離散點系吻合滾動結構的製作方法
2023-05-08 10:53:16
專利名稱：離散點系吻合滾動結構的製作方法
本申請涉及一種由兩個元件組成的特殊的傳動裝置即機構(如國際分類F16H35/00)，也可理解為一種特殊的運動副即某種意義上的軸承(如國際分類F16C 32/00)。
在一般的由兩個元件組成的機構中，或在一般的軸承中，兩個元件保持一定的轉動、直移或轉動加直移的關係，或至少是某種確定的連續運動關係。本申請所涉及的結構使兩個離散的點陣元件在變換接觸點的情況下具有一種特殊的空間多向滾動關係。它可以應用於玩具(如國際分類A63H 33/00)、遊戲用具(如國際分類A63F 7/00)、運動器具(如國際分類A63B 19/00或26/00或71/00)、雜技道具(如國際分類A63J 3/00或7/00)、顯示及廣告器具(如國際分類G09F 19/02)等範圍廣泛的不同領域，可獲得趣味感及驚奇感，有力地吸引觀察者的視線。
本申請的目的是提供一種特殊的離散點系吻合滾動結構。它的一個運動元件在一個基底元件上運動。兩元件都只有有限個離散的點可以組成互相接觸的點偶，在運動過程中必須使兩元件上將要互相接觸的點偶互相對準，方能使運動正常地順利進行。它在形象上類似於中國武術的「走梅花樁」。在梅花樁上，練武人的腳必須踩準樁的端部，才能避免失足摔落。本滾動結構的運動元件與梅花樁上的練武人不同的是，練武人的腳相對於人的主體是可動的，而本滾動結構的運動元件上的若干支「腳」(即下述「吻點」)是固定地布置在運動元件上的。
本申請的目的還包括提供一種玩具和遊戲用品，它有兩個基本元件，作特殊相對滾動。
本申請的目的還包括提供特殊的與「虎伏」相似的器具，用於鍛鍊或雜技表演。它不同於普通的虎伏，不是在平地上滾動，而是在「梅花樁」式的垂直杆陣列或吻點陣列上滾動。
本申請的目的還包括提供一種顯示或廣告的載體(媒體)，它的運動元件可以自動地進行特殊的滾動運動。
本申請目的還包括提供上述運動元件的一種結構，適用於大尺寸元件，在點陣幾何位置尺寸不變的情況下可以減少結構的質量。
為了實現上述目的，本申請採用的運動元件有若干個輪廓為凹窩形的吻點位於一個稜長為a的正二十面體的頂點處；基底元件有若干個輪廓為凸球形的吻點位於一個由眾多邊長為a的正三角形組成的平面網格的格點處；運動元件與基底元件的吻點輪廓也可作相反的安排，即運動元件吻點為凸，基底元件吻點為凹；凸的吻點與凹的吻點互相接觸時，可以限制相對的切向(平行於網格平面)運動，而不限制法向(垂直於網格平面)分離運動。
運動元件的吻點與基底元件的吻點互相接觸稱為吻合，有三種可能的吻合狀態1、運動元件上位於正二十面體某一個面三角形的三個頂點處的三個吻點與基底元件上位於某一三角形的三個頂點處的三個吻點分別吻合，這種三對吻點的吻合也可看作所對應的一對三角形的吻合，稱為穩定吻合狀態；2、運動元件上兩個相鄰吻點與基底元件上兩個相鄰吻點分別吻合，這時，兩元件可繞兩吻點連線相對擺動，這種兩對吻點的吻合，也可看作對應的吻點連線的吻合，稱為半穩定吻合狀態；3、運動元件的一個吻點與基底元件的一個吻點吻合，稱為不穩定吻合狀態。兩元件從一個穩定吻合狀態出發，經過一個半穩定吻合狀態，可以可靠地達到另一穩定吻合狀態，而不會發生運動元件與基底元件脫離吻合關係的情況。一連串穩定狀態與半穩定狀態交替相接續(穩定—半穩定—穩定—半穩定—……—穩定)稱為一個吻合滾動過程。如果其間由於某種原因發生持續時間過長的不穩定吻合狀態，則兩元件不能絕對保證相關吻點能互相對準並吻合，從而使吻合滾動過程不能順利進行。如果不穩定吻合狀態存在的時間十分短暫，則吻合滾動過程基本上順利進行，瞬間的不穩定狀態只是一種不重要的擾動。
為了實現上述目的，本申請建議在多數實際應用中採用帶徑向杆陣列的運動元件及帶垂直杆陣列的基底元件。各徑向杆位於上述正二十面體形體中心與頂點的連線上，各垂直杆位於網格格點處網格平面的法線上。徑向杆的外端及垂直杆的上端布置吻點輪廓。細長的杆件有助於產生趣味感、驚奇感及視覺吸引力。
為了實現上述目的，本申請還提出運動元件可以用薄壁直管和繩索組成，適用於大尺寸結構。
以下結合附圖對本申請作進一步詳細說明。
圖1、正二十面體示意圖2A、2B及2C、正三角形平面網格示意圖3A、本申請的第一個實施例圖3B、圖3之A-A俯視4、運動元件結構之一例圖5、吻點輪廓形狀之一例圖6A、本申請的第二個實施例圖6B、圖6A之OCM面剖視圖6C、圖6B之K向視6D、6E導軌截面形狀的其他例圖6F、第二個實施例的變型圖7、本申請的第三個實施例圖1示出運動元件的幾何基礎，即一個正二十面體11(以下有時簡稱為「多面體」)，它有12個頂點A、B、…、K、L，故最多可布置12個吻點；有一形心O；有20個正三角形面，如ABC、FGK等；有30個長度相等的稜邊，長度為a，如AB、BC、FG、KJ等。
圖2A、2B、2C示出基底元件的幾何基礎，即一個由邊長為a的正三角形組成的平面網格。運動元件在基底元件上作吻合滾動，對應於正二十面體的一些面三角形先後與基底網格的一些三角形先後吻合，例如，圖1運動元件上的△ABC與圖2A基底元件的三角形1吻合時是一個穩定吻合狀態；運動元件繞BC線擺動是一個半穩定吻合狀態，過渡到圖1△BCH與圖2A三角形2對齊，是又一個穩定狀態；圖2A標出了△ABC及△BCH的頂點A、B、C、H的落點位置。依此類推，產生一個吻合滾動過程，圖上三角形序列1、2、3…可視作運動元件的一些面三角形在基底元件上留下的「軌跡」。顯然，可以有多種多樣可能的軌跡形狀。其中，圖2A三角形序列1、2、3、4、5、6是一種最緊湊的環形軌跡，這時有6個三角形組成一個6邊形；圖2B三角形1、2、3…連續到12，是一種稍大一些的環形軌跡，這時有12個三角形組成一個中空的中心對稱的6邊形，圖中網格交點處的字母A1、B1、C1、A2、B2等的意義見後面說明；圖2C三角形序列1、2、3……至7是一個直線前進軌跡，加上三角形8至14則是180°轉彎返回。
請注意，吻合滾動運動的運動狀態是相當複雜的。例如，上述直線軌跡行進運動似乎比較簡單，其實它的運動過程中擺動運動所繞的軸線方向並不與軌跡方向正交，而是左偏30°、右偏30°、再左偏30°、再右偏30°，……。這樣的擺動，接續起來，是運動元件在前進中不斷左右搖晃，甚至產生某種跳動感。梅花樁和左右晃，是本結構產生趣味性的兩個重要因素，
圖3A及3B示出本申請的第一個實施例。它是一個玩具或遊戲器具。它有運動元件31及基底元件即垂直杆陣列32。運動元件31有若干徑向杆，其結構參見下文說明。基底元件有若干垂直杆組成陣列32，布置在平面三角形網格交點36處。圖示垂直杆有61個，排列在六邊形區域內，實際實施時杆的數量及排列區域形狀可以變通。垂直杆裝在底盤33上，周邊有壁34，其間有空隔37。徑向杆及垂直杆端部有吻點輪廓，其形狀參見下文說明。圖3A及3B結構可採用塑料、金屬、木材等工程常用材料製成，要求有足夠的強度與剛度，能保持形狀尺寸的穩定。作為玩具和遊戲器具，可以有提高裝飾性、趣味性的附加結構及表面塗復。
圖4示出運動元件的結構之一例。該結構有12個徑向杆41，位於正二十面體形心與各頂點的連線處；杆41內端會聚連接於核心結構42處，外端43處即圖3之35處有吻點輪廓。各杆鄰近外端處有張緊的繩索44，當元件尺寸不大時不必採用繩索結構，例如圖3實施例中的運動元件可以無繩索。各杆41及核心結構42的細節形狀尺寸按強度及剛度進行選擇。結構可以用塑料製成，如圖3A及3B玩具的運動元件。它也可以用薄壁金屬管材製作杆件，用其他金屬材料製作中心結構及吻點結構，用鋼絲繩作張緊繩索，利用薄壁直管較強的抗壓能力及鋼絲繩較強的抗拉能力，可以使大尺寸(如杆長1米至5米甚至更大)的運動元件具有很小的質量和相當大的吻點承載能力。
圖5示出吻點輪廓形狀之一例。基底元件的一個吻點結構51的輪廓為一凸球面；運動元件的一個吻點結構52的輪廓為一凹球面，其周邊為光滑連接的凹錐面。在兩吻點互相接觸時，基底元件吻點處平面法線L1與運動元件吻點處徑向射線(即正二十面體形心與頂點連線)L2之間在各種可能的相對運動狀態下的最大夾角為37.5°，圖中示出L1的兩極限位置間的夾角為75°。因此，凹錐面的半錐角應不小於37.5°，以免發生運動幹涉。在實施時，兩元件吻點輪廓的凹凸方向也可作相反的安排，即，運動元件吻點取凸形，基底元件吻點取凹形。請注意，圖5在繪製時為了使圖面清晰，採取運動元件不動而基底元件作相對運動的畫法，而人們在一般情況下容易習慣於認為基底元件「不動」而運動元件相對運動。此外，吻點輪廓顯然還可以有其他可供選擇的形狀，如凸輪廓為凸錐面，凹輪廓為圓環面，同樣具有限制切向移動而不限制法向分離運動的功能(但運動精度稍低)。
在了解了圖3A及3B第一個實施例的結構、圖4運動元件的結構及圖5吻點輪廓後，就可以更清楚地理解上文所述運動元件與基底元件的一般運動關係和種種不同的運動狀態，從而可以理解圖3A及3B玩具或遊戲器具的如下玩耍過程手握底盤33，將運動元件31置於其垂直杆陣列32上，具有一個穩定吻合狀態，然後晃動底盤，使運動元件脫離該穩定位置，進行吻合滾動。滾動時的動力學效應常常使運動元件具有持續時間長短不等的不穩定吻合狀態，有時可能使應對準的凸凹吻點位置相錯而使運動元件從「梅花樁」上摔下。玩耍者要防止這種情況，還要防止運動元件超出垂直杆陣列區域滾入空隔區37，所以有一定難度，從而誘發興趣。
圖3A及3B實施例可以有各種變型設計，如，基底元件無垂直杆，即取消垂直杆陣列，在底盤表面上直接布置吻點；又如，運動元件無徑向杆，令運動元件為球形或多面體形，在其表面上直接布置吻點；再如，作為遊戲用具時，可以令運動元件整體或局部採用鋼鐵材料製成，在底盤上散布若干接近開關，運動元件到達各開關時，開關感應通過電路計分(具體設計不屬於本申請內容)，可以在遊戲時提供勝負評價手段。
圖6A、6B、6C示出本申請的第二個實施例，它有一個沿封閉曲線運動的重錘，使運動元件可以無人操作自行滾動，可用作顯示及廣告的媒體(載體)。圖6A上部為運動元件61，下部為基底元件即垂直杆陣列62。運動元件61內部有封閉曲線導軌64，其上懸掛由驅動機構65組成的重錘。運動元件61的主體63上向外伸出8個短徑向杆A、B、C、…H，各杆外端有吻點輪廓，吻點位置與圖1多面體頂點A、B、C、…H相對應。在下文文字中，在不會引起誤會的情況下，對於杆A、B、C、…H與頂點A、B、C、…H不作區分，以便降低圖6A文字標註的繁雜。垂直杆陣列62有12個垂直杆66，其布置位置相當於圖2B網格中13個三角形0、1、2、………到12區域上的12個頂點處。
從圖6A所示位置出發，運動元件可以通過吻合滾動在圖2A網格上產生由12個三角形1、2、3、……至12依序組成的軌跡。在此滾動過程中，圖1多面體的8個稜邊AC、AD、AE、AF、BF、BG、BH、BC依序成為半穩定吻合狀態下的擺動軸線，8個面三角形ABC、ACD、ADE、AEF、AFB、BFG、BGH、BHC依序與上述12個三角形1、2、3……至12吻合。
導軌64分別通過上述8個面三角形ABC、ACD……及BHC的中部上方(以O點為上)。以面三角形ABC為例，它的中線CM(見圖6A)與多面體形心O可組成三角形OCM，導軌64穿過三角形OCM剖面處的位置在中線CM中點的上方。因此，重錘即驅動機構65沿導軌運動時，其質量m1的質心通過各面三角形ABC、ACD、……及BHC的中部上方。導軌64藉助若干梁68(見圖6B)固定於運動元件的主體63。主體63的表面可以是球面形狀或其他形狀，可以用作顯示或廣告的畫面載體。運動元件61除驅動機構65以外的質量m2應儘量小，最好m1＞2m2。質量m2的質心應儘量靠近多面體的形心O。
當重錘即驅動機構65的質心隨機構運動到多面體某一個面三角形例如ABC中部上方時，按靜力學的觀點看，運動元件的總質量(m1+m2)的質心正位於該面三角形中部上方，比m1質心稍高一些的位置。該面三角形可以與一個網格三角形吻合，在重力作用下運動元件達到穩定狀態。在驅動機構65從圖6A位置出發沿導軌順時針運動一周的過程中，運動元件質量(m1+m2)的質心位置連續變動，它的上述8個面三角形ABC、ACD等依序進入穩定吻合狀態，在平面網格上留下軌跡三角形1、2、3、……8。在機構65繼續沿導軌運動半周的過程中，運動元件的4個三角形ABC、ACD、ADE、及AEF繼續依序第二次進入穩定吻合狀態，留下軌跡三角形9、10、11、及12，在平面網格上完成一個滾動循環。圖2B網格交點上標註了前一周及後續半周運動元件各吻點的落點位置A1、B1、C1、D1、E1、F1、G1、H1、B2、C2、A2、D2、E2、及F2。如此，驅動機構每運行1周半，運動元件完成一個滾動循環。
如果質量m1與m2的大小比例或質心位置不理想，引起吻合運動不順利時，可通過添加配重來改進。在這種情況下，也可以採用一種變型設計，在各徑向杆A、B、C、……H上各安裝一個電磁鐵，在導軌上安裝8個行程開關，在驅動機構65越過某一擺動軸線後，對應位置的行程開關令該擺動軸線所在的兩徑向杆的電磁鐵充電，使之產生與對應垂直杆間的吸引力，防止對應的兩對吻合點偶產生法向分離運動，使吻合滾動順利進行。
圖6B及6C示出了重錘即驅動機構65的基本結構。它由電動機65a經減速器65b及鏈條傳動65c驅動小車輪65d轉動，使整個機構沿導軌64行進。小車輪65e是一個空轉輪，只起懸掛作用。電動機65a及電磁鐵可以用電瓶或電池驅動，電瓶或電池裝在驅動機構上；也可以通過電纜和常規的旋轉接頭用交流電驅動，電纜向外引向交流電源，旋轉接頭可以避免電纜扭繞破壞。
圖6D及6E示出導軌64的其他截面形狀舉例。導軌64』及64」為圓管及工字型材，驅動小車輪65d』及65d」為錐面輪，與圖6B相比增加了空轉小車輪65f。圖6D圓管通過短杆69與梁68連接。
圖6F示出本由請第二個實施例的一種變型。它的結構及用途與圖6A相似，但用封閉曲面替換封閉曲線。其運動元件的主體63』有球形內表面，在內表面上對應於各個吻點及徑向杆A、B、……處設置圓柱形止擋面A』、B』……，而其重錘是電動的遇阻自動換向的小車65』，小車結構與常見玩具相同，不屬於本專利的內容。小車65』在內球面上運動，觸及止擋面A』、B』…時自動換向，從而使重錘不會運動到鄰近吻點及徑向杆的區域，只能在對應於各面三角形中部及各稜中部的區域運動。此外，垂直杆陣列周邊設置攔杆之類的止擋Q，運動元件觸及止擋Q時停止滾動。這時小車65』若繼續向前運動，到達球面陡度很大處阻力超限，小車將自動換向。
本申請的第二個實施例也可以有變型，如採用無徑向杆的運動元件及無垂直植的基底元件。
圖7示出本申請的第三個實施例，它是一個特殊的虎伏型運動器具或雜技表演道具。它的運動元件70有徑向杆71，其外端有吻點輪廓，它有若干個連接杆72，其形狀便於運動者或雜技表演者攀握蹬踩，與常規虎伏的結構相似。在連接杆72上還可增加便於攀握蹬踩的其他結構如手柄，踏板等。它的連接杆區域內部空間直徑D按運動及表演需要確定，可以考慮D為1.5至2.0米或其他尺寸。地上布置垂直杆陣列73，杆的長度及數量根據需要確定，圖7為了簡略，只繪出3桿。較短的垂直杆有利於安全，但降低趣味性。其實，由於垂直杆杆間距離較大，運動員不難避免使身體位於垂直杆的上方，因而危險性並不大。為了便於器具的存放及運輸，垂直杆陣列71最好採用可拆、可摺疊的結構，具體的結構形式不屬於本申請的內容。尺寸較大的運動元件也可採用可拆、可摺疊結構。運動者及表演者改變在運動元件上的體態及位置，可以改變身體的質心位置及動力學狀態，從而改變運動元件70在垂直杆陣列73上的吻合狀態及運動狀態。雜技演員可以利用身體平衡技巧，控制運動元件70在較長時間裡保持兩吻點甚至單吻點與垂直杆73吻合的狀態，作出各種不同難度的動作。
作為運動器具，不同於雜質道具需要突出驚奇感，其運動元件及基底元件可考慮簡化變型，取消徑向杆及垂直杆的結構。特別是取消垂直杆，既可提高安全性，又可便於簡化可拆及可拆疊的結構。
權利要求
1.一種離散點系吻合滾動結構，由一個運動元件及一個基底元件組成，其特徵在於該運動元件有若干個離散的吻點位於一個稜長為a的幾何學正二十面體的頂點處，該正二十面體有12個頂點，30個稜，每一個面都是正三角形；該基底元件有若干個離散的吻點位於由邊長為a的正三角形組成的平面網格的格點處；上述吻點的形狀為凸尖或凹窩，凸尖與凹窩互相接觸時可限制相對切向運動，但不限制法向分離運動；該運動元件與該基底元件的吻點凸凹相反，即，運動元件吻點為凹時，基底元件吻點為凸，或反之；該運動元件與基底元件的吻點互相接觸，可以具有如下接觸及運動關係——該運動元件上位於該正二十面體一個面三角形的三頂點處的三個吻點分別與該基底元件上某三角形三頂點處的三個吻點接觸，稱為穩定吻合狀態；運動元件上兩相鄰吻點分別與基底元件的兩相鄰吻點接觸，稱為半穩定吻合狀態；運動元件上一個吻點與基底元件上一個吻點接觸，稱為不穩定吻合狀態；該兩元件從一個穩定吻合狀態出發，經過一個半穩定吻合狀態，可以可靠地過到另一穩定吻合狀態；一連串穩定吻合狀態與半穩定吻合狀態交替接續，稱為一個吻合滾動過程；在吻合滾動過程中，在特定情況下可能出現非穩定吻合狀態。
2.權利要求1所述的滾動結構，其特徵在於該運動元件有若干徑向杆，其內端與一核心結構連接，其外端布置吻點。
3.權利要求2所述的滾動結構，其特徵在於該元件的若干徑向杆為薄壁管件，兩相鄰徑向杆在靠近吻點處用繩索互相連接。
4.權利要求1所述的滾動結構，其特徵在於該基底元件有若干垂直杆，其上端布置吻點。
5.權利要求1所述的滾動結構，其特徵在於該運動元件有若干徑向杆，其內端與一核心結構連接，其外端布置吻點，該基底元件有若干垂直杆，其上端布置吻點。
6.權利要求2或4或5所述的滾動結構，其特徵在於該基底元件為盤狀。
7.權利要求2或4或5所述的滾動結構，其特徵在於該運動元件有若干供人攀握蹬踩的結構。
8.權利要求2或4或5所述的滾動結構，其特徵在於運動元件內部裝有沿封閉曲線或封閉曲面移動的重錘。
全文摘要
在稜長為a的空間正二十面體的頂點處,布置運動元件的凹(或凸)吻點;在邊長為a的正三角形平面網格格點處,布置基底元件的凸(或凹)吻點。凹凸吻點互相接觸,可以有多種接觸吻合狀態。一系列吻合狀態接續成兩元件的特殊的吻合滾動過程。因此,該兩元件可保持特殊的運動關係。不同結構形式的運動元件和基底元件,必要時加上附屬結構及機構,可以具有範圍廣泛的各種有途,如玩具,遊戲用具,運動器具、雜技道具、顯示及廣告設施等。
文檔編號A63F7/00GK1379197SQ01110610
公開日2002年11月13日 申請日期2001年4月11日 優先權日2001年4月11日
發明者洪允楣 申請人:洪允楣