СИСТЕМА И СПОСОБЫ ПРИВЕДЕНИЯ В ДЕЙСТВИЕ РЕВЕРСИВНО РАСШИРЯЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ
SYSTEM AND METHODS TO ACTUATE REVERSIBLY EXPANDED STRUCTURES

Область использования изобретения
Настоящее изобретение относится, в общем, к области реверсивно расширяемых замкнутых сборок. Более конкретно, настоящее изобретение относится к исполнительным механизмам для трансформирования реверсивно расширяемых замкнутых сборок из расширенного состояния в сжатое состояние и наоборот.
Предпосылки к созданию изобретения
Класс конструкций относится к самоподдерживающимся конструкциям, выполненным таким образом, чтобы их можно было расширять или сжимать, сохраняя при этом их общую форму во время их расширения или сжатия синхронизированным образом. Такие конструкции использовали в различных областях, включая архитектуру, публичные выставки и необычные складывающиеся игрушки. Базовым строительным блоком таких конструкций является «петельная сборка», состоящая из трех или большего числа узлов типа ножниц (описанная в патентах США № 4942700 и № 5024031) или пар звеньев многоугольника (описанных в патентах США № 6082056 и № 6219974), каждая из которых состоит из пары звеньев, шарнирно соединенных между собой в области осей поворота, расположенных вблизи середины каждого звена. Такая замкнутая сборка содержит кольцо взаимосвязанных звеньев, которые можно свободно складывать и раскладывать. Примерные конструкции и способы конструирования таких реверсивно расширяемых конструкций-ферм очень разнообразных форм описаны в патентах, на которые сделана ссылка выше. Конструкции, которые можно трансформировать по размеру или форме, пригодны для ряда применений. Если человек желает иметь портативное укрытие некоторого вида, то должна быть возможность превращать это укрытие в компактную упаковку (тент является показательным примером).
Краткое описание изобретения
Настоящее изобретение относится к исполнительному механизму, выполненному таким образом, чтобы с его помощью можно было трансформировать реверсивно расширяемую, или разворачиваемую, конструкцию (РК) из расширенного состояния в сжатое состояние и наоборот. Разворачиваемые конструкции формируют путем соединения многозвенных механизмов, содержащих, по меньшей мере, три пары звеньев типа ножниц, которые при повороте их звеньев относительно друг друга в местах их соединения трансформируются из расширенного состояния в сжатое состояние и наоборот. Посредством исполнительного механизма сообщают приводящую в действие нагрузку, силу или крутящий момент, с помощью которых инициируют расширение или сжатие замкнутого механического многозвенника разворачиваемой конструкции в направлении действия силы. Нагрузка, с помощью которой приводят в действие устройство, действует во время всего процесса развертывания или сжатия РК. С помощью приведенной в действие разворачиваемой конструкции можно передавать приводящую в действие силу или крутящий момент (в общем, нагрузку) к внешнему телу, веществу или элементам, контактирующим с разворачиваемой конструкцией посредством замкнутого механического многозвенника. В некоторых видах применения приведенная в действие разворачиваемая конструкция пригодна для выполнения работы путем приложения нагрузки, силы или крутящего момента вдоль прямолинейного или углового расстояния перемещения, расстояния, определенного изменением периметра разворачиваемой конструкции во время ее трансформирования. Работа может выполняться во время цикла расширения и во время цикла сжатия.
Один вариант исполнения изобретения относится к вращательному исполнительному механизму, содержащему первый элемент, имеющий первую поверхность, где определена, по меньшей мере, одна трасса, и второй элемент, содержащий противоположную поверхность, где определена, по меньшей мере, одна противоположная трасса. Противоположная поверхность расположена с возможностью вращения напротив первой поверхности таким образом, чтобы, по меньшей мере, часть, по меньшей мере, одной трассы перекрещивалась в области перекрытия, по меньшей мере, с частью соответствующей одной из, по меньшей мере, одной из противоположных трасс. Место перекрещивания в области перекрытия трасс определяет место расположения анкера, предназначенное для соединения с возможностью скольжения с анкером реверсивно расширяемой конструкции. Посредством вращения первого элемента относительно второго элемента передают приводящую в действие силу к расширяемой конструкции через анкерное соединение.
Другой вариант исполнения изобретения относится к вращательному исполнительному механизму, содержащему первый диск, содержащий первую поверхность, определяющую более одного радиального паза, и второй диск, содержащий противоположную поверхность, определяющую более одного противоположного спирального паза. Противоположные поверхности расположены с возможностью вращения одна напротив другой таким образом, чтобы, по меньшей мере, часть каждого из более одного радиального паза перекрещивалась при перекрывании, по меньшей мере, с частью, по меньшей мере, соответствующего одного из более одного противоположных спиральных пазов. По меньшей мере, одно перекрещивание при перекрывании определяет отверстие для закрепления, предназначенное для соединения со скольжением с анкером реверсивно расширяемой конструкции. Вращением первого элемента относительно второго элемента передают приводящую в действие силу к расширяемой конструкции через надежно закрепленное соединение.
Другой вариант исполнения изобретения относится к реверсивно расширяемой конструкции, содержащей замкнутый механизм, образованный из множества кинематических модулей. Каждый из модулей сформирован из группы звеньев, соединенных в точках поворота. Минимальный кинематический модуль содержит два звена с общим шарнирным соединением; этот модуль соединен, по меньшей мере, с другими двумя модулями, по одному с каждой стороны, каждым из его четырех концов, двумя концами с каждой стороны. Конструкция может содержать более сложные кинематические модули с большим, чем два, числом звеньев в модуле. Примерный вариант исполнения представляет собой наиболее простой вариант исполнения, содержащий только два шарнирно соединенных звена в кинематическом модуле (KM). Каждый шарнирно соединенный кинематический модуль шарнирно соединен, по меньшей мере, с двумя смежными шарнирно соединенными кинематическими модулями, образующими замкнутый механический многозвенник. Замкнутый механический многозвенник является трансформируемым из раскрытой конфигурации в сложенную конфигурацию и наоборот. Конструкция содержит исполнительный механизм, сообщенный, по меньшей мере, с одним из шарнирно соединенных кинематических модулей. Исполнительный механизм выполнен таким образом, чтобы с его помощью можно было обеспечивать приводящую в действие нагрузку, силу или крутящий момент для регулирования, по меньшей мере, одного из шарнирно соединенных кинематических модулей путем трансформирования его из раскрытой конфигурации в сложенную конфигурацию и наоборот. Регулированием относительного угла вращения, по меньшей мере, одного кинематического модуля шарнирно соединенных звеньев побуждают к выполнению таких же перемещений в других шарнирно соединенных кинематических модулях множества шарнирно соединенных кинематических модулей. Получаемые в результате регулировки ведут к трансформированию реверсивно расширяемой конструкции вдоль, по меньшей мере, одного реверсивно изменяемого размера замкнутого механического многозвенника.
Еще один вариант исполнения изобретения относится к способу передачи силы к телу. Создан замкнутый механический многозвенник, содержащий множество шарнирно соединенных кинематических модулей. Замкнутый механический многозвенник можно трансформировать из сжатого состояния в расширенное состояние. Приводящую в действие силу прикладывают, по меньшей мере, к одному из множества шарнирно соединенных кинематических модулей, изменяя диаметр замкнутого механического многозвенника. По меньшей мере, часть замкнутого механического многозвенника соединена с телом, при этом с изменением диаметра замкнутого механического многозвенника создается сила, действующая на тело.
Краткое описание чертежей
Ранее указанные и другие цели, отличительные особенности и преимущества изобретения станут очевидными после ознакомления с последующим более конкретным описанием предпочтительных вариантов исполнения изобретения, проиллюстрированных на прилагаемых чертежах, на которых одинаковыми номерами позиций обозначены одинаковые части на всех различных видах. Чертежи не обязательно выполнены в масштабе, но вместо этого акцент сделан на иллюстрации принципов изобретения.
На Фиг. 1A и 1B схематически изображена приводимая в действие разворачиваемая конструкция, выполненная согласно настоящему изобретению, в сжатом и расширенном состояниях соответственно;
на Фиг. 2A и 2B - виды в плане одного варианта исполнения приводимого в действие комплекса разворачиваемой конструкции, содержащего сложенный механический многозвенник из элементов угловой формы согласно настоящему изобретению, в сжатом и расширенном состояниях соответственно;
на Фиг. 3A - вид в плане одного варианта исполнения базового модуля приводимого в действие комплекса разворачиваемой конструкции, представленного на Фиг. 2A и 2B;
на Фиг. 3B - вид в плане сегмента базового модуля, представленного на Фиг. 2A и 2B, взаимно соединенного с подобными базовыми модулями, из которых образована часть разворачиваемой конструкции, в сжатой, частично расширенной и в расширенной конфигурациях согласно настоящему изобретению;
на Фиг. 4 - часть варианта исполнения комплекса разворачиваемой конструкции, содержащая зубчатый исполнительный механизм согласно настоящему изобретению;
на Фиг. 5 - часть другого варианта исполнения комплекса разворачиваемой конструкции, содержащая зубчатый исполнительный механизм и фиксирующий элемент согласно настоящему изобретению;
на Фиг. 6A - еще один вариант исполнения комплекса разворачиваемой конструкции, содержащий зубчатый исполнительный механизм, в частично расширенном состоянии согласно настоящему изобретению;
на Фиг. 6B - часть варианта исполнения комплекса разворачиваемой конструкции, представленного на Фиг. 6A;
на Фиг. 7 - вид в плане одного варианта исполнения первой разворачиваемой конструкции комплекса разворачиваемой конструкции согласно настоящему изобретению в расширенном состоянии вместе с подобной второй разворачиваемой конструкцией в сжатом состоянии;
на Фиг. 8A и 8B - примерный элемент угловой формы, содержащий линейный исполнительный механизм в сжатом состоянии и в расширенном состоянии соответственно;
на Фиг. 9A и 9B - схематически комплекс разворачиваемой конструкции с исполнительным механизмом с ременным приводом согласно настоящему изобретению в сжатом состоянии и в расширенном состоянии соответственно;
на Фиг. 10A - вид в перспективе исполнительного механизма с вращаемым диском, выполненным для приведения в действие разворачиваемой конструкции согласно настоящему изобретению;
на Фиг. 10B - разрез по А-А на Фиг. 10A исполнительного механизма с вращаемым диском;
на Фиг. 11 - вид в плане примерного фиксированного диска исполнительного механизма с вращаемым (поворотным) диском, представленного на Фиг. 10A;
на Фиг. 12A и 12B - виды в плане различных вариантов исполнения вращаемых дисков примерного исполнительного механизма с вращаемым диском, представленного на Фиг. 10A;
на Фиг. 13A, 13B, 13C и 13D - виды в плане примерного исполнительного механизма с вращаемым диском, представленного на Фиг. 10A, в различных стадиях действия;
на Фиг. 14A - вариант исполнения комплекса разворачиваемой конструкции, содержащего исполнительный механизм с внешним рычажным устройством согласно настоящему изобретению;
на Фиг. 14B - вариант исполнения комплекса разворачиваемой конструкции, содержащего исполнительный механизм с внутренним рычажным устройством согласно настоящему изобретению;
на Фиг. 15A и 15B - виды в плане варианта исполнения комплекса разворачиваемой конструкции с вариантом исполнения приводимого в действие внешнего многозвенника типа многозвенника Поселье-Липкина согласно настоящему изобретению в сжатом и расширенном состояниях соответственно;
на Фиг. 16A и 16B виды в плане варианта исполнения комплекса разворачиваемой конструкции с вариантом исполнения приводимого в действие внутреннего многозвенника типа многозвенника Поселье-Липкина согласно настоящему изобретению в сжатом и расширенном состояниях соответственно;
на Фиг. 17A и 17B - виды в плане варианта исполнения приводимого в действие комплекса разворачиваемой конструкции, содержащего замкнутый механический многозвенник из элементов угловой формы, снабженный внешним податливым слоем согласно настоящему изобретению, в сжатом и расширенном состояниях соответственно.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение относится к исполнительному механизму, выполненному таким образом, чтобы с его помощью можно было приводить в действие реверсивно расширяемую конструкцию, также называемую «разворачиваемой конструкцией», содержащей замкнутый механический многозвенник, пригодный для трансформирования его из расширенной конфигурации в сжатую конфигурацию и наоборот при сохранении его формы. Разворачиваемая конструкция содержит замкнутый механический многозвенник, соединенный с исполнительным механизмом для обеспечения силы, посредством которой его приводят в действие, для инициирования трансформирования разворачиваемой конструкции. Посредством разворачиваемой конструкции передают силу F приведения в действие к внешнему телу посредством замкнутого механического многозвенника. Сила может быть направлена радиально внутрь или наружу в зависимости от направления трансформирования (т.е. расширения или сжатия). Силу можно использовать для выполнения работы путем приложения силы, по меньшей мере, на части расстояния, которое проходит периметр разворачиваемой конструкции во время ее трансформирования. В некоторых вариантах исполнения приводимая в действие разворачиваемая конструкция содержит фиксирующий компонент; зафиксированная конструкция поддерживает статическую нагрузку. Альтернативно или в дополнение к этому, приводимый в действие комплекс разворачиваемой конструкции может также содержать податливый элемент для создания уплотнения путем прижима его к поверхности.
На Фиг. 1A схематически изображен приводимый в действие комплекс 100 разворачиваемой конструкции. Приводимый в действие комплекс 100 разворачиваемой конструкции содержит реверсивно расширяемую конструкцию 102, соединенную с исполнительным механизмом 104. Реверсивно расширяемую конструкцию можно трансформировать из расширенного состояния в сжатое состояние и наоборот. В некоторых вариантах исполнения реверсивно расширяемая конструкция представляет собой кольцевой диск 102, как это показано на чертеже. С помощью исполнительного механизма 104 обеспечивают приводящую в действие силу для регулирования реверсивно расширяемой конструкции 102, т.е. для трансформирования ее из сжатого состояния в расширенное состояние и наоборот. Исполнительный механизм 104 может содержать генератор силы, или двигатель, 106, с помощью которого обеспечивают приводящую в действие силу, и звено 108, соединяющее двигатель 106 с реверсивно расширяемой конструкцией 102. Посредством звена 108 передают приводящую в действие силу от двигателя 106 к реверсивно расширяемой конструкции 102. В некоторых вариантах исполнения двигатель 106 непосредственно соединен с реверсивно расширяемой конструкцией 102. Детали кинематики примерных реверсивно расширяемых конструкций, также называемых «разворачиваемыми конструкциями», описаны в публикации WO1997027369 Всемирной организации интеллектуальной собственности (World Intellectual Property Organization).
В примерном варианте исполнения реверсивно расширяемая конструкция 102 в ее сжатом состоянии является круглой конструкцией, имеющей наружный диаметр OD1. В некоторых вариантах исполнения комплекс разворачиваемой конструкции представляет собой кольцевую конструкцию, имеющую также внутренний диаметр ID1. Комплекс действует следующим образом: с помощью двигателя 106 создают приводящую в действие расширяющую силу, сообщаемую реверсивно расширяемой конструкции 102 посредством звена 108, понуждая реверсивно расширяемую конструкцию 102, находящуюся в сжатом состоянии, к расширению. При приложении достаточной приводящей в действие расширяющей силы реверсивно расширяемая конструкция 102 трансформируется, или расширяется, до полностью расширенного состояния, как это показано на Фиг. 1B. В расширенном состоянии реверсивно расширяемая конструкция 102 может также представлять собой кольцевую конструкцию, имеющую в полностью расширенном состоянии наружный диаметр OD2, который больше наружного диаметра OD1 в сжатом состоянии (т.е. OD2 > OD1). В примерном варианте исполнения внутренний диаметр ID2 в полностью расширенном состоянии также больше внутреннего диаметра конструкции в сжатом состоянии (ID2 > ID1).
В некоторых вариантах исполнения двигатель 106 остается соединенным с реверсивно расширяемой конструкцией 102, находящейся в расширенном состоянии, где с его помощью создают приводящую в действие сжимающую силу, под действием которой происходит изменение конфигурации реверсивно расширяемой конструкции 102 из расширенного состояния (см. Фиг. 1B) в сжатое состояние (см. Фиг. 1). Трансформирование из сжатого состояния в расширенное состояние можно называть «ходом расширения»; тогда как трансформирование из расширенного состояния в сжатое состояние можно называть «ходом сжатия». С помощью приводимого в действие комплекса 100 разворачиваемой конструкции во время хода расширения реверсивно расширяемого устройства 102 создают направленную наружу силу F1, а во время хода сжатия создают направленную внутрь силу F2. С помощью направленной наружу силы F1 можно выполнять работу путем приложения силы на расстоянии, которое проходит точка реверсивно расширяемой конструкции 102 во время трансформирования из сжатого состояния в расширенное состояние. Например, работа, выполненная во время хода расширения, может быть определена как сила F1, умноженная на расстояние, которое проходит внешний периметр 110 во время хода расширения: 0,5(OD2-OD1). Аналогичным образом с помощью направленной внутрь силы F2 можно выполнять работу путем приложения силы вдоль расстояния, которое проходит точка на реверсивно расширяемой конструкции 102, например расстояние, которое проходит внутренний периметр 112 во время хода сжатия: 0,5(ID2-ID1). В примерном кольцевом варианте исполнения силы F1, F2 являются радиально направленными силами.
В некоторых вариантах исполнения комплекс содержит фиксатор 114, выполненный для удерживания реверсивно расширяемой конструкции 102 в фиксированном состоянии трансформирования из расширенного состояния в сжатое состояние и наоборот. В фиксированном состоянии с помощью реверсивно расширяемой конструкции 102 можно обеспечивать силу F1, F2 нагрузки, противоположную нагрузке, действующей на устройство. Например, фиксатор может быть сопряжен, по меньшей мере, в одном из состояний - сжатом состоянии или расширенном состоянии - для удерживания реверсивно расширяемой конструкции 102 в фиксированной конфигурации в присутствии внешних сил, действующих на конструкцию. Замки 114 могут содержать пальцы, которые можно вставлять в механические звенья реверсивно расширяемой конструкции 102 для предотвращения расширения или сжатия. В некоторых вариантах исполнения двигатель 106 можно использовать как фиксатор путем обеспечения противоположной силы для предотвращения дальнейшего расширения или сжатия реверсивно расширяемой конструкции 102 в фиксированном состоянии.
В некоторых вариантах исполнения один из диаметров - внутренний диаметр или наружный диаметр - остается по существу постоянным во время перевода из сжатого состояния в расширенное состояние и наоборот, тогда как другой из диаметров - внутренний диаметр или наружный диаметр - изменяется, как было только что описано. Примерные конструкции, в которых наружный диаметр остается по существу постоянным, тогда как внутренний диаметр изменяется, описаны в патенте США № 5024031.
Реверсивно расширяемое устройство 102 является по существу плоским, так что расширение и сжатие происходят параллельно плоскости. Примеры таких плоских устройств содержат дисковые конструкции, описанные в настоящем документе. В некоторых вариантах исполнения реверсивно расширяемое устройство может быть трехмерной конструкцией, так что расширение и сжатие происходят по трем размерам. Примеры некоторых трехмерных конструкций включают сферические устройства.
На Фиг. 2A изображен плоский вид примерного варианта исполнения приводимого в действие комплекса 120 разворачиваемой конструкции, содержащего реверсивно расширяемую конструкцию 122, сформированную из замкнутого механического многозвенника. Комплекс 120 содержит также исполнительный механизм 124, содержащий генератор силы, или двигатель, 126 и звено 128, соединяющее двигатель 126 и реверсивно расширяемую конструкцию 122. Замкнутый механический многозвенник 122 в сжатом состоянии, как это показано на чертеже, занимает круглую площадь без центрального отверстия. Замкнутый механический многозвенник 122 содержит последовательность базовых взаимно соединенных модулей 130a, 130b (в общем, 130), расположенных вокруг центральной точки. В этом варианте исполнения каждый кинематический модуль разворачиваемой конструкции содержит три звена.
На Фиг. 2B приводимый в действие комплекс 120 разворачиваемой конструкции изображен в расширенном состоянии, в котором каждый из базовых взаимно соединенных модулей 130, иногда называемых «лепестками», содержит пару шарнирно взаимосвязанных элементов 132a, 132b (в общем, 132), которые при приведении в действие совершают движение, подобное элементам ножниц, вокруг центральной оси поворота 133. Концы каждого взаимосвязанного элемента 132 шарнирно соединены с соответствующими концами элементов смежного элемента. Путем задания углов поворота, или изгибов, отдельным взаимосвязанным элементам 132 формируют замкнутую петлю, как это показано на чертеже. Форма замкнутой петли может быть круглой, эллиптической, многоугольной и, в общем, любой произвольной формы. Многоугольные конструкции в виде замкнутой петли описаны в патенте США № 5024031.
Примерный базовый модуль 130 реверсивно расширяемой конструкции 122 изображен более детально на Фиг. 3A. Базовый модуль 130 содержит пару по существу жестких элементов, или распорок, 132a, 132b, шарнирно соединенных около центральной оси поворота 133. Левая распорка 132a имеет угловую форму и содержит первую прямолинейную часть 135a, идущую от центральной оси поворота 133 к внутренней правой оси поворота 142a. Вторая прямолинейная часть 136a левой распорки 132a идет от центральной оси поворота 133 к наружной левой оси поворота 144a. Вторая прямолинейная часть 136a расположена под углом к первой части 135a, выставлена под углом θ к первой прямолинейной части. Этот угол θ называется «углом распорки». Правая распорка 132b может быть по существу идентична левой распорке 132a и может быть выставлена как зеркальное отражение по отношению к левой распорке 132a относительно радиуса из центра реверсивно расширяемой конструкции. Таким образом, правая распорка 132b имеет угловую форму и содержит первую прямолинейную часть 135b, идущую от центральной оси поворота 133 к внутренней левой оси поворота 142b. Вторая прямолинейная часть 136b правой распорки 132b идет от центральной оси поворота 133 к наружной правой оси поворота 144b. Вторая прямолинейная часть 136b расположена под углом к первой части 135b, также выставлена под углом θ к первой прямолинейной части. В некоторых вариантах исполнения левая распорка 132a отличается от правой распорки 132b.
Более детальная иллюстрация базового модуля 130, интегрированного в реверсивно расширяемую конструкцию 122, представлена на Фиг. 3B. Базовый модуль 130 показан в положении, при котором его центральная ось поворота 133 расположена вдоль радиуса реверсивно расширяемой конструкции 122. Наружная левая ось поворота 144a соединена с наружной правой осью поворота смежного базового модуля. Внутренняя левая ось поворота 142b соединена с внутренней правой осью поворота смежного базового модуля. Аналогичным образом наружная правая ось поворота 144b и внутренняя правая ось поворота 142a базового модуля 130 соединены с другим смежным базовым модулем с противоположной стороны. Между первыми прямолинейными частями 135a левой распорки 132a и первой прямолинейной частью 135b правой распорки 132b образован угол φ. В сжатом состоянии угол φ является минимальным. В примерном варианте исполнения минимальный угол φ приближается к нулю. Однако благодаря конечной ширине каждой распорки 132a, 132b минимальный угол несколько больше нуля.
При переводе реверсивно расширяемой конструкции 122 из сжатого состояния в расширенное состояние первый и второй элементы 132a, 132b угловой формы поворачивают относительно друг друга вокруг оси поворота таким образом, чтобы угол φ, образованный между первой расположенной под углом частью каждого из элементов 132a, 132b угловой формы, увеличивался. Базовый модуль 130' изображен пунктирными линиями в частично расширенном состоянии, в котором угол φ' > φ. Базовый модуль 130" изображен пунктирными линиями в полностью расширенном состоянии, в котором угол φ" > φ' > φ. Центральная ось поворота 133, 133', 133" базового модуля 130, 130', 130" проходит вдоль общей радиальной линии при трансформировании из сжатого состояния в расширенное состояние.
Во время такого трансформирования базовый модуль 130 остается шарнирно взаимосвязанным со смежными базовыми модулями с каждой стороны посредством его левых и правых осей поворота 142b, 144a, 142a, 144b. Внутренние и наружные оси поворота 142b, 144a, 142a, 144b поворачиваются относительно каждого из смежных базовых модулей таким образом, что внутренние и наружные оси поворота 142b, 144a и 142a, 144b стягиваются друг к другу во время хода расширения реверсивно расширяемой конструкции 122. При стягивании друг к другу внутренних и наружных осей поворота побуждают движение, подобное движению элементов ножниц, в смежных шарнирно соединенных базовых модулях, которое аналогичным образом передается к каждому из других модулей реверсивно расширяемой конструкции 122. Таким образом можно изменять конфигурацию реверсивно расширяемой конструкции 122, трансформируя ее из сжатого состояния в расширенное состояние и наоборот путем приведения в действие одного базового модуля 130.
Хотя первый и второй элементы 132a, 132b угловой формы изображены как прямолинейные распорки, имеющие одинаковую базовую угловую форму, в некоторых вариантах исполнения они могут иметь отличающиеся друг от друга формы. В общем, формы первой и второй распорок 132a, 132b угловой формы определяют форму реверсивно расширяемой конструкции 122. Посредством изменения соответствующих форм могут быть получены различные геометрические конструкции, например эллипсы, многоугольники и другие произвольные формы. В примерном варианте исполнения все базовые модули 130 реверсивно расширяемой конструкции идентичны. В некоторых вариантах исполнения один или большее число базовых модулей 130 могут отличаться по форме, но при этом элементы определяют общую форму реверсивно расширяемой конструкции 122. В некоторых вариантах исполнения один или большее число элементов угловой формы могут содержать плоский элемент, например многоугольник. Посредством включения плоских элементов реверсивно расширяемой конструкции 122 можно заполнять площадь вдоль кольцевой области, покрытой реверсивно расширяемой конструкцией 122. Эта заполненная область может быть использована для закрывания или блокирования отверстия.
Предпочтительно, чтобы каждый из элементов 132a, 132b угловой формы базового модуля 130 был по существу жестким. Использование жестких элементов 132a, 132b способствует передаче силы посредством реверсивно расширяемой конструкции 122a к внешнему телу. Использование жестких элементов 132a, 132b способствует также сохранению общей формы реверсивно расширяемой конструкции 122 во время трансформирования ее из сжатого состояния в расширенное состояние. Элементы угловой формы могут быть изготовлены из любого пригодного жесткого материала, например из металлов, сплавов, полимеров, композитов, керамики, стекла, древесины.
На Фиг. 4 изображена часть примерного варианта исполнения круглой реверсивно расширяемой конструкции 150. Реверсивно расширяемая конструкция 150 сформирована из замкнутого многозвенника из базовых модулей 152, имеет наружный периметр 151, определяемый круглой дугой таким образом, что соединенные базовые модули 152 при полном расширении вместе образуют непрерывный круглый наружный периметр, как это показано на чертеже. Каждый из базовых модулей 152 содержит пару по существу идентичных элементов 153a, 153b, соединенных около центральной оси поворота 155a, с помощью которой обеспечивают возможность движения элементов 153a, 153b, подобного движению элементов ножниц.
Реверсивно расширяемую конструкцию 150 можно трансформировать из сжатого состояния в расширенное состояние и наоборот посредством приводимого в действие зубчатого исполнительного механизма. В примерном варианте исполнения использовано два зубчатых колеса 156, 158 для приведения в действие устройства 150. Зубчатые колеса 156, 158 могут быть одинаковой или различной формы. В примерном варианте исполнения первое зубчатое колесо 156 больше второго зубчатого колеса 158. Первое и второе зубчатые колеса 156, 158 механически сопряжены друг с другом таким образом, что при вращении одного колеса побуждается вращение другого. Относительные угловые скорости двух зубчатых колес 156, 158 обратно пропорциональны их соответствующим диаметрам.
По меньшей мере, одно из зубчатых колес 156, 158 жестко соединено с одним из элементов 153a, 153b базового модуля 152. В примерном варианте исполнения первое зубчатое колесо 156 жестко соединено с одним из элементов 153a у его наружной оси поворота 155c. Таким образом, вращением первого зубчатого колеса 156 обеспечивают соответствующее вращение жестко соединенного с ним элемента 153a вокруг его оси поворота 155a. Второе зубчатое колесо 158 соединено с возможностью поворота, по меньшей мере, с другим элементом 153b базового модуля 152, которому предоставлена возможность свободного поворота. В примерном варианте исполнения второе зубчатое колесо 158 соединено с возможностью поворота с центральной осью поворота 155a элемента 153a базового модуля 152. Посредством поворота любого одного из зубчатых колес - первого 156 или второго 158 - прикладывают крутящий момент к первому элементу 153a относительно второго элемента 153b, понуждая элементы 153a, 153b к повороту относительно друг друга вокруг их центральной оси поворота 155a. Посредством связи базового приводимого в действие модуля 152 со смежными базовыми модулями, образующими замкнутую реверсивно расширяемую конструкцию 150, движение, подобное движению элементов ножниц, приведенного в действие базового модуля 152 вызывает сходное движение, подобное движению элементов ножниц, в каждом из других базовых модулей реверсивно расширяемой конструкции 150. Таким образом, приведением в действие одного из базовых модулей 152 с помощью зубчатого исполнительного механизма можно трансформировать реверсивно расширяемую конструкцию из ее сжатого состояния в расширенное состояние и наоборот.
Установкой первого относительно большого зубчатого колеса 156 на внешней оси поворота 155c обеспечивают максимальный зазор относительно внутреннего отверстия кольцевой реверсивно расширяемой конструкции 150, так как часть первого зубчатого колеса 156 расположена ближе к наружному периметру 151. Такая конфигурация, обладающая максимальным внутренним просветом, хорошо подходит для применений, в которых прикладывают силу вдоль внутреннего периметра 157. Альтернативный вариант исполнения подобной реверсивно расширяемой конструкции 170, представленный на Фиг. 5, содержит зубчатый исполнительный механизм, выполненный таким образом, чтобы обеспечивалась минимальная возможность возникновения помех на внешнем периметре. Такая конфигурация, обладающая минимальной возможностью возникновения внешних помех, хорошо подходит для применений, в которых силу прикладывают вдоль внешнего периметра 151.
В этом варианте исполнения второе относительно меньшее зубчатое колесо 178 соединено с возможностью поворота с одним элементом 153a базового модуля 152 у его центральной оси поворота 160. Первое большое зубчатое колесо 176 жестко закреплено на внутренней оси поворота 155b другого элемента 153b базового модуля 152. Вращением второго зубчатого колеса 178 относительно первого зубчатого колеса 176 побуждают относительный поворот элементов 153a, 153b базового модуля 152 вокруг центральной оси поворота 155a. Установка большого зубчатого колеса 176 на внутренней оси поворота 155b предпочтительна тогда, когда реверсивную конструкцию 170 предполагают использовать для внешнего нагружения. Таким образом, внешний периметр 151 реверсивно расширяемой конструкции 170 может быть приложен к внешней конструкции без возникновения помех от большого зубчатого колеса 176. Конечно, помехи также устраняют посредством выбора диаметров зубчатых колес 156, 158 (см. Фиг. 4), 176, 178 (см. Фиг. 5), а также ширины кольцевых элементов 153a, 153b.
В некоторых вариантах исполнения реверсивно расширяемая конструкция 170 содержит один или большее количество фиксирующих элементов 180. Фиксирующие элементы 180 можно использовать для фиксирования реверсивно расширяемой конструкции 170 в одной или большем числе конфигураций при трансформировании ее из расширенного состояния в сжатое состояние и наоборот для предотвращения дополнительного расширения или сжатия конструкции 170. В некоторых вариантах исполнения фиксирующий элемент 180 может быть использован для фиксации реверсивно расширяемой конструкции 170 в полностью расширенном состоянии. Альтернативно или в дополнение к этому фиксирующий элемент 180 может быть использован для фиксации реверсивно расширяемой конструкции 170 в полностью сжатом состоянии. В некоторых вариантах исполнения фиксирующий элемент 180 может быть использован для фиксации реверсивно расширяемой конструкции 170 в выбранном промежуточном состоянии в пределах между полностью расширенным состоянием и полностью сжатым состоянием.
В примерном варианте исполнения один или большее число элементов 153a, 153b угловой формы базового модуля содержат фиксирующую поверхность 182. Например, фиксирующая поверхность может содержать фиксирующую поверхность 182 вдоль одного конца первого элемента 153a угловой формы базового модуля 152. Отдельный фиксирующий элемент 180 расположен рядом с фиксирующей поверхностью 182 и выполнен таким образом, чтобы его можно было сопрягать с фиксирующей поверхностью 182. В примерном варианте исполнения фиксирующая поверхность 182 выполнена в виде поверхности храповика 182. Фиксирующий элемент содержит собачку 184, установленную для сопряжения с поверхностью храповика 182, с помощью которых обеспечивают возможность движения в одном направлении и предотвращения движения в противоположном направлении. Поверхность храповика 182 и собачка 184 могут быть выполнены в предпочтительном направлении для предотвращения сворачивания реверсивно расширяемой конструкции 170, в то же время обеспечивая возможность дальнейшего расширения, как это показано на чертеже. В альтернативном варианте исполнения поверхность храповика 182 и собачка 184 могут быть выполнены с противоположной направленностью для предотвращения дальнейшего расширения реверсивно расширяемой конструкции 170 и обеспечения возможности дальнейшего сжатия. В примерном варианте исполнения фиксирующий элемент 180 шарнирно соединен, по меньшей мере, с одним из элементов 174a, 174b угловой формы. В некоторых вариантах исполнения фиксирующий элемент 180 может быть отдельным компонентом, используемым для сопряжения с одним или большим числом элементов 153a, 153b угловой формы. Например, фиксирующий элемент может содержать палец или продолговатый жесткий элемент, который можно вставлять в отверстие в одном или большем числе элементов 153a, 153b угловой формы. Когда палец вставлен, дальнейшее вращение одного из элементов относительно другого предотвращается и таким образом фиксируется базовый модуль 172 в данном его состоянии разворачивания. Один фиксирующий элемент можно использовать для фиксации всей реверсивно расширяемой конструкции. В других вариантах исполнения используют больше одного фиксирующего элемента для обеспечения большей прочности. Например, соответствующий фиксирующий элемент может быть обеспечен для каждого из базовых модулей 152.
На Фиг. 6A и 6B изображен другой вариант исполнения реверсивно расширяемой конструкции 190, содержащей зубчатый исполнительный механизм. В этом варианте исполнения показано большое зубчатое колесо 196, неиспользуемая часть которого удалена, благодаря чему обеспечена ровная поверхность 199. Удаление неиспользуемой части большего зубчатого колеса 196 может быть полезным для обеспечения возможности полного расширения реверсивно расширяемой конструкции без того, чтобы какая-либо часть большого зубчатого колеса выходила за наружный периметр 191 реверсивно расширяемого устройства 190. Большое зубчатое колесо 196 может быть соединено с внутренними или наружными шарнирами, и при этом благодаря тому, что значительная часть зубчатого колеса 196 удалена, предотвращается возникновение помех. Такая обработка большего зубчатого колеса 196 позволяет использовать большие зубчатые колеса, имеющие диаметры больше тех, которые можно было бы использовать в иных условиях, чем достигаются большие преимущества в области механики устройства. В некоторых вариантах исполнения ровную поверхность 199 совмещают с внутренним периметром 197 для предотвращения возникновения помех вдоль внутреннего контура.
На Фиг. 7 изображен вид сверху одного варианта исполнения первой разворачиваемой конструкции 200' согласно настоящему изобретению в расширенном состоянии и вид подобной второй разворачиваемой конструкции 200" в сжатом состоянии. В некоторых вариантах исполнения реверсивно расширяемые конструкции 200', 200" (в общем, 200) выполнены таким образом, чтобы наружный диаметр в сжатом состоянии был меньше внутреннего диаметра в расширенном состоянии (т.е. OD1 < ID2 на Фиг. 1) таким образом, чтобы сжатую конструкцию 200" можно было пропускать полностью через внутреннее отверстие расширенной конструкции 200', как это показано на чертеже.
В некоторых вариантах исполнения используют линейный исполнительный механизм для сообщения крутящего момента для понуждения базовых модулей к повороту и понуждения к переходу реверсивно расширяемой конструкции из сжатого состояния в расширенное состояние и наоборот. На Фиг. 8A и 8B изображен примерный вариант исполнения, содержащий линейный исполнительный механизм 201. На чертеже показана часть реверсивно расширяемой конструкции, содержащая первый базовый модуль 206a, соединенный со вторым базовым модулем 206b. Наружная правая ось поворота 208b первого базового модуля 206a соединена с наружной левой осью поворота 208a второго базового модуля 206b. Аналогично этому внутренняя правая ось поворота 210a первого базового модуля 206a соединена с внутренней левой осью поворота 210b второго базового модуля 206b. Линейный исполнительный механизм 201 может быть расположен между наружной и внутренней точками 208, 210 поворота смежных базовых модулей 206a, 206b.
Линейный исполнительный механизм 201 содержит наружный конец 204, соединенный с наружной точкой поворота 208, и внутренний конец 202, соединенный с внутренней точкой поворота 210. Линейный исполнительный механизм 201 выполнен с возможностью варьирования длины согласно входному сигналу. Примерный линейный исполнительный механизм 201 показан в раздвинутом состоянии, при котором обеспечивается максимальное отдаление внутренней и внешней точек поворота 208, 210. Путем отдаления внутренней и внешней точек поворота 208, 210 смежных базовых модулей 206a, 206b примерную реверсивно расширяемую конструкцию трансформируют в сжатое состояние, как это показано на Фиг. 8A. Линейный исполнительный механизм 201 может быть переведен в сжатое состояние, как это показано на Фиг. 8B. При действии в противоположном направлении с помощью линейного исполнительного механизма 201 притягивают внутреннюю точку поворота 210 к внешней точке поворота 208. Путем притягивания внутренней и внешней точек поворота друг к другу реверсивно расширяемую конструкцию трансформируют в ее расширенное состояние.
Линейный исполнительный механизм 201 является регулируемым по длине устройством или устройством с изменяемой длиной. Такие устройства с изменяемой длиной могут быть механическими, электрическими, электромеханическими, гидравлическими или пневматическими. Например, линейный исполнительный механизм 201 может содержать поршень, приводимый пневматически или гидравлически в раздвинутое и сжатое состояния. В других вариантах исполнения линейный исполнительный механизм может содержать винтовой привод. Например, продолговатый резьбовой вал может быть расположен между точками поворота. Каждая из точек поворота может быть соединена с продолговатым резьбовым валом посредством гайки. Вращением резьбового вала понуждают к прямолинейному перемещению гаек вдоль длины вала согласно направлению вращения и направлению резьбы. В других вариантах исполнения прямолинейный исполнительный механизм содержит соленоидное устройство. Электрическим возбуждением катушки понуждают к прямолинейному перемещению стержня внутри катушки, таким образом обеспечивая выдвинутое и сжатое состояния в зависимости от возбуждения катушки. В некоторых вариантах исполнения линейный исполнительный механизм 201 содержит линейный двигатель, например силовой привод Лоренца. Позицию силового привода Лоренца можно задавать между выдвинутым и сжатым состояниями и выбираемым по длине положением в диапазоне между этими позициями в соответствии с сигналом возбуждения, подаваемым к катушке. В некоторых вариантах исполнения линейный исполнительный механизм 201 содержит материал с изменяемой фазой, например сплав с памятью формы. Линейный исполнительный механизм 201 может также содержать пьезоэлектрические устройства, предназначенные для изменения длины линейного исполнительного механизма 201.
На Фиг. 9A и 9B показан вращательный исполнительный механизм, соединенный с реверсивно расширяемым устройством 220 посредством ременной механической передачи 222. Вращательный исполнительный механизм соединен с ведущим шкивом 224. Ведомый шкив 226 соединен с реверсивно расширяемой конструкцией 220 таким образом, чтобы при вращении ведомого шкива 226 обеспечивался крутящий момент, под действием которого поворачивался бы базовый модуль реверсивно расширяемой конструкции 220. Сообщаемый крутящий момент может иметь любое направление, посредством которого обеспечивают расширение или сжатие реверсивно расширяемой конструкции 220. Ведущий шкив 224 соединен с ведомым шкивом 226 посредством приводного ремня 228.
На Фиг. 9A реверсивно расширяемая конструкция 220 показана в сжатом состоянии. При вращении с помощью вращательного исполнительного механизма ведущего шкива 224 в одном направлении ведомый шкив 226 вращается в том же направлении посредством приводного ремня 228. При вращении ведомого шкива 226 сообщается крутящий момент реверсивно расширяемой конструкции 220, посредством которого понуждают реверсивно расширяемую конструкцию 220 к переходу в расширенное состояние, как это показано на Фиг. 9B. В примерном варианте исполнения ведущий шкив 224 и ведомый шкив 226 совмещены вдоль радиуса реверсивно расширяемой конструкции 220. По мере увеличения радиального размера реверсивно расширяемой конструкции 220 ведомый шкив 226, присоединенный к реверсивно расширяемой конструкции 220, перемещается вдоль радиуса, как это показано на чертеже. Если ведущий шкив 224 удерживают в фиксированном положении относительно реверсивно расширяемой конструкции 220, то такое перемещение ведомого шкива 226 вдоль радиуса приводит к провисанию приводного ремня 228.
Для поддержания натяжения приводного ремня 228 обеспечивают натяжной шкив 230, взаимодействующий с приводным ремнем 228. Натяжной шкив смещен в перпендикулярном направлении относительно радиуса, соединяющего ведущий шкив 224 и ведомый шкив 222. Натяжной шкив 230 соединен с возможностью вращения с устройством 232 с регулируемой длиной. Устройство 232 с регулируемой длиной может содержать продолговатый элемент, один конец которого соединен с натяжным шкивом 230 с возможностью вращения, а противоположный конец этого элемента жестко закреплен относительно центральной точки реверсивно расширяемой конструкции 220. Когда реверсивно расширяемая конструкция 220 находится в сжатом состоянии, ведомый шкив 226 максимально отдален от ведущего шкива 224 вдоль радиуса. Устройство 232 с регулируемой длиной максимально выдвинуто таким образом, что натяжной шкив 230 располагается относительно близко к радиусу. Когда реверсивно расширяемую конструкцию 220 переводят в расширенное состояние, ведомый шкив 226 приближается к ведущему шкиву 224. Для поддержания натяжения ремня устройство 232 с регулируемой длиной переходит в состояние минимальной длины таким образом, чтобы с помощью натяжного шкива 230 выбрать провисание ремня 228. В некоторых вариантах исполнения устройство с регулируемой длиной содержит пружину. Альтернативно или в дополнение к этому, устройство с регулируемой длиной может быть поршневым устройством, которое может быть гидравлическим или пневматическим; ременным и винтовым приводом, соленоидом, линейным двигателем, может содержать материал с изменяемой фазой, например сплав с памятью формы, или может представлять собой сочетание одного или большего числа этих устройств. Хотя примерный вариант исполнения описан в конфигурации ременного привода, подобный исполнительный механизм может быть выполнен в виде цепного привода. Таким образом, шкивы 224, 226, 230 могут быть заменены на звездочки, а приводной ремень 228 может быть заменен на приводную цепь.
В некоторых вариантах исполнения (см. Фиг, 10A) приводимый в действие разворачиваемый комплекс 248 содержит реверсивно расширяемую конструкцию 260 и исполнительный механизм 250 с вращаемым диском. Исполнительный механизм 250 с вращаемым диском содержит первый диск 252, содержащий одну или большее число вращаемых трасс 254a, 254b, 254c (в общем, 254). Исполнительный механизм 250 с вращаемым диском также содержит второй диск 255, содержащий одну или большее число радиальных трасс 256a, 256b, 256c (в общем, 256). Перекрытие 258 одной или большего числа вращаемых трасс 254 соответствующих радиальных трасс 256 второго диска 255 имеет место тогда, когда первый и второй диски 252, 255 располагают рядом друг с другом.
Одна или большее число фиксированных точек реверсивно расширяемой конструкции 260 выполнены таким образом, чтобы их захватывали перекрытием 258. Вращением первого диска 252 относительно второго диска 255 обеспечивают управляемое перемещение каждого перекрытия 258 вдоль его соответствующей радиальной трассы 256. Получаемое в результате перемещение перекрытия 258 сообщают фиксированной точке реверсивно расширяемой конструкции 260. Перемещением фиксированной точки сообщают крутящий момент соответствующей базовой конструкции 262 реверсивно расширяемой конструкции 260. Таким образом, вращение первого диска 252 относительно второго диска 255 может быть использовано для управления трансформированием реверсивно расширяемой конструкции 260 из сжатого состояния в расширенное состояние и наоборот.
В приведенном для иллюстрации варианте исполнения, содержащем исполнительный механизм 250 с вращаемым диском, первый диск 252 содержит три спиральные трассы 254a, 254b, 254c правого направления, отстоящие друг от друга на 120°. Второй диск 255 содержит три радиальные трассы 256a, 256b, 256c, также отстоящие друг от друга на 120°. Длина радиальных трасс 256 может быть достаточной, чтобы она покрывала полное радиальное перемещение спиральных трасс 254. В некоторых вариантах исполнения спиральные трассы 254 выполнены в виде сквозных пазов, прорезанных с одной стороны диска 252 до другой. В других вариантах исполнения спиральные трассы 254 выполнены в виде канавок, сформированных вдоль поверхности первого диска 252, обращенной ко второму диску 255. Радиальные трассы 256 могут быть также выполнены в виде сквозных пазов, прорезанных с одной стороны до другой стороны второго диска. В общем, по меньшей мере, одна из спиральных трасс 254 и радиальных трасс 156 является сквозным отверстием, проходящим с одной стороны соответствующего диска до другой его стороны. Другая трасса из спиральных трасс 254 и другая трасса из радиальных трасс 156 может быть сквозным отверстием или канавкой.
В некоторых вариантах исполнения фиксированные точки реверсивно расширяемой конструкции 160, совмещенные с соответствующими перекрытиями 258, совпадают с точками поворота реверсивно расширяемой конструкции 260. Продолжение такой точки поворота может быть удлинено таким образом, чтобы оно проходило сквозь смежный радиальный паз 256 и заходило в соответствующий спиральный паз 254 в месте перекрытия 258. Когда реверсивно расширяемая конструкция расположена с противоположной стороны исполнительного механизма 148, продолжение такой точки поворота может быть удлинено таким образом, чтобы оно проходило сквозь смежный спиральный паз 154 и заходило в соответствующий радиальный паз. Таким образом, при вращении первого диска 252 относительно второго диска 255 перекрытие захватывается одной из точек поворота посредством выдвинутого соединения таким образом, чтобы точка поворота перемещалась в радиальном направлении. Таким образом, реверсивно расширяемая конструкция 260 может быть трансформирована из сжатого состояния в расширенное состояние и наоборот в зависимости от направления спирали (правого или левого) и направления относительного вращения дисков 252, 255.
На Фиг. 10B показан поперечный разрез по А-А (на Фиг. 10А) примерного комплекса, содержащего исполнительный механизм 250 с вращаемым диском. В примерном варианте исполнения первый диск 252 показан как основание второго диска 255, уложенного на его верхнюю поверхность. Реверсивно расширяемая конструкция 260 расположена вдоль противоположной поверхности второго диска 255 таким образом, чтобы второй диск 255 был проложен между реверсивно расширяемой конструкцией 260 и первым диском 252, как это показано на чертеже. Несколько соединений реверсивно расширяемой конструкции 260 представлено одним из соединений 259, содержащим продолжение, направленное к первому и второму дискам 252, 255. Продолжение пропущено через первый радиальный паз 256c и заходит в соответствующий первый спиральный паз 254a. Таким образом, ось поворота 259 реверсивно расширяемой конструкции 260 оказывается захваченной перекрытием радиальной трассы 256 и спиральной трассы 254.
В некоторых вариантах исполнения один из дисков снабжен отличительным признаком для способствования относительному вращению дисков 252, 255. В примерном варианте исполнения первый диск 252 содержит три ушка 261, которые можно использовать как несущие поверхности для вращения нижнего диска 255. В некоторых вариантах исполнения один из дисков жестко прикреплен к внешней конструкции. В других вариантах исполнения оба диска 252, 255 содержат ушки 261. Альтернативно или в дополнение к этому один или большее число дисков - первый и второй диски 252, 255 могут содержать зубчатую поверхность вдоль внешнего или внутреннего периметра. С зубчатой поверхностью может быть введено в зацепление другое зубчатое колесо, соединенное с двигателем, посредством которого сообщают крутящий момент для вращения, по меньшей мере, одного из дисков 252, 255.
На Фиг. 11 изображен второй диск 255, содержащий три радиальных паза 256a, 256b, 256c, идущих наружу от центральной части диска 255 и отстоящих друг от друга на 120°. В некоторых вариантах исполнения может быть выполнено различное количество радиальных пазов. Второй диск 255 предпочтительно сформирован из твердого материала для сохранения его формы во время действия и для обеспечения прямого радиального паза.
На Фиг. 12A изображен вариант исполнения первого диска 252, содержащего три правых спиральных паза 254a, 254b, 254c. Каждый спиральный паз 254 идет от первого радиуса вблизи центра диска 252 ко второму радиусу, приближающемуся к внешнему периметру диска, как это показано на чертеже. Конкретный спиральный паз 254 может быть определен в полярных координатах как функция угла относительно центра диска 252. В этом варианте исполнения весь спиральный паз 254 проходит в диапазоне угла поворота, составляющего 240°.
Второй вариант исполнения первого диска 252', показанный на Фиг. 12B, также содержит три спиральных паза 254a', 254b', 254c' (в общем, 254'). Каждый спиральный паз 254' также идет от первого радиуса вблизи центра диска 252' ко второму радиусу, приближающемуся к внешнему периметру диска 252'. Однако каждый спиральный паз 254' проходит в диапазоне угла поворота, составляющего приблизительно 570°. Конкретные формы спиральных пазов 254' могут быть определены в полярных координатах как функция угла, который может быть выбран в соответствии с конкретными условиями применения. В некоторых вариантах исполнения спирали соответствуют клину вращения и с их помощью обеспечивают механические преимущества, подобные достигаемым при использовании клина. Таким образом, спирали 254 варианта исполнения первого диска 252, показанного на Фиг. 12A, соответствуют клину, имеющему относительно большую крутизну, тогда как спирали второго варианта исполнения первого диска 252', показанные на Фиг. 12B, соответствуют клину, имеющему относительно пологую форму.
При вращении спиралями первого диска 252 толкают соединения вдоль радиальных пазов второго диска 255, разворачивая конструкцию. В некоторых вариантах исполнения второй диск 255 зафиксирован на месте, а первый диск 252 вращают. Крутящий момент прикладывают к первому диску 252 для сообщения ему вращательного движения. Исходя из принципа экономии энергии авторы считают, что скорость расширения разворачиваемого устройства должна быть обратно пропорциональна силе расширения F.
где отношение, написанное после θ, является отношением крутящего момента, приложенного к комплексу, к силе, приложенной к устройству. Это отношение является отношением умножения силы, которое может быть изменено путем изменения формы пазов первого вращаемого диска 252. Например, с помощью вращаемого диска с пазами, длина которых в несколько раз больше радиуса диска, можно создавать большую силу расширения, но при этом потребуется произвести множество оборотов диска для полного расширения устройства. Трасса в виде паза, выраженная в полярных координатах, определяется формулой r = f(θ). Производная от радиуса трассы по θ также представляет собой коэффициент умножения крутящего момента. Диск, с помощью которого создают постоянный коэффициент умножения силы независимо от диаметра расширения, содержит пазы, определяемые уравнением r = а θ.
На Фиг. 13 изображен вид в плане примерного исполнительного механизма 250 с вращаемым диском. Второй диск 255 располагают на первом диске 252, обеспечивая концентричное совмещение. На чертежах показаны перекрестия в областях перекрытий 258a', 258a", 258b', 258b", 258c', 258c" (в общем, 258) вращаемых трасс 254 и радиальных трасс 256. Продолжение соответствующей одной из осей поворота 259a, 259b, 259c (в общем, 259) реверсивно расширяемой конструкции 260 показано расположенным в каждом из внутренних перекрестий в областях перекрытий 258 каждой радиальной трассы 256. При вращении второго диска 255 относительно первого диска 252 в направлении показанного угла V происходит перемещение перекрестий в областях перекрытий 258 наружу от центров дисков вдоль радиальных трасс 256. При таком движении наружу при перекрещивании 258 имеет место приложение силы, направленной наружу, к продолжению 259 оси поворота, захваченному перекрестием 258 в области перекрытия. Соответствующая направленная наружу сила прикладывается к каждому из продолжений осей поворота, находящемуся в перекрестии 258 в области перекрытия, посредством которых, в свою очередь, приводят в действие разворачиваемую конструкцию 260 (не показана). Например, с помощью направленной наружу силы трансформируют реверсивно расширяемую конструкцию 260 из сжатого состояния в расширенное состояние. Это действие представляет собой так называемый «ход расширения», посредством которого, в свою очередь, можно прикладывать силу с помощью расширяемой конструкции 260 для выполнения работы.
На Фиг. 13B, 13C и 13D изображено три различных положения при вращении первого и второго дисков 255, 252 относительно друг друга, а также показаны перекрестия в областях перекрытия 258 и ориентация каждого. Например, Фиг. 13B может представлять сжатую конфигурацию, в которой перекрестия в областях перекрытия 259 расположены на минимальном радиусе во внутренних перекрестиях в областях перекрытия 258' относительно дисков 255, 252. Фиг. 13C представляет частично расширенную конфигурацию после поворота на угол θ1, где внутренние перекрестия в области перекрытий 258' расположены на полпути вдоль радиальных трасс 256. Фиг. 13D представляет полностью расширенную конфигурацию после поворота на угол θ2, где внутренние перекрестия в области перекрытий 258' расположены на максимальном расстоянии вдоль радиальных трасс 256.
На Фиг. 14A показан примерный вариант исполнения реверсивно приводимой в действие расширяемой конструкции 280, содержащей реверсивно расширяемый замкнутый механический многозвенник, содержащий исполнительный механизм 282 рычажного типа. В этом варианте исполнения пара рычагов 284a, 284b (в общем, 284) включена, по меньшей мере, в один из базовых модулей 281. Например, рычаги 284 могут быть сформированы из продолжений элементов угловой формы базового модуля 281. Как это показано в данном примере, рычаги 284 выступают наружу от наружных точек поворота 286a, 286b базового модуля 281. Крутящий момент, прикладываемый к рычагам 284, непосредственно передается к элементам угловой формы базового модуля 281, понуждая их к повороту вокруг центральной оси поворота 285. Концы рычагов можно, прикладывая силу, приближать друг к другу, переводя базовый модуль 281 в сжатую конфигурацию. Благодаря взаимному соединению данного базового модуля с другими базовыми модулями реверсивно расширяемой конструкции 283 понуждают саму конструкцию 283 к переходу в сжатое состояние. Прикладывая действующий направленный крутящий момент, понуждающий концы рычагов к отдалению друг от друга, переводят базовый модуль 281 в расширенную конфигурацию, таким образом понуждая реверсивно расширяемую конструкцию 283 к переходу в ее расширенное состояние. При расположении рычагов снаружи от реверсивно расширяемой конструкции такая конструкция лучше подходит для приложения силы внутри конструкции. Приведение в действие рычагов можно выполнять вручную или предпочтительно с помощью устройства с регулируемой длиной, например с помощью любого из линейных исполнительных механизмов 201, описанных со ссылками на Фиг. 8A и 8B.
На Фиг. 14B изображена альтернативная конфигурация реверсивно приводимой в действие расширяемой конструкции 290, содержащей реверсивно расширяемый замкнутый механический многозвенник 293, содержащий исполнительный механизм 292 рычажного типа. Исполнительный механизм 292 рычажного типа также содержит продолжения рычагов 294a, 294b (в общем, 294), которые выступают внутрь от внутренних осей поворота 296a, 296b вдоль каждого из элементов угловой формы базового модуля 291. Приложением крутящего момента, посредством которого понуждают концы рычагов 294 к сближению, переводят реверсивно расширяемую конструкцию 293 в сжатое состояние, тогда как понуждая концы рычагов 294 к отдалению друг от друга, переводят реверсивно расширяемую конструкцию 293 в расширенное состояние. Такие конфигурации с рычагами 294, расположенными вдоль внутренних частей реверсивно расширяемой конструкции 293, хорошо подходят для применений, в которых сила должна быть приложена вдоль внешнего периметра реверсивно расширяемой конструкции 293. Важно заметить, что в любой из конфигураций исполнительных механизмов 284, 294 рычажного типа ось поворота 285, 295 приводимого в действие базового модуля 281, 291 перемещается вдоль радиуса относительно центра реверсивно расширяемой конструкции 283, 293. Такое приведение в действие может быть пригодным для применений, в которых реверсивно расширяемая конструкция 283, 293 должна оставаться в фиксированном положении относительно заданного центра. По меньшей мере, один или оба из исполнительных механизмов 284, 294 рычажного типа и реверсивно расширяемая конструкция 283, 293 обладают тенденцией к перемещению во время приведения в действие. Для удерживания расширяемой конструкции в фиксированном положении ось поворота исполнительных механизмов 284, 294 рычажного типа должна обладать возможностью перемещения вдоль радиуса в соответствии со скоростью расширения или сжатия реверсивно расширяемой конструкции 283, 293.
Существует, по меньшей мере, один класс многозвенников c внешними звеньями, выполненными таким образом, чтобы с их помощью можно было преобразовывать вращательное движение в прямолинейное движение, называемых механизмами Поселье-Липкина. На Фиг. 15A изображен примерный вариант исполнения приводимого в действие комплекса 300 разворачиваемой конструкции, содержащего реверсивно расширяемую конструкцию 302, соединенную с внешним приводимым в действие многозвенником 304 типа многозвенника Поселье-Липкина. Приводимый в действие многозвенник 304 содержит фиксированное базовое звено 306, отделяющее две точки поворота 308a, 308b, и шарнирный многозвенник, состоящий из семи жестких звеньев. Четыре звена 310a, 310b, 310c, 310d (в общем, 310) одинаковой длины соединены в параллелограмм, который можно поворачивать относительно его углов. Один угол присоединен к реверсивно расширяемому устройству 302, например у одной из его внутренних точек поворота. Два других звена 312a, 312b (в общем, 312) одинаковой длины соединены (каждое) одним концом с первой точкой поворота 308a базового звена 306, а противоположным концом соединены с противоположными углами параллелограмма 310. Седьмое звено 314 соединено с четвертым углом параллелограмма 310 и второй точкой поворота 308b базового звена 306. Углы параллелограмма 310, соединенные с седьмым звеном 314 реверсивно расширяемой конструкции 302 могут рассматриваться как радиальные углы, так как они лежат на радиусе расширяемой конструкции 302. Другие два угла параллелограмма 310 могут быть названы тангенциальными углами.
Поворотом седьмого звена 314 вокруг второй точки поворота 308b понуждают к перемещению присоединенного радиального угла параллелограмма 310 к центру реверсивно расширяемой конструкции 302. Так как базовое звено 306 зафиксировано относительно реверсивно расширяемой конструкции 302, а тангенциальные углы параллелограмма 310 шарнирно соединены с первой осью поворота 308a, то противоположный радиальный угол параллелограмма 310 оттягивается радиально наружу от центра реверсивно расширяемой конструкции 302. Таким образом, поворот седьмого звена 314 вокруг его оси поворота 308b приводит к прямолинейному перемещению внутреннего радиального угла вдоль радиуса реверсивно расширяемой конструкции 302. Благоприятно то, что реверсивно расширяемая конструкция остается центрированной относительно той же самой точки во время трансформирования из расширенного состояния в сжатое состояние и наоборот. На Фиг. 15B показан приводимый в действие комплекс 300 разворачиваемой конструкции в расширенном состоянии.
Базовое звено приводимого в действие многозвенника 304 типа многозвенника Поселье-Липкина располагают с внешней стороны реверсивно расширяемой конструкции 302 в случаях применения, в которых внутренний периметр реверсивно расширяемой конструкции 302 используют для приложения силы. На Фиг. 16A и 16B соответственно изображена плоская диаграмма приводимого в действие комплекса 320 разворачиваемой конструкции, содержащего реверсивно расширяемую конструкцию 322, соединенную с внутренним приводимым в действие многозвенником 324 типа многозвенника Поселье-Липкина. Приводимый в действие многозвенник 324 содержит фиксированное базовое звено 326, отделяющее две точки поворота 328a, 328b, и шарнирный многозвенник, состоящий из семи жестких звеньев 330a, 330b, 330c, 330d (в общем, 330), 332a, 332b (в общем, 332) и 334, где последнее звено выполнено подобно внешнему приводимому в действие звену 304. В некоторых вариантах исполнения весь приводимый в действие многозвенник 324 расположен внутри периметра 323 реверсивно расширяемого устройства 322 в его сжатом состоянии (см. Фиг. 16A), в его расширенном состоянии (см. Фиг. 16B) и в любом состоянии между указанными состояниями. Следовательно, базовое звено 326 приводимого в действие многозвенника 324 типа многозвенника Поселье-Липкина располагают внутри реверсивно расширяемой конструкции 322 в случаях применения, в которых внешний периметр 323 реверсивно расширяемой конструкции 322 используют для приложения силы.
На Фиг. 17A и 17B соответственно изображены виды в плане другого варианта исполнения приводимого в действие комплекса 350 разворачиваемой конструкции, содержащего сложенный механический многозвенник 352 из элементов угловой формы, снабженный внешним податливым слоем 354. В некоторых вариантах исполнения податливый слой 354 выполнен в виде рукава плотно сопряженного с периметром полностью расширенного механического многозвенника 352. Податливый слой 354 расположен вокруг внешнего периметра реверсивно расширяемого многозвенника 352, как это показано на чертежах. Такая конфигурация особенно пригодна, когда с помощью конструкции 350 передают силу к другому телу, используя внешний периметр конструкции. Податливый слой можно использовать для защиты в качестве буфера во время действия. Альтернативно или в дополнение к этому податливый слой можно использовать для приспособления периметра конструкции 350 к взаимодействию со смежной поверхностью в развернутом состоянии. Например, податливая поверхность вдоль внешнего периметра может быть использована для приспособления к внутреннему периметру цилиндрического пространства, в котором разворачивают устройство 350. Такое разворачивание может включать уплотнение части скважины.
Податливый слой 354 или рукав можно удерживать в этом положении посредством фрикционного сопряжения. Альтернативно или в дополнение к этому податливый слой 354 может быть прикреплен к реверсивно расширяемому многозвеннику с помощью механических крепежных средств, например винтов, зажимов или скрепок, химических крепежных средств, например адгезивов, или клеев или путем сочетания двух или большего числа из этих крепежных средств. В некоторых вариантах исполнения податливый слой может быть расположен у внутреннего периметра реверсивно расширяемого многозвенника. Это особенно полезно, когда посредством конструкции 350 передают силу к другому телу, используя его внутренний периметр.
Податливый слой 354 может быть непрерывным слоем, который может быть выполнен как непрерывный рукав из податливого материала. Податливый слой может быть прерывистым слоем, который может быть выполнен в виде сегментов, расположенных около выбранных поверхностей по периметру одного или большего числа базовых модулей реверсивно расширяемой конструкции 352. Например, податливый слой может быть сформирован с использованием податливых прокладок, присоединенных, по меньшей мере, к одной из поверхностей внутреннего или внешнего периметра, по меньшей мере, некоторых из базовых модулей реверсивно расширяемой конструкции 352. Если прикрепляют ко всем внутренним поверхностям или ко всем внешним поверхностям всех базовых конструкций реверсивно расширяемой конструкции 352, то может быть получен ровный непрерывный податливый слой, трансформированный, по меньшей мере, в одно из состояний - сжатое состояние или расширенное состояние.
Податливый материал может быть сформирован из одного или большего числа полимеров, резины, эластомеров или вспененных материалов. В некоторых вариантах исполнения податливый слой 354 содержит более одного слоя податливых материалов. Например, двухслойное устройство содержит два смежных податливых слоя, которые могут обладать одинаковыми или различными податливыми свойствами. В некоторых вариантах исполнения первый податливый слой является относительно плотным, благодаря чему может быть обеспечена грубая пригонка, тогда как второй слой является относительно менее плотным, благодаря чему может быть обеспечен качественный слой. Качественный слой может быть расположен около одного из компонентов - реверсивно расширяемой конструкции или внешнего тела в зависимости от того, какая из поверхностей требует более качественного уплотнения.
Комплексы разворачиваемых конструкций, описанные в настоящем документе, можно использовать в широком ряде разнообразных областей применения, включающих бурение и оборудование скважин. По меньшей мере, некоторые из этих применений, относящихся к бурению и оборудованию скважин, включают транспортирование материала наружу в радиальном направлении в обсадную колонну или в необсаженный ствол скважины. Комплексы могут быть также использованы как часть роботизированного модуля для транспортирования или медленного продвижения внутри цилиндрических пространств, например в обсадных колоннах или необсаженных стволах скважин.
Хотя данное изобретение в основном показано и описано со ссылками на предпочтительные варианты его исполнения, специалисту в данной области техники должно быть понятно, что в форму и детали изобретения могут быть внесены различные изменения без отступления от объема изобретения, охватываемого прилагаемой формулой изобретения.