RU2681978C1

RU2681978C1 - Folding mechanism

Info

Publication number: RU2681978C1
Application number: RU2018112360A
Authority: RU
Inventors: Алексей Сергеевич Фомин; Всеволод Александрович Иванов
Priority date: 2018-04-05
Filing date: 2018-04-05
Publication date: 2019-03-14

Abstract

FIELD: machine building.SUBSTANCE: invention relates to the field of machine building, and more specifically to the folding mechanisms. Folding mechanism contains post, leading link, crank rod and rocker arm, forming the articulated four-link mechanism, on which neighboring links each pair a kinematic chain of two additional links and three hinges is installed. Links in each additional kinematic chain are interconnected by means of the annular hinge, and to the articulated four-link mechanism links is by means of cylindrical hinges.EFFECT: enabling the additional links exit from the four-link mechanism plane.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам, применяемым в технике для трансформации плоских конструкций в пространственные. Разработка новых складных механизмов и устройств является достаточно актуальной задачей и имеет широкий спектр практической реализации.The invention relates to devices used in the technique for transforming flat structures into spatial ones. The development of new folding mechanisms and devices is quite an urgent task and has a wide range of practical implementation.

Известен плоский ромбовидный механизм складных ступеней [J.-S. Zhao, J.-Y. Wang, F. Chu, Z.-J. Feng, J.S. Dai. Mechanism synthesis of a foldable stair. Journal of Mechanisms and Robotics, vol. 4, paper No: 014502, 2012], включающий в свой состав ведущее звено и последовательно соединенные двухзвенные группы нулевой подвижности (диады ВВВ). В этом механизме все звенья входят между собой во вращательные кинематические пары. Недостатком такого механизма является невозможность формирования однослойной плоской конструкции в сложенном состоянии в виду того, что звенья механизма накладываются друг на друга.Known flat diamond-shaped mechanism of folding steps [J.-S. Zhao, J.-Y. Wang, F. Chu, Z.-J. Feng, J.S. Dai Mechanism synthesis of a foldable stair. Journal of Mechanisms and Robotics, vol. 4, paper No: 014502, 2012], which includes a leading link and serially connected two-link groups of zero mobility (BBB dyads). In this mechanism, all links are interconnected in rotational kinematic pairs. The disadvantage of this mechanism is the impossibility of forming a single-layer flat structure when folded in view of the fact that the links of the mechanism overlap each other.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является интегрированный оригами механизм [G. Wei, J.S. Dai. Origami-inspired integrated planar-spherical overconstrained mechanisms. Journal of Mechanical Design, vol. 136, issue 5, paper No: MD-13-1059, 2014], относящийся к типу складных механизмов. Данный механизм принимается за прототип предлагаемого устройства. Механизм состоит из шарнирного четырехзвенника, на звеньях которого диагонально расположены двухзвенные интегрированные сферические кинематические цепи (диады ВВВ), геометрические оси вращательных пар которых пересекаются в одной точке. Всего механизм включает восемь звеньев: семь подвижных и одно неподвижное, соединенные десятью вращательными кинематическими парами. Общая подвижность механизма равна одному (W=1). Она складывается из подвижности четырехзвенника, равной одному, и подвижностей присоединенных к нему двухзвенных кинематических цепей, равных нулю.Closest to the proposed device is an integrated origami mechanism [G. Wei, J.S. Dai Origami-inspired integrated planar-spherical overconstrained mechanisms. Journal of Mechanical Design, vol. 136, issue 5, paper No: MD-13-1059, 2014] relating to the type of folding mechanisms. This mechanism is taken as a prototype of the proposed device. The mechanism consists of a hinged four-link, on the links of which two-link integrated spherical kinematic chains (BBB dyads) are diagonally located, the geometric axes of the rotational pairs of which intersect at one point. In total, the mechanism includes eight links: seven mobile and one motionless, connected by ten rotational kinematic pairs. The total mobility of the mechanism is one (W = 1). It consists of the mobility of a four-link, equal to one, and the mobilities of the attached two-link kinematic chains, equal to zero.

Недостаток прототипа заключается в высоком требовании к точности изготовления сферических кинематических цепей, в каждой из которых оси всех трех шарниров обязательно должны пересекаться в одной точке. Несоблюдение этого условия приведет к заклиниванию звеньев всего механизма и не позволит обеспечить его работоспособность.The disadvantage of the prototype is the high demand for precision manufacturing of spherical kinematic chains, in each of which the axes of all three joints must necessarily intersect at one point. Failure to comply with this condition will lead to jamming of the links of the entire mechanism and will not ensure its performance.

Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в создании такого механизма, в котором установленные на шарнирном четырехзвеннике двухзвенные кинематические цепи были бы выполнены отличными от сферических, при этом обеспечивая двухзвенным цепям выход из плоскости четырехзвенника.The technical problem solved by the present invention is to create such a mechanism in which the two-link kinematic chains mounted on the articulated four-link chain would be different from spherical, while providing two-link chains exit from the plane of the four-link chain.

Сущность заявляемого устройства заключается в том, что предлагается складной механизм, включающий стойку, ведущее звено, шатун и коромысло, образующие шарнирный четырехзвенник, на каждой паре соседних звеньев которого установлена кинематическая цепь из двух дополнительных звеньев и трех шарниров, при этом звенья в каждой дополнительной кинематической цепи соединены между собой посредством торового шарнира, а со звеньями шарнирного четырехзвенника посредством цилиндрических шарниров.The essence of the claimed device lies in the fact that a folding mechanism is proposed, including a stand, a driving link, a connecting rod and a rocker, forming a hinged four-link, on each pair of adjacent links of which a kinematic chain of two additional links and three hinges is installed, while the links in each additional kinematic the chains are interconnected by means of a toric hinge, and with the links of the hinged four-link by means of cylindrical hinges.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в обеспечении самоустанавливаемости звеньев обеих интегрированных цепей, не требующих повышенной точности в ориентации кинематических пар в них. Технический результат достигается тем, что в каждой из двухзвенных интегрированных кинематических цепей, установленных на четырехзвеннике, вместо трех вращательных шарниров вводятся два цилиндрических для соединения с четырехзвенником и один торовый для соединения звеньев цепи между собой.The technical result obtained by using the present invention is to ensure self-alignment of the links of both integrated circuits that do not require increased accuracy in the orientation of the kinematic pairs in them. The technical result is achieved by the fact that in each of the two-link integrated kinematic chains mounted on the four-link, instead of three rotational joints, two cylindrical joints are introduced for connecting to the four-link and one torus for connecting the chain links to each other.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, гдеThe invention is illustrated in the drawing, where

на фиг. 1 изображен складной механизм в разложенном положении (основными линиями) и в сложенном (плоском) положении (штрих-пунктирными линиями);in FIG. 1 shows a folding mechanism in the unfolded position (main lines) and in the folded (flat) position (dashed lines);

на фиг. 2 изображена двухзвенная кинематическая цепь.in FIG. 2 shows a two-link kinematic chain.

Механизм состоит из стойки 1, ведущего звена 2, шатуна 3, коромысла 4 и двух кинематических цепей (фиг. 1), включающих по паре дополнительных звеньев 5, 6 и 7, 8 (фиг. 2) и установленных диагонально на звеньях 1, 2 и 3, 4.The mechanism consists of a rack 1, a leading link 2, a connecting rod 3, a rocker arm 4 and two kinematic chains (Fig. 1), including a pair of additional links 5, 6 and 7, 8 (Fig. 2) and installed diagonally on links 1, 2 and 3, 4.

Стойка 1, ведущее звено 2, шатун 3 и коромысло 4 соединены между собой вращательными кинематическими парами с параллельными осями. Стойка 1 и звено 6, ведущее звено 2 и звено 5, шатун 3 и звено 8, коромысло 4 и звено 7 образуют между собой цилиндрические кинематические пары, оси которых совпадают с продольными осями соответствующих звеньев шарнирного четырехзвенника и перпендикулярны осям его кинематических пар звеньев 1-2, 2-3, 3-4 и 4-1. Дополнительные звенья 5 и 6, как 7 и 8 входят между собой в торовые кинематические пары, допускающими относительные вращения вокруг перпендикулярных осей (фиг. 1 и 2).The rack 1, the driving link 2, the connecting rod 3 and the beam 4 are interconnected by rotational kinematic pairs with parallel axes. Rack 1 and link 6, the leading link 2 and link 5, the connecting rod 3 and link 8, the rocker arm 4 and link 7 form between themselves cylindrical kinematic pairs whose axes coincide with the longitudinal axes of the corresponding links of the articulated four-link and are perpendicular to the axes of its kinematic pairs of links 1- 2, 2-3, 3-4 and 4-1. Additional links 5 and 6, like 7 and 8, are interconnected in torus kinematic pairs that allow relative rotation around perpendicular axes (Figs. 1 and 2).

Подвижность механизма складывается из подвижности четырехзвенника, которая равная одному (W=1), и подвижностей пары интегрированных кинематических цепей, установленных на четырехзвеннике. Их подвижность может быть найдена по формуле Малышева А.П. [Артоболевский И.И. Теория механизмов. Изд-во «Наука», 1965], имеющей видThe mobility of the mechanism consists of the mobility of the four-link, which is one (W = 1), and the mobilities of a pair of integrated kinematic chains mounted on the four-link. Their mobility can be found by the formula Malysheva A.P. [Artobolevsky I.I. Theory of mechanisms. Publishing House "Science", 1965], having the form

W=6n-5p₅-4р₄-3р₃-2р₂-р₁,W = 6n-5p ₅ -4p ₄ -3p ₃ -2p ₂ -p ₁ ,

где W - подвижность механической системы, n - число подвижных звеньев механической системы, р₅, p₄, р₃, р₂ и р₁ - числа одно-, двух-, трех-, четырех- и пятиподвижных кинематических пар. Кинематическая цепь звеньев 5, 6, как и 7, 8 (фиг. 2), включает два звена (n=2) и три двухподвижных пары (р₄=3). Тогда подвижность указанных цепей в соответствии с формулой Малышева А.П. равна нулю (W=0). Таким образом, кинематические цепи звеньев 5, 6, и 7, 8 не добавляют дополнительных подвижностей шарнирному четырехзвеннику и подвижность всего механизма оказывается равной одному (W=1). Для получения определенного движения всех звеньев механизма достаточно задать движение единственному звену. В данном случае движение задается ведущему звену 2.where W is the mobility of the mechanical system, n is the number of moving parts of the mechanical system, p ₅ , p ₄ , p ₃ , p ₂ and p ₁ are the numbers of one-, two-, three-, four- and five-moving kinematic pairs. The kinematic chain of links 5, 6, like 7, 8 (Fig. 2), includes two links (n = 2) and three bi-movable pairs (p ₄ = 3). Then the mobility of these chains in accordance with the formula Malysheva A.P. equal to zero (W = 0). Thus, the kinematic chains of links 5, 6, and 7, 8 do not add additional mobility to the articulated four-link and the mobility of the entire mechanism is equal to one (W = 1). To obtain a certain motion of all links of the mechanism, it is enough to set the motion for a single link. In this case, the movement is given to the leading link 2.

Принцип работы механизма заключается в следующем. При повороте ведущего звена 2 по часовой стрелке, движение передается на шатун 3 и коромысло 4, которые приводят в движение кинематические цепи звеньев 5, 6 и 7, 8, выходящие из плоскости расположения звеньев 1-4. При этом цилиндрические шарниры 5-2 и 6-1 смещаются к вращательному шарниру 1-2, а цилиндрические шарниры 8-3 и 7-4 смещаются к вращательному шарниру 3-4. Это позволяет торовым парам 5-6 и 7-8 смещаться вверх, обеспечивая трансформирование плоской конструкции в пространственную. Высота подъема пар звеньев 5-6 и 7-8 оказывается полностью контролируемой поворотом ведущего звена 2.The principle of the mechanism is as follows. When the leading link 2 is rotated clockwise, the movement is transmitted to the connecting rod 3 and the rocker 4, which set in motion the kinematic chains of links 5, 6 and 7, 8, leaving the plane of arrangement of links 1-4. In this case, the cylindrical joints 5-2 and 6-1 are displaced to the rotary joint 1-2, and the cylindrical joints 8-3 and 7-4 are displaced to the rotational joint 3-4. This allows torus pairs 5–6 and 7–8 to shift upward, ensuring the transformation of a flat structure into a spatial one. The lifting height of the pairs of links 5-6 and 7-8 is completely controlled by the rotation of the leading link 2.

Разработанный механизм может быть использован в качестве каркаса для тента, который при транспортировке в сложенном состоянии не требует большого пространства. Механизм также может быть использован при создании коробов, способных складываться в плоские конструкции.The developed mechanism can be used as a frame for an awning, which, when transported in the folded state, does not require a large space. The mechanism can also be used to create boxes that can be folded into flat structures.

Claims

A folding mechanism including a rack, a driving link, a connecting rod and a rocker forming a four-link hinge, on each pair of adjacent links of which a kinematic chain of two additional links and three hinges is installed, characterized in that the links in each additional kinematic chain are connected by a torus hinge and with the links of the articulated four-link by means of cylindrical joints.