摘要：多稳态机构被用于机械逻辑门设计、惯性阈值机械感知、机器人新型驱动等研究。论文提出一种新的柔顺三稳态概念——“非中继”三稳态机构，这类机构在其工作空间中不但有3个稳定状态，而且可以实现在任意两个稳态之间的直接切换而无需经过另一个稳态进行中转。给出了一种实现“非中继”三稳态的全柔顺机构构型，并在建模与优化的基础上，最终成功获得了“非中继”三稳态机构样机。

近日，西安交通大学的陈贵敏教授团队在柔顺多稳态机构的创新设计中取得新进展，研究成果被机械工程领域的国际权威期刊Mechanical Systems and Signal Processing录用（Lingling Li, Bo Li, Guimin Chen. A non-transit fully compliant tristable mechanism. Mechanical Systems and Signal Processing: Accepted）。

该团队采用柔顺机构学的设计方法，对非中继三稳态机构进行了设计和运动静力学分析。该机构主要由三个双稳态单元、三根柔性梁以及中间的末端执行器构成。图2展示了机构的结构和三个稳态的运动位移。研究发现，对于该非中继三稳态机构，任何提供线性运动的双稳态机构都可以作为双稳态单元的候选。

传统的三稳态机构中，存在某两个稳态跳转必经过第三个稳态的问题。如图1(a)所示，稳态2和稳态3之间的切换势必经过稳态1，降低了稳态切换的效率。陈贵敏教授团队基于多稳态机构的稳态位置处于应变能极小值点的原则，分析了目前可用的三稳态机构的应变能特性，提出了一种三个稳态围绕局部能量极值点分布的设计思想，见图1(b)，构建了3条直达通路，可实现了任意两稳态间的直接跳转，具有“非中继 Non-transit”的新功能。

对非中继三稳态机构的力学建模分析结合了链式梁约束模型和最小能量原理，从应变能的角度预测了在不同几何参数下，柔性构件受驱动后的形状与能量的变化。该研究利用总应变能曲线对三稳态产生的临界条件进行判定、并分析了稳态的运动位置以及稳态处稳定性。相较于需要采用应力-位移关系的牛顿法建模，基于最小能量原理的模型很大程度上降低了建模的复杂度与出错率。通过3D打印方法制造原理样机，实验验证了设计可行性，其测量结果与计算结果一致。

该成果有望应用于基于多稳态的机械与机器人系统中，提升系统的机械智能品质。

论文题目：A non-transit fully compliant tristable mechanism capable of direct switching between every two stable positions

在线链接：https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2021.108597