CN103411124A - 构造缩放机构的模块及构造方式 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种构造缩放机构的模块及构造方式，包括顶点单元（1）、第一伸缩杆组（2）、第二伸缩杆组（3）、第三伸缩杆组（4），可由顶点单元（1）与第一伸缩杆组（2）、第二伸缩杆组（3）和第三伸缩杆组（4）连接而成各种形状的机构，所组成的机构具有可缩放功能，可通过伸缩杆组的缩放实现整体机构的缩放。
Description
技术领域
本发明涉及一种可自由伸缩结构，具体涉及一种伸缩杆组合机构，该机构可用于制造各种模型、娱乐、制作教具。
背景技术
缩放机构有很多种，比较常见的缩放方式有通过转动副完成缩放，通过移动副完成缩放以及两者相结合完成缩放三种方法。通过连杆连接处的转动副的转动或通过连杆之间移动副的伸缩完成整体机构的缩放：市面上常见的魔术花球，是一种单自由度的转动副缩放机构，通过其中任一转动副的转动，带动其余转动副，实现整体机构的收缩；中国专利申请CN102832438公开了一种正三角形单元平面阵列可展机构，通过转动副实现机构的缩放，该机构包括多个正三角形单元机构分别在横向和纵向连接组合；正三角形单元机构由中心连杆与三个顶点连杆和三个中间连杆连接组合；单元机构以中心连杆为中心，中心连杆的各端分别与第一中间连杆、第二中间连杆、第三中间连杆的短杆连接；第一中间连杆位于第一顶点连杆和第二顶点连杆之间；第二中间连杆位于第二顶点连杆和第三顶点连杆之间；第三中间连杆位于第一顶点连杆和第三顶点连杆之间；各连杆之间通过连接销连接。整个系统只有一个自由度，结构简单，阵列形式多样，既可以环形阵列，也可以线形阵列，可满足不同需求；中国专利申请CN 102672716公开了一种变胞式多面体机器人机构，通过转动副与移动副相结合完成机构的缩放，包括可重构底盘机构、多面体封闭三角形机构、连杆部件和多面体侧杆系，该机器人能够实现机构平面与空间多面体拓扑结构间变化，可重构底盘机构上的导轨可绕转动中心轴任意转动，六个定位滑块可沿其导轨任意滑动，并能保证六个底盘铰链位置任意变化并保持共圆，且多面体封闭三角形机构和连杆部件的所有杆件均为可伸缩杆，机器人在实现重构时，可根据不同的构型变化，使相应杆件伸缩相应长度，使多面体机器人机构生成不同尺寸与不同形状的多面体结构，达到多面体机器人机构多样性变化的目的，实现可重构性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：提供一种构造平面、空间缩放机构的方法；提供两种连接模块：顶点、伸缩杆组，顶点与伸缩杆组通过不同的连接方式，构造组合成更加复杂的结构；组合结构可根据需要设计为单自由度或多自由度缩放机构。
本发明的技术方案：一种缩放机构，该机构包括顶点、第一伸缩杆组、第二伸缩杆组和第三伸缩杆组，三种伸缩杆组的长度不同，三组伸缩杆组均由细连杆和粗连杆组成，其中第一伸缩杆组（2）为最短伸缩杆组，用作平面空间组合结构中边的连接，第二伸缩杆组（3）长度中等用作方形结构中对角线的连接，第三伸缩杆组（4）为最长伸缩杆组，用作正方体结构中体对角线的连接，顶点与第一伸缩杆组、第二伸缩杆组和第三伸缩杆组通过不同的组合方式连接，可以组成不同形状的缩放机构。
正三角形机构：三个顶点、三组第一伸缩杆组，以顶点上的两个相邻60°的圆周线孔为连接点，连接成平面环形结构，具有一个自由度。
正六边形结构：七个顶点、十二组第一伸缩杆组，连接而成一个由六个正三角形组成的六边形机构，每个顶点之间均使用第一伸缩杆组连接，具有一个自由度。
二自由度矩形机构：四个顶点、四个第一伸缩杆组，以顶点上的两个相邻90°的圆周线孔为连接点，连接成平面环形结构，具有两个自由度。
单自由度正方形机构：八个顶点、四个第一伸缩杆组、一组第二伸缩杆组，以顶点上的两个响铃90°的圆周线孔为连接点，与第一伸缩杆组连接成平面环形结构，在正方形相对的一组顶点上，以两连接螺纹孔中心的螺纹孔为连接点，与第二伸缩杆组螺纹连接，构成正方形附带对角线结构，具有一个自由度。
大正方形结构：十六个顶点、二十四组第一伸缩杆组、五组第二伸缩杆组，连接而成一个由9个矩形组成的大正方形机构，机构的四个角处的小正方形机构和中心小正方形机构内各连接一个第二伸缩杆组，具有两个自由度。
三自由度立方体结构：八个顶点、十二组第一伸缩杆组、一组第三伸缩杆组，组成正方体结构，其中正方体各边均为第一伸缩杆组，构成立方体结构，具有三个自由度。
单自由度正方体结构：八个顶点、十二组第一伸缩杆组、一组第三伸缩杆组，组成正方体结构，其中正方体各边均为第一伸缩杆组，在正方体的任意一条体对角线上的顶点上，以每个顶点的三个链接螺纹孔中心的体对角线孔为连接点，与第三伸缩杆组螺纹连接，构成正方体结构，具有一个自由度。
本发明的有益效果是顶点与不同长度的伸缩杆组组合成三角形、矩形、正方形、立方体等基本单元，再通过基本单元组合，构成更为复杂的平面、空间缩放机构，复杂结构可根据需要设计为单自由度或多自由度，结构明了，控制系统比较简单，成本低，具有多变性，可进行批量生产。
附图说明图1直线型结构示意图
图2直线型结构三维示意图
图3顶点示意图
图4顶点剖视图
图5细连杆示意图
图6粗连杆示意图
图7第一伸缩杆组示意图
图8正三角形结构缩放示意图
图9正六边形结构缩放示意图
图10二自由度矩形结构缩放示意图
图11单自由度正方形结构缩放示意图
图12二自由度大正方形结构缩放示意图
图13三自由度立方体结构缩放示意图
图14单自由度正方体结构缩放示意图
图15平面图形单自由度缩放机构示意图
图16空间图形单自由度缩放机构示意图
具体实施方式
图1、2所示机构为2个顶点（1）和1个第一伸缩杆组（2）连接而成的直线型结构。第一伸缩杆组（2）与顶点（1）通过螺纹连接实现轴向及周向定位。
图3为顶点（1），顶点（1）为一个球体，在所述球体的三个两两正交的圆周线上，以圆周线的任一交点为起点，沿圆周每隔15°打一个螺纹孔，每个圆周共有24个螺纹孔；在球面上，三个圆周将球面分为八个曲面，在每个曲面的中心打螺纹孔，共8个螺纹孔。包含第一组圆周线孔（11）、第二组圆周线孔（12）、第三组圆周线孔（13）、体对角线孔（14）。
图4为顶点（1）的剖面图，圆周线孔（11）共有24个孔，每个孔之间的夹角为15°。
图5为细连杆（21）的示意图，细连杆（21）为一实心圆柱杆，杆件一端有一圆柱突起，圆柱突起上有一段螺纹。
图6为粗连杆（22）示意图，面边粗连杆（22）为一管状杆，杆件一端开口，另一封闭端上有一圆柱突起，圆柱突起上有一段螺纹。
图7为第一伸缩杆组（2）示意图，第一伸缩杆组包含粗连杆（21）和细连杆（22），细连杆（22）没有圆柱突起的一端插入粗连杆（21）的开口端，构成第一伸缩杆组，粗细连杆可以自由伸缩，构成移动副。由面边细连杆（21）与面边粗连杆（22）相连组成面边连杆（2），面边连杆（2）与顶点（1）用过螺纹连接实现轴向及周向定位。
图8a、b所示为3个顶点（1）、3组第一伸缩杆组（2）连接而成的正三角形结构示意图，优选顶点（1）上的第一组圆周线孔（11）上相邻的两个夹角为60°的螺纹孔为连接点，亦可选择第二组圆周线孔（12）或第三组圆周线孔（13），与第一伸缩杆组（2）螺纹连接，组成一个平面环形结构，具有一个自由度，可实现正三角形机构的放大与缩小。图8a为第一伸缩杆组(2)收缩到最短时的状态图，图8b为第一伸缩杆组（2）伸长到最长时的状态图。
图9a、b所示机构为7个顶点（1）、12组第一伸缩杆组（2）、连接而成的一个由6个正三角形组成的六边形机构示意图，每个顶点（1）之间均使用第一伸缩杆组（2）连接，该机构具有一个自由度，可实现六边形结构的放大与缩小。
图 9a为第一伸缩杆组（2）收缩到最短时的状态图，图9b为第一伸缩杆组（2）伸长到最长时的状态图。
图10a、b、c所示机构为4个顶点（1）、4组第一伸缩杆组（2）连接而成的矩形结构示意图，优选顶点（1）上的第一组圆周线孔（11）上相邻的两个夹角为90°的螺纹孔为连接点，亦可选择第二组圆周线孔（12）或第三组圆周线孔（13），与第一伸缩杆组（2）螺纹连接，组成一个平面环形结构，具有两个自由度，可实现边框的两两伸长与收缩。图10a为两组第一伸缩杆组（2）收缩到最短时的状态图，图10b为一组第一伸缩杆组（2）伸长到最长，一组第一伸缩杆组（2）收缩到最短时的状态图，图10c为两组第一伸缩杆组（2）伸长到最长时的状态图，。
图11a、b所示结构为4个顶点（1）、4组第一伸缩杆组（2）、1组第二伸缩杆组（3）连接而成的正方形机构示意图，优选顶点（1）上的第一组圆周线孔（11）上相邻的两个夹角为90°的螺纹孔为连接点，亦可选择第二组圆周线孔（12）或第三组圆周线孔（13），与第一伸缩杆组（2）螺纹连接，组成一个平面环形结构，在矩形相对的一组顶点（1）上，以两连接螺纹孔中心的螺纹孔为连接点，与第二伸缩杆组（3）螺纹连接，所构成的正方形机构具有1个自由度，可实现正方形边框的放大与缩小。图11a为第一伸缩杆组(2)收缩到最短时的状态图，图11b为第一伸缩杆组（2）伸长到最长时的状态图。
图12a、b、c、d所示机构为16个顶点（1）、24组第一伸缩杆组（2）、5组第二伸缩杆组（3）连接而成的一个由9个矩形组成的大正方形机构示意图，机构的四个角处的小正方形机构和中心小正方形机构内各连接一个第二伸缩杆组（2），整体具有两个自由度，可实现内部正方形的单独放大缩小与四个角处的小正方形的单独放大缩小，实现整体大正方形机构的放大与缩小。图12a为中间正方形和四个角的正方形均收缩到最小时的状态图；图12b为中间正方形收缩到最小、四个角的正方形放大到最大时的状态图；图12c为中间正方形放大到最大、四个角的正方形收缩到最小时的状态图；图12d为中间正方形和四个角的正方形均放大到最大时的状态图。
图13a、b、c、d所示机构为8个顶点（1）、12组第一伸缩杆组（2）、1组第三伸缩杆组（4）组成的立方体结构示意图，其中正方体各边均为第一伸缩杆组（2），所构成的立方体结构具有三个自由度，可实现立方体机构的放大与缩小。图13a为三组第一伸缩杆组（2）收缩到最短时的状态图，图13b为一组组第一伸缩杆组（2）伸长到最长，两组组第一伸缩杆组（2）收缩到最短时的状态图。图13c为两组组第一伸缩杆组（2）伸长到最长，一组第一伸缩杆组（2）收缩到最短时的状态图，图14d为三组第一伸缩杆组（2）伸长到最长时的状态图。
图14a、b所示为8个顶点（1）、12组第一伸缩杆组（2）、1组第三伸缩杆组（4）组成的正方体结构示意图，其中正方体各边均为第一伸缩杆组（2），在正方体的任意一条体对角线上的顶点（1）上，以每个顶点的三个链接螺纹孔中心的体对角线孔（14）为连接点，与第三伸缩杆组（4）螺纹连接，所构成的正方体结构具有一个自由度，可实现正方体机构的放大与缩小。图14a为第一伸缩杆组(2)收缩到最短时的状态图，图14b为第一伸缩杆组（2）伸长到最长时的状态图。
Claims (1)
1.构造缩放机构的模块及构造方式，模块包括顶点（1）、第一伸缩杆组（2）、第二伸缩杆组（3）、第三伸缩杆组（4）；
所述的顶点（1）为一个球体，在球体的三个两两正交的圆周线上，以圆周线的任一交点为起点，沿圆周每隔15°打一个螺纹孔，每个圆周共有24个螺纹孔；在球面上，三个圆周将球面分为八个曲面，在每个曲面的中心打螺纹孔，共8个螺纹孔。包含第一组圆周线孔（11）、第二组圆周线孔（12）、第三组圆周线孔（13）、体对角线孔（14）；
三组伸缩杆组均由细连杆和粗连杆组成，其中第一伸缩杆组（2）为最短伸缩杆组，用作平面空间组合结构中边的连接，第二伸缩杆组（3）和第三伸缩杆组（4）与第一伸缩杆组（2）结构相同，区别在于三组伸缩杆组的长度不同；
构造方式一：通过3个顶点（1）、3组第一伸缩杆组（2）连接而成正三角形结构，优选顶点（1）上的第一组圆周线孔（11）上相邻的两个夹角为60°的螺纹孔为连接点，亦可选择第二组圆周线孔（12）或第三组圆周线孔（13），与第一伸缩杆组（2）螺纹连接，组成一个平面环形结构，具有1个自由度，可实现正三角形机构的放大与缩小；
构造方式二：通过4个顶点（1）、4组第一伸缩杆组（2）连接而成矩形结构，优选顶点（1）上的第一组圆周线孔（11）上相邻的两个夹角为90°的螺纹孔为连接点，亦可选择第二组圆周线孔（12）或第三组圆周线孔（13），与第一伸缩杆组（2）螺纹连接，组成一个平面环形结构，具有2个自由度，可实现边框的两两伸长与收缩；
构造方式三：通过4个顶点（1）、4组第一伸缩杆组（2）、1组第二伸缩杆组（3）连接而成正方形机构，优选顶点（1）上的第一组圆周线孔（11）上相邻的两个夹角为90°的螺纹孔为连接点，亦可选择第二组圆周线孔（12）或第三组圆周线孔（13），与第一伸缩杆组（2）螺纹连接，组成一个平面环形结构，在矩形相对的一组顶点（1）上，以两连接螺纹孔中心的螺纹孔为连接点，与第二伸缩杆组（3）螺纹连接，所构成的正方形机构具有1个自由度，可实现正方形边框的放大与缩小；
构造方式四：使用8个顶点（1）、12组第一伸缩杆组（2）、1组第三伸缩杆组（4）组成正方体结构，其中正方体各边均为第一伸缩杆组（2），在正方体的任意一条体对角线上的顶点（1）上，以每个顶点的三个链接螺纹孔中心的体对角线孔（14）为连接点，与第三伸缩杆组（4）螺纹连接，所构成的正方体结构具有一个自由度，可实现正方体机构的放大与缩小。
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