu)成非対稱式變截面突跳機(jī)構(gòu)；所述突跳機(jī)構(gòu)的約束條件為所述柔性梁和剛性梁的長度系數(shù)均小于I. O，所述左彈性梁或右弾性梁的柔性梁和剛性梁的長度系數(shù)之和均小于I. O。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種非對稱式變截面突跳機(jī)構(gòu)，其特征在于所述左彈性梁采用左第一柔性梁(la)、左第一剛性梁(2a)、左第二柔性梁(lb)、左第二剛性梁(2b)和左第三柔性梁(Ic)依次固定連接的組合結(jié)構(gòu)；所述右彈性梁采用右第一柔性梁(3a)、右第一剛性梁(4a)和右第二柔性梁(3b)依次固定連接的組合結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種非對稱式變截面突跳機(jī)構(gòu)，其特征在于所述左彈性梁采用左第一柔性梁(la)、左第一剛性梁(2a)、左第二柔性梁(lb)、左第二剛性梁(2b)和左第三柔性梁(Ic)依次固定連接的組合結(jié)構(gòu)；所述右彈性梁采用右第一柔性梁(3a)、右第一剛性梁(4a)、右第二柔性梁(3b)、右第二剛性梁(4b)和右第三柔性梁(3c)依次固定連接的組合結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種非對稱式變截面突跳機(jī)構(gòu)，其特征在于所述柔性梁采用傾斜結(jié)構(gòu)，傾斜的角度小于90度。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種非對稱式變截面突跳機(jī)構(gòu)，其特征在于所述柔性梁采用橡膠、鈹青銅、彈簧鋼或高分子材料的弾性材料制作。
全文摘要
一種非對稱式變截面突跳機(jī)構(gòu)，屬于智能機(jī)構(gòu)學(xué)領(lǐng)域。左錨點(diǎn)6a和右錨點(diǎn)6b通過多個(gè)柔性梁、剛性梁以及質(zhì)量塊相連接，組成非對稱變截面突跳機(jī)構(gòu)。該突跳機(jī)構(gòu)通過調(diào)整剛性梁和柔性梁混合結(jié)構(gòu)的空間布局，使得整個(gè)跳轉(zhuǎn)過程為非對稱變形模式，有效地降低了機(jī)構(gòu)突跳所需的閾值力，僅為傳統(tǒng)的均勻截面突跳機(jī)構(gòu)的三分之一。本發(fā)明具有突跳變形穩(wěn)定、能耗低、動(dòng)作可靠和定位精度高的特點(diǎn)，在碰撞安全保護(hù)系統(tǒng)、航空航天姿態(tài)控制系統(tǒng)、武器引信系統(tǒng)、儀器跌落保護(hù)、機(jī)電設(shè)備過載保護(hù)系統(tǒng)以及病人摔倒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號B81B3/00GK102826500SQ20121025218
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者趙劍, 高仁璟, 牛磊, 韓小強(qiáng), 常穎, 胡平 申請人:大連理工大學(xué)