RU2694704C1

RU2694704C1 - Origami mechanism

Info

Publication number: RU2694704C1
Application number: RU2018112359A
Authority: RU
Inventors: Алексей Сергеевич Фомин; Всеволод Александрович Иванов
Priority date: 2018-04-05
Filing date: 2018-04-05
Publication date: 2019-07-16

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to machine building, particularly, to devices used in transformation of flat structures into spatial structures. Origami mechanism comprises a post, a drive link, a connecting rod and a rocker arm. Spherical hinges in both kinematic chains are installed on opposite sides of four-link mechanism. Mechanism is equipped with two additional links, which are interconnected by spherical to pin hinge or torus hinge.

EFFECT: higher self-alignment of links, which do not require high accuracy.

1 cl, 4 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.The 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 the leading link and the successively connected two-link groups of zero mobility (BBB dyads). In this mechanism, all links are included among themselves in rotational kinematic pairs. The disadvantage of this mechanism is the impossibility of forming a single-layer flat structure in the folded state due to 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 интегрированные двухзвенные 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 four-articulated hinge, on the links of which the integrated two-link spherical kinematic chains (dyads of the BBB) are located diagonally, the geometrical axes of the rotational pairs of which intersect at one point. In total, the mechanism includes eight links: seven moving and one fixed, connected by ten rotational kinematic pairs. The total mobility of the mechanism is one (W = 1). It consists of the mobility of the quadruple equal to one, and the mobility of the two-link kinematic chains attached to it, 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 lies in the high demands on the accuracy of manufacturing spherical kinematic chains, in each of which the axes of all three joints must intersect at one point. Failure to comply with this condition will lead to jamming of the links of the whole mechanism and will not allow ensuring its operation.

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 invention is to create such a mechanism in which two-link kinematic chains mounted on a hinged four-link would be made different from spherical, while providing the two-link chains from the plane of the four-link.

Сущность заявляемого устройства заключается в том, что предлагается оригами 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, один из которых выполнен вращательным, отличающийся тем, что одно из дополнительных звеньев в каждой кинематической цепи соединено с шарнирным четырехзвенником сферическим шарниром, причем сферические шарниры в обеих кинематических цепях установлены на противоположных сторонах четырехзвенника, а дополнительные звенья соединены между собой сферическим с пальцем шарниром. Дополнительные звенья могут быть соединены между собой также торовым шарниром.The essence of the claimed device lies in the fact that an origami mechanism is proposed that includes a rack, a driving link, a connecting rod and a rocker arm, forming a four-link hinge, on each pair of neighboring links of which a kinematic chain of two additional links and three hinges is installed, one of which is rotary, different the fact that one of the additional links in each kinematic chain is connected to the hinge four-spherical spherical hinge, and the spherical hinges in both kinematic chains are anovleny on opposite sides of the quadrilateral, and additional units are interconnected by a spherical joint with a finger. Additional links can be interconnected by a torus hinge.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в обеспечении самоустанавливаемости звеньев обеих интегрированных цепей, не требующих повышенной точности к ориентации кинематических пар в них. Технический результат достигается тем, что в каждой из двухзвенных кинематических цепей, установленных на четырехзвеннике, две вращательных пары заменены на сферическую и сферическую с пальцем. Технический результат, также достигается тем, что в каждой из двухзвенных кинематических цепей, установленных на четырехзвеннике, две вращательных пары заменены на сферическую и торовую. Применение торовой пары позволит повысить надежность при передаче движения от одного звена двухзвенной кинематической цепи к другому.The technical result obtained when using the present invention, is to ensure self-alignment links of both integrated circuits that do not require increased accuracy to the orientation of the kinematic pairs in them. The technical result is achieved by the fact that in each of the two-link kinematic chains mounted on the four-link, two rotational pairs are replaced with spherical and spherical with a finger. The technical result is also achieved by the fact that in each of the two-link kinematic chains mounted on the four-linkage, two rotational pairs are replaced by spherical and torus. The use of a torus pair will improve the reliability of the transmission of motion from one link of the two-link kinematic chain to another.

Такое техническое решение позволяет обеспечить самоустанавливаемость звеньев двухзвенных кинематических цепей, в которых не требуется обеспечение повышенной точности расположения кинематических пар.This technical solution allows to ensure the self-alignment of links of two-link kinematic chains, which do not require the provision of increased accuracy of the location of kinematic pairs.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, гдеThe invention is illustrated by drawings, where

на фиг. 1 изображен оригами механизм со сферическим с пальцем шарниром в разложенном положении (основными линиями) и в сложенном (плоском) положении (штрихпунктирными линиями);in fig. 1 shows the origami mechanism with a spherical with a finger hinge in the unfolded position (main lines) and in the folded (flat) position (dash-dotted lines);

на фиг. 2 изображена двухзвенная кинематическая цепь, звенья которой соединены сферическим с пальцем шарниром;in fig. 2 shows a two-link kinematic chain, the links of which are connected by a spherical hinge with a finger;

на фиг. 3 показан оригами механизм с торовым шарниром в разложенном положении (основными линиями) и в сложенном (плоском) положении (штрихпунктирными линиями);in fig. 3 shows the origami mechanism with the torus hinge in the unfolded position (main lines) and in the folded (flat) position (dash-dotted lines);

на фиг. 4 изображена двухзвенная кинематическая цепь, звенья которой соединены торовым шарниром.in fig. 4 shows a two-link kinematic chain, the links of which are connected by a torus hinge.

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

Стойка 1, ведущее звено 2, шатун 3 и коромысло 4 соединены между собой вращательными кинематическими парами с параллельными осями. Стойка 1 образует с дополнительным звеном 5 вращательную кинематическую пару, ось которой совпадает с продольной осью стойки 1 и перпендикулярна осям кинематических пар звеньев 1-2, 2-3, 3-4 и 4-1. Ведущее звено 2 образует с дополнительным звеном 6 сферическую кинематическую пару. Шатун 3 образует с дополнительным звеном 7 вращательную кинематическую пару, ось которой параллельна продольной оси шатуна 3 и перпендикулярна осям кинематических пар звеньев 1-2, 2-3, 3-4 и 4-1. Коромысло 4 образует с дополнительным звеном 8 сферическую кинематическую пару. Дополнительные звенья 5 и 6, как 7 и 8 входят между собой в сферические с пальцами кинематические пары, допускающие относительные вращения вокруг перпендикулярных осей. Оси пальцев в парах 5-6 и 7-8 совпадают с продольными осями звеньев 5 и 7 (фиг. 1 и 2). На место сферической пары с пальцем может быть установлена торовая пара, которая также обеспечивает два вращательных движения (фиг. 3 и 4).Rack 1, the leading link 2, the connecting rod 3 and the rocker arm 4 are interconnected by rotational kinematic pairs with parallel axes. The rack 1 forms with the additional link 5 a rotational kinematic pair, the axis of which coincides with the longitudinal axis of the rack 1 and is perpendicular to the axes of the kinematic pairs of links 1-2, 2-3, 3-4 and 4-1. The leading link 2 forms a spherical kinematic pair with an additional link 6. The connecting rod 3 forms with the additional link 7 a rotational kinematic pair, the axis of which is parallel to the longitudinal axis of the connecting rod 3 and perpendicular to the axes of the kinematic pairs of links 1-2, 2-3, 3-4 and 4-1. The yoke 4 forms a spherical kinematic pair with an additional link 8. Additional links 5 and 6, like 7 and 8, are included among themselves in spherical kinematic pairs with fingers, allowing relative rotations around perpendicular axes. The axis of the fingers in pairs 5-6 and 7-8 coincide with the longitudinal axes of the links 5 and 7 (Fig. 1 and 2). In place of a spherical pair with a finger, a torus pair can be installed, which also provides two rotational movements (Fig. 3 and 4).

Подвижность механизма складывается из подвижности четырехзвенника, которая равная одному (W=l), 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-plate, which is equal to one (W = l), and the mobilities of a pair of integrated kinematic chains installed on the four-link. Their mobility can be found by the formula of Malyshev A.P. [Artobolevsky I.I. Theory of Mechanisms. Publishing house "Science", 1965], having the form

W=6n-5р₅-4р₄-3р₂-2р₂-р₁ W = 6n-5p -4r ₅ ₄ ₂ -3r 2p ₂ -p ₁

где W - подвижность механической системы, n - число подвижных звеньев механической системы, р₅, р₄, р₃, р₂ и р₁ - числа одно-, двух-, трех-, четырех- и пятиподвижных кинематических пар. Кинематическая цепь звеньев 5-6, как и 7-8 (фиг. 2 и 4), включает два звена (n=2), одну одноподвижную пару (р₅=1), одну двухподвижную пару (р₄=1) и одну трехподвижную пару (р₃=1). Тогда подвижность кинематической цепи звеньев 5-6, как и 7-8, в соответствии с формулой Малышева А.П. равна нулю (W=0). Таким образом, данные кинематические цепи не добавляют дополнительных подвижностей шарнирному четырехзвеннику и подвижность всего механизма равна 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-mobile kinematic pairs. The kinematic chain of links 5–6, as well as 7–8 (Fig. 2 and 4), includes two links (n = 2), one single-mobile pair (p ₅ = 1), one two-mobile pair (p ₄ = 1) and one three-moving pair (p ₃ = 1). Then the mobility of the kinematic chain of links 5-6, as 7-8, in accordance with the formula Malysheva AP equals zero (W = 0). Thus, these kinematic chains do not add additional mobility to the articulated four-bracer and the mobility of the whole mechanism is equal to one (W = 1). To obtain a certain movement of all links of the mechanism, it suffices to specify the movement of 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 кинематические пары звеньев 5-6 и 7-8 смещаются вверх. Высота их подъема оказывается полностью контролируемой поворотом ведущего звена 2.The principle of operation 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 yoke 4, which set in motion the kinematic chains of links 5, 6 and 7, 8 extending from the plane of the links 1-4. In this case, the kinematic pairs of links 5-6 and 7-8 are shifted upwards. The height of their rise is fully controlled by turning 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 amount of space. The mechanism can also be used to create boxes that can fold into flat structures.

Claims

The origami mechanism includes a stand, a leading link, a connecting rod and a rocker arm, forming a four-hinged joint, on each pair of neighboring links of which a kinematic chain of two additional links and three hinges is installed, one of which is made rotational, characterized in that one of the additional links in each the kinematic chain is connected to the hinged four-spherical spherical hinge, and the spherical hinges in both kinematic chains are installed on opposite sides of the four-hub, and the additional nye links interconnected with a spherical joint or a finger joint tori.