ОРИГАМИ МЕХАНИЗМ
ORIGAMI MECHANISM

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Такое техническое решение позволяет обеспечить самоустанавливаемость звеньев двухзвенных кинематических цепей, в которых не требуется обеспечение повышенной точности расположения кинематических пар.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где
на фиг. 1 изображен оригами механизм со сферическим с пальцем шарниром в разложенном положении (основными линиями) и в сложенном (плоском) положении (штрихпунктирными линиями);
на фиг. 2 изображена двухзвенная кинематическая цепь, звенья которой соединены сферическим с пальцем шарниром;
на фиг. 3 показан оригами механизм с торовым шарниром в разложенном положении (основными линиями) и в сложенном (плоском) положении (штрихпунктирными линиями);
на фиг. 4 изображена двухзвенная кинематическая цепь, звенья которой соединены торовым шарниром.
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.
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).
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 вид
5
4
2
2
1
W=6n-5р-4р-3р-2р-р
5
4
3
2
1
5
4
3
где W - подвижность механической системы, n - число подвижных звеньев механической системы, р, р, р, р и р - 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 (р=1), одну двухподвижную пару (р=1) и одну трехподвижную пару (р=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.
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.
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.