CN110356167A - 可变轮径的变形轮 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可变轮径的变形轮,包括伺服电机、传动轴、大轮瓣限位圆盘、大轮瓣、大轮瓣轨道圆盘、小轮瓣轨道凸盘、小轮瓣、小轮瓣限位圆盘和固定螺母。传动轴的第一端和伺服电机连接,传动轴的第二端分别与大轮瓣轨道圆盘和小轮瓣轨道凸盘连接,大轮瓣通过根部矩形滑块和大轮瓣轨道圆盘连接,大轮瓣通过根部圆柱形滑块和大轮瓣限位圆盘连接,小轮瓣通过第一根部圆柱形滑块和小轮瓣轨道凸盘连接,小轮瓣通过第二根部圆柱形滑块和小轮瓣限位圆盘连接,大轮瓣限位圆盘和小轮瓣限位圆盘分别位于传动轴的前端和后端。本发明能够根据不同场景进行变换轮径,使其可以在更为不平的路面上也可以正常发挥出轮式移动机构的高速度等优点。
Description
技术领域
本发明涉及机械工程领域,特别涉及一种可变轮径的变形轮。
背景技术
现有的机器人行走机构主要有轮式、履带式和足式,其中轮式的特征是行驶速度快,转向灵活。但是由于现在的轮式结构由于相对来说越野能力弱,以及不可变径的设计导致轮式结构在机器人行走机构方面有可用范围的局限性。
而且,在汽车或其他有关领域内,轮子的轮径基本上就决定了其使用场景和移动范围。比如,像跑车为了实现更高的速度使其底盘尽量贴近于地面,但是明显缺点就是只能在相对平滑的城市路面内行驶,遇到一些高低差比较大的路面就有些束手无策;但是过大的轮径又在平滑的路面上没有过多的优点,而且还有因重心过高导致容易翻车等情况。所以有一种可变轮径的变形轮,可以将汽车底盘与地面的距离根据具体情况进行调节,可以在各种路况下都可以快速通过,可以大大扩大其使用场景与移动范围。
发明内容
针对以上轮子适应路况情况差,应用场景受限的问题,本发明提供一种可变轮径的变形轮,主要为了推广轮子的使用范围,在特殊场景下,充分发挥轮子在平坦路面上速度快以及转向迅速的优点。
本发明提供一种可变轮径的变形轮,其包括大轮瓣、小轮瓣和传动轴,所述大轮瓣和所述小轮瓣均由形状相同的扇形组成,所述大轮瓣和所述小轮瓣靠近中心的位置均设有滑块,所述大轮瓣的两侧腹板均为实心结构;在所述小轮瓣的两侧腹板中,第一侧腹板靠近根部的部分为镂空且第二侧腹板为实心结构,所述大轮瓣根部的两侧分别设有根部矩形滑块和根部圆柱形滑块;大轮瓣轨道圆盘上均匀设有第一滑槽,所述第一滑槽的横截面为矩形,所述第一滑槽的轨迹曲线为弓形,所述大轮瓣轨道圆盘的边缘上设有大轮瓣手动控制柄,所述小轮瓣根部的两侧分别设有第一根部圆柱形滑块和第二根部圆柱形滑块;小轮瓣轨道凸盘的外形为棱台,所述小轮瓣轨道凸盘上均匀设有第二滑槽,所述第二滑槽的横截面为圆弧形,所述第二滑槽的轨迹曲线为弓形,所述小轮瓣轨道凸盘上设有小轮瓣手动控制柄,所述大轮瓣限位圆盘和所述小轮瓣限位圆盘均匀分布有直线滑槽,所述小轮瓣限位圆盘的滑槽根部设有一段圆弧槽,使得所述小轮瓣在收起后,所述小轮瓣的半径进一步缩小,所述大轮瓣轨道圆盘和所述小轮瓣轨道凸盘均匀分布有曲线滑槽;以及所述传动轴的第一端与伺服电机连接,所述传动轴的第二端分别与所述大轮瓣轨道圆盘和所述小轮瓣轨道凸盘连接,所述大轮瓣限位圆盘、所述大轮瓣和所述大轮瓣轨道圆盘组成大变形轮,所述大轮瓣通过根部圆柱形滑块和所述大轮瓣轨道圆盘连接,所述大轮瓣通过根部矩形滑块和所述大轮瓣限位圆盘连接,所述小轮瓣轨道凸盘、所述小轮瓣和所述小轮瓣限位圆盘组成小变形轮,所述小轮瓣通过所述第一根部圆柱形滑块和所述小轮瓣轨道凸盘连接,所述小轮瓣通过所述第二根部圆柱形滑块和所述小轮瓣限位圆盘连接,所述大轮瓣限位圆盘位于所述传动轴的最前端,所述小轮瓣限位圆盘位于所述传动轴的最末端,所述固定螺母将所述小轮瓣和所述小轮瓣限位圆盘固定连接。
优选地,所述大轮瓣限位圆盘、所述大轮瓣、所述大轮瓣轨道圆盘、所述小轮瓣轨道凸盘、所述小轮瓣和所述小轮瓣限位圆盘同轴心。
优选地,所述大轮瓣的瓣数和所述小轮瓣的瓣数相等,所述大轮瓣每瓣上的滑块数量相等,所述小轮瓣每瓣上的滑块数量相等,所述大轮瓣限位圆盘上直线滑槽的数量和所述大轮瓣轨道圆盘上曲线滑槽的数量相等,所述小轮瓣限位圆盘上直线滑槽的数量和所述小轮瓣轨道凸盘上曲线滑槽的数量相等。
优选地,在闭合时,所述大轮瓣的直径大于所述小轮瓣的直径,所述大轮瓣轨道圆盘的直径和所述小轮瓣轨道凸盘的最大直径相等,所述小轮瓣的直径和所述小轮瓣限位圆盘的直径相等,所述小轮瓣的直径大于所述小轮瓣轨道凸盘的最大直径。
优选地,在展开时,所述大轮瓣和所述小轮瓣共面,在闭合时,所述大轮瓣和所述小轮瓣在两个互相平行的面上。
本发明与现有技术相比,具有如下优点:
1、轮式移动机构能够根据不同场景进行变径,使其可以在更为不平的路面上也可以正常发挥出轮式移动机构的高速度等优点;
2、利用小轮瓣轨道凸盘外形的特殊设计,使其小轮瓣在轴向位置上,与大轮瓣实现错位的功能,进一步节省其收缩空间;
3、利用小轮瓣限位圆盘上的圆弧轨道,使小轮瓣在收起状态下的直径进一步缩小,使整个变形轮机构在收起状态下更为紧凑,运动过程更加平稳,迅速。
附图说明
图1为本发明可变轮径的变形轮的整体***示意图;
图2为本发明可变轮径的变形轮的内侧视角示意图;
图3为本发明可变轮径的变形轮的外侧视角示意图;
图4为本发明可变轮径的变形轮的大轮瓣结构示意图;
图5为本发明可变轮径的变形轮的小轮瓣结构示意图;
图6为本发明可变轮径的变形轮的大轮瓣轨道圆盘的结构示意图;
图7为本发明可变轮径的变形轮的小轮瓣轨道凸盘的结构示意图;
图8为本发明可变轮径的变形轮展开时的结构示意图;以及
图9为本发明可变轮径的变形轮的小轮瓣半径最小位置结构示意图。
主要附图标记:
伺服电机1,传动轴2,大轮瓣限位圆盘3,大轮瓣4,根部圆柱形滑块401,根部矩形滑块402,大轮瓣轨道圆盘5,第一滑槽501,矩形截面502,大轮瓣手动控制柄503,小轮瓣轨道凸盘6,第二滑槽601,圆弧形截面602,小轮瓣手动控制柄603,小轮瓣7,第一根部圆柱形滑块701,第二根部圆柱形滑块702,小轮瓣限位圆盘8,固定螺母9。
具体实施方式
为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效,以下将结合说明书附图进行详细说明。
如图1至图3所示,可变轮径的变形轮,其包括伺服电机1、传动轴2、大轮瓣限位圆盘3、大轮瓣4、大轮瓣轨道圆盘5、小轮瓣轨道凸盘6、小轮瓣7、小轮瓣限位圆盘8和固定螺母9。
如图4和图5所示,大轮瓣4和小轮瓣7均由形状相同的扇形组成,大轮瓣4和小轮瓣7靠近中心的位置均设有滑块,大轮瓣4的两侧腹板均为实心结构,小轮瓣7的两侧腹板中,第一侧腹板靠近根部的部分为镂空,这种镂空的设计是为了进一步缩小闭合时小轮瓣7的半径,第二侧腹板为实心结构,大轮瓣4根部的两侧分别设有根部矩形滑块401和根部圆柱形滑块402,小轮瓣7根部的两侧分别设有第一根部圆柱形滑块701和第二根部圆柱形滑块702。
如图6所示,大轮瓣轨道圆盘5上均匀设有第一滑槽501,第一滑槽501的横截面为矩形截面502,第一滑槽501的轨迹曲线为弓形,大轮瓣轨道圆盘5的边缘上设有大轮瓣手动控制柄503。如图7所示,小轮瓣轨道凸盘6的外形为棱台,小轮瓣轨道凸盘6可在轴向位置上,将小轮瓣7与大轮瓣4进行错位,从而使其展开时,小轮瓣7和大轮瓣4能更好的闭合。小轮瓣轨道凸盘6上均匀设有第二滑槽601,第二滑槽601的横截面为圆弧形602,第二滑槽601的轨迹曲线为弓形,小轮瓣轨道凸盘6上设有小轮瓣控制柄603,大轮瓣轨道圆盘5和小轮瓣轨道凸盘6均匀分布有运动轨迹曲线。大轮瓣手动控制柄503和小轮瓣手动控制柄603在意外情况下可以用手动的方式进行变形轮的变形。
大轮瓣限位圆盘3和小轮瓣限位圆盘8均匀分布有直线滑槽,小轮瓣限位圆盘8的滑槽根部设有一段圆弧槽,使得小轮瓣7在收起后,小轮瓣7的半径进一步缩小。
如图1所示,伺服电机1和传动轴2的第一端连接,传动轴2的第二端分别与大轮瓣轨道圆盘5和小轮瓣轨道凸盘6连接,伺服电机1控制传动轴2进行旋转运动,传动轴2的旋转中心线与水平方向相平行,传动轴2可以360度旋转并带动变形轮进行旋转。伺服电机1所传递的动力使大轮瓣轨道圆盘5和小轮瓣轨道凸盘6旋转使其滑道对大轮瓣4与小轮瓣7提供向外的动力,依靠轨道轮盘的旋转运动使其滑道对轮瓣提供向外的动力,而大轮瓣限位圆盘3和小轮瓣限位圆盘8分别控制大轮瓣4和小轮瓣7的变形过程以正常的轨道运动。
大轮瓣限位圆盘3、大轮瓣4和大轮瓣轨道圆盘5组成大变形轮,大轮瓣4通过根部矩形滑块401和大轮瓣轨道圆盘5连接,大轮瓣4通过根部圆柱形滑块402和大轮瓣限位圆盘3连接,小轮瓣轨道凸盘6、小轮瓣7和小轮瓣限位圆盘8组成小变形轮,小轮瓣7通过第一根部圆柱形滑块701和小轮瓣轨道凸盘6连接,小轮瓣7通过第二根部圆柱形滑块701的第二端和小轮瓣限位圆盘8连接,大轮瓣限位圆盘3位于传动轴2的最前端,小轮瓣限位圆盘8位于传动轴2的最末端,固定螺母9将小轮瓣7和小轮瓣限位圆盘8固定连接,通过小轮瓣限位圆盘8控制小轮瓣7在传动轴线方向上的移动,来实现小轮瓣7沿着小轮瓣轨道凸盘6进行变形。
如图1所示,大轮瓣限位圆盘3、大轮瓣4、大轮瓣轨道圆盘5、小轮瓣轨道凸盘6、小轮瓣7和小轮瓣限位圆盘8和传动轴2同轴心。
大轮瓣4的瓣数和小轮瓣7的瓣数相等,均为四个,大轮瓣4每瓣上的滑块数量相等,小轮瓣7每瓣上的滑块数量相等,大轮瓣限位圆盘3上直线滑槽的数量和大轮瓣轨道圆盘5上曲线滑槽的数量相等,小轮瓣限位圆盘上8直线滑槽的数量和小轮瓣轨道凸盘6上曲线滑槽的数量相等。
在闭合时,大轮瓣4的直径大于小轮瓣7的直径,大轮瓣轨道圆盘5的直径和小轮瓣轨道凸盘6的最大直径相等,小轮瓣7的直径和小轮瓣限位圆盘8的直径相等,小轮瓣7的直径大于小轮瓣轨道凸盘6的最大直径。
在展开时,如图8所示,大轮瓣4和小轮瓣7共面,在闭合时,如图9所示,大轮瓣4和小轮瓣7在两个互相平行的面上,当大轮瓣轨道圆盘5和小轮瓣轨道凸盘6停止旋转以后,大轮瓣4和小轮瓣7的变形固定,从而整体形态固定。
可变轮径的变形轮的变形的一般过程是:如图9所示,平坦路面运行时,四段大轮瓣4的根部矩形滑块401连接在大轮瓣轨道圆盘5的最内侧圆弧上,车轮的四段大轮瓣4闭合为完美的圆形车轮;四段小轮瓣7的根部圆柱形滑块701连接在小轮瓣轨道凸盘6上,收在车轮内部。
当遇到路面不平坦时,伺服电机1带动与之相连的传动轴2旋转,由于大轮瓣轨道圆盘5和传动轴2的旋转中心在一条直线上,大轮瓣轨道圆盘5也随之旋转,大轮瓣轨道圆盘5第一滑槽501的横截面为矩形502,和大轮瓣4的根部矩形滑块401的外形相同,在大轮瓣4变形过程中,大轮瓣4的根部矩形滑块401在大轮瓣轨道圆盘5内上下移动,从而完成整个大变形轮的变形过程。小轮瓣轨道凸盘6和传动轴2的旋转中心在一条直线上,小轮瓣轨道凸盘6也随之旋转,小轮瓣轨道凸盘6的第二滑槽601的横截面为圆弧形602,和小轮瓣7的根部圆柱形滑块701的外形相同,小轮瓣7的根部圆柱形滑块701在小轮瓣轨道凸盘6内不仅上下移动,同时存在左右移动的情况,从而完成整个小变形轮的变形过程,小轮瓣轨道凸盘6的横截面设计成圆弧形可以减小变形轮的空间,能够更好的适应不同的路况。
当大轮瓣4与大轮瓣轨道圆盘5同时旋转,使得连接在大轮瓣轨道圆盘5上的大轮瓣4的根部矩形滑块401由大轮瓣轨道圆盘5内侧向大轮瓣轨道圆盘5外侧移动,使大轮瓣4向外扩展,车轮半径变大。此时,小轮瓣7和小轮瓣轨道凸盘6同时旋转,使得连接在小轮瓣轨道凸盘6上的小轮瓣7的根部圆柱形滑块701由小轮瓣轨道凸盘6的小径端向小轮瓣轨道凸盘6的大径端移动,从而使得小轮瓣7补充在大轮瓣4变大后产生的空隙,最终状态如图8所示。这样变形轮在变大的同时,能够使得车轮更加圆滑。如果遇到意外情况,变形轮不能变形,将通过手动控制大轮瓣手动控制柄503和小轮瓣手动控制柄603来对变形轮进行整体的变形。
以下结合实施例对本发明可变轮径的变形轮做进一步描述:
在实际应用过程中,在相对平滑的路面中,比如水泥地,公路,室内的路面,装备有可变轮径的小车以小轮状态运行,伺服电机1控制传动轴2进行旋转运动,传动轴2的旋转中心线与水平方向相平行,传动轴2可以360度旋转并带动变形轮进行旋转。变形轮均匀分为四段大轮瓣4和四段小轮瓣4,平坦路面运行时,四段大轮瓣4的根部矩形滑块401连接在大轮瓣轨道圆盘5的最内侧圆弧上,车轮的四段大轮瓣4闭合为完美的圆形车轮,四段小轮瓣7的根部圆柱形滑块701连接在小轮瓣轨道凸盘6的最内侧圆弧上,收在车轮内部,进行快速的移动。
然而在一些特殊场景,例如野外,凹凸不平的路面,路面的崎岖程度刮到小车底盘的情况下,车轮无法以小轮状态进行快速移动时,此时,变形轮开始扩大轮径,在伺服电机1的驱动下,由于大轮瓣轨道圆盘5和传动轴2的旋转中心在一条直线上,大轮瓣轨道圆盘5和传动轴2一起同速旋转,由于大轮瓣轨道圆盘5上的第一滑槽501的横截面为矩形502,和大轮瓣4的根部矩形滑块401的外形相同,在大轮瓣4变形过程中,大轮瓣4的根部矩形滑块401在大轮瓣轨道圆盘5内上下移动,不会出现脱槽的现象,大轮瓣限位圆盘3控制大轮瓣4在变形过程以正常的轨道运动,从而完成整个大变形轮的变形过程。
同理,由于小轮瓣轨道凸盘6和传动轴2的旋转中心在一条直线上,小轮瓣轨道凸盘6和传动轴2跟随大轮瓣轨道圆盘5一起同速旋转,由于小轮瓣轨道凸盘6上的第二滑槽601的横截面为圆弧形602,和小轮瓣7的根部圆柱形滑块701的外形相同,在小轮瓣7变形过程中,由于小轮瓣轨道凸盘6外形的形状,小轮瓣7的根部圆柱形滑块701在小轮瓣轨道凸盘6内不仅上下移动,同时存在左右移动的情况,从而完成整个变形过程,,小轮瓣限位圆盘8控制小轮瓣7的变形过程以正常的轨道运动,小轮瓣轨道凸盘6的横截面设计成圆弧形可以减小变形轮的空间,能够更好的适应不同的路况。
变形轮整体变形时,大轮瓣4与大轮瓣轨道圆盘5同时旋转使得连接在大轮瓣轨道圆盘5上的大轮瓣4的根部矩形滑块401由大轮瓣轨道圆盘5内侧向大轮瓣轨道圆盘5外侧移动,使大轮瓣4向外扩展,车轮半径变大,小轮瓣7和小轮瓣轨道凸盘6同时旋转使得连接在小轮瓣轨道凸盘6上的小轮瓣7的根部圆柱形滑块701由小轮瓣轨道凸盘6的小径端向小轮瓣轨道凸盘6的大径端移动,从而使得小轮瓣7补充在大轮瓣4变大后产生的空隙。这样变形轮在变大的同时,能够使得车轮更加圆滑,变形为越野状态下的变形轮能以更快的速度顺利的通过崎岖的路面。
对于大轮瓣4和小轮瓣7轨迹滑槽的曲率的设定,该轨迹路径曲线不能以简单的半圆来实现,该方案会使变形过程中,大轮瓣和小轮瓣的移动过程有异常情况发生。所以在轨道圆盘的转速不变的情况下,该发明中的轨迹滑槽路径曲线需要分别满足大轮瓣4和小轮瓣7在最低处和最高处附近时的移动速度相应减小,而在变形中间过程要以相对高速运动。
选择这样的轨迹曲线主要有以下几点:1.由于大小轮瓣的位置在变形终点时有与邻面相互配合与贴合的步骤,所以在临近变形终点时相应的速度减小可以减少邻面之间的碰撞力度,并且会有一定的自调节功能,顺利方便的完成变形,提升整体机械***的稳定性;2.对比半圆路径曲线,使用这种曲线由于在两边变形终点的位置初始速度相对较低,可以在开始变形时初始速度降低,保证轮瓣移动更稳定实现。从小轮状态变形到大轮状态时,在变形之前由于小车进行移动,有可能在相邻两个轮瓣之间有一些杂质的嵌入、静摩擦与动摩擦力不同等原因,变形轮在开始变形的瞬间需要的力比较大,但是在圆盘转速一定的情况下,轮瓣沿轴线上下移动的速度降低可以使其变形的力增加,使其更加顺利的开始变形;3.在变形中间过程中,邻面之间的相互接触以及处在动摩擦力的状态下,变形时所需力的大小与变形开始与终点时相比要小,所以需要加快变形速度来缩短整体变形过程的时间,使变形轮更具实用价值。
本发明可变轮径的变形轮,具备轮式机构的高速度,转向灵活等优点的同时,由于可以根据路面情况的变化进行变径,在一定程度提高了其越野能力,使轮式机构的使用范围扩大,具有一定的实际应用价值。该变形轮根据轨道圆盘和限位圆盘的相互作用下,实现可变轮径的功能,从而扩大轮式结构的可用范围。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种可变轮径的变形轮,其包括大轮瓣、小轮瓣和传动轴,其特征在于:
所述大轮瓣和所述小轮瓣均由形状相同的扇形组成,所述大轮瓣和所述小轮瓣靠近中心的位置均设有滑块,所述大轮瓣的两侧腹板均为实心结构;在所述小轮瓣的两侧腹板中,第一侧腹板靠近根部的部分为镂空且第二侧腹板为实心结构,所述大轮瓣根部的两侧分别设有根部矩形滑块和根部圆柱形滑块;大轮瓣轨道圆盘上均匀设有第一滑槽,所述第一滑槽的横截面为矩形,所述第一滑槽的轨迹曲线为弓形,所述大轮瓣轨道圆盘的边缘上设有大轮瓣手动控制柄,所述小轮瓣根部的两侧分别设有第一根部圆柱形滑块和第二根部圆柱形滑块;小轮瓣轨道凸盘的外形为棱台,所述小轮瓣轨道凸盘上均匀设有第二滑槽,所述第二滑槽的横截面为圆弧形,所述第二滑槽的轨迹曲线为弓形,所述小轮瓣轨道凸盘上设有小轮瓣手动控制柄,所述大轮瓣限位圆盘和所述小轮瓣限位圆盘均匀分布有直线滑槽,所述小轮瓣限位圆盘的滑槽根部设有一段圆弧槽,使得所述小轮瓣在收起后,所述小轮瓣的半径进一步缩小,所述大轮瓣轨道圆盘和所述小轮瓣轨道凸盘均匀分布有曲线滑槽;以及
所述传动轴的第一端与伺服电机连接,所述传动轴的第二端分别与所述大轮瓣轨道圆盘和所述小轮瓣轨道凸盘连接,所述大轮瓣限位圆盘、所述大轮瓣和所述大轮瓣轨道圆盘组成大变形轮,所述大轮瓣通过根部圆柱形滑块和所述大轮瓣轨道圆盘连接,所述大轮瓣通过根部矩形滑块和所述大轮瓣限位圆盘连接,所述小轮瓣轨道凸盘、所述小轮瓣和所述小轮瓣限位圆盘组成小变形轮,所述小轮瓣通过所述第一根部圆柱形滑块和所述小轮瓣轨道凸盘连接,所述小轮瓣通过所述第二根部圆柱形滑块和所述小轮瓣限位圆盘连接,所述大轮瓣限位圆盘位于所述传动轴的最前端,所述小轮瓣限位圆盘位于所述传动轴的最末端,所述固定螺母将所述小轮瓣和所述小轮瓣限位圆盘固定连接。
2.根据权利要求1所述可变轮径的变形轮,其特征在于,所述大轮瓣限位圆盘、所述大轮瓣、所述大轮瓣轨道圆盘、所述小轮瓣轨道凸盘、所述小轮瓣和所述小轮瓣限位圆盘同轴心。
3.根据权利要求2所述可变轮径的变形轮,其特征在于,所述大轮瓣的瓣数和所述小轮瓣的瓣数相等,所述大轮瓣每瓣上的滑块数量相等,所述小轮瓣每瓣上的滑块数量相等,所述大轮瓣限位圆盘上直线滑槽的数量和所述大轮瓣轨道圆盘上曲线滑槽的数量相等,所述小轮瓣限位圆盘上直线滑槽的数量和所述小轮瓣轨道凸盘上曲线滑槽的数量相等。
4.根据权利要求3所述可变轮径的变形轮,其特征在于,在闭合时,所述大轮瓣的直径大于所述小轮瓣的直径,所述大轮瓣轨道圆盘的直径和所述小轮瓣轨道凸盘的最大直径相等,所述小轮瓣的直径和所述小轮瓣限位圆盘的直径相等,所述小轮瓣的直径大于所述小轮瓣轨道凸盘的最大直径。
5.根据权利要求3所述可变轮径的变形轮,其特征在于,在展开时,所述大轮瓣和所述小轮瓣共面,在闭合时,所述大轮瓣和所述小轮瓣在两个互相平行的面上。
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