Hoberman mekanism
En Hoberman-mekanism , eller Hoberman-länkage , är en utplacerbar mekanism som förvandlar linjär rörelse till radiell rörelse.
Hoberman-mekanismen är gjord av två vinklade räfflade stänger som är sammankopplade i en central punkt med en roterande led , vilket gör att den rör sig ungefär som en saxmekanism . Flera av dessa länkar kan sammanfogas i ändarna av de vinklade stängerna genom mer roterande leder, som expanderar radiellt för att skapa cirkelformade mekanismer. Mekanismen är ett GAE (generalize angulated element) där kopplarkurvan är en radiell rät linje. Detta gör att Hoberman-mekanismen kan agera med en enda frihetsgrad, vilket innebär att den är en överbegränsad mekanism eftersom mobilitetsformeln förutsäger att den skulle ha en mindre frihetsgrad än den gör, eftersom mekanismen har fler frihetsgrader än rörlighetsformeln förutspår .
Den kinematiska teorin bakom Hoberman-mekanismen har använts för att hjälpa till att främja förståelsen av rörlighet och vikbarhet hos utplacerbara mekanismer.
Historia
Hoberman-mekanismen har sitt ursprung i idén om att göra något större att bli mindre. Chuck Hoberman , en bildkonstexamen från Cooper Union , insåg att hans bristande kunskap om ingenjörskonst höll honom tillbaka från att skapa de saker han kunde föreställa sig i sitt huvud. Han skrev in sig på Columbia University för att få en magisterexamen i maskinteknik . Efter detta började han arbeta med origami och studerade hur den veks och ändrade form. Han insåg snart att hans intressen låg i expansionen och krympningen av de föremål han gjorde. Hoberman började experimentera med olika expanderande mekanismer och började skapa egna mekanismer. Han patenterade senare ett system som använder två identiska böjda stavar som är sammankopplade i mitten av en led, som han kallade Hoberman-mekanismen. Skapandet av Hoberman-mekanismen har sedan dess hjälpt till med fler mekaniska upptäckter och forskning rörande vikbarhet och rörlighet hos mekanismer.
Mekanik
Hur det fungerar
Hoberman-mekanismen är gjord av två identiska vinklade stavar som är sammanfogade i sina krökar av en central roterande led . Dessa mekanismer kan kopplas samman genom att koppla ihop ändarna av paren med ytterligare två roterande leder. På grund av mekanismens utformning fungerar dock revolutlederna som om de vore prismatiska – revolutleder eftersom de rör sig längs en rak axel när systemet ändrar form. Genom att trycka eller dra i någon av lederna rör sig hela systemet och ändrar form, får volym eller viker sig in i sig självt. Dessa länksystem kan expanderas till en hel cirkel där de rör sig som ett system, och förvandlar linjär rörelse från en enda axel i en led till radiell rörelse över hela mekanismen.
Kinematisk teori
Hoberman-mekanismen är en struktur med en enda frihetsgrad vilket innebär att systemet kan drivas med ett enda ställdon . Mekanismen är gjord av två identiska vinklade stänger som är sammanfogade av en central vridtapp och fyra ändtappar som är begränsade att röra sig längs en enda linje. Eftersom de fyra ändtapparna är fasthållna på detta sätt, kan mekanismen behandlas som ett par PRRP-mekanismer (prismatic-revolute-revolute-prismatic) förenade vid en central punkt. De två PRRP-länkarna spårar ett par identiska raka linjer från mekanismens ursprung till deras kopplingspunkter, så de har samma kopplingskurva. Ekvationen för kopplingskurvan för PRRP-länkarna i en Hoberman-mekanism följer kopplingspunkten B(x,y) i fig 1:
För parametrarna {r 1 , r 2 , α} följer denna ekvation för kopplarkurvan ekvationen för en rät linje (y=mx). Eftersom de två vinklade stavarna som utgör en Hoberman-mekanism är identiska, har de samma r 1- och r 2 -värden och därmed samma kopplingskurva.
Ett par PRRP-länkar som delar en kopplingskurva vid en gemensam kopplingspunkt har en enda frihetsgrad, vilket är anledningen till att Hoberman-mekanismen har en enda frihetsgrad. Rörelsen som Hoberman-mekanismen producerar är radiell rörelse, även om den ser ut som linjär rörelse, eftersom rörelsen följer kopplarkurvan, som är en radiell sundlinje.
Rörlighetsformeln för en enda frihetsgrad M = 3(n - 1) - 2j, där M är frihetsgraderna, n är antalet rörliga element och j är antalet leder, förutsäger att en Hoberman-mekanism för 12 barer och 18 leder skulle ha -3 frihetsgrader. Det gör Hoberman-mekanismen till en alltför begränsad mekanism eftersom alla Hoberman-mekanismer har en enda frihetsgrad.
Ansökningar
Hoberman-mekanismen har använts i många olika delar av vardagen.
Konst
Hoberman-mekanismen finns med i konstverk, mestadels gjorda av konstnären och uppfinnaren av Hoberman-mekanismen, Chuck Hoberman . Strukturer designade av Chuck Hoberman som inkluderade Hoberman-mekanismen fanns med i The Elaine Dannheisser Projects Series från MoMA. En Hoberman-sfär visades också på MoMA i New York som en del av Century of the Child -utställningen. Fler stora Hoberman-sfärer med Hoberman-mekanismen är utspridda runt om i världen; de kan hittas överallt från vetenskapscentra runt om i USA till vingårdar i Frankrike .
Leksaker
Den vanligaste formen av Hoberman-mekanismen är i leksaken gjord av Chuck Hoberman som kallas Mega Sphere eller Hoberman-sfären. Mega Sphere är en sfärformad plastleksak som expanderar och dras in när den trycks och dras på. Leksaken är gjord av sex fulla ringar av Hoberman-mekanismer som alla är anslutna till varandra så när en del av den dras in eller expanderar, följer hela strukturen. De är mångfärgade och varierar i storlek från en meter till bara några tum.
Arkitektur
Hoberman-mekanismen har också använts i större arkitektoniska projekt. En av dessa strukturer är Hoberman Arch med vinter- OS 2002 i Utah . Arch designades av Chuck Hoberman; den byggdes för att öppna och stänga med hjälp av många sammankopplade Hoberman-mekanismer, som fungerar som en mekanisk ridå på prisutdelningsscenen.
Teknik
Genom att ersätta stiftförbanden med temperaturreaktiva formminnespolymerer kan en Hoberman-mekanism användas för att autonomt distribuera tekniska system som PV-celler när omgivningstemperaturen ökar över ett tröskelvärde.