一种几何图形可变的动态雕塑及平衡雕塑的制作方法

本实用新型涉及应用于动态艺术的机械装置，尤其涉及一种由平面多层多闭环连杆机构构成的几何图形可变的动态雕塑。

背景技术：

动态艺术是将绘画和雕塑结合起来，在造型的基础上同时导入时间要素。机器或自然动力实现造型作品的运动，是一种造型艺术和运动呈现的视觉效果结合的艺术表现形式。动态艺术作品除了表现绘画，雕塑造型的美感外，还有速度，动态，光影，音乐等多种艺术形式的叠加产生的美学效果。动态雕塑作品的形式多样，如二维平面动态艺术，三维空间动态艺术，平面或空间平衡艺术，光效应艺术，磁效应艺术等。然而，现有的动态雕塑普遍存在驱动结构复杂、几何图形变化不够丰富、变换形态单一、艺术表现力不足的问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种几何图形可变的动态雕塑，其特征在于，包括框架、基座、驱动装置、传动装置和多个连杆；所述基座固设于所述框架；所述电机固定于所述基座；所述框架开设至少一个轴孔，固定传动轴设于轴孔中；所述多个连杆由多层连杆依次层叠而形成，层数为2M+1，M 为正整数，第M+1层为中央连杆；所述固定传动轴与至少一个所述连杆固定连接，所驱动装置利用传动装置驱动所述连杆转动；相邻两层连杆之间通过活动销轴连接。

优选地，所述多层连杆中，偶数层为二元杆，奇数层为N元杆，N为大于等于3的正整数；所述二元杆的数量等于N；所述N元杆具有N个活动销轴，所述二元杆活动连接在相邻两个N元杆对应活动销轴之间，相邻两个N元杆能够相对彼此做圆周运动；所述N元杆指的是连杆具有N个轴孔或能够跟N个其他连杆铰接。

优选地，所述驱动装置利用传动装置驱动第1层和第2M+1层连杆转动。

优选地，所述驱动装置包括一电机，该电机能够同步驱动第1层和第2M+1层连杆转动；或者，所述驱动装置包括两个电机，两个电机能够分别驱动第1层和第2M+1层连杆转动。

优选地，所述框架包括前板、后板及底板；所述基座固设于所述底板，所述前板和后板均开设轴孔，所述框架为透明框架。

优选地，所述传动装置包括同步齿形带、大齿形带轮、小齿形带轮、蜗杆和蜗轮；所述电机输出轴与蜗杆连接，并且与所述蜗轮配合，蜗轮和两个小齿形带轮同轴，固定在同一轴杆上；所述小齿形带轮的转速和扭矩通过同步齿形带传递到大齿形带轮，所述大齿形带轮用于驱动所述连杆转动。

优选地，所述二元杆为90度角二元杆；所述二元杆与所述N元杆具有不同的颜色。

本实用新型还提供了一种平衡动态雕塑，其特征在于，由两个前述的动态雕塑组合而成，所述动态雕塑共用一个中央N元杆，第一个动态雕塑的第2M+1层连杆即为第二个动态雕塑的第1层连杆；所述第一个所述动态雕塑与第二个动态雕塑围绕所述中央N元杆大致呈对称结构。

本实用新型还提供了一种动态雕塑的构建方法，其特征在于，包括：

a)构建第一层单元在机架上构建第一层单元，提供第一层N元杆，所述N元杆指的是连杆能够跟N个其他连杆铰接；提供N个第一层二元杆；N个所述第一层二元杆均一端与所述第一层N元杆铰接，两一端与所述机架铰接；N个所述第一层二元杆相互平行；

b)构建第K层单元在第K-1层N元杆上构建第一层单元，K为大于等于3的正整数，提供第K层N元杆；提供N个第K 层二元杆；N个所述第K层二元杆均一端与所述第K层N元杆铰接，两一端与所述第K-1层N元杆铰接；N个所述第K层二元杆相互平行；

c)选定K和N的取值

d)构建驱动装置和传动装置提供驱动装置，通过传动装置驱动至少一个所述N元杆和/或至少一个所述二元杆旋转。

优选地，设置第一层N元杆第K层N元杆的空间投影重合。

本实用新型提供了一种可轴向扩展的平面多层多闭环连杆机构，通过铰链和杆件耦合连接等方式实现所有连杆的单自由度或两自由度运动，并由一个或两个电机驱动实现。沿铰链轴向方向观察该动态雕塑装置，可发现重合的连杆组合成的几何图形随运动产生图形变换。

该动态雕塑的尺寸和颜色的连杆按照一定的安装顺序由铰链轴连接，并由电机驱动其运动，实现几何图形变换。两种杆件的形状可以根据艺术效果要求设计，只需保证杆件上轴孔位置和尺寸即可实现较好的运动效果。

本实用新型的动态雕塑利用相对简单的驱动结构，实现了丰富的几何图形变化，艺术表现力较现有的动态雕塑有显著提高。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请第一实施例方式的动态雕塑的正视图。

图2为本申请第一实施例方式的动态雕塑的斜视立体图。

图3为本申请第一实施例方式的动态雕塑的正视图和侧视图，(a)为第一图案，(b)为第二图案。

图4为本申请第二实施例方式的动态雕塑的正视图，(a)为第一图案，(b)为第二图案，(c)为第三图案，(d)为第四图案。

图5为本申请第三实施例方式的平衡动态雕塑的正视图和侧视图，(a)为第一图案，(b)为第二图案，(c) 为第三图案。

图6为本申请第四实施例方式的动态雕塑的构建方法示意图。

图7为本申请第四实施例方式的动态雕塑的构建方法所构建的动态雕塑的正视图和斜视立体图。

图8为本申请第五实施例方式的动态雕塑的构建方法示意图。

图9为本申请第六实施例方式的动态雕塑的构建方法示意图。(a)为第一构型示意图，(b)为第二构型示意图。

图10为本申请第七实施例方式的动态雕塑的构建方法示意图。(a)为第一构型示意图，(b)为第二构型示意图，(c)为第三构型示意图。

图11为本申请第七实施例方式的动态雕塑的构建方法示意图。(a)为第一构型示意图，(b)为第二构型示意图，(c)为第三构型示意图，(d)为第四构型示意图。

图12为本申请第八实施例方式的动态雕塑的构建方法示意图。

具体实施方式

为使本说明书实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本说明书具体实施例及相应的附图对本说明书实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本说明书实施例保护的范围。

以下结合附图，详细说明本说明书各实施方式提供的技术方案。一种几何图形可变的动态雕塑，包括框架10、基座、驱动装置、传动装置和多个连杆；基座固设于框架10；电机40固定于基座41；框架10 开设至少一个轴孔，固定传动轴设于轴孔中；多个连杆由多层连杆依次层叠而形成，层数为2M+1，M 为正整数，第M+1层为中央连杆；固定传动轴35与至少一个连杆固定连接，驱动装置利用传动装置驱动连杆转动；相邻两层连杆之间通过活动销轴20连接。

多层连杆中，偶数层为二元杆22，奇数层为N元杆，N为大于等于3的正整数；二元杆22的数量等于 N；N元杆具有N个活动销轴20，二元杆22活动连接在相邻两个N元杆对应活动销轴20之间，相邻两个N元杆能够相对彼此做圆周运动；N元杆指的是连杆具有N个轴孔或能够跟N个其他连杆铰接。在第一实施方式中，N元杆为四元杆24，M为4，即多层连杆的层数为9层，偶数层二元杆的数量为4 个，每一层二元杆相互平行，即使在相邻四元杆运动的过程中，二元杆依旧保持平行。该第一实施方式为一种二元杆和四元杆组合成的四元动态雕塑装置。

驱动装置利用传动装置驱动第1层和第2M+1层连杆转动。在第一实施方式中，为驱动第1层和第9层的转动。

驱动装置包括一电机40，该电机40能够同步驱动第1层和第9层连杆转动。

框架10包括前板、后板及底板；基座41固设于底板，前板和后板均开设轴孔，框架为透明框架，选材包括透明亚克力材料。

传动装置包括同步齿形带32、大齿形带轮31、小齿形带轮33、蜗杆34和蜗轮；所述电机40输出轴与蜗杆34连接，并且与蜗轮配合，蜗轮和两个小齿形带轮33同轴，固定在同一轴杆上；小齿形带轮33 的转速和扭矩通过同步齿形带32传递到大齿形带轮31，大齿形带轮31用于驱动连杆转动。

二元杆22为90度角二元杆；二元杆22与N元杆具有不同的颜色。

根据图1和图2所示，二元杆22、62均为黄色，四元杆61、63、64分别设为蓝色、红色、绿色。

作为一种可选的实施方式，电机输出轴与蜗杆连接，并且与在透明框架前后板的轴杆上的涡轮配合；涡轮和前后两个小齿形带轮同轴，固定在同一轴杆上；

小齿形带轮的转速和扭矩通过同步齿形带传递到大齿形带轮，该传动前后对称，大齿形带轮31通过固定传动轴35与90度角二元杆固定连接，固定传动轴35可在框架的前后面板的轴孔处转动；固定传动轴35保证齿形带轮32和90度二元杆位置固定；二元杆和四元杆之间通过活动销轴连接，能自由转动；此九层机构为两自由度机构，应由两个电机驱动，但是前后对称的两套齿形带和带轮传动机构使得一个电机驱动即可实现该动态雕塑的运动。

图1和图2中所示单自由度九层连杆构成的动态雕塑的核心为二元杆和四元杆组合成的九层闭环机构。该类型动态雕塑的主要变换图案有两种，分别如图3(a)和(b)所示。图3示出的是单自由度设计的一种具体实施情况。

第二实施方式

图4示出的是双自由度设计的一种具体实施情况。将前后耦合的齿形带传动机构更换成两个电机独立驱动(图中未示出)，则该动态雕塑成为在整个运动过程中具有更多种不同图案类型变幻的，视觉效果复杂的动态雕塑。该种类型动态雕塑的主要变换图案如图4所示。其具备图案一、图案二、图案三和图案四等四种变换形式。在引入时间坐标后，随时间的动态变换更具视觉冲击力。

四元动态雕塑就是通过增加四层四元单元构造的具有两个自由度的机构。通过一定的设计方案，实现两自由度耦合，转化为单自由度，或保留两个自由度用两个电机驱动，实现更多图案重合方案。

第三实施方式

根据图5，该实施方式提供了一种平衡动态雕塑，由两个(两组)动态雕塑组合而成，动态雕塑共用一个中央N元杆，第一个动态雕塑的第2M+1层连杆即为第二个动态雕塑的第1层连杆；第一个所述动态雕塑与第二个动态雕塑围绕所述中央N元杆大致呈对称结构。

作为优选的实施方式，N元杆为四元杆，该平衡动态雕塑包括一个中央四元杆，以及两侧对称设置的四层四元杆(左四右四)和四层二元杆(左四右四)，相当于两组9层动态雕塑共用一个四元杆而形成。即将单自由度九层连杆动态雕塑通过对称方式布置，使二元杆和四元杆组成的内部连杆系统从正面看关于竖直和水平中心轴都对称，则机构的重心始终在图5中的几何中心处，若不考虑铰链的摩擦力，此时驱动该机构运动的力矩可以变得非常小，得到一种平衡的动态雕塑，该雕塑不会产生如单自由度机构的周期性变化的力矩。该平衡动态雕塑的主要变换图案如图5所示，包括图案一、图案二和图案三。

第四实施方式

一种动态雕塑的构建方法，包括：

a)构建第一层单元在机架上构建第一层单元，提供第一层N元杆，所述N元杆指的是连杆能够跟N个其他连杆铰接；提供N个第一层二元杆；N个所述第一层二元杆均一端与所述第一层N元杆铰接，两一端与所述机架铰接；N个所述第一层二元杆相互平行；

b)构建第K层单元在第K-1层N元杆上构建第一层单元，K为大于等于3的正整数，提供第K层N元杆；提供N个第K 层二元杆；N个所述第K层二元杆均一端与所述第K层N元杆铰接，两一端与所述第K-1层N元杆铰接；N个所述第K层二元杆相互平行；

c)选定K和N的取值

d)构建驱动装置和传动装置提供驱动装置，通过传动装置驱动至少一个所述N元杆和/或至少一个所述二元杆旋转。

优选地，设置第一层N元杆第K层N元杆的空间投影重合。

以图6所示的二元杆1b、2b和三元杆1、2组合的连杆机构为例，动态雕塑的构建方法：由两层单元组合而成。其中每一层单元都是由二元杆和三元杆组成，然后在轴向叠加扩展，最底层单元跟机架F相连。第一层单元包括第一层三元杆1和第一层二元杆1b，第二层单元包括第二层三元杆2和第二层二元杆 2b，第一层单元和第二层单元连接。

如图6所示，若将第二层单元的三元杆固定，通过机构分析，则可得到一个固定的结构。

如图7所示，若将第二层三元杆和机架杆的三个轴孔轴线重合，则得到有单自由度的机构，第一层单元的三元杆做圆周运动。

第五实施方式

作为第四实施方式的扩展，如图8所示，增加一层由二元杆和三元杆组合成的单元，得到三层单元机构。并将第三层单元的三元杆3固定。由每层单元中的二元杆组成平面四杆机构，所以四杆机构全等。

根据机构自由度分析，可得图8中的四种类型机构，其中中二元杆组成的四杆机构为曲柄摇杆机构，该机构不能做整周转动；

中二元杆组成双曲柄机构，内部的三元杆可以做整周转动，为自由度为1的机构；

中二元杆组成平行四边形机构，该机构能做整周转动，为自由度为1的机构；

中第三层的三元杆与机架杆三轴孔的轴线重合，二元杆组成三角形，该机构也能做整周转动，为自由度为1的机构。

第六实施方式

作为第五实施方式的扩展，如图9所示，再增加一层由二元杆和三元杆组合成的单元，得到四层单元机构。并将第四层的三元杆固定：由四层单元中的二元杆组成的机构为平面五杆机构，根据自由度计算，该机构应为两自由度机构，具有图9(a)和(b)所示的两种不同构型。其中图9(b)中的机架杆F和第四层三元杆4重合。

第七实施方式

在施加不同的驱动方式时，动态雕塑将呈现不同的图案。具体而言，对于三元杆重合类型：若该机构的两个二元杆的驱动力的方向相同且速度大小相等，则该机构在不同运动时刻的主要图案重合构型如图10 中(a)、(b)、(c)所示。

若该机构两个二元杆的驱动力的方向相反且速度大小相等，则该机构在运动过程中的主要重合图案构型如图11中(a)、(b)、(c)、(d)所示。

若为该机构提供两个不同速度大小的驱动力，则出现更多类型的重合图案构型。

第八实施方式

第四实施方式～第七实施方式的构建方法也同样适用于四元杆、五元杆、六元杆等多元杆的情况。以五元杆为例，图12中所示为由五元单元组合成的有单自由度的动态雕塑。