專利名稱：一種單動力滾動球面四桿機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單動力球面四桿機(jī)構(gòu)，特別涉及一種可以實現(xiàn)沿著圓周滾動移動 的球面四桿機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
連桿機(jī)構(gòu)分為平面連桿和空間連桿機(jī)構(gòu)，現(xiàn)有的滾動機(jī)構(gòu)通常采用平面連桿機(jī) 構(gòu)；空間連桿機(jī)構(gòu)在實現(xiàn)構(gòu)件的空間運動方面，與現(xiàn)有的平面機(jī)構(gòu)相比，具有構(gòu)件數(shù)少、結(jié) 構(gòu)簡單等優(yōu)點，而且可實現(xiàn)平面機(jī)構(gòu)不可能實現(xiàn)的部分運動，例如實現(xiàn)轉(zhuǎn)向運動功能等。中國專利公告號CN2789106Y公開了一種“單動力滾動四桿機(jī)構(gòu)”，它解除了傳統(tǒng) 的四桿機(jī)構(gòu)的機(jī)架桿與地面間的固定約束，利用一個電機(jī)驅(qū)動，在機(jī)構(gòu)本身的慣性作用下， 使機(jī)架與地面脫離接觸，從而達(dá)到滾動行進(jìn)的目的。但是限于該機(jī)構(gòu)是平面四桿機(jī)構(gòu)，所以 只能實現(xiàn)直線運動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種滾動球面四桿機(jī)構(gòu)。本發(fā)明的技術(shù)方案一種單動力滾動球面四桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)包括第一至第三帶配重塊的構(gòu)件、一個帶 電機(jī)構(gòu)件共四個連桿和第一至第二轉(zhuǎn)接頭。第一和第二轉(zhuǎn)接頭連接第一和第二帶配重塊的構(gòu)件，第一和第二轉(zhuǎn)接頭的軸線重合。第三和第四轉(zhuǎn)接頭連接第二和第三帶配重塊的構(gòu)件，第三和第四轉(zhuǎn)接頭的軸線重合。第五和第六轉(zhuǎn)接頭連接第三帶配重塊的構(gòu)件和帶電機(jī)構(gòu)件，第六和第七轉(zhuǎn)接頭的 軸線重合。第七轉(zhuǎn)接頭和軸連接件連接帶電機(jī)構(gòu)件和第一帶配重塊的構(gòu)件，第七轉(zhuǎn)接頭和軸 連接件的軸線重合。帶電機(jī)構(gòu)件上的電機(jī)的軸和軸連接件通過頂絲固定組成機(jī)構(gòu)傳動部分。上述四根重合的軸線相交于一點，構(gòu)成球面四桿機(jī)構(gòu)。這樣滾動球面四桿機(jī)構(gòu)的四個桿件通過轉(zhuǎn)接頭連接成一個閉環(huán)機(jī)構(gòu)，而且轉(zhuǎn)接頭 的軸線延長線交于一點的。構(gòu)成單動力滾動球面四桿機(jī)構(gòu)。單動力滾動球面四桿機(jī)構(gòu)采用單自由度閉鏈球面四桿機(jī)構(gòu)，由一個電機(jī)來驅(qū)動， 球面四桿機(jī)構(gòu)與地面或基礎(chǔ)并不固定，球面四桿機(jī)構(gòu)在一個周期中與地面或基礎(chǔ)相對靜 止，在向下一個周期過渡的過程中，通過機(jī)構(gòu)本身運動的慣性力的作用，球面四桿機(jī)構(gòu)與地 面或基礎(chǔ)之間脫離接觸，從而實現(xiàn)滾動移動的目的。此滾動機(jī)構(gòu)所作的運動是沿著一個圓 做圓周運動，實現(xiàn)的是繞固定半徑的圓周運動。可以通過改變扇形桿件的弧度大小達(dá)到改 變機(jī)構(gòu)所繞圓運動的半徑。在電機(jī)相對于地面不同位置處，通過控制其正反轉(zhuǎn)及相應(yīng)的變化來實現(xiàn)一個周期中的連續(xù)運動。本發(fā)明和已有技術(shù)相比所具有的有益效果本發(fā)明滾動球面四桿機(jī)構(gòu)，利用結(jié)構(gòu)簡單的空間閉鏈四桿機(jī)構(gòu)，用一個電機(jī)進(jìn)行 驅(qū)動和控制，實現(xiàn)平面內(nèi)圓周運動軌跡的滾動，該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，易于制造和工 程實現(xiàn)。同時提供了一種全新的平面移動機(jī)構(gòu)的方案，除可以用來完成機(jī)構(gòu)趣味的移動功 能，也可以作為教具，為中小學(xué)生提供對幾何形體及移動機(jī)構(gòu)的認(rèn)識幫助，擴(kuò)展和延伸了傳 統(tǒng)空間四桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用范圍。


圖1單動力滾動球面四桿機(jī)構(gòu)整體示意圖；圖2單動力滾動球面四桿機(jī)構(gòu)第一帶配重塊的構(gòu)件示意圖；圖3單動力滾動球面四桿機(jī)構(gòu)帶電機(jī)構(gòu)件示意圖；圖4單動力滾動球面四桿機(jī)構(gòu)的第一轉(zhuǎn)接頭示意圖；圖5單動力滾動球面四桿機(jī)構(gòu)的第一轉(zhuǎn)接頭外形圖；圖6階梯軸示意圖；圖7第一帶配重塊的構(gòu)件與第二帶配重塊的構(gòu)件的連接示意圖；圖8第二帶配重塊的構(gòu)件與第三帶配重塊的構(gòu)件連接示意圖；圖9第三帶配重塊的構(gòu)件與帶電機(jī)構(gòu)件連接示意圖；圖10第一帶配重塊的構(gòu)件與帶電機(jī)構(gòu)件連接示意圖；圖11單動力滾動球面四桿機(jī)構(gòu)運動初始狀態(tài)示意圖；圖12單動力滾動球面四桿機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)的臨界位置示意圖；圖13單動力滾動球面四桿機(jī)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)示意圖；圖14單動力滾動球面四桿機(jī)構(gòu)完成一步翻滾后回到與初始位置相似的狀態(tài)。圖中A扇形片1、配重塊2、電機(jī)座3、電機(jī)4、B扇形片5、階梯軸6、軸承座7、軸承 8、軸連接件9、固定螺母10、頂絲11、第一至第七轉(zhuǎn)接頭Cl至C7、第一至第三帶配重塊的構(gòu) 件Al、A2、A3、帶電機(jī)構(gòu)件A4。
具體實施例方式結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。一種單動力球面四桿機(jī)構(gòu)的第一帶配重塊的構(gòu)件Al，如圖2所示，包括:A扇形片 1，配重塊2，電機(jī)座3。A扇形片1上開有5組(10個)安裝孔，用于固定轉(zhuǎn)接頭、軸連接件及電機(jī)座，且A 扇形片一側(cè)的每組孔中心連線垂直于扇形片的側(cè)邊，使得同一側(cè)的兩組孔中心線連線相互 平行。如圖2所示配重塊2和電機(jī)座3通過螺釘固定在一起，然后電機(jī)座3通過螺栓和 螺母固定在扇形片1的右側(cè)。通過上述步驟完成第一帶配重塊的構(gòu)件Al的組裝。第二和第三帶配重塊構(gòu)件A2、A3和第一帶配重塊構(gòu)件Al的結(jié)構(gòu)與尺寸相同。一種單動力球面四桿機(jī)構(gòu)的帶電機(jī)構(gòu)件A4，如圖3所示包括B扇形片5，電機(jī)座 3，電機(jī)4。
4
B扇形片5開有4組(8個)安裝孔，用于固定轉(zhuǎn)接頭以及電機(jī)座。B扇形片5比 A扇形片1少兩個安裝孔，其他特征相同。如圖3所示電機(jī)5和電機(jī)座4通過螺釘固定在一起，然后電機(jī)座3通過螺栓和螺 母固定在B扇形片5的右側(cè)。通過上述步驟完成帶電機(jī)構(gòu)件A4的組裝。一種單動力球面四桿機(jī)構(gòu)的第一轉(zhuǎn)接頭Cl，如圖4、5所示包括階梯軸6，軸承座 7，軸承8，軸連接件9，固定螺母10。軸承8通過孔配合安裝在軸承座7的凹槽中。階梯軸6結(jié)構(gòu)如圖6所示，一端為 光桿，另一端為螺紋桿。階梯軸6光桿一端穿過軸承8使得其軸肩的一側(cè)與軸承內(nèi)圈相貼。 階梯軸6的螺紋端穿過軸連接件9上的孔，階梯軸6的軸肩的另一側(cè)與軸連接件9上的孔 邊相貼；最后螺紋端固定螺母10螺紋連接，完成轉(zhuǎn)接頭Cl的組裝。軸承座7可以繞階梯軸6轉(zhuǎn)動，軸承座7和軸連接件9分別有兩個安裝孔，便于和 球面四桿機(jī)構(gòu)的帶配重塊的構(gòu)件和帶電機(jī)構(gòu)件的連接。第二至第七轉(zhuǎn)接頭C2-C7與第一轉(zhuǎn)接頭Cl的結(jié)構(gòu)和尺寸相同。一種單動力球面四桿機(jī)構(gòu)的四個構(gòu)件的組裝第一帶配重塊的構(gòu)件Al與第二帶配重塊的構(gòu)件A2通過第一轉(zhuǎn)接頭Cl和第二轉(zhuǎn) 接頭C2連接，如圖6所示，第一轉(zhuǎn)接頭Cl的軸承座7從第一帶配重塊的構(gòu)件Al的A扇形 片1底部通過螺栓螺母連接在一起，第一轉(zhuǎn)接頭Cl的軸連接件9從第二帶配重塊的構(gòu)件A2 的A扇形片1底部通過螺栓螺母連接在一起。第二轉(zhuǎn)接頭C2的軸承座7從第一帶配重塊 的構(gòu)件Al的A扇形片1上部通過螺栓螺母連接在一起，第二轉(zhuǎn)接頭C2的軸連接件9從第 二帶配重塊的構(gòu)件A2的A扇形片1上部通過螺栓螺母連接在一起，使得第一和第二轉(zhuǎn)接頭 Cl、C2的螺母端朝外，兩個轉(zhuǎn)接頭Cl和C2的軸線重合。通過上述步驟將第一帶配重塊的 構(gòu)件Al與第二帶配重塊的構(gòu)件A2連接在一起，且能夠繞第一、第二轉(zhuǎn)接頭C1、C2的軸相對 轉(zhuǎn)動。第二帶配重塊構(gòu)件A2與第三帶配重塊的構(gòu)件A3通過第三轉(zhuǎn)接頭C3和第四轉(zhuǎn)接 頭C4連接，如圖7所示，第三轉(zhuǎn)接頭C3的軸承座7從第二帶配重塊的構(gòu)件A2的A扇形片1 底部通過螺栓螺母連接在一起；第三轉(zhuǎn)接頭C3的軸連接件9從第三帶配重塊的構(gòu)件A3的 A扇形片1底部通過螺栓螺母連接在一起。第四轉(zhuǎn)接頭C4的軸承座7從第三帶配重塊的構(gòu) 件A3的A扇形片1上部通過螺栓螺母連接在一起；第四轉(zhuǎn)接頭C4的軸連接件9從第三帶 配重塊的構(gòu)件A3的A扇形片1上部通過螺栓螺母連接在一起，使得第三和第四轉(zhuǎn)接頭C3、 C4的螺母端朝外，兩個轉(zhuǎn)接頭C3、C4的軸線重合。通過上述步驟將第二帶配重塊的構(gòu)件A2 與第三帶配重塊的構(gòu)件A3連接在一起。第三帶配重塊的構(gòu)件A3與帶電機(jī)構(gòu)件A4通過第五轉(zhuǎn)接頭C5和第六轉(zhuǎn)接頭C6連 接在一起，其連接方式與上述相同，如圖8所示。帶電機(jī)構(gòu)件A4與第一帶配重塊的構(gòu)件Al通過第七轉(zhuǎn)接頭C7和軸連接件9連接。 如圖9所示。第七轉(zhuǎn)接頭C7的軸承座7從帶電機(jī)構(gòu)件A4上的B扇形片5的上部通過螺栓 螺母固定；第七轉(zhuǎn)接頭的軸連接件9從第一帶配重塊的構(gòu)件Al的A扇形片1上部通過螺栓 螺母固定。帶電機(jī)構(gòu)件A4的電機(jī)4的軸和軸連接件9通過頂絲11固定在一起，軸連接件9 通過螺栓螺母固定在第一帶配重塊的構(gòu)件Al的A扇形片1上。第七轉(zhuǎn)接頭C7和軸連接件9的軸線重合。通過上述步驟連成一個閉合鏈，四組軸線相較于一點，這樣完成球面四桿機(jī)構(gòu)的 整體組裝。在電機(jī)4驅(qū)動下，電機(jī)4軸帶動軸連接件9旋轉(zhuǎn)，使得球面四桿機(jī)構(gòu)變形，進(jìn)而 實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的整體運動，在圓周內(nèi)運動。下面以單動力球面四桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)一個滾動步態(tài)為例說明單動力球面四桿機(jī)構(gòu)滾 動的實現(xiàn)(1)如附圖10為單動力球面四桿機(jī)構(gòu)的初始狀態(tài)，帶電機(jī)構(gòu)件A4著地；(2)如附圖11為單動力球面四桿機(jī)構(gòu)開始工作，帶電機(jī)構(gòu)件A4上電機(jī)4驅(qū)動與 它相連的第一帶配重塊的構(gòu)件Al轉(zhuǎn)動，使兩構(gòu)件之間夾角變小，同時帶動其他部件一起運 動，當(dāng)帶電機(jī)構(gòu)件A4和第一帶配重塊的構(gòu)件Al之間夾角變化到最小時，電機(jī)急停，產(chǎn)生一 個慣性力；(3)如附圖12為單動力球面四桿機(jī)構(gòu)利用慣性力，機(jī)構(gòu)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，帶電機(jī)構(gòu)件A4 離開地面，第三帶配重塊的構(gòu)件A3與地面接觸，完成翻滾；(4)如附圖13為單動力球面四桿機(jī)構(gòu)，帶電機(jī)構(gòu)件A4上電機(jī)4反向旋轉(zhuǎn)，使得帶 電機(jī)構(gòu)件A4與第一帶配重塊的構(gòu)件Al之間夾角變大至初始角度，這樣整個機(jī)構(gòu)回到與初 始位置相同的狀態(tài)，完成一個步態(tài)；(5)重復(fù)(1)——(4)步的步驟，四個構(gòu)件輪流著地，從而實現(xiàn)單動力球面四桿機(jī) 構(gòu)的圓周滾動。球面四桿機(jī)構(gòu)若在初始狀態(tài)電機(jī)驅(qū)動構(gòu)件電機(jī)構(gòu)件A4與第一帶配重塊的構(gòu)件Al 之間夾角變大，則機(jī)構(gòu)的繞圓周運動的方向與上述相反。
權(quán)利要求
一種單動力滾動球面四桿機(jī)構(gòu)，其特征在于單動力球面四桿機(jī)構(gòu)包括第一至第三帶配重塊的構(gòu)件(A1、A2、A3)、一個帶電機(jī)構(gòu)件(A4)共四個連桿和第一至第七轉(zhuǎn)接頭(C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7)；第一和第二轉(zhuǎn)接頭(C1、C2)連接第一和第二帶配重塊的構(gòu)件(A1、A2)，第一和第二轉(zhuǎn)接頭(C1、C2)的軸線重合；第三和第四轉(zhuǎn)接頭(C3、C4)連接第二和第三帶配重塊的構(gòu)件(A2、A3)，第三和第四轉(zhuǎn)接頭(C3、C4)的軸線重合；第五和第六轉(zhuǎn)接頭(C5、C6)連接第三帶配重塊的構(gòu)件(A3)和帶電機(jī)構(gòu)件(A4)，第六和第七轉(zhuǎn)接頭(C5、C6)的軸線重合；第七轉(zhuǎn)接頭(C7)和軸連接件(9)連接帶電機(jī)構(gòu)件(A4)和第一帶配重塊的構(gòu)件(A1)，第七轉(zhuǎn)接頭(C7)和軸連接件(9)的軸線重合；帶電機(jī)構(gòu)件(A4)上的電機(jī)(4)的軸和軸連接件(9)通過頂絲(11)固定組成機(jī)構(gòu)傳動部分；上述四個軸線相交于一點，構(gòu)成球面四桿機(jī)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單動力滾動球面四桿機(jī)構(gòu)，其特征在于帶電機(jī)構(gòu)件 (A4)包括B扇形片(5)、電機(jī)座(3)和電機(jī)(4)；B扇形片(5)上通過螺栓螺母固定電機(jī)座(3)，電機(jī)(4)固定在電機(jī)座(3)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單動力滾動球面四桿機(jī)構(gòu)，其特征在于第一至第三帶 配重塊的構(gòu)件(A1、A2、A3)結(jié)構(gòu)和尺寸相同；第一帶配重塊的構(gòu)件(Al)包括A扇形片(1)、配重塊(2)和電機(jī)座(3) ；A扇形片(1) 上通過螺栓螺母固定電機(jī)座(3)，配重塊(2)通過螺釘固定在電機(jī)座(3)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單動力滾動球面四桿機(jī)構(gòu)，其特征在于第一至第七轉(zhuǎn) 接頭(C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7)結(jié)構(gòu)和尺寸相同；第一轉(zhuǎn)接頭(Cl)包括階梯軸(6)、軸承座(7)、軸承(8)、軸連接件(9)和固定螺母 (10)；階梯軸(6)的一端為光桿，另一端有螺紋；軸承(8)固定在軸承座(7)中，其內(nèi)圈頂住 階梯軸(6)的光桿一端的軸肩的一側(cè)，軸連接件(9)與階梯軸(6)軸肩的另一側(cè)貼合，固定 螺母(10)與階梯軸(6)通過螺紋連接將軸連接件(9)固定在階梯軸(6)上，軸承座(7)繞 階梯軸(6)相對轉(zhuǎn)動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單動力滾動球面四桿機(jī)構(gòu)，其特征在于A扇形片(1)和 三個B扇形片(5)外形及尺寸相同，形狀為成任意銳角的扇形。全文摘要
一種單動力滾動球面四桿機(jī)構(gòu)涉及一種滾動的步行運動的機(jī)械裝置，包括第一至第三帶配重塊的構(gòu)件(A1、A2、A3)和一個帶電機(jī)構(gòu)件(A4)共四個連桿，通過第一至第七轉(zhuǎn)接頭(C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7)將四個連桿連接成一個閉合的球面四桿機(jī)構(gòu)。帶電機(jī)構(gòu)件上的電機(jī)的軸和軸連接件通過頂絲固定組成機(jī)構(gòu)傳動部分。通過控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，使得球面四桿機(jī)構(gòu)變形，利用慣性力使機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)機(jī)構(gòu)沿著圓周滾動。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單易于制造，是一種全新的平面移動機(jī)構(gòu)的方案，同時對中小學(xué)生提供一個對幾何形體及移動機(jī)構(gòu)的認(rèn)識幫助，擴(kuò)展和延伸了傳統(tǒng)空間四桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用范圍。
文檔編號F16H21/00GK101915292SQ20101026861
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月31日
發(fā)明者姚燕安, 李銳明, 楊慧慧, 田耀斌 申請人:北京交通大學(xué)