CN102058982B

CN102058982B - 一种单动力滚动多边形机构

Info

Publication number: CN102058982B
Application number: CN 201010523587
Authority: CN
Inventors: 姚燕安; 田耀斌; 杨春
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2030-10-28
Also published as: CN102058982A

Abstract

一种单动力滚动多边形机构，涉及一种单自由度移动机构。第一至第六个V形杆(1、2、3、4、5、6)通过第一至第六个连接轴(7、8、9、10、11、12)依次连接成一个封闭环固定电机三叉杆(14)的三个叉端通过第七至第九个连接轴(18、20、22)与第二、四、六V形杆(2、4、6)连接。电机轴三叉杆(16)的三个叉端通过第十至第十二个连接轴(19、21、23)与第一、三、五V形杆(1、3、5)连接。电机(15)连接在固定在固定电机三叉杆(14)上的电机座(13)上。电机轴通过顶丝(17)与连接电机轴三叉杆(16)。机构具有单自由度用一个电机进行驱动和控制，同时具有“雪花”的外形特征，通过变形改变机构的重心位置，实现滚动运动。

Description

一种单动力滚动多边形机构

技术领域

本发明涉及一种单自由度移动机构，特设涉及一种滚动机构。机构通过变形，实现滚动移动，可用于制作机构教具、玩具和侦查机器人。

背景技术

移动机构相对于地面没有机架，且整体能在一定方向上运动的机构。滚动是比较特殊的移动方式，即在运动过程中机构ZMP点需要偏离支撑杆支撑区域。闭链可移动连杆机构是机构设计的一个新的领域，依靠连杆之间的作用，实现机构整体有规律的移动，而构建具有对称几何结构的单动力移动连杆机构更是难点。CN 2789106Y公开了一种利用平行四边形机构实现滚动运动的机构，但该机构不对称，运动性能较差，遇到地面凸起无法通过。

发明内容

本发明所要解决的问题是，设计具有雪花外形的单自由度连杆机构。利用一个电机驱动，通过改变几何外形，改变机构重心在地面投影，依靠惯性力实现一种滚动运动，而且具有一定越障能力。

本发明的技术方案：一种单动力滚动多边形机构，该机构包括第一至第六V形杆，第一至第十二连接轴，电机座，固定电机三叉杆，电机，连接电机轴三叉杆，顶丝。

第一V形杆的C端和第二V形杆的A端通过第一连接轴连接。

第二V形杆的C端和第三V形杆的A端通过第二连接轴连接。

第三V形杆的C端和第四V形杆的A端通过第三连接轴连接。

第四V形杆的C端和第五V形杆的A端通过第四连接轴连接。

第五V形杆的C端和第六V形杆的A端通过第五连接轴连接。

第六V形杆的C端和第一V形杆的A端通过第六连接轴连接。

第一至第六个V形杆通过第一至第六个连接轴依次连接成一个封闭环。

电机通过螺钉固定在电机座上，电机座固定在固定电机三叉杆上，电机轴穿过固定电机三叉杆的中心孔与连接电机轴三叉杆上的中心孔动配合，连接电机轴三叉杆中部的周向设有螺纹孔，顶丝与其螺纹连接，将电机轴固定，组成机构传动部分；使得电机带动连接电机轴三叉杆相对固定电机三叉杆旋转。

第七至第九连接轴分别从第二、第四、第六V形杆的拐角处卡槽的一侧进入，再穿过固定电机三叉杆的三个端头处的通孔，通过各自的卡簧连接在一起。

第十至第十二连接轴分别从第一、第三、第五V形杆的拐角处卡槽的一侧进入，再穿过连接电机轴三叉杆的三个端头处的通孔，通过各自的卡簧连接在一起。

本发明的有益效果是结构简单，机构具有单自由度用一个电机进行驱动和控制，同时具有“雪花”的外形特征，通过变形改变机构的重心位置，实现滚动运动。该机构遇到较小障碍直接跨越，遇到大障碍则反向运动。机械结构和控制系统均比较简单，成本低，可靠性高。“雪花”滚动机构具有一定的越障能力和观赏性，在机构教具、玩具设计和军事领域中的侦查有一定应用价值。

附图说明

图1 单动力滚动多边形机构示意图。

图2 V形杆结构的正面示意图。

图3 V形杆结构的背面示意图。

图4 固定电机三叉杆结构示意图。

图5 连接电机轴三叉杆结构示意图。

图6 转动轴示意图。

图7 第一和第二V形杆连接示意图。

图8 图7的局部剖视图。

图9 封闭环示意图。

图10 三叉杆组装图。

图11 电机连接示意图。

图12a 第一运动状态图。

图12b 第二运动状态图。

图12c 第三运动状态图。

图12d 第四运动状态图。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步说明。

一种单动力滚动多边形机构，如图1所示，该机构包括第一至第六V形杆1、2、3、4、5、6，第一至第十二连接轴7、8、9、10、11、12、18、19、20、21、22、23，电机座13，固定电机三叉杆14，电机15，连接电机轴三叉杆16，顶丝17。

第一V形杆1的C端和第二V形杆2的A端通过第一连接轴7连接，如图7、8。

第二V形杆2的C端和第三V形杆3的A端通过第二连接轴8连接。

第三V形杆3的C端和第四V形杆4的A端通过第三连接轴9连接。

第四V形杆4的C端和第五V形杆5的A端通过第四连接轴10连接。

第五V形杆5的C端和第六V形杆6的A端通过第五连接轴11连接。

第六V形杆6的C端和第一V形杆1的A端通过第六连接轴12连接。

第一至第六个V形杆1、2、3、4、5、6通过第一至第六个连接轴7、8、9、10、11、12依次连接成一个封闭环，如图9。

电机15通过螺钉固定在电机座13上，电机座13固定在固定电机三叉杆14上，电机轴穿过固定电机三叉杆14的中心孔与连接电机轴三叉杆16上的中心孔动配合，连接电机轴三叉杆16中部的周向设有螺纹孔，顶丝17与其螺纹连接，将电机轴固定，组成机构传动部分，如图10、11，使得电机15带动连接电机轴三叉杆16相对固定电机三叉杆14旋转。

第七至第九连接轴(18、20、22) 分别从第二、第四、第六V形杆2、4、6的拐角处B卡槽的一侧进入，再穿过固定电机三叉杆14的三个端头处的通孔，通过各自的卡簧连接在一起。第十至第十二连接轴19、21、23分别从第一、第三、第五V形杆1、3、5的拐角处B卡槽的一侧进入，再穿过连接电机轴三叉杆16的三个端头处的通孔，通过各自的卡簧连接在一起。通过上述步骤完成机构的组装，整体具有六角“雪花”外形特征，自由度为一。

第一至第六V形杆1、2、3、4、5、6的结构尺寸相同，如图2、3。其V形夹角为120°， V形杆的A端及V形杆的C端各设一通孔，V形杆的拐角处B设一个通孔。V形杆的拐角处B所设通孔的正面侧为一沉孔， V形杆的拐角处B所设通孔的背面侧开一卡槽。V形杆的C端的正面侧开一卡槽。V形杆的A端及V形杆的C端所设通孔的中心线至V形杆的拐角处B所设通孔中心线的距相等。

第一至第十二连接轴7、8、9、10、11、12、18、19、20、21、22、23的结构和尺寸相同，十二根连接轴均为阶梯状轴，第一阶梯加工成一个扁状，在第三阶梯上开一环形凹槽，如图6。

固定电机三叉杆14和连接电机轴三叉杆16，如图4、5，两杆件关于中心对称；三个叉的端头均设一通孔，三个叉互成120°夹角，三个叉的端头上的通孔的中心线到中心的距离相等，且与第一至第六V形杆的A端通孔中心线至V形杆的拐角处B所设通孔中心线的间距相等。固定电机三叉杆14的中部均布三个小孔用于固定电机座13。连接电机轴三叉杆16的中心孔用于和电机轴15配合，连接电机轴三叉杆16中部周向有两个螺纹孔。

机构运动描述：如图12 a所示为机构的初始状态。此时外形为正六边形。通过控制电机转过的角度，使得机构变形。

电机在初始位置正向转，使得三叉杆14、16的夹角减小，机构形状改变，机构重心因外形改变而向右倾。到达机构滚动的临界状态，如图12 b所示。电机停止转动，机构惯性力作用下将发生翻滚运动。

如图12 c所示为机构翻滚后的状态，实现向前移动。

电机反转一定角度后如图12 d所示，为机构回复正六边形状态。

上述四个过程为该机构的一个周期。机构在一个周期内向前移动。若在初始位置，电机旋向与上述过程相反，则在一个周期里机构向后移动。

Claims

1.一种单动力滚动多边形机构，其特征在于：该机构包括第一至第六V形杆（1、2、3、4、5、6），第一至第十二连接轴（7、8、9、10、11、12、18、19、20、21、22、23），电机座（13），固定电机三叉杆（14），电机（15），连接电机轴三叉杆（16），顶丝（17）；

第一V形杆（1）的C端和第二V形杆（2）的A端通过第一连接轴（7）连接；

第二V形杆（2）的C端和第三V形杆（3）的A端通过第二连接轴（8）连接；

第三V形杆（3）的C端和第四V形杆（4）的A端通过第三连接轴（9）连接；

第四V形杆（4）的C端和第五V形杆（5）的A端通过第四连接轴（10）连接；

第五V形杆（5）的C端和第六V形杆（6）的A端通过第五连接轴（11）连接；

第六V形杆（6）的C端和第一V形杆（1）的A端通过第六连接轴（12）连接；

第一至第六个V形杆（1、2、3、4、5、6）通过第一至第六个连接轴（7、8、9、10、11、12）依次连接成一个封闭环；

电机（15）通过螺钉固定在电机座（13）上，电机座（13）固定在固定电机三叉杆（14）上，电机轴穿过固定电机三叉杆（14）的中心孔与连接电机轴三叉杆（16）上的中心孔动配合，连接电机轴三叉杆（16）中部的周向设有螺纹孔，顶丝（17）与其螺纹连接，将电机轴固定，组成机构传动部分；使得电机（15）带动连接电机轴三叉杆（16）相对固定电机三叉杆（14）旋转；

第七至第九连接轴(18、20、22) 分别从第二、第四、第六V形杆（2、4、6）的拐角处（B）卡槽的一侧进入，再穿过固定电机三叉杆（14）的三个端头处的通孔，通过各自的卡簧连接在一起；

第十至第十二连接轴（19、21、23）分别从第一、第三、第五V形杆（1、3、5）上的拐角处（B）卡槽的一侧进入，再穿过连接电机轴三叉杆（16）的三个端头处的通孔，通过各自的卡簧连接在一起。

2.根据权利要求1所述的一种单动力滚动多边形机构，其特征在于：

第一至第六V形杆（1、2、3、4、5、6）的结构尺寸相同；

其V形的夹角为120°， V形杆的A端及V形杆的C端各设一通孔，V形杆的拐角处（B）设一个通孔；

V形杆的拐角处（B）所设通孔的正面侧为一沉孔， V形杆的拐角处（B）所设通孔的背面侧开一卡槽；

V形杆的C端的正面侧开一卡槽；

V形杆的A端及V形杆的C端所设通孔的中心线至V形杆的拐角处（B）所设通孔中心线的距相等。

3.根据权利要求1所述的一种单动力滚动多边形机构，其特征在于：第一至第十二连接轴（7、8、9、10、11、12、18、19、20、21、22、23）的结构和尺寸相同，十二根连接轴均为阶梯状轴，第一阶梯加工成一个扁状，在第三阶梯上开一环形凹槽。

4.根据权利要求1所述的一种单动力滚动多边形机构，其特征在于：固定电机三叉杆（14）和连接电机轴三叉杆（16），两杆件关于中心对称；三个叉的端头均设一通孔，三个叉互成120°夹角，三个叉的端头上的通孔的中心线到中心的距离相等，且与第一至第六V形杆的A端通孔中心线至V形杆的拐角处（B）所设通孔中心线的间距相等。