輪滑鞋變形輪收放機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)＊

邱茂昌，吳其漢，鐘圖壹，盧 偉，劉尊波

（1.桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林541004；2.桂林新商路電子商務(wù)有限公司，廣西 桂林541100）

作為滑冰滑雪的伴生項(xiàng)目[1]，輪滑運(yùn)動有著場地受限小、促進(jìn)肌肉協(xié)調(diào)性、有利兒童平衡感培養(yǎng)的優(yōu)點(diǎn)[2]。目前國內(nèi)輪滑鞋年產(chǎn)量約80萬雙[3]，是世界第一大輪滑鞋產(chǎn)地，不過目前普遍使用的輪滑鞋結(jié)構(gòu)形式是固定的，即滑輪固定安裝在鞋底座上，隨著輪滑運(yùn)動的廣泛普及，輪滑運(yùn)動能夠施展的場所越來越多，且運(yùn)動安全問題越來越受到關(guān)注[4]。但更換輪滑鞋依然很不便，使用者往往需要帶另一套鞋子進(jìn)行換穿。市場上雖然已經(jīng)出現(xiàn)小部分可變形輪滑鞋產(chǎn)品，但與現(xiàn)有輪滑鞋的功能上有一定的差異并且存在自重過大、控制機(jī)構(gòu)負(fù)雜等缺陷。總體而言，針對現(xiàn)在主流的雙排和單排輪滑運(yùn)動，還沒有完美兼?zhèn)淦胀ㄐ凶吆突?種使用特點(diǎn)的可變形輪滑鞋。

1 單排收放機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 收放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體思路

外壁上各對應(yīng)設(shè)置有1個(gè)主動桿，橫桿設(shè)置在支撐殼體內(nèi)，橫桿的兩端分別穿過支撐殼體的側(cè)壁與2個(gè)主動桿的上端相鉸接，按壓桿的一端與橫桿相連接，按壓桿的另一端為施力端，2個(gè)鉸接件分別設(shè)置在支撐殼體的兩側(cè)外壁處，每個(gè)鉸接件的兩端分別與前連桿組件和后連桿組件可拆卸連接，每個(gè)主動桿的下端鉸接在其靠近的鉸接件上。

連桿組件如圖2所示，每個(gè)連桿組件內(nèi)包括鉸接件、2個(gè)短片體和2個(gè)長片體，2個(gè)長片體豎直并列設(shè)置在支撐殼體內(nèi)，2個(gè)短片體豎直并列設(shè)置在2個(gè)長片體之間。每個(gè)短片體的一端與其靠近的長片體的一端通過鉸接件相鉸接，2個(gè)短片體的另一端之間鉸接有滑輪，2個(gè)長片體的另一端之間也鉸接有滑輪，在每個(gè)長片體和短片體上都設(shè)計(jì)了展開限位槽和收攏限位槽，它們控制收放機(jī)構(gòu)的展開定位和收攏定位。

圖2 前/后連桿組件

變形輪滑鞋的變形輪收放機(jī)構(gòu)要求放置在鞋身底部，通過收放結(jié)構(gòu)進(jìn)行展開與收攏輪子，實(shí)現(xiàn)輪滑鞋和普通鞋的功能切換。因此，收放機(jī)構(gòu)應(yīng)包括滑輪收起和展開2種狀態(tài)。空間連桿機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動多樣的優(yōu)點(diǎn)[5]，擬采用空間連桿機(jī)構(gòu)與扭簧、壓縮彈簧等配合實(shí)現(xiàn)2種收放機(jī)構(gòu)的功能。

1.2 單排收放機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)方案

滑輪單排收放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示，包括按壓桿、橫桿、前卡桿、2個(gè)相同結(jié)構(gòu)的連桿組件、主動桿、2個(gè)鉸接件、轉(zhuǎn)盤、后從動桿、前從動桿和后卡桿等。其中支撐殼體為長方形框體，2個(gè)連桿組件沿支撐殼體的長度方向?qū)ΨQ設(shè)置在支撐殼體內(nèi)。支撐殼體的兩側(cè)

圖1 單排收放機(jī)構(gòu)總體視圖（省略支撐殼體）

1.3 單排收放機(jī)構(gòu)的展開和收攏

有超過30%的大學(xué)生有過運(yùn)動損傷的經(jīng)歷，原因來自于運(yùn)動器材本身[6]，這就要求收放機(jī)構(gòu)在展開或收攏狀態(tài)都應(yīng)有相當(dāng)?shù)目煽啃浴．?dāng)單排收放機(jī)構(gòu)的滑輪處于展開極限位置時(shí)，后連桿組件的展開限位槽相連通形成的總限位槽內(nèi)卡接有后卡桿。同理，在前連桿組件的形成的總限位槽內(nèi)也接有前卡桿。此時(shí)，前、后連桿組件都被卡桿限制，4個(gè)滑輪處于展開狀態(tài)的極限位置，如圖3所示。

圖3 單排收放機(jī)構(gòu)處于滑輪展開位置的剖視圖

當(dāng)單排收放機(jī)構(gòu)的滑輪處于收攏極限位置時(shí)，前、后連桿組件的收攏限位槽分別相連通形成2個(gè)總限位槽，總限位槽內(nèi)有前、后卡桿卡接固定。

1.4 單排收放機(jī)構(gòu)的工作執(zhí)行方案

按壓桿是控制整個(gè)收放機(jī)構(gòu)工作的開關(guān)。用手指按壓處于支撐殼體尾端的按壓桿端部，按壓桿被按壓移動后帶動橫桿朝向支撐殼體頭端移動，橫桿移動帶動主動桿的朝向支撐殼體頭端移動，主動桿移動分別帶動從動桿朝向支撐殼體頭端移動，后從動桿的移動同時(shí)帶動前、后2個(gè)連桿組件的展開動作。

對于后連桿組件，后從動桿移動的同時(shí)帶動其對應(yīng)的后卡桿脫離機(jī)構(gòu)處于收攏位置時(shí)的總限位槽，短片體因后卡桿的離開以及扭簧的作用，開始快速下落，迅速到達(dá)到滑輪展開的極限位置。此時(shí)，短片體上的限位突起靠在長片體的限位槽內(nèi)，同時(shí)長片體因后卡桿的離開而下落，并在彈簧的作用下，帶動滑輪迅速下落至貼地使用狀態(tài)，后卡桿卡入展開位置時(shí)的總限位槽，后連桿組件的展開動作完成。

對于前連桿組件，2個(gè)前從動桿朝向支撐殼體頭端移動，從而帶動各自對應(yīng)的轉(zhuǎn)盤發(fā)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，2個(gè)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動帶動2個(gè)前從動桿朝向支撐殼體尾端移動，帶動前輪連桿組件的前卡桿脫離總限位槽，與后連桿組件的展開動作類似，在彈簧的作用下，前連桿組件也同時(shí)完成了展開動作，滑輪處于展開狀態(tài)。

控制機(jī)構(gòu)4個(gè)滑輪從展開狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭諗n狀態(tài)的變形過程為上述過程的逆過程，用手指按壓處于支撐殼體尾端的按壓桿端部，使卡桿脫離展開位置的總限位槽，再通過直接轉(zhuǎn)動前、后連桿組件實(shí)現(xiàn)滑輪到收攏極限位置，此時(shí)卡桿卡入總限位槽固定。

2 雙排滑輪收放機(jī)構(gòu)

2.1 雙排滑輪收放機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案

雙排收放機(jī)構(gòu)如圖4和圖5所示，具體包括部件：推桿、滑塊、滑塊用活動銷、連桿、前拉伸彈簧、后壓縮彈簧、前軸體、后軸體和底盒。圖6和圖7分別為滑塊和連桿的兩視圖。在底盒上，收攏狀態(tài)用限位槽、滑塊用活動銷、連桿、前拉伸彈簧和后壓縮彈簧均設(shè)置在底盒內(nèi)，滑塊的頂部與底盒頂部內(nèi)壁滑動配合，推桿穿過底盒的后端與滑塊的后端可拆卸連接，底盒頂部內(nèi)壁上加工有凸起，滑塊的前端與凸起之間設(shè)置有后壓縮彈簧，滑塊通過滑塊用活動銷與底盒的兩側(cè)壁相連接，連桿與凸起相鉸接，連桿的前端通過前軸體與底盒的兩側(cè)壁滑動配合，連桿的后端通過后軸體與底盒的兩側(cè)壁滑動配合，連桿和前軸體之間設(shè)置有前拉伸彈簧，連桿朝向滑塊用活動銷的一側(cè)依次加工有張開狀態(tài)用限位槽和收攏狀態(tài)用限位槽。

圖5 雙排收放機(jī)構(gòu)總體剖視圖

圖6 滑塊視圖

圖7 連桿視圖

2.2 雙排收放機(jī)構(gòu)的張開和收攏

雙排收放機(jī)構(gòu)處于收攏狀態(tài)時(shí)，如圖8所示，滑塊用活動銷處于收攏狀態(tài)用限位槽內(nèi)，后軸體處于后長孔靠近推桿的一端處，前軸體處于前長孔中靠近推桿的一端處，滑輪處于收攏極限位置，此時(shí)支撐桿的長度方向與底盒的長度方向相同。

圖8 雙排收放機(jī)構(gòu)處于收攏狀態(tài)

雙排收放機(jī)構(gòu)處于展開狀態(tài)時(shí)，如圖4所示，滑塊用活動銷一端設(shè)置在第一豎向孔的低端，滑塊用活動銷另一端穿過傾斜長孔的低端后設(shè)置在第二豎向孔的低端處；當(dāng)快速變形輪滑鞋處于收攏極限位置時(shí)，滑塊用活動銷一端設(shè)置在第一豎向孔的低端，滑塊用活動銷另一端穿過傾斜長孔的高端后設(shè)置在第二豎向孔的低端。

圖4 雙排收放機(jī)構(gòu)總體視圖

2.3 雙排收放機(jī)構(gòu)的執(zhí)行方案

當(dāng)需要將雙排收放機(jī)構(gòu)從收攏狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎归_狀態(tài)時(shí)，按壓推桿，使推桿朝向底盒的前端所在位置移動，從而帶動滑塊朝向凸起移動，滑塊移動的同時(shí)壓縮后壓縮彈簧，滑塊移動的同時(shí)帶動滑塊用活動銷上移并從收攏狀態(tài)用限位槽脫離出來，即在傾斜長孔、第一豎向孔和第二豎向孔同時(shí)限位作用下，滑塊用活動銷的中部從傾斜長孔低端往傾斜長孔高端處移動，同時(shí)滑塊用活動銷的一端從第一豎向孔低端往第一豎向孔的高端移動，同步滑塊用活動銷的另一端從第二豎向孔低端往第二豎向孔的高端移動，直至滑塊用活動銷上移到從收攏狀態(tài)用限位槽脫離出來，此時(shí)連桿在前拉伸彈簧的拉力作用下移動到張開狀態(tài)極限位置后停止，滑塊在后壓縮彈簧的回復(fù)力作用下，滑塊用活動銷又回到最低位，并通過滑塊用活動銷與張開狀態(tài)用限位槽卡接配合形成張開極限位置的穩(wěn)定定位。同時(shí)連桿的后端處的后軸體由后長孔的后端移動到后長孔的前端，帶動滑輪由收攏狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺堥_狀態(tài)，連桿的后端向前移動的同時(shí)，帶動連桿的前端同步向前移動，使前軸體由前長孔的后端移動至前長孔的前端，連桿的前端對應(yīng)的滑輪也由收攏狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺堥_狀態(tài)，類似于飛機(jī)起落架的收放過程[7-8]。

當(dāng)需要從展開狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭諗n狀態(tài)時(shí)，按壓推桿，滑塊由后向前滑動，帶動滑塊用活動銷依照路徑從張開狀態(tài)用限位槽脫出，此時(shí)通過外力將滑輪件中的任意一個(gè)向鞋體中間轉(zhuǎn)動，直至滑塊用活動銷移動到連桿的收攏狀態(tài)用限位槽中，該過程中被進(jìn)一步拉伸，使得收放機(jī)構(gòu)明由展開狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭諗n狀態(tài)。

3 結(jié)論

2種收放機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了單、雙排變形鞋在普通鞋體和輪滑鞋體的靈活轉(zhuǎn)換。通過機(jī)構(gòu)中按壓桿、推桿、橫桿、連桿組件、支撐殼體、扭簧、壓簧之間的相互配合實(shí)現(xiàn)了單列和多列多個(gè)滑輪的有序展開和收攏動作，簡化開啟難度，只需用手指操作即可，變形后使用穩(wěn)定，無需另施力在其他位置，有利于安全操作，且能夠有效提高單、雙排輪的變形前、變形過程中和變形后的使用性能。

2種收放機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小，能夠?qū)崿F(xiàn)操作觸發(fā)件后多個(gè)滑輪同時(shí)釋放動作，提高滑輪展開和收攏的合理操作性，去掉冗余輔助的控制結(jié)構(gòu)，減輕了整體質(zhì)量，使用更加輕盈方便，符合人性化運(yùn)動裝備的要求。

2種收放機(jī)構(gòu)中連桿組件與各個(gè)滑輪相配合能夠?yàn)楦鱾€(gè)滑輪處于收攏狀態(tài)下提供足夠的容納空間，有利于提高輪滑鞋普通行走的使用性能。