本發明屬于柔性機構領域，涉及一種基于柔性sarrus機構的恒力支撐機構，可用于很多需要恒定力支撐的場合，比如醫療、家電、交通、建筑、冶金等領域的機械產品中。

背景技術：

在一定運動范圍內，恒力機構輸出端產生的反力始終維持在某一定值或在某一定值附近波動。恒力機構因不滿足胡克定律，與傳統的圓柱彈簧或其他彈性體有著本質的區別，現已在機械、核工業、國防軍事、儀器儀表等諸多領域和場合有著廣泛的應用前景，如物體夾持、管道清洗、熱力發電、火炮自動機、機器人末端等。目前獲得恒力特性的方法主要有：機電一體化技術、重力平衡、線性彈簧或蝶形彈簧變形的相互補償等方法。機電一體化技術主要通過反饋控制實現力的精確控制，但系統復雜、體積大、成本高。重力平衡法主要是利用重物受到的重力作為恒力的輸入，該方法可實現較高的精度，但這類裝置對安裝位置有要求，難以滿足多樣化的應用需求。專利號為cn101652594a和cn101545562a的專利公開了通過改變線彈性彈簧或蝶形彈簧作用的矩來實現恒力，或通過組合線彈性彈簧亦或蝶形彈簧于不同方位上，當輸出端按指定方向運動時，一個（或一部分）彈簧變形增大、同時另一個（或另一部分）彈簧的變形減小，相互抵消后輸出端產生的反力保持恒定。

受機構的復雜性及重量的限制，當前的恒力機構大多用于吊架與支架等工程領域，而在生活領域很少應用，專利號為cn201610003886.4中國專利公開了一種恒力可調的機構，它結構簡單、可靠性高，但可提供的恒力工作區間較小，無法滿足需要較大運動范圍的恒力輸出場合，比如用于下肢受傷病人的醫療器械，專利cn2128879y，cn2885222y等，且使用時病人只能躺著或坐著，大大降低了便利性、舒適性及康復活動的主動性；又如常見的電腦顯示器支座或大型電子顯示屏的支撐機構，cn101178944a實現了可移動支座，但結構復雜、生產成本高。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種具有恒力工作區間大、結構簡單、造價低廉、穩定性好的基于柔性sarrus機構的恒力支撐機構。

本發明所采用的技術方案是，一種基于柔性sarrus機構的恒力支撐機構，其特征是：至少包括六根剛性桿和連接六根剛性桿的鉸鏈，六根剛性桿通過鉸鏈剛性鉸接形成空間六桿單自由度機構，六根剛性桿分別是第一桿件、第二桿件、第三桿件、第四桿件、第五桿件和第六桿件，第二桿件和第三桿件通過第三交叉簧片式柔性鉸鏈連接；第三桿件和第四桿件通過第四交叉簧片式柔性鉸鏈連接；第四桿件和第五桿件通過第五交叉簧片式柔性鉸鏈連接；第五桿件和第六桿件通過第六交叉簧片式柔性鉸鏈連；固定第六桿件，第三桿件既為輸入桿也為輸出桿；在極限范圍內推動第三桿件，此時各柔性鉸鏈發生彈性變形，并將運動傳遞至各桿件并帶動各桿件運動；在該柔性sarrus機構裝配位置處，整個機構無能量存儲，處于穩定平衡狀態，此時第三桿件產生的反作用力為零；當第三桿件按指定方向從初始位置運動時，各鉸鏈的變形角度逐漸增大，外力做的功以彈性勢能的形式存儲起來，整個機構的能量呈非線性逐漸增大，由能量守恒定律可知，第三桿件上產生的反作用力逐漸增大；當第三桿件運動到某一位置后，第三鉸鏈的變形角度逐漸減小，其他鉸鏈的變形角度繼續增大，各柔性鉸鏈的能量相互補償后整個柔性sarrus機構的能量呈線性變化，此時，第三桿件上產生的反作用力維持在某一定值或在某一定值附近波動，即輸出恒力；當柔性sarrus恒力支撐機構恢復到初始形狀時，柔性鉸鏈中存貯的能量全部釋放，即柔性鉸鏈在運動過程中不消耗能量。

所述第一桿件和第二桿件，第一桿件和第六桿件分別通過第一鉸鏈和第二鉸鏈連接，第一鉸鏈是剛性鉸鏈，第二鉸鏈是剛性鉸鏈或交叉簧片式柔性鉸鏈。

所述第三桿件輸出恒力的大小與交叉簧片式柔性鉸鏈的簧片長度l、簧片的寬度w、簧片的厚度t、特征半徑系數λ及每個剛性桿的長度ai(i=1~6)有關，通過對交叉簧片式柔性鉸鏈的簧片長度l、簧片的寬度w、簧片的厚度t、特征半徑系數λ及每個剛性桿的長度ai的調整實現輸出恒力大小和恒力輸出的工作區間的調整。

所述的第六桿件作為機架，起固定和支撐作用。

本發明的有益效果是：利用sarrus機構獨特的運動特性、結合柔性鉸鏈變形過程中存儲與釋放能量的特性實現了柔性sarrus機構直線運動桿在一定運動范圍內輸出恒定支撐力，用于各種需要恒力支撐的場合。改變柔性sarrus機構的各桿件的長度或柔性鉸鏈的結構參數可改變產生的支撐力的大小和提供恒定支撐力的位移區間。傳統剛性sarrus機構只有純幾何運動，而本發明所提出的柔性sarrus恒力支撐機構在幾何運動的基礎上還具有良好的力學特性。

由于這種柔性恒力支撐機構恒力工作區間大、結構簡單、穩定性好、可靠性高，可以用于需要恒力輸出的場合與領域，比如不同身高及體重的下肢受傷病人在康復過程中對上體支撐的實現、電腦顯示器的可調支撐的實現、用作機器人外骨骼的輔助支撐實現，以及健身器材中恒定力的實現、醫療外科手術過程中肢體輔助支撐的實現、在機械加工過程中恒定夾持力的實現、檢測或測量時恒定接觸力的實現、工程中吊架或支撐架的實現等。

附圖說明

下面結合實施例附圖對本發明做進一步說明。

圖1是本發明實施例1的結構示意圖；

圖2是本發明實施例2的結構示意圖；

圖3是本發明實施例2的應用示意圖；

圖4是剛性sarrus機構的結構示意圖；

圖5是剛性sarrus機構尺寸示意圖；

圖6是交叉簧片式柔性鉸鏈結構示意圖；

圖7是交叉簧片式柔性鉸鏈尺寸示意圖；

圖中：1、剛性桿；2、鉸鏈；11、第一桿件；12、第二桿件；13、第三桿件；14、第四桿件；15、第五桿件；16、第六桿件；21、第一鉸鏈；22、第二鉸鏈；23、第三鉸鏈；24、第四鉸鏈；25、第五鉸鏈；26、第六鉸鏈；3、顯示器。

具體實施方式

實施例1

如圖1所示，一種基于柔性sarrus機構的恒力支撐機構，至少包括六根剛性桿1和連接六根剛性桿的鉸鏈，六根剛性桿通過鉸鏈2剛性鉸接形成空間六桿單自由度機構，六根剛性桿分別是第一桿件11、第二桿件12、第三桿件13、第四桿件14、第五桿件15和第六桿件16，除了第六桿件16外，其他剛性桿均為直桿，第二桿件12和第三桿件13通過第三交叉簧片式柔性鉸鏈23連接；第三桿件13和第四桿件14通過第四交叉簧片式柔性鉸鏈24連接；第四桿件14和第五桿件15通過第五交叉簧片式柔性鉸鏈25連接；第五桿件15和第六桿件16通過第六交叉簧片式柔性鉸鏈26連接。

第一桿件11和第二桿件12，第一桿件11和第六桿件16分別通過第一鉸鏈21和第二鉸鏈22連接，第一鉸鏈21和第二鉸鏈22是剛性鉸鏈。

固定第六桿件16，第一桿件11可以繞固定軸第一鉸鏈21做整周回轉運動，第三桿件13既為輸入桿也為輸出桿，在極限范圍內推動第三桿件13，此時各柔性鉸鏈發生彈性變形，并將運動傳遞至各桿件并帶動各桿件運動。在該柔性sarrus機構裝配位置處，整個機構無能量存儲，處于穩定平衡狀態，此時第三桿件產生的反作用力為零；當第三桿件13按指定方向從初始位置運動時，各鉸鏈的變形角度（與柔性鉸鏈連接的相鄰桿件之間的夾角）逐漸增大，外力做的功以彈性勢能的形式存儲起來，整個機構的能量呈非線性逐漸增大，由能量守恒定律可知，第三桿件13上產生的反作用力逐漸增大；當第三桿件13運動到某一位置后，第三鉸鏈23的變形角度逐漸減小，其他鉸鏈的變形角度繼續增大，各柔性鉸鏈的能量相互補償后整個柔性sarrus機構的能量呈線性變化，此時，第三桿件13上產生的反作用力維持在某一定值或在某一定值附近波動，即輸出恒力；當柔性sarrus恒力支撐機構恢復到初始形狀時，柔性鉸鏈中存貯的能量全部釋放，即柔性鉸鏈在運動過程中不消耗能量。

第三桿件13輸出恒力的大小與交叉簧片式柔性鉸鏈的簧片長度l、簧片的寬度w、簧片的厚度t、特征半徑系數λ及每個剛性桿的長度ai(i=1~6)有關，通過對交叉簧片式柔性鉸鏈的簧片長度l、簧片的寬度w、簧片的厚度t、特征半徑系數λ及每個剛性桿的長度ai的調整實現輸出恒力大小和恒力輸出的工作區間的調整。

例如，選取尺寸為：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恒力機構可在20cm直線范圍內提供35.6n的恒定支撐力。

如圖4所示，剛性sarrus機構是由六根剛性桿1通過鉸鏈2剛性鉸接形成的空間六桿單自由度機構，六根剛性桿分別是第一桿件11、第二桿件12、第三桿件13、第四桿件14、第五桿件15和第六桿件16，鉸鏈2共六個，分別是第一鉸鏈21、第二鉸鏈22、第三鉸鏈23、第四鉸鏈24、第五鉸鏈25和第六鉸鏈26。

如圖5所示，剛性sarrus機構的尺寸參數主要有：六個剛性桿的長度分別為a1,a2,a3,a4,a5,a6,第一鉸鏈21與第二鉸鏈22在豎直方向（z軸方向）上的距離d1，第二鉸鏈22與第三鉸鏈23在豎直方向（z軸方向）上的距離d2，第三鉸鏈22與第四鉸鏈24在y軸方向上的距離d3，第四鉸鏈24與第五鉸鏈25在y軸方向上的距離d4，第五鉸鏈25與第六鉸鏈26在y軸方向上的距離d5，第六鉸鏈26與第一鉸鏈21在豎直方向（z軸方向）上的距離d6，第一桿件11與水平方向（x軸）正向所成的夾角θ1，第二桿件12與水平方向（x軸）正向所成的夾角θ2，第四桿件14與水平方向（x軸）正向所成的夾角θ4，第五桿件15與水平方向（x軸）正向所成的夾角θ5，將各桿件與水平方向（x軸）正向的初始夾角定義為θi0(i=1,2,4,5)。固定第六桿件16，若滿足桿長條件：a2-a1≥d3+d4+d5，a4+a5＞d1+d2+d6，第一桿件11可以繞第一鉸鏈21旋轉，第三桿件13可以沿直線平動。

如圖6所示，選用交叉簧片式柔性鉸鏈作為柔性sarrus恒力機構的柔性鉸鏈，它具有轉動角度大、軸漂小、承載能力強，比較適合運動空間較大的機構的特點。此交叉簧片式柔性鉸鏈由于已在中國專利中公開，因此本發明對此不做過多描述。

如圖7所示，交叉簧片式柔性鉸鏈的尺寸參數主要有：交叉簧片的交叉角度α，簧片的長度l，簧片的寬度w，簧片的厚度t，特征半徑系數λ。柔性鉸鏈通過發生彈性變形來實現鉸鏈的轉動特性，轉動鉸鏈一定角度，外力做的功會以彈性勢能的形式存儲在鉸鏈中，當鉸鏈恢復原狀時，存儲的能量釋放，無能量損失。

實施例2

如圖2所示，一種基于柔性sarrus機構的恒力支撐機構，至少包括六根剛性桿和連接六根剛性桿的鉸鏈，六根剛性桿通過鉸鏈剛性鉸接形成空間六桿單自由度機構，六根剛性桿分別是第一桿件11、第二桿件12、第三桿件13、第四桿件14、第五桿件15和第六桿件16，除了第六桿件16外，其他剛性桿件均為直桿，第二桿件12和第三桿件13通過第三交叉簧片式柔性鉸鏈23連接；第三桿件13和第四桿件14通過第四交叉簧片式柔性鉸鏈24連接；第四桿件14和第五桿件15通過第五交叉簧片式柔性鉸鏈25連接；第五桿件15和第六桿件16通過第六交叉簧片式柔性鉸鏈26連。

第一桿件11和第二桿件12，第一桿件11和第六桿件16分別通過第一鉸鏈21和第二鉸鏈22連接，第一鉸鏈21是剛性鉸鏈，第二鉸鏈22是交叉簧片式柔性鉸鏈。

實施例2與實施例1基本相同，是將第二鉸鏈22由剛性鉸鏈也替換成交叉簧片式柔性鉸鏈。將形成的部分柔性sarrus機構中的第六桿件16固定，驅動第三桿件13運動，柔性鉸鏈可以發生彈性變形來實現鉸鏈的轉動特性，第三桿件13可以沿直線平動。初始裝配位置下柔性sarrus機構無彈性變形，整個機構中無能量存儲，處于穩定平衡狀態，此時第三桿件產生的反作用力為零；當第三桿件13按指定方向從初始位置運動時，各鉸鏈的變形角度（與柔性鉸鏈連接的相鄰桿件之間的夾角）逐漸增大，外力做的功以彈性勢能的形式存儲起來，整個機構的能量呈非線性逐漸增大，由能量守恒定律可知，第三桿件13上產生的反作用力逐漸增大；當第三桿件13運動到某一位置后，第三鉸鏈23處的柔性鉸鏈的變形角度逐漸減小，其他柔性鉸鏈的變形角度繼續增大，使得各柔性鉸鏈的能量相互補償后整個柔性sarrus機構的能量呈線性變化，此時，第三桿件13上產生的反作用力維持在某一定值或在某一定值附近波動，即輸出恒力；當柔性sarrus恒力支撐機構恢復到初始形狀時，柔性鉸鏈中存貯的能量全部釋放，即柔性鉸鏈在運動過程中不消耗能量。

同樣，第三桿件13輸出恒力的大小與交叉簧片式柔性鉸鏈的簧片長度l、簧片的寬度w、簧片的厚度t、特征半徑系數λ及各剛性桿的長度ai(i=1~6)有關，可通過對這些尺寸參數的調整來實現輸出恒力大小和恒力輸出工作區間的調整。

例如，選取尺寸為：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恒力機構可在40cm直線范圍內提供13n的恒定支撐力。

在實際應用中，可成對使用柔性sarrus恒力支撐機構，如圖3所示，將兩組實施例2中柔性sarrus恒力支撐機構對稱布置于顯示器3（或其他需要恒力支撐的平臺）的兩端，顯示器3固接在兩個柔性sarrus恒力支撐機構的第三桿件13上。兩個柔性sarrus恒力支撐機構發生彈性變形直至整個系統處于靜態平衡狀態，兩個柔性sarrus恒力支撐機構共同承載顯示器3的重量，恒力支撐機構將顯示器3重力所做功以彈性勢能形式存儲于各柔性鉸鏈中。柔性sarrus恒力支撐機構提供一個大小基本恒定的支撐反力，當按需求設計交叉簧片式柔性鉸鏈的剛度和各剛性桿的長度，使柔性sarrus恒力支撐機構產生的恒定支撐力與顯示器3的重量相同時，顯示器3可以在不受外力的條件下實現上下移動，即顯示器3可以被拉到所需求的高度且穩定停留，在整個工作過程中，顯示器3的重力勢能與柔性sarrus恒力支撐機構中存儲的彈性勢能相互轉化且其和基本保持恒定，即顯示器3在上下移動過程中不需要額外的能量輸入。

本實施例沒有詳細敘述的部件和結構屬本行業的公知部件和常用結構或常用手段，這里不一一敘述。