Hobermanův mechanismus - Hoberman mechanism

Dvourozměrný Hobermanův mechanismus vyrobený z 24 zalomených tyčí a 36 otočných kloubů

A Hobermanův mechanismusnebo Hoberman propojení, je nasaditelný mechanismus, který mění lineární pohyb na radiální.

Hobermanův mechanismus je vyroben ze dvou zalomených vyvýšených tyčí spojených ve středovém bodě pomocí a otočný kloub, takže se pohybuje podobně jako a nůžkový mechanismus.[1] Několik těchto vazeb může být spojeno dohromady na koncích zalomených tyčí více otočnými spoji, které se radiálně rozšiřují a vytvářejí mechanismy ve tvaru kruhu. Mechanismus je GAE (zobecnit zalomený prvek), kde vazební křivka je radiální přímka.[2]To umožňuje mechanismu Hoberman jednat s jediným stupněm volnosti, což znamená, že je příliš omezený mechanismus protože vzorec mobility předpovídá, že by měl menší stupeň volnosti než tomu bylo. protože mechanismus má více stupně svobody než vzorec mobility předpovídá.[3]

Kinematická teorie za Hobermanovým mechanismem byla použita k dalšímu porozumění mobility a skládatelnosti nasazitelných mechanismů.

Dějiny

Hobermanův mechanismus vychází z myšlenky zmenšit něco většího. Chuck Hoberman, absolvent výtvarného umění z Cooper Union, si uvědomil, že jeho nedostatek znalostí o strojírenství ho brzdí ve vytváření věcí, které si dokáže představit ve své hlavě. Přihlásil se Columbia University získat mistra dovnitř strojírenství.[4] Poté začal pracovat origami studoval způsob, jakým se složil a změnil tvar. Brzy si uvědomil, že jeho zájmy spočívají v rozšiřování a zmenšování předmětů, které vyrábí. Hoberman začal experimentovat s různými rozšiřujícími se mechanismy a začal vytvářet vlastní mechanismy. Později patentoval systém, který používá dvě identické ohnuté tyče spojené uprostřed kloubem; nazval to Hobermanův mechanismus.[5] Vytvoření Hobermanova mechanismu od té doby pomohlo s více mechanickými objevy a výzkumem týkajícím se skládatelnosti a mobility mechanismů.

Mechanika

Jak to funguje

Hobermanův mechanismus je vyroben ze dvou stejných zalomených prutů, které jsou spojeny v ohybech jedním středem otočný kloub. Tyto mechanismy lze spojit spojením konců dvojic spolu s dalšími dvěma otáčivými klouby. Kvůli konstrukci mechanismu se však otáčivé klouby chovají, jako by byly hranolové -revoluce klouby, protože se pohybují podél přímé osy, protože systém mění tvar. Zatlačením nebo zatažením za kterýkoli z kloubů se celý systém pohybuje a mění tvar, získává objem nebo se skládá do sebe. Tyto systémy vazeb lze rozšířit na celý kruh, kde se pohybují jako jeden systém, čímž se lineární pohyb z jedné osy kloubu mění v radiální pohyb napříč celým mechanismem.

Kinematická teorie

Obr. 1. Příklad jediné PRRP vazby
Hobermanův mechanismus vyrobený z 12 zalomených tyčí a 18 otočných kloubů

Hobermanův mechanismus je a jediný stupeň volnosti struktura znamená, že systém může být poháněn jediným aktuátor. Mechanismus je vyroben ze dvou identických zalomených tyčí spojených dohromady centrálním otočným čepem a čtyřmi koncovými čepy, které jsou omezeny pohybem po jedné linii. Protože jsou čtyři koncové čepy omezeny tímto způsobem, lze s mechanismem zacházet jako s dvojicí mechanismů PRRP (prizmaticko-revolučně-revolučně-prizmaticky) spojených v centrálním bodě.[6] Dvě vazby PRRP sledují dvojici identických přímek od počátku mechanismu k jejich vazebním bodům, takže mají stejnou vazební křivku. Rovnice pro vazební křivku vazeb PRRP v Hobermanově mechanismu sleduje bod vazebního členu B (x, y) na obr. 1:[3][7]

Pro parametry {r1, r2, α}, tato rovnice vazební křivky sleduje rovnici pro přímou čáru (y = mx). Protože dva zalomené tyče, které tvoří Hobermanův mechanismus, jsou identické, mají stejné r1 a r2 hodnoty a tedy stejná vazební křivka.

Dvojice vazeb PRRP, které sdílejí křivku vazebního členu ve společném bodě vazebního členu, má jeden stupeň volnosti, a proto má Hobermanův mechanismus jediný stupeň volnosti. Pohyb, který vytváří Hobermanův mechanismus, je radiální pohyb, i když to vypadá jako lineární pohyb, protože tento pohyb sleduje vazební křivku, což je radiální úžina.[8]

Vzorec mobility pro jeden stupeň volnosti M = 3 (n - 1) - 2j, kde M je stupeň volnosti, n je počet pohyblivých prvků a j je počet kloubů, předpovídá, že Hobermanův mechanismus 12 tyčí a 18 kloubů by mělo -3 stupně volnosti. To dělá z Hobermanova mechanismu a příliš omezený mechanismus protože všechny mechanismy Hobermana mají jeden stupeň volnosti.[3][9]

Aplikace

Hobermanův mechanismus byl použit v mnoha různých částech každodenního života.

Umění

Hoberman Sphere vystupoval v Liberty Science Center[10]

Hobermanův mechanismus je obsažen v uměleckých dílech, většinou vyrobených umělcem a vynálezcem Hobermanova mechanismu, Chuck Hoberman. Struktury navržené Chuckem Hobermanem, které zahrnovaly Hobermanův mechanismus, byly uvedeny v The Elaine Dannheisser Série projektů od MoMA.[11] Hoberman Sphere byl také k vidění na MoMA v New York jako součást Století dítěte exponát.[12] Po celém světě je rozptýleno více velkých koulí Hobermana s Hobermanovým mechanismem; lze je najít kdekoli od vědeckých center po USA až po vinařství Francie.[13]

Hračky

Mega koule se 6 prsteny Hobermanských mechanismů

Nejčastěji viděnou formou Hobermanova mechanismu je hračka od Chucka Hobermana s názvem Mega Sphere nebo Hoberman Sphere. Mega Sphere je plastová hračka ve tvaru koule, která se při tlačení a natahování roztahuje a zasouvá. Hračka je vyrobena ze šesti plných prstenů Hobermanských mechanismů, které jsou navzájem spojené, takže když se jeden její díl zatáhne nebo roztáhne, následuje celá struktura. Jsou vícebarevné a jejich velikost se pohybuje od metru do pouhých několika palců.[14]

Architektura

Hoberman Arch vystupoval na zimních olympijských hrách 2002 v Utahu

Hobermanův mechanismus byl také použit ve velkých architektonických projektech. Jednou z těchto struktur je Hoberman Arch představoval zimu 2002 Olympiáda v Utah. Oblouk navrhl Chuck Hoberman; byl postaven k otevírání a zavírání pomocí mnoha vzájemně propojených Hobermanských mechanismů, působících jako mechanická opona na pódiu slavnostního předávání cen.[15]

Reference

  1. ^ [1], „Radiální expanzní / retrakční vazníkové konstrukce“, vydáno 6. dubna 1990 
  2. ^ Ty, Z .; Pellegrino, S. (01.05.1997). "Skládací tyčové struktury". International Journal of Solids and Structures. 34 (15): 1825–1847. doi:10.1016 / S0020-7683 (96) 00125-4. ISSN  0020-7683.
  3. ^ A b C „Kinematická teorie pro radiálně skládací rovinné vazby“. International Journal of Solids and Structures. 44 (18–19): 6279–6298. 2007-09-01. doi:10.1016 / j.ijsolstr.2007.02.023. ISSN  0020-7683.
  4. ^ "Transformátor". Kabelové. ISSN  1059-1028. Citováno 2020-10-29.
  5. ^ "Chuck Hoberman | Lemelson". lemelson.mit.edu. Citováno 2020-10-29.
  6. ^ Li, Ruiming; Yao, Yan-an; Kong, Xianwen (01.10.2017). "Rekonfigurovatelný nasaditelný mnohostěnný mechanismus založený na rozšířeném paralelogramovém mechanismu". Mechanismus a teorie strojů. 116: 467–480. doi:10.1016 / j.mechmachtheory.2017.06.014. ISSN  0094-114X.
  7. ^ Sun, Xuemin; Yao, Yan-An; Li, Ruiming (2020-03-01). „Nová metoda konstrukce zobecněných mechanismů Hobermanovy koule založených na osách nasazení“. Hranice strojírenství. 15 (1): 89–99. doi:10.1007 / s11465-019-0567-5. ISSN  2095-0241.
  8. ^ Li, Ruiming; Yao, Yan'an; Kong, Xianwen (2016). Ding, Xilun; Kong, Xianwen; Dai, Jian S. (eds.). „Metoda pro konstrukci rekonfigurovatelného nasaditelného polyedrického mechanismu“. Pokroky v rekonfigurovatelných mechanismech a robotech II. Mechanismy a strojní věda. Cham: Springer International Publishing: 1023–1035. doi:10.1007/978-3-319-23327-7_86. ISBN  978-3-319-23327-7.
  9. ^ Agrawal, Sunil K. „Polyhedrální rozšiřující se konstrukce o jeden stupeň volnosti“ (PDF).
  10. ^ "Hoberman Sphere". Centrum vědy o svobodě. Citováno 2020-10-29.
  11. ^ „Projekty 45: Chuck Hoberman | MoMA“. Muzeum moderního umění. Citováno 2020-10-29.
  12. ^ „Century of the Child: Growing by Design, 1900–2000 | MoMA“. Muzeum moderního umění. Citováno 2020-10-29.
  13. ^ Campbell-Dollaghan, Kelsey (2012-09-28). „Obří, fungující sféra Hobermana vyrobená z hliníku“. Rychlá společnost. Citováno 2020-10-29.
  14. ^ „Hračka Hoberman Sphere - Hoberman Associates“. Citováno 2020-11-16.
  15. ^ „Největší rozkládací oblouk na světě bude středobodem Medal Plaza zimních olympijských her“. web.archive.org. 2008-12-02. Citováno 2020-11-16.