CN101915292B - 一种单动力滚动球面四杆机构 - Google Patents

Abstract

一种单动力滚动球面四杆机构涉及一种滚动的步行运动的机械装置，包括第一至第三带配重块的构件(A1、A2、A3)和一个带电机构件(A4)共四个连杆，通过第一至第七转接头(C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7)将四个连杆连接成一个闭合的球面四杆机构。带电机构件上的电机的轴和轴连接件通过顶丝固定组成机构传动部分。通过控制电机正反转，使得球面四杆机构变形，利用惯性力使机构翻转，实现机构沿着圆周滚动。本发明结构简单易于制造，是一种全新的平面移动机构的方案，同时对中小学生提供一个对几何形体及移动机构的认识帮助，扩展和延伸了传统空间四杆机构的应用范围。

Description

一种单动力滚动球面四杆机构

技术领域

本发明涉及一种单动力球面四杆机构，特别涉及一种可以实现沿着圆周滚动移动的球面四杆机构。

背景技术

连杆机构分为平面连杆和空间连杆机构，现有的滚动机构通常采用平面连杆机构；空间连杆机构在实现构件的空间运动方面，与现有的平面机构相比，具有构件数少、结构简单等优点，而且可实现平面机构不可能实现的部分运动，例如实现转向运动功能等。

中国专利公告号CN2789106Y公开了一种“单动力滚动四杆机构”，它解除了传统的四杆机构的机架杆与地面间的固定约束，利用一个电机驱动，在机构本身的惯性作用下，使机架与地面脱离接触，从而达到滚动行进的目的。但是限于该机构是平面四杆机构，所以只能实现直线运动。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种滚动球面四杆机构。

本发明的技术方案：

一种单动力滚动球面四杆机构，该机构包括：第一至第三带配重块的构件、一个带电机构件共四个连杆和第一至第二转接头。

第一和第二转接头连接第一和第二带配重块的构件，第一和第二转接头的轴线重合。

第三和第四转接头连接第二和第三带配重块的构件，第三和第四转接头的轴线重合。

第五和第六转接头连接第三带配重块的构件和带电机构件，第六和第七转接头的轴线重合。

第七转接头和轴连接件连接带电机构件和第一带配重块的构件，第七转接头和轴连接件的轴线重合。

带电机构件上的电机的轴和轴连接件通过顶丝固定组成机构传动部分。

上述四根重合的轴线相交于一点，构成球面四杆机构。

这样滚动球面四杆机构的四个杆件通过转接头连接成一个闭环机构，而且转接头的轴线延长线交于一点的。构成单动力滚动球面四杆机构。

单动力滚动球面四杆机构采用单自由度闭链球面四杆机构，由一个电机来驱动，球面四杆机构与地面或基础并不固定，球面四杆机构在一个周期中与地面或基础相对静止，在向下一个周期过渡的过程中，通过机构本身运动的惯性力的作用，球面四杆机构与地面或基础之间脱离接触，从而实现滚动移动的目的。此滚动机构所作的运动是沿着一个圆做圆周运动，实现的是绕固定半径的圆周运动。可以通过改变扇形杆件的弧度大小达到改变机构所绕圆运动的半径。在电机相对于地面不同位置处，通过控制其正反转及相应的变化来实现一个周期中的连续运动。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果：

本发明滚动球面四杆机构，利用结构简单的空间闭链四杆机构，用一个电机进行驱动和控制，实现平面内圆周运动轨迹的滚动，该机构结构简单，成本低廉，易于制造和工程实现。同时提供了一种全新的平面移动机构的方案，除可以用来完成机构趣味的移动功能，也可以作为教具，为中小学生提供对几何形体及移动机构的认识帮助，扩展和延伸了传统空间四杆机构的应用范围。

附图说明

图1单动力滚动球面四杆机构整体示意图；

图2单动力滚动球面四杆机构第一带配重块的构件示意图；

图3单动力滚动球面四杆机构带电机构件示意图；

图4单动力滚动球面四杆机构的第一转接头示意图；

图5单动力滚动球面四杆机构的第一转接头外形图；

图6阶梯轴示意图；

图7第一带配重块的构件与第二带配重块的构件的连接示意图；

图8第二带配重块的构件与第三带配重块的构件连接示意图；

图9第三带配重块的构件与带电机构件连接示意图；

图10第一带配重块的构件与带电机构件连接示意图；

图11单动力滚动球面四杆机构运动初始状态示意图；

图12单动力滚动球面四杆机构翻转的临界位置示意图；

图13单动力滚动球面四杆机构的翻转示意图；

图14单动力滚动球面四杆机构完成一步翻滚后回到与初始位置相似的状态。

图中：A扇形片1、配重块2、电机座3、电机4、B扇形片5、阶梯轴6、轴承座7、轴承8、轴连接件9、固定螺母10、顶丝11、第一至第七转接头C1至C7、第一至第三带配重块的构件A1、A2、A3、带电机构件A4。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步说明。

一种单动力球面四杆机构的第一带配重块的构件A1，如图2所示，包括：A扇形片1，配重块2，电机座3。

A扇形片1上开有5组(10个)安装孔，用于固定转接头、轴连接件及电机座，且A扇形片一侧的每组孔中心连线垂直于扇形片的侧边，使得同一侧的两组孔中心线连线相互平行。

如图2所示配重块2和电机座3通过螺钉固定在一起，然后电机座3通过螺栓和螺母固定在扇形片1的右侧。通过上述步骤完成第一带配重块的构件A1的组装。

第二和第三带配重块构件A2、A3和第一带配重块构件A1的结构与尺寸相同。

一种单动力球面四杆机构的带电机构件A4，如图3所示包括：B扇形片5，电机座3，电机4。

B扇形片5开有4组(8个)安装孔，用于固定转接头以及电机座。B扇形片5比A扇形片1少两个安装孔，其他特征相同。

如图3所示电机5和电机座4通过螺钉固定在一起，然后电机座3通过螺栓和螺母固定在B扇形片5的右侧。通过上述步骤完成带电机构件A4的组装。

一种单动力球面四杆机构的第一转接头C1，如图4、5所示包括：阶梯轴6，轴承座7，轴承8，轴连接件9，固定螺母10。

轴承8通过孔配合安装在轴承座7的凹槽中。阶梯轴6结构如图6所示，一端为光杆，另一端为螺纹杆。阶梯轴6光杆一端穿过轴承8使得其轴肩的一侧与轴承内圈相贴。阶梯轴6的螺纹端穿过轴连接件9上的孔，阶梯轴6的轴肩的另一侧与轴连接件9上的孔边相贴；最后螺纹端固定螺母10螺纹连接，完成转接头C1的组装。

轴承座7可以绕阶梯轴6转动，轴承座7和轴连接件9分别有两个安装孔，便于和球面四杆机构的带配重块的构件和带电机构件的连接。

第二至第七转接头C2-C7与第一转接头C1的结构和尺寸相同。

一种单动力球面四杆机构的四个构件的组装：

第一带配重块的构件A1与第二带配重块的构件A2通过第一转接头C1和第二转接头C2连接，如图6所示，第一转接头C1的轴承座7从第一带配重块的构件A1的A扇形片1底部通过螺栓螺母连接在一起，第一转接头C1的轴连接件9从第二带配重块的构件A2的A扇形片1底部通过螺栓螺母连接在一起。第二转接头C2的轴承座7从第一带配重块的构件A1的A扇形片1上部通过螺栓螺母连接在一起，第二转接头C2的轴连接件9从第二带配重块的构件A2的A扇形片1上部通过螺栓螺母连接在一起，使得第一和第二转接头C1、C2的螺母端朝外，两个转接头C1和C2的轴线重合。通过上述步骤将第一带配重块的构件A1与第二带配重块的构件A2连接在一起，且能够绕第一、第二转接头C1、C2的轴相对转动。

第二带配重块构件A2与第三带配重块的构件A3通过第三转接头C3和第四转接头C4连接，如图7所示，第三转接头C3的轴承座7从第二带配重块的构件A2的A扇形片1底部通过螺栓螺母连接在一起；第三转接头C3的轴连接件9从第三带配重块的构件A3的A扇形片1底部通过螺栓螺母连接在一起。第四转接头C4的轴承座7从第三带配重块的构件A3的A扇形片1上部通过螺栓螺母连接在一起；第四转接头C4的轴连接件9从第三带配重块的构件A3的A扇形片1上部通过螺栓螺母连接在一起，使得第三和第四转接头C3、C4的螺母端朝外，两个转接头C3、C4的轴线重合。通过上述步骤将第二带配重块的构件A2与第三带配重块的构件A3连接在一起。

第三带配重块的构件A3与带电机构件A4通过第五转接头C5和第六转接头C6连接在一起，其连接方式与上述相同，如图8所示。

带电机构件A4与第一带配重块的构件A1通过第七转接头C7和轴连接件9连接。如图9所示。第七转接头C7的轴承座7从带电机构件A4上的B扇形片5的上部通过螺栓螺母固定；第七转接头的轴连接件9从第一带配重块的构件A1的A扇形片1上部通过螺栓螺母固定。

带电机构件A4的电机4的轴和轴连接件9通过顶丝11固定在一起，轴连接件9通过螺栓螺母固定在第一带配重块的构件A1的A扇形片1上。第七转接头C7和轴连接件9的轴线重合。

通过上述步骤连成一个闭合链，四组轴线相较于一点，这样完成球面四杆机构的整体组装。在电机4驱动下，电机4轴带动轴连接件9旋转，使得球面四杆机构变形，进而实现机构的整体运动，在圆周内运动。

下面以单动力球面四杆机构实现一个滚动步态为例说明单动力球面四杆机构滚动的实现：

(1)如附图10为单动力球面四杆机构的初始状态，带电机构件A4着地；

(2)如附图11为单动力球面四杆机构开始工作，带电机构件A4上电机4驱动与它相连的第一带配重块的构件A1转动，使两构件之间夹角变小，同时带动其他部件一起运动，当带电机构件A4和第一带配重块的构件A1之间夹角变化到最小时，电机急停，产生一个惯性力；

(3)如附图12为单动力球面四杆机构利用惯性力，机构发生翻转，带电机构件A4离开地面，第三带配重块的构件A3与地面接触，完成翻滚；

(4)如附图13为单动力球面四杆机构，带电机构件A4上电机4反向旋转，使得带电机构件A4与第一带配重块的构件A1之间夹角变大至初始角度，这样整个机构回到与初始位置相同的状态，完成一个步态；

(5)重复(1)——(4)步的步骤，四个构件轮流着地，从而实现单动力球面四杆机构的圆周滚动。

球面四杆机构若在初始状态电机驱动构件电机构件A4与第一带配重块的构件A1之间夹角变大，则机构的绕圆周运动的方向与上述相反。

Claims (1)

1.一种单动力滚动球面四杆机构，其特征在于：单动力球面四杆机构包括四个连杆和七个转接头，所述的四个连杆为第一、第二和第三带配重块的构件(A1、A2、A3)以及一个带电机构件(A4)，所述的七个转接头为第一至第七转接头(C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7)；

第一和第二转接头(C1、C2)连接第一和第二带配重块的构件(A1、A2)，第一和第二转接头(C1、C2)的轴线重合；

第三和第四转接头(C3、C4)连接第二和第三带配重块的构件(A2、A3)，第三和第四转接头(C3、C4)的轴线重合；

第五和第六转接头(C5、C6)连接第三带配重块的构件(A3)和带电机构件(A4)，第五和第六转接头(C5、C6)的轴线重合；

第七转接头(C7)和轴连接件(9)连接带电机构件(A4)和第一带配重块的构件(A1)，第七转接头(C7)和轴连接件(9)的轴线重合；

带电机构件(A4)上的电机(4)的轴和轴连接件(9)通过顶丝(11)固定组成机构传动部分；

上述四个轴线相交于一点，构成球面四杆机构；

所述的带电机构件(A4)包括B扇形片(5)、电机座(3)和电机(4)；

B扇形片(5)上通过螺栓螺母固定电机座(3)，电机(4)固定在电机座(3)上；

第一至第三带配重块的构件(A1、A2、A3)结构和尺寸相同；

所述的第一带配重块的构件(A1)包括A扇形片(1)、配重块(2)和电机座(3)；A扇形片(1)上通过螺栓螺母固定电机座(3)，配重块(2)通过螺钉固定在电机座(3)上；

所述的第一至第七转接头(C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7)结构和尺寸相同；

第一转接头(C1)包括阶梯轴(6)、轴承座(7)、轴承(8)、轴连接件(9)和固定螺母(10)；

阶梯轴(6)的一端为光杆，另一端有螺纹；轴承(8)固定在轴承座(7)中，其内圈顶住阶梯轴(6)的光杆一端的轴肩的一侧，轴连接件(9)与阶梯轴(6)轴肩的另一侧贴合，固定螺母(10)与阶梯轴(6)通过螺纹连接将轴连接件(9)固定在阶梯轴(6)上，轴承座(7)绕阶梯轴(6)相对转动；

所述的三个A扇形片(1)和一个B扇形片(5)外形及尺寸相同，形状为成任意锐角的扇形，通过改变扇形杆件的弧度大小可改变机构运动半径的大小。

Images