专利名称：离散点系吻合滚动结构的制作方法
本申请涉及一种由两个元件组成的特殊的传动装置即机构(如国际分类F16H35/00)，也可理解为一种特殊的运动副即某种意义上的轴承(如国际分类F16C 32/00)。
在一般的由两个元件组成的机构中，或在一般的轴承中，两个元件保持一定的转动、直移或转动加直移的关系，或至少是某种确定的连续运动关系。本申请所涉及的结构使两个离散的点阵元件在变换接触点的情况下具有一种特殊的空间多向滚动关系。它可以应用于玩具(如国际分类A63H 33/00)、游戏用具(如国际分类A63F 7/00)、运动器具(如国际分类A63B 19/00或26/00或71/00)、杂技道具(如国际分类A63J 3/00或7/00)、显示及广告器具(如国际分类G09F 19/02)等范围广泛的不同领域，可获得趣味感及惊奇感，有力地吸引观察者的视线。
本申请的目的是提供一种特殊的离散点系吻合滚动结构。它的一个运动元件在一个基底元件上运动。两元件都只有有限个离散的点可以组成互相接触的点偶，在运动过程中必须使两元件上将要互相接触的点偶互相对准，方能使运动正常地顺利进行。它在形象上类似于中国武术的“走梅花桩”。在梅花桩上，练武人的脚必须踩准桩的端部，才能避免失足摔落。本滚动结构的运动元件与梅花桩上的练武人不同的是，练武人的脚相对于人的主体是可动的，而本滚动结构的运动元件上的若干支“脚”(即下述“吻点”)是固定地布置在运动元件上的。
本申请的目的还包括提供一种玩具和游戏用品，它有两个基本元件，作特殊相对滚动。
本申请的目的还包括提供特殊的与“虎伏”相似的器具，用于锻炼或杂技表演。它不同于普通的虎伏，不是在平地上滚动，而是在“梅花桩”式的垂直杆阵列或吻点阵列上滚动。
本申请的目的还包括提供一种显示或广告的载体(媒体)，它的运动元件可以自动地进行特殊的滚动运动。
本申请目的还包括提供上述运动元件的一种结构，适用于大尺寸元件，在点阵几何位置尺寸不变的情况下可以减少结构的质量。
为了实现上述目的，本申请采用的运动元件有若干个轮廓为凹窝形的吻点位于一个棱长为a的正二十面体的顶点处；基底元件有若干个轮廓为凸球形的吻点位于一个由众多边长为a的正三角形组成的平面网格的格点处；运动元件与基底元件的吻点轮廓也可作相反的安排，即运动元件吻点为凸，基底元件吻点为凹；凸的吻点与凹的吻点互相接触时，可以限制相对的切向(平行于网格平面)运动，而不限制法向(垂直于网格平面)分离运动。
运动元件的吻点与基底元件的吻点互相接触称为吻合，有三种可能的吻合状态1、运动元件上位于正二十面体某一个面三角形的三个顶点处的三个吻点与基底元件上位于某一三角形的三个顶点处的三个吻点分别吻合，这种三对吻点的吻合也可看作所对应的一对三角形的吻合，称为稳定吻合状态；2、运动元件上两个相邻吻点与基底元件上两个相邻吻点分别吻合，这时，两元件可绕两吻点连线相对摆动，这种两对吻点的吻合，也可看作对应的吻点连线的吻合，称为半稳定吻合状态；3、运动元件的一个吻点与基底元件的一个吻点吻合，称为不稳定吻合状态。两元件从一个稳定吻合状态出发，经过一个半稳定吻合状态，可以可靠地达到另一稳定吻合状态，而不会发生运动元件与基底元件脱离吻合关系的情况。一连串稳定状态与半稳定状态交替相接续(稳定—半稳定—稳定—半稳定—……—稳定)称为一个吻合滚动过程。如果其间由于某种原因发生持续时间过长的不稳定吻合状态，则两元件不能绝对保证相关吻点能互相对准并吻合，从而使吻合滚动过程不能顺利进行。如果不稳定吻合状态存在的时间十分短暂，则吻合滚动过程基本上顺利进行，瞬间的不稳定状态只是一种不重要的扰动。
为了实现上述目的，本申请建议在多数实际应用中采用带径向杆阵列的运动元件及带垂直杆阵列的基底元件。各径向杆位于上述正二十面体形体中心与顶点的连线上，各垂直杆位于网格格点处网格平面的法线上。径向杆的外端及垂直杆的上端布置吻点轮廓。细长的杆件有助于产生趣味感、惊奇感及视觉吸引力。
为了实现上述目的，本申请还提出运动元件可以用薄壁直管和绳索组成，适用于大尺寸结构。
以下结合附图对本申请作进一步详细说明。
图1、正二十面体示意图2A、2B及2C、正三角形平面网格示意图3A、本申请的第一个实施例图3B、图3之A-A俯视4、运动元件结构之一例图5、吻点轮廓形状之一例图6A、本申请的第二个实施例图6B、图6A之OCM面剖视图6C、图6B之K向视6D、6E导轨截面形状的其他例图6F、第二个实施例的变型图7、本申请的第三个实施例图1示出运动元件的几何基础，即一个正二十面体11(以下有时简称为“多面体”)，它有12个顶点A、B、…、K、L，故最多可布置12个吻点；有一形心O；有20个正三角形面，如ABC、FGK等；有30个长度相等的棱边，长度为a，如AB、BC、FG、KJ等。
图2A、2B、2C示出基底元件的几何基础，即一个由边长为a的正三角形组成的平面网格。运动元件在基底元件上作吻合滚动，对应于正二十面体的一些面三角形先后与基底网格的一些三角形先后吻合，例如，图1运动元件上的△ABC与图2A基底元件的三角形1吻合时是一个稳定吻合状态；运动元件绕BC线摆动是一个半稳定吻合状态，过渡到图1△BCH与图2A三角形2对齐，是又一个稳定状态；图2A标出了△ABC及△BCH的顶点A、B、C、H的落点位置。依此类推，产生一个吻合滚动过程，图上三角形序列1、2、3…可视作运动元件的一些面三角形在基底元件上留下的“轨迹”。显然，可以有多种多样可能的轨迹形状。其中，图2A三角形序列1、2、3、4、5、6是一种最紧凑的环形轨迹，这时有6个三角形组成一个6边形；图2B三角形1、2、3…连续到12，是一种稍大一些的环形轨迹，这时有12个三角形组成一个中空的中心对称的6边形，图中网格交点处的字母A1、B1、C1、A2、B2等的意义见后面说明；图2C三角形序列1、2、3……至7是一个直线前进轨迹，加上三角形8至14则是180°转弯返回。
请注意，吻合滚动运动的运动状态是相当复杂的。例如，上述直线轨迹行进运动似乎比较简单，其实它的运动过程中摆动运动所绕的轴线方向并不与轨迹方向正交，而是左偏30°、右偏30°、再左偏30°、再右偏30°，……。这样的摆动，接续起来，是运动元件在前进中不断左右摇晃，甚至产生某种跳动感。梅花桩和左右晃，是本结构产生趣味性的两个重要因素，
图3A及3B示出本申请的第一个实施例。它是一个玩具或游戏器具。它有运动元件31及基底元件即垂直杆阵列32。运动元件31有若干径向杆，其结构参见下文说明。基底元件有若干垂直杆组成阵列32，布置在平面三角形网格交点36处。图示垂直杆有61个，排列在六边形区域内，实际实施时杆的数量及排列区域形状可以变通。垂直杆装在底盘33上，周边有壁34，其间有空隔37。径向杆及垂直杆端部有吻点轮廓，其形状参见下文说明。图3A及3B结构可采用塑料、金属、木材等工程常用材料制成，要求有足够的强度与刚度，能保持形状尺寸的稳定。作为玩具和游戏器具，可以有提高装饰性、趣味性的附加结构及表面涂复。
图4示出运动元件的结构之一例。该结构有12个径向杆41，位于正二十面体形心与各顶点的连线处；杆41内端会聚连接于核心结构42处，外端43处即图3之35处有吻点轮廓。各杆邻近外端处有张紧的绳索44，当元件尺寸不大时不必采用绳索结构，例如图3实施例中的运动元件可以无绳索。各杆41及核心结构42的细节形状尺寸按强度及刚度进行选择。结构可以用塑料制成，如图3A及3B玩具的运动元件。它也可以用薄壁金属管材制作杆件，用其他金属材料制作中心结构及吻点结构，用钢丝绳作张紧绳索，利用薄壁直管较强的抗压能力及钢丝绳较强的抗拉能力，可以使大尺寸(如杆长1米至5米甚至更大)的运动元件具有很小的质量和相当大的吻点承载能力。
图5示出吻点轮廓形状之一例。基底元件的一个吻点结构51的轮廓为一凸球面；运动元件的一个吻点结构52的轮廓为一凹球面，其周边为光滑连接的凹锥面。在两吻点互相接触时，基底元件吻点处平面法线L1与运动元件吻点处径向射线(即正二十面体形心与顶点连线)L2之间在各种可能的相对运动状态下的最大夹角为37.5°，图中示出L1的两极限位置间的夹角为75°。因此，凹锥面的半锥角应不小于37.5°，以免发生运动干涉。在实施时，两元件吻点轮廓的凹凸方向也可作相反的安排，即，运动元件吻点取凸形，基底元件吻点取凹形。请注意，图5在绘制时为了使图面清晰，采取运动元件不动而基底元件作相对运动的画法，而人们在一般情况下容易习惯于认为基底元件“不动”而运动元件相对运动。此外，吻点轮廓显然还可以有其他可供选择的形状，如凸轮廓为凸锥面，凹轮廓为圆环面，同样具有限制切向移动而不限制法向分离运动的功能(但运动精度稍低)。
在了解了图3A及3B第一个实施例的结构、图4运动元件的结构及图5吻点轮廓后，就可以更清楚地理解上文所述运动元件与基底元件的一般运动关系和种种不同的运动状态，从而可以理解图3A及3B玩具或游戏器具的如下玩耍过程手握底盘33，将运动元件31置于其垂直杆阵列32上，具有一个稳定吻合状态，然后晃动底盘，使运动元件脱离该稳定位置，进行吻合滚动。滚动时的动力学效应常常使运动元件具有持续时间长短不等的不稳定吻合状态，有时可能使应对准的凸凹吻点位置相错而使运动元件从“梅花桩”上摔下。玩耍者要防止这种情况，还要防止运动元件超出垂直杆阵列区域滚入空隔区37，所以有一定难度，从而诱发兴趣。
图3A及3B实施例可以有各种变型设计，如，基底元件无垂直杆，即取消垂直杆阵列，在底盘表面上直接布置吻点；又如，运动元件无径向杆，令运动元件为球形或多面体形，在其表面上直接布置吻点；再如，作为游戏用具时，可以令运动元件整体或局部采用钢铁材料制成，在底盘上散布若干接近开关，运动元件到达各开关时，开关感应通过电路计分(具体设计不属于本申请内容)，可以在游戏时提供胜负评价手段。
图6A、6B、6C示出本申请的第二个实施例，它有一个沿封闭曲线运动的重锤，使运动元件可以无人操作自行滚动，可用作显示及广告的媒体(载体)。图6A上部为运动元件61，下部为基底元件即垂直杆阵列62。运动元件61内部有封闭曲线导轨64，其上悬挂由驱动机构65组成的重锤。运动元件61的主体63上向外伸出8个短径向杆A、B、C、…H，各杆外端有吻点轮廓，吻点位置与图1多面体顶点A、B、C、…H相对应。在下文文字中，在不会引起误会的情况下，对于杆A、B、C、…H与顶点A、B、C、…H不作区分，以便降低图6A文字标注的繁杂。垂直杆阵列62有12个垂直杆66，其布置位置相当于图2B网格中13个三角形0、1、2、………到12区域上的12个顶点处。
从图6A所示位置出发，运动元件可以通过吻合滚动在图2A网格上产生由12个三角形1、2、3、……至12依序组成的轨迹。在此滚动过程中，图1多面体的8个棱边AC、AD、AE、AF、BF、BG、BH、BC依序成为半稳定吻合状态下的摆动轴线，8个面三角形ABC、ACD、ADE、AEF、AFB、BFG、BGH、BHC依序与上述12个三角形1、2、3……至12吻合。
导轨64分别通过上述8个面三角形ABC、ACD……及BHC的中部上方(以O点为上)。以面三角形ABC为例，它的中线CM(见图6A)与多面体形心O可组成三角形OCM，导轨64穿过三角形OCM剖面处的位置在中线CM中点的上方。因此，重锤即驱动机构65沿导轨运动时，其质量m1的质心通过各面三角形ABC、ACD、……及BHC的中部上方。导轨64借助若干梁68(见图6B)固定于运动元件的主体63。主体63的表面可以是球面形状或其他形状，可以用作显示或广告的画面载体。运动元件61除驱动机构65以外的质量m2应尽量小，最好m1＞2m2。质量m2的质心应尽量靠近多面体的形心O。
当重锤即驱动机构65的质心随机构运动到多面体某一个面三角形例如ABC中部上方时，按静力学的观点看，运动元件的总质量(m1+m2)的质心正位于该面三角形中部上方，比m1质心稍高一些的位置。该面三角形可以与一个网格三角形吻合，在重力作用下运动元件达到稳定状态。在驱动机构65从图6A位置出发沿导轨顺时针运动一周的过程中，运动元件质量(m1+m2)的质心位置连续变动，它的上述8个面三角形ABC、ACD等依序进入稳定吻合状态，在平面网格上留下轨迹三角形1、2、3、……8。在机构65继续沿导轨运动半周的过程中，运动元件的4个三角形ABC、ACD、ADE、及AEF继续依序第二次进入稳定吻合状态，留下轨迹三角形9、10、11、及12，在平面网格上完成一个滚动循环。图2B网格交点上标注了前一周及后续半周运动元件各吻点的落点位置A1、B1、C1、D1、E1、F1、G1、H1、B2、C2、A2、D2、E2、及F2。如此，驱动机构每运行1周半，运动元件完成一个滚动循环。
如果质量m1与m2的大小比例或质心位置不理想，引起吻合运动不顺利时，可通过添加配重来改进。在这种情况下，也可以采用一种变型设计，在各径向杆A、B、C、……H上各安装一个电磁铁，在导轨上安装8个行程开关，在驱动机构65越过某一摆动轴线后，对应位置的行程开关令该摆动轴线所在的两径向杆的电磁铁充电，使之产生与对应垂直杆间的吸引力，防止对应的两对吻合点偶产生法向分离运动，使吻合滚动顺利进行。
图6B及6C示出了重锤即驱动机构65的基本结构。它由电动机65a经减速器65b及链条传动65c驱动小车轮65d转动，使整个机构沿导轨64行进。小车轮65e是一个空转轮，只起悬挂作用。电动机65a及电磁铁可以用电瓶或电池驱动，电瓶或电池装在驱动机构上；也可以通过电缆和常规的旋转接头用交流电驱动，电缆向外引向交流电源，旋转接头可以避免电缆扭绕破坏。
图6D及6E示出导轨64的其他截面形状举例。导轨64’及64”为圆管及工字型材，驱动小车轮65d’及65d”为锥面轮，与图6B相比增加了空转小车轮65f。图6D圆管通过短杆69与梁68连接。
图6F示出本由请第二个实施例的一种变型。它的结构及用途与图6A相似，但用封闭曲面替换封闭曲线。其运动元件的主体63’有球形内表面，在内表面上对应于各个吻点及径向杆A、B、……处设置圆柱形止挡面A’、B’……，而其重锤是电动的遇阻自动换向的小车65’，小车结构与常见玩具相同，不属于本专利的内容。小车65’在内球面上运动，触及止挡面A’、B’…时自动换向，从而使重锤不会运动到邻近吻点及径向杆的区域，只能在对应于各面三角形中部及各棱中部的区域运动。此外，垂直杆阵列周边设置拦杆之类的止挡Q，运动元件触及止挡Q时停止滚动。这时小车65’若继续向前运动，到达球面陡度很大处阻力超限，小车将自动换向。
本申请的第二个实施例也可以有变型，如采用无径向杆的运动元件及无垂直植的基底元件。
图7示出本申请的第三个实施例，它是一个特殊的虎伏型运动器具或杂技表演道具。它的运动元件70有径向杆71，其外端有吻点轮廓，它有若干个连接杆72，其形状便于运动者或杂技表演者攀握蹬踩，与常规虎伏的结构相似。在连接杆72上还可增加便于攀握蹬踩的其他结构如手柄，踏板等。它的连接杆区域内部空间直径D按运动及表演需要确定，可以考虑D为1.5至2.0米或其他尺寸。地上布置垂直杆阵列73，杆的长度及数量根据需要确定，图7为了简略，只绘出3杆。较短的垂直杆有利于安全，但降低趣味性。其实，由于垂直杆杆间距离较大，运动员不难避免使身体位于垂直杆的上方，因而危险性并不大。为了便于器具的存放及运输，垂直杆阵列71最好采用可拆、可折叠的结构，具体的结构形式不属于本申请的内容。尺寸较大的运动元件也可采用可拆、可折叠结构。运动者及表演者改变在运动元件上的体态及位置，可以改变身体的质心位置及动力学状态，从而改变运动元件70在垂直杆阵列73上的吻合状态及运动状态。杂技演员可以利用身体平衡技巧，控制运动元件70在较长时间里保持两吻点甚至单吻点与垂直杆73吻合的状态，作出各种不同难度的动作。
作为运动器具，不同于杂质道具需要突出惊奇感，其运动元件及基底元件可考虑简化变型，取消径向杆及垂直杆的结构。特别是取消垂直杆，既可提高安全性，又可便于简化可拆及可拆叠的结构。
权利要求
1.一种离散点系吻合滚动结构，由一个运动元件及一个基底元件组成，其特征在于该运动元件有若干个离散的吻点位于一个棱长为a的几何学正二十面体的顶点处，该正二十面体有12个顶点，30个棱，每一个面都是正三角形；该基底元件有若干个离散的吻点位于由边长为a的正三角形组成的平面网格的格点处；上述吻点的形状为凸尖或凹窝，凸尖与凹窝互相接触时可限制相对切向运动，但不限制法向分离运动；该运动元件与该基底元件的吻点凸凹相反，即，运动元件吻点为凹时，基底元件吻点为凸，或反之；该运动元件与基底元件的吻点互相接触，可以具有如下接触及运动关系——该运动元件上位于该正二十面体一个面三角形的三顶点处的三个吻点分别与该基底元件上某三角形三顶点处的三个吻点接触，称为稳定吻合状态；运动元件上两相邻吻点分别与基底元件的两相邻吻点接触，称为半稳定吻合状态；运动元件上一个吻点与基底元件上一个吻点接触，称为不稳定吻合状态；该两元件从一个稳定吻合状态出发，经过一个半稳定吻合状态，可以可靠地过到另一稳定吻合状态；一连串稳定吻合状态与半稳定吻合状态交替接续，称为一个吻合滚动过程；在吻合滚动过程中，在特定情况下可能出现非稳定吻合状态。
2.权利要求1所述的滚动结构，其特征在于该运动元件有若干径向杆，其内端与一核心结构连接，其外端布置吻点。
3.权利要求2所述的滚动结构，其特征在于该元件的若干径向杆为薄壁管件，两相邻径向杆在靠近吻点处用绳索互相连接。
4.权利要求1所述的滚动结构，其特征在于该基底元件有若干垂直杆，其上端布置吻点。
5.权利要求1所述的滚动结构，其特征在于该运动元件有若干径向杆，其内端与一核心结构连接，其外端布置吻点，该基底元件有若干垂直杆，其上端布置吻点。
6.权利要求2或4或5所述的滚动结构，其特征在于该基底元件为盘状。
7.权利要求2或4或5所述的滚动结构，其特征在于该运动元件有若干供人攀握蹬踩的结构。
8.权利要求2或4或5所述的滚动结构，其特征在于运动元件内部装有沿封闭曲线或封闭曲面移动的重锤。
全文摘要
在棱长为a的空间正二十面体的顶点处,布置运动元件的凹(或凸)吻点;在边长为a的正三角形平面网格格点处,布置基底元件的凸(或凹)吻点。凹凸吻点互相接触,可以有多种接触吻合状态。一系列吻合状态接续成两元件的特殊的吻合滚动过程。因此,该两元件可保持特殊的运动关系。不同结构形式的运动元件和基底元件,必要时加上附属结构及机构,可以具有范围广泛的各种有途,如玩具,游戏用具,运动器具、杂技道具、显示及广告设施等。
文档编号A63F7/00GK1379197SQ01110610
公开日2002年11月13日 申请日期2001年4月11日 优先权日2001年4月11日
发明者洪允楣 申请人:洪允楣