CN110842895B - 一种单自由度截角四面体/四面体形状转换机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单自由度截角四面体/四面体形状转换机构，包括三分支运动链、平面剪叉运动链、三轴线转动副连接件；所述三轴线转动副连接件设置有一个中间转动副轴I和两个外侧转动副轴II，两个外侧转动副轴II关于过中间转动副轴I的横向截面的镜像对称面A对称；所述三分支运动链设置有四个，三分支运动链包括一个中心杆I和三个分支杆II；所述平面剪叉运动链设置为四个，平面剪叉运动链通过剪叉分支运动链的外端与所述三轴线转动副连接件的外侧转动副轴II铰接连接。通过对平面剪叉运动链的中心剪叉单元进行驱动实现截角四面体形状和四面体形状之间的转换，且该机构在形状转换过程中，控制方便。

Description

一种单自由度截角四面体/四面体形状转换机构
技术领域
本发明属于机构学应用技术领域，特别是涉及到一种单自由度截角四面体/四面体形状转换机构。
背景技术
多面体机构在玩具、工艺品、可展机构以及模块化机器人等领域具有非常广泛的应用。当前，多面体机构的主要类型为单一形态模式的多面体可展机构以及多面体缩放机构，对于多面体形状转换机构的研究较少，这限制了多面体机构的发展以及多面体机构在多形态模式场合的应用。因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种单自由度截角四面体/四面体形状转换机构，通过平面剪叉运动链的中心剪叉单元进行驱动实现截角四面体形状和四面体形状之间的转换，且该机构在形状转换过程中，控制简便。
本发明采用的技术方案为一种单自由度截角四面体/四面体形状转换机构，其特征是：包括三分支运动链、平面剪叉运动链、三轴线转动副连接件；所述三轴线转动副连接件设置有一个中间转动副轴I和两个外侧转动副轴II，两个外侧转动副轴II关于过中间转动副轴I的横向截面的镜像对称面A对称，且外侧转动副轴II的轴线与镜像对称面A的夹角为[arccos(1/3)]/2度；
所述三分支运动链设置有四个，三分支运动链包括一个中心杆I和三个分支杆II；所述三分支运动链的三个分支杆II的一端分别与中心杆I铰接连接，另一端分别与三轴线转动副连接件的中间转动副轴I铰接连接；
所述平面剪叉运动链设置为四个，平面剪叉运动链包括中心剪叉单元和六个剪叉分支运动链，中心剪叉单元由两个剪叉杆Ⅰ在杆件的中间铰接连接组成，剪叉分支运动链包括四个剪叉杆Ⅱ和两个剪叉杆Ⅲ；所述平面剪叉运动链通过剪叉分支运动链的外端与所述三轴线转动副连接件的外侧转动副轴II铰接连接；
所述四个剪叉杆II分成两组在杆件的中心位置铰接连接之后，两组剪叉杆II在外端铰接连接；两个剪叉杆III的一端铰接连接，同时与三轴线转动副连接件的一个外侧转动副轴II铰接连接，另一端与四个剪叉杆II的外端铰接连接；四个剪叉杆II的一端与中心剪叉单元的外端铰接连接，另一端与两个剪叉杆III铰接连接；
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：一种单自由度截角四面体/四面体形状转换机构，通过对平面剪叉运动链的中心剪叉单元进行驱动实现截角四面体形状和四面体形状之间的转换，且该机构在形状转换过程中，控制方便。一种单自由度截角四面体/四面体形状转换机构，应用于多形态模式工作场合，可以实现形状变换要求，同时还具有良好的刚度。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明一种单自由度截角四面体/四面体形状转换机构三分支运动链结构示意图。
图2为本发明一种单自由度截角四面体/四面体形状转换机构平面剪叉运动链结构示意图。
图3为本发明一种单自由度截角四面体/四面体形状转换机构三轴线转动副连接件结构示意图。
图4(a)为本发明一种单自由度截角四面体/四面体形状转换机构截角四面体构形示意图。
图4(b)为本发明一种单自由度截角四面体/四面体形状转换机构整体机构示意图。
图4(c)为本发明一种单自由度截角四面体/四面体形状转换机构四面体构形示意图。
图中1-三分支运动链、2-平面剪叉运动链、3-三轴线转动副连接件、101-中心杆、102-分支杆、201-中心剪叉单元、202-剪叉分支运动链、203-剪叉杆I、204-剪叉杆II、205-剪叉杆III、206-分支杆I、207-分支杆II、301-中间转动副轴I、302-外侧转动副轴II、A-镜像对称面
具体实施方式
一种单自由度截角四面体/四面体形状转换机构，如图1、图2、图3、图4(a)、图4(b)及图4(c)所示，包括三分支运动链1、平面剪叉运动链2和三轴线转动副连接件3；平面剪叉运动链2通过三轴线转动副连接件3与三分支运动链1连接；所述三轴线转动副连接件3设置有一个中间转动副轴I301和两个外侧转动副轴II302，两个外侧转动副轴II302关于过中间转动副轴I301的横向截面的镜像对称面A对称，且外侧转动副轴II302的轴线与镜像对称面A的夹角为[arccos(1/3)]/2度。
所述三分支运动链1设置有四个，四个三分支运动链1相间于四个平面剪叉运动链2分布；三分支运动链1包括一个中心杆101以及三个分支杆102；每个分支杆102的一端分别与中心杆101铰接连接，另一端分别与三轴线转动副连接件3的中间转动副轴I301铰接连接。
所述三轴线转动副连接件3设置有十二个。
所述平面剪叉运动链2设置有四个；在本发明一种单自由度截角四面体/四面体形状转换机构截角四面体构形状态下，所述三分支运动链1所在平面与其中一个所述平面剪叉运动链2所在平面平行，同时与另外三个所述平面剪叉运动链2所在平面之间的夹角为[180-arccos(1/3)]度；所述四个平面剪叉运动链2两两之间所在平面的夹角为arccos(1/3)度；
平面剪叉运动链2包括中心剪叉单元201以及剪叉分支运动链202；平面剪叉运动链2的外端与所述三轴线转动副连接件3的外侧转动副轴II302铰接连接。
所述中心剪叉单元201包括两个剪叉杆I203；所述剪叉杆I203设置有三个分支杆I206和三个分支杆II207；所述分支杆I206和所述分支杆II207交替分布；所述分支杆I206两两之间的夹角为120度；所述分支杆II207两两之间的夹角为120度；所述中心剪叉单元201由两个剪叉杆I203在中心位置铰接连接组成；所述中心剪叉单元201的其中一个剪叉杆I203的分支杆I206和另一个剪叉杆I203的分支杆I206的外端与剪叉分支运动链202的四个剪叉杆II204的一端铰接连接；所述中心剪叉单元201的其中一个剪叉杆I203的分支杆II207和另一个剪叉杆I203的分支杆II207的外端与剪叉分支运动链202的四个剪叉杆II204的一端铰接连接。
所述剪叉分支运动链202设置有六个，剪叉分支运动链202包括四个剪叉杆II204以及两个剪叉杆III205；四个剪叉杆II204分成两组(每组两个)在杆件的中心位置铰接连接之后，两组剪叉杆II204在外端铰接连接；两个剪叉杆III205的一端铰接连接，同时与三轴线转动副连接件3的一个外侧转动副轴II302铰接连接，另一端与四个剪叉杆II204的外端铰接连接；四个剪叉杆II204的一端与中心剪叉单元201的外端铰接连接，另一端与两个剪叉杆III205铰接连接；
本发明的一种单自由度截角四面体/四面体形状转换机构，可以对平面剪叉运动链的中心剪叉单元进行驱动实现截角四面体形状和四面体形状之间的转换，且该机构在形状转换过程中，控制方便。
该结构可用于多形态模式工作场合，可以实现形状变换要求，在玩具、工艺品、可展机构以及模块化机器人等领域具有广阔的应用前景。

Claims (2)

1.一种单自由度截角四面体/四面体形状转换机构，其特征在于：包括三分支运动链(1)、平面剪叉运动链(2)和三轴线转动副连接件(3)；平面剪叉运动链(2)通过三轴线转动副连接件(3)与三分支运动链(1)连接；所述三轴线转动副连接件(3)设置有一个中间转动副轴I(301)和两个外侧转动副轴II(302)，两个外侧转动副轴II(302)关于过中间转动副轴I(301)的横向截面的镜像对称面A对称，且外侧转动副轴II(302)的轴线与镜像对称面A的夹角为[arccos(1/3)]/2度；
所述三分支运动链(1)设置有四个，四个三分支运动链(1)相间于四个平面剪叉运动链(2)分布；三分支运动链(1)包括一个中心杆(101)以及三个分支杆(102)；每个分支杆(102)的一端分别与中心杆(101)铰接连接，另一端分别与三轴线转动副连接件(3)的中间转动副轴I(301)铰接连接；
所述三轴线转动副连接件(3)设置有十二个；
所述平面剪叉运动链(2)设置有四个；在单自由度截角四面体/四面体形状转换机构处于截角四面体构形状态下，所述三分支运动链(1)所在平面与其中一个所述平面剪叉运动链(2)所在平面平行，同时与另外三个所述平面剪叉运动链(2)所在平面之间的夹角为[180-arccos(1/3)]度；所述四个平面剪叉运动链(2)两两之间所在平面的夹角为arccos(1/3)度；
平面剪叉运动链(2)包括中心剪叉单元(201)以及剪叉分支运动链(202)；平面剪叉运动链(2)的外端与所述三轴线转动副连接件(3)的外侧转动副轴II(302)铰接连接；
所述中心剪叉单元(201)包括两个剪叉杆I(203)；所述剪叉杆I(203)设置有三个分支杆I(206)和三个分支杆II(207)；所述分支杆I(206)和所述分支杆II(207)交替分布；所述分支杆I(206)两两之间的夹角为120度；所述分支杆II(207)两两之间的夹角为120度；所述中心剪叉单元(201)由两个剪叉杆I(203)在中心位置铰接连接组成；所述中心剪叉单元(201)的其中一个剪叉杆I(203)的分支杆I(206)和另一个剪叉杆I(203)的分支杆I(206)的外端与剪叉分支运动链(202)的四个剪叉杆II(204)的一端铰接连接；所述中心剪叉单元(201)的其中一个剪叉杆I(203)的分支杆II(207)和另一个剪叉杆I(203)的分支杆II(207)的外端与剪叉分支运动链(202)的四个剪叉杆II(204)的一端铰接连接；
所述剪叉分支运动链(202)设置有六个，剪叉分支运动链(202)包括四个剪叉杆II(204)以及两个剪叉杆III(205)；四个剪叉杆II(204)分成两组在杆件的中心位置铰接连接之后，两组剪叉杆II(204)在外端铰接连接；两个剪叉杆III(205)的一端铰接连接，同时与三轴线转动副连接件(3)的一个外侧转动副轴II(302)铰接连接，另一端与四个剪叉杆II(204)的外端铰接连接；四个剪叉杆II(204)的一端与中心剪叉单元(201)的外端铰接连接，另一端与两个剪叉杆III(205)铰接连接。
2.根据权利要求1所述的一种单自由度截角四面体/四面体形状转换机构，其特征在于：平面剪叉运动链的中心剪叉单元进行驱动实现截角四面体形状和四面体形状之间的转换，且该机构在形状转换过程中，控制方便。
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