CN103115120B - 一种球面滚动机构 - Google Patents

Abstract

一种球面滚动机构，包括第一着地杆（1）；第二着地杆（4）；短连接杆（2）；长连接杆（3）；其中，第一着地杆（1）与配重块（6）连接，第二着地杆（4）与电机（5）连接，四个杆件连接成一个空间闭合四杆机构。通过控制电机正反转、急停，利用惯性力使该机构变形、翻滚。该机构为中小学生提供对几何形体及移动机构的认识，可用于制作机构教具、玩具，也可用于制作军用探测机器人。

Description

一种球面滚动机构

技术领域

本发明涉及一种球面滚动机构，具体的讲是利用一个电机驱动反平行四边形机构实现滚动行进的机械装置。

背景技术

空间连杆机构运动形式多样，结构紧凑；将传统的机架杆与地面间的固定约束解除之后，空间连杆机构在惯性力的作用下，机架与地面脱离达到滚动行进目的。

中国专利公告号101915292A公开了“一种单动力滚动球面四杆机构”，它提出了一种全新的平面移动机构的方案，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。但是限于该机构为平行四边形球面滚动机构、该机构杆件只能为锐角扇形片、所以运动时翻滚角度为锐角，步幅小，翻滚步态电机控制频率高。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种可实现大步幅翻滚的球面滚动机构。

本发明的技术方案：

一种球面滚动机构，该机构包括：两个着地杆和两个连接杆共四个连杆和一个电机，一个配重块。

第一着地杆和长连接杆通过第一着地杆的第四轴段和长连接杆的通孔端同轴心配合，第一着地杆的第四轴段插入长连接杆的通孔端中，长连接杆通孔端一侧通过第一着地杆第四轴段内侧的卡簧槽安装卡簧进行轴向固定，长连接杆通孔端另一侧通过第一着地杆第四轴段外侧螺纹孔配合配重块进行轴向固定。

第一着地杆和短连接杆通过第一着地杆的第二轴段和短连接杆的第一通孔端同轴心配合，第一着地杆的第二轴段插入短连接杆的第一通孔端，短连接杆通过第一着地杆第二轴段两端的卡簧槽安装卡簧进行轴向固定。

第二着地杆和长连接杆通过第二着地杆的第十轴段和长连接杆的电机连接端同轴心配合，第二着地杆的第十轴段插入电机连接端的通孔中，长连接杆一侧通过第二着地杆的第十轴段内侧的卡簧槽安装卡簧进行轴向固定，长连接杆另外一侧通过安装电机进行轴向固定：电机和第二着地杆通过电机输出轴伸入第二着地杆第十轴段通孔中、安装顶丝固定；电机和长连接杆通过长连接杆的电机连接端凸台与电机安装孔配合螺钉连接。

第二着地杆和短连接杆通过第二着地杆的第七轴段和短连接杆的第二通孔端同轴心配合，第二着地杆的第七轴段插入短连接杆的第二通孔端，两者通过第二着地杆的第二长端两端的卡簧槽安装卡簧进行轴向固定。

上述的四组的同轴心连接的轴线交于一点，构成球面滚动机构。

本发明和已有技术相比具有的有益效果：

本发明利用球面滚动机构，单电机控制实现平面圆周轨迹运动。本发明杆件弧形夹角为锐角以实现结构翻滚、同时也可以为直角、钝角以增大步长，减小电机控制频率，简单的杆件设计方案具有结构紧凑特点，弱化翻滚步态时的机械干涉问题。为中小学生提供对几何形体及移动机构的认识，可用于制作机构教具、玩具，也可用于制作军用探测机器人。

附图说明

图1球面滚动机构整体三维图；

图2第一着地杆三维图；

图3短连接杆三维图；

图4长连接杆三维图；

图5第二着地杆三维图；

图6第一着地杆与短连接杆连接外形图；

图7第一着地杆与短连接杆连接断面图；

图8第一着地杆、长连接杆和配重连接外形图；

图9第一着地杆、长连接杆和配重连接断面图；

图10第二着地杆与短连接杆连接外形图；

图11第二着地杆与短连接杆连接断面图；

图12第二着地杆、长连接杆和电机连接外形图；

图13第二着地杆、长连接杆和电机连接断面图；

图14球面滚动机构运动初始状态示意图；

图15球面滚动机构翻转到临界位置示意图；

图16球面滚动机构完成翻转后示意图；

图17球面滚动机构完成一步翻转回到相似于初始位置状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

一种球面滚动机构，如图1所示，该机构包括：第一着地杆1；第二着地杆4；短连接杆2；长连接杆3；其中，第一着地杆1与配重块6连接，第二着地杆4与电机5连接。

第一着地杆1如图2所示，第一着地杆1包括第一弧段1-1、第一长端1-2和第一短端1-3,第一着地杆1的第一弧段1-1、第一短端1-3和第一长端1-2位于同一平面内。第一弧段1-1为圆弧光杆，轴线为圆上夹角α所对圆弧，第一短端1-3和第一长端1-2轴线指向第一弧段1-1弧心；第一长端1-2为阶梯轴，第一轴段1-2-a与第一弧段1-1轴径相同，第二轴段1-2-b轴径减小，第二轴段1-2-b两端具有卡簧槽对短连接杆2第一通孔端2-2进行轴向固定；第一短端1-3为阶梯轴，第三轴段1-3-a与第一弧段1-1轴径相同，第四轴段1-3-b轴径减小，第四轴段1-3-b内侧有卡簧槽、对长连接杆3通孔端3-2进行轴向固定，第四轴段1-3-b端部有螺纹孔安装配重块。第一着地杆1上第一弧段1-1与第一长端1-2、第一短端1-3连接方式为焊接、粘合的方法。

短连接杆2如图3所示，短连接杆2包括第二弧段2-1、第一通孔端2-2、第二通孔端2-3，短连接杆2的第二弧段2-1、第一通孔端2-2、第二通孔端2-3位于同一平面内。第二弧段2-1为圆弧光杆，轴线为圆上夹角γ所对圆弧，第一通孔端2-2,第二通孔端2-3轴线指向第二弧段2-1弧心；第二弧段2-1与第一通孔端、第二通孔端连接处布置第一平台2-1-a、第二平台2-1-b安装卡簧，对短连接杆2进行轴向固定；第一通孔端2-2、第二通孔端2-3外径与第二弧段2-1轴径相同，第一通孔端2-2、第二通孔端2-3上有通孔以配合第二着地杆第七轴段4-3-a、第一着地杆第二轴段1-2-b。短连接杆2上第二弧段2-1与第一通孔端2-2、第二通孔端2-3连接方式为焊接、粘合的方法。

长连接杆3如图4所示，长连接杆3包括第三弧段3-1、通孔端3-2、电机连接端3-3，长连接杆3的第三弧段3-1、通孔端3-2和电机连接端3-3位于同一平面内。第三弧段3-1为圆弧光杆，轴线为圆上夹角β所对圆弧，通孔端3-2和电机连接端3-3轴线指向第三弧段3-1弧心；通孔端3-2外径与第三弧段3-1轴径相同，通孔端3-2上有通孔以配合第一着地杆1第一第四轴段1-3-b；电机连接端3-3为阶梯轴，轴端面上有通孔以配合第二着地杆4第十轴段4-2-b，第五轴段3-3-c轴径与第三弧段3-1轴径相同，第六轴段3-3-b轴径减小，轴段上有垂直于轴线方向的孔3-3-d与着地杆上第一顶丝孔配合安装电机顶丝，凸台3-3-a外径与第三弧段3-1轴径相同，端面有电机安装孔来固定电机。所述的长连接杆3上第三弧段3-1与通孔端3-2、电机连接端3-3连接方式为焊接、粘合的方法。

第二着地杆4如图5所示，第二着地杆4包括第四弧段4-1、第二短端4-2和第二长端4-3，第二着地杆4的第四弧段4-1、第二短端4-2和第二长端4-3位于同一平面内。第四弧段4-1为圆弧光杆，轴线为圆上夹角δ所对圆弧，第二短端4-2和第二长端4-3轴线指向第四弧段4-1弧心；第二长端4-3为阶梯轴，第八轴段4-3-b与第四弧段4-1轴径相同，第七轴段4-3-a轴径减小，第七轴段4-3-a两端具有卡簧槽对短连接杆2第二通孔端2-3进行轴向固定；第二短端4-2为阶梯轴，第九轴段4-2-a与第四弧段4-1轴径相同，第十轴段4-2-b轴径减小，第十轴段4-2-b内侧有卡簧槽、对长连接杆3电机连接端3-3进行轴向固定，第十轴段4-2-b端部有孔配合电机输出轴；第二顶丝孔4-2-c位于第十轴段4-2-b上，用来安装顶丝，固定电机。着地杆4上第四弧段4-1与第二长端4-3、第二短端4-2连接方式为焊接、粘合的方法。

第一着地杆1、第二着地杆4结构、尺寸相同；第一着地杆1、第二着地杆4端部夹角α、夹角δ大小相同；所述的短连接杆2、长连接杆3端部夹角γ、夹角β大小相同。球面滚动机构实现翻滚步态，要求角度关系为γ与β、δ与α分别相等，γ和β分别大于δ和α。

图6所示为第一着地杆1与短连接杆2连接外形图，第一着地杆1和短连接杆2通过第一着地杆1的第二轴段1-2-b和短连接杆2的第一通孔端2-2同轴心配合，第一着地杆1的第二轴段1-2-b插入短连接杆2的第一通孔端2-2，短连接杆通过第一着地杆1第二轴段1-2-b两端的卡簧槽安装卡簧进行轴向固定，第一着地杆1与短连接杆2连接断面图如图7所示。

图8所示为第一着地杆1、长连接杆3和配重6连接外形图，第一着地杆1和长连接杆3通过第一着地杆1的第四轴段1-3-b和长连接杆3的通孔端3-2同轴心配合，第一着地杆1的第四轴段1-3-b插入长连接杆3的通孔端3-2中，长连接杆3通孔端3-2一侧通过第一着地杆1第一第四轴段1-3-b内侧卡簧槽安装卡簧轴向固定，长连接杆3通孔端3-2另一侧通过第一着地杆1第四轴段1-3-b外侧螺纹孔配合配重块6进行轴向固定，第一着地杆1、长连接杆3和配重6连接断面图如图9所示。

图10所示为第二着地杆4与短连接杆2连接外形图，第二着地杆4和短连接杆2通过第二着地杆4的第七轴段4-3-a和短连接杆2的第二通孔端2-3同轴心配合，第二着地杆4的第七轴段4-3-a插入短连接杆2的第二通孔端2-3，两者通过第二着地杆4的第二长端4-3两端的卡簧槽安装卡簧进行轴向固定，第二着地杆4与短连接杆2连接断面图如图11所示。

图12所示为第二着地杆4、长连接杆3和电机5连接外形图，第二着地杆4和长连接杆3通过第二着地杆4的第十轴段4-2-b和长连接杆3的电机连接端3-3同轴心配合，第二着地杆4的第十轴段4-2-b插入电机连接端3-3的通孔中，长连接杆一侧通过着地杆4的第十轴段4-2-b内侧的卡簧槽安装卡簧进行轴向固定，长连接杆另外一侧通过安装电机5进行轴向固定：电机5和第二着地杆4通过电机输出轴伸入第二着地杆4第十轴段4-2-b通孔、安装顶丝固定；电机5和长连接杆3通过长连接杆3的电机连接端凸台3-3-a通孔与电机安装孔配合螺钉连接，第二着地杆4、长连接杆3和电机5连接断面图如图13所示。

第一着地杆1第一短端1-3与长连接杆3通孔端3-2同轴心配合、满足第一着地杆1第一弧段1-1所对弧心与长连接杆3第三弧段3-1所对弧心重合。

第一着地杆1第二轴段1-2-b与短连接杆2第一通孔端2-2同轴心配合、满足第一着地杆1第一弧段1-1所对弧心与短连接杆2第五弧段2-1-b所对弧心重合。

所述的第二着地杆4第十轴段4-2-b与长连接杆3电机连接端3-3同轴心配合、满足第二着地杆4第四弧段4-1所对弧心与长连接杆3第三弧段3-1所对弧心重合。

所述的第二着地杆4第七轴段4-3-a与短连接杆2第二通孔端2-3同轴心配合、满足第二着地杆4第四弧段4-1所对弧心与短连接杆2第五弧段2-1-b所对弧心重合。

通过上述的步骤将2个着地杆、2个连接杆、电机和配重块连接在一起，四组的同轴心连接的轴线交于一点，构成球面滚动机构。在电机5驱动下，电机轴带动着地杆4旋转，使得球面滚动机构变形进而实现机构在平面圆周运动。

图14—图17所示为第一着地杆、第二着地杆弧段夹角为钝角时，球面滚动机构实现一个滚动步态为例说明滚动步态的实现，机构实现1/2圆周长度翻滚时，电机只需正反转一次：

(1)图14为球面滚动机构初始状态，第二着地杆4与地面接触充当机架杆；

(2)图15为电机开始转动，球面滚动机构开始工作，第二着地杆4上电机5驱动第二着地杆4与长连接杆3相对转动，长连接杆3和第二着地杆4之间的夹角变大，同时机构其他部件开始运动。当第二着地杆4与长连接杆3夹角变化到最大的时候，电机急停，产生惯性力。

(3)图16为球面滚动机构利用惯性力发生翻转，第二着地杆4离开地面，第一着地杆1接触地面成为机架杆，完成翻滚。

(4)图17为第二着地杆4上电机5反向旋转，使得第二着地杆4与长连接杆3夹角变小到初始角度，整个机构回到与初始位置相同的状态，此时，球面滚动机构完成一个步态。

(5)重复(1)—(4)步骤，两个着地杆轮流着地，从而实现球面滚动机构的圆周滚动。

球面滚动机构若在初始位置电机驱动第二着地杆4与长连接杆3夹角变小，则机构圆周运动方向与上述相反。

Claims (2)

1.一种球面滚动机构，其特征在于：球面滚动机构包括第一着地杆(1)；第二着地杆(4)；短连接杆(2)；长连接杆(3)；其中，第一着地杆(1)与配重块(6)连接，第二着地杆(4)与电机(5)连接，所述的各杆特征为：

第一着地杆(1)包括第一弧段(1-1)、第一长端(1-2)和第一短端(1-3)；第一弧段(1-1)为圆弧光杆，轴线为圆上夹角α所对圆弧，第一短端(1-3)和第一长端(1-2)轴线指向第一弧段(1-1)弧心；第一长端(1-2)为阶梯轴，第一轴段(1-2-a)与第一弧段(1-1)轴径相同，第二轴段(1-2-b)轴径减小，第二轴段(1-2-b)两端具有卡簧槽对短连接杆(2)第一通孔端(2-2)进行轴向固定；第一短端(1-3)为阶梯轴，第三轴段(1-3-a)与第一弧段(1-1)的轴径相同，第四轴段(1-3-b)轴径减小，第四轴段(1-3-b)内侧有卡簧槽、对长连接杆(3)的通孔端(3-2)进行轴向固定，第四轴段(1-3-b)端部有螺纹孔安装配重块；

短连接杆(2)包括第二弧段(2-1)、第一通孔端(2-2)、第二通孔端(2-3)；第二弧段(2-1)为圆弧光杆，轴线为圆上夹角γ所对圆弧，第一通孔端(2-2)和第二通孔端(2-3)的轴线指向第二弧段(2-1)弧心；第二弧段(2-1)与第一通孔端(2-2)、第二通孔端(2-3)连接，连接处布置第一平台(2-1-a)和第二平台(2-1-c)，用以安装卡簧，对短连接杆(2)进行轴向固定；第一通孔端(2-2)、第二通孔端(2-3)外径与第二弧段(2-1)轴径相同，第一通孔端(2-2)、第二通孔端(2-3)上有通孔分别用以配合第一着地杆第二轴段(1-2-b)和第二着地杆第七轴段(4-3-a)；

长连接杆(3)包括第三弧段(3-1)、通孔端(3-2)、电机连接端(3-3)；第三弧段(3-1)为圆弧光杆，轴线为圆上夹角β所对圆弧，通孔端(3-2)和电机连接端(3-3)轴线指向第三弧段(3-1)弧心；通孔端(3-2)外径与第三弧段(3-1)轴径相同，通孔端(3-2)上有通孔以配合第一着地杆(1)第四轴段(1-3-b)；电机连接端(3-3)为阶梯轴，轴端面上有通孔以配合第二着地杆(4)第十轴段(4-2-b)，第五轴段(3-3-c)轴径与第三弧段(3-1)轴径相同，第六轴段(3-3-b)轴径减小，轴段上有垂直于轴线方向的孔(3-3-d)与第二着地杆上第一顶丝孔配合安装电机顶丝，凸台(3-3-a)外径与第三弧段(3-1)轴径相同，端面有电机安装孔来固定电机；

第二着地杆(4)包括第四弧段(4-1)、第二短端(4-2)和第二长端(4-3)；第四弧段(4-1)为圆弧光杆，轴线为圆上夹角δ所对圆弧，第二短端(4-2)和第二长端(4-3)轴线指向第四弧段(4-1)弧心；第二长端(4-3)为阶梯轴，第八轴段(4-3-b)与第四弧段(4-1)轴径相同，第七轴段(4-3-a)轴径减小，第七轴段(4-3-a)两端具有卡簧槽对短连接杆(2)第二通孔端(2-3)进行轴向固定；第二短端(4-2)为阶梯轴，第九轴段(4-2-a)与第四弧段(4-1)轴径相同，第十轴段(4-2-b)轴径减小，第十轴段(4-2-b)内侧有卡簧槽、对长连接杆(3)的电机连接端(3-3)进行轴向固定，第十轴段(4-2-b)端部有孔配合电机输出轴；第二顶丝孔(4-2-c)位于第十轴段(4-2-b)上，用来安装顶丝，固定电机；

第一着地杆(1)、第二着地杆(4)结构、尺寸相同；第一着地杆(1)、第二着地杆(4)端部夹角α、夹角δ大小相同；

短连接杆(2)、长连接杆(3)端部夹角γ、夹角β大小相同；

球面滚动机构实现翻滚步态，要求角度关系为γ与β、δ与α分别相等，γ和β分别大于δ和α；

所述各杆连接为：

第一着地杆(1)和长连接杆(3)通过第一着地杆(1)的第四轴段(1-3-b)和长连接杆(3)的通孔端(3-2)同轴心配合，第一着地杆(1)的第四轴段(1-3-b)插入长连接杆(3)的通孔端(3-2)中，长连接杆(3)通孔端(3-2)一侧通过第一着地杆(1)第四轴段(1-3-b)内侧卡簧槽安装卡簧轴向固定，长连接杆(3)通孔端(3-2)另一侧通过第一着地杆(1)第四轴段(1-3-b)外侧螺纹孔配合配重块(6)进行轴向固定；

第一着地杆(1)和短连接杆(2)通过第一着地杆(1)的第二轴段(1-2-b)和短连接杆(2)的第一通孔端(2-2)同轴心配合，第一着地杆(1)的第二轴段(1-2-b)插入短连接杆(2)的第一通孔端(2-2)，短连接杆通过第一着地杆(1)第二轴段(1-2-b)两端的卡簧槽安装卡簧进行轴向固定；

第二着地杆(4)和长连接杆(3)通过第二着地杆(4)的第十轴段(4-2-b)和长连接杆(3)的电机连接端(3-3)同轴心配合，第二着地杆(4)的第十轴段(4-2-b)插入电机连接端(3-3)的通孔中，长连接杆一侧通过第二着地杆(4)的第十轴段(4-2-b)内侧的卡簧槽安装卡簧进行轴向固定，长连接杆另外一侧通过安装电机(5)进行轴向固定：电机(5)和第二着地杆(4)通过电机输出轴伸入第二着地杆(4)第十轴段(4-2-b)通孔、安装顶丝固定；电机(5)和长连接杆(3)通过长连接杆(3)的电机连接端凸台(3-3-a)通孔与电机安装孔配合螺钉连接；

第二着地杆(4)和短连接杆(2)通过第二着地杆(4)的第七轴段(4-3-a)和短连接杆(2)的第二通孔端(2-3)同轴心配合，第二着地杆(4)的第七轴段(4-3-a)插入短连接杆(2)的第二通孔端(2-3)，两者通过第二着地杆(4)的第二长端(4-3)两端的卡簧槽安装卡簧进行轴向固定；

第一着地杆(1)第一短端(1-3)与长连接杆(3)通孔端(3-2)同轴心配合、满足第一着地杆(1)第一弧段(1-1)所对弧心与长连接杆(3)第三弧段(3-1)所对弧心重合；

所述的第一着地杆(1)第二轴段(1-2-b)与短连接杆(2)第一通孔端(2-2)同轴心配合、满足第一着地杆(1)第一弧段(1-1)所对弧心与短连接杆(2)第五弧段(2-1-b)所对弧心重合；

所述的第二着地杆(4)第十轴段(4-2-b)与长连接杆(3)电机连接端(3-3)同轴心配合、满足第二着地杆(4)第四弧段(4-1)所对弧心与长连接杆(3)第三弧段(3-1)所对弧心重合；

所述的第二着地杆(4)第七轴段(4-3-a)与短连接杆(2)第二通孔端(2-3)同轴心配合、满足第二着地杆(4)第四弧段(4-1)所对弧心与短连接杆(2)第五弧段(2-1-b)所对弧心重合；

上述的四组的同轴心连接的轴线交于一点，构成球面滚动机构。

2.权利要求1所述的一种球面滚动机构，其特征在于：

所述的第一着地杆(1)的第一短端(1-3)和第一长端(1-2)夹角α为锐角、直角或钝角；

所述的第二着地杆(4)的第二短端(4-2)和第二长端(4-3)夹角δ为锐角、直角或钝角。