CN103985304B - 折展式六杆结构型机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种折展式六杆结构型机构，包括六根等长的连杆和六个旋转副，存在三个对称面，只具有一个自由度，运动过程中，机构既可以展开成一个平面，又可以折叠成紧凑的一束。本发明可实现最大程度的折展，在航空航天和土木工程等领域应用过程中，可根据实际需要来调控折展式六杆结构完全折展后的形状，可以为等边三角形也可以为任意一种等边六边形，同时也可以控制完全展开状态和完全折叠状态转化间机构运动参数的变化范围。过约束性质增强了机构本身的刚度和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及机构学领域，特别是一种折展式六杆结构型机构。
背景技术
该结构的理论基础在于一种单闭环的过约束机构，过约束机构是一类有着百年历史的特殊机构，根据经典运动学法则，该类机构本应该归类于没有自由度的结构，但由于其连杆间存在着特殊的几何关系，使得此类机构出现一个过约束，因此成为可动且为单自由度的机构。这种机构仅由转动副连接，制造简单，成本低，可靠性高。而几何上的过约束性使其具有高刚性。第一种单闭环的单自由度过约束机构在一百多年前被Sarrus发现，后来一些其它的单闭环单自由度过约束机构陆续被发现和研究。陈焱教授已经用方形截面杆设计并加工出了可完全折展的四连杆过约束机构。工业中折展式结构一般用于航空航天和土木工程等领域。例如用作太阳能板和可开合屋顶的主体结构。
然而，目前大多数的单闭环单自由度六连杆过约束机构无法实现完全折展，只有当三重对称Bricard机构连杆扭角为60度时才能实现完全折展，展开后形状不可调控只能为等边三角形，而且只能在运动参数到达某个特定值时才能分别实现折叠和展开，实用性不强。工业中利用折展结构或机构都是为了实现体积或者覆盖面积的改变，对于普通的六连杆机构及无法完全折展的三重对称Bricard机构显然不能很好地完成此项功能。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种能够完全折展、且展开后形状可以调控的单自由度折展式六杆结构型机构。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种折展式六杆结构型机构，包括六个旋转副和六根等长连杆，
第一连杆与第二连杆通过第一旋转副相连，第二连杆与第三连杆通过第二旋转副相连，第三连杆与第四连杆通过第三旋转副相连，第四连杆与第五连杆通过第四旋转副相连，第五连杆与第六连杆通过第五旋转副相连，第六连杆与第一连杆通过第六旋转副相连；
在机构运动过程中，所述第一旋转副的轴线、所述第三旋转副的轴线和所述第五旋转副的轴线始终相交于一点；所述第二旋转副的轴线、所述第四旋转副的轴线和所述第六旋转副的轴线始终相交于另一点；
相邻的两根所述连杆的连杆扭角大小相等，旋向相反；
所述第六旋转副的轴线与所述第一旋转副的轴线的公垂线为第一公垂线，所述第一旋转副的轴线与所述第二旋转副的轴线的公垂线为第二公垂线，所述第二旋转副的轴线与所述第三旋转副的轴线的公垂线为第三公垂线，所述第三旋转副的轴线与所述第四旋转副的轴线的公垂线为第四公垂线，所述第四旋转副的轴线与所述第五旋转副的轴线的公垂线为第五公垂线，所述第五旋转副的轴线与所述第六旋转副的轴线的公垂线为第六公垂线；
令l表示相邻旋转副轴线的公垂线的长度；所述第一旋转副的轴线上相邻两公垂线的交点到相邻两连杆的交点的距离、所述第三旋转副的轴线上相邻两公垂线的交点到相邻两连杆的交点的距离和所述第五旋转副的轴线上相邻两公垂线的交点到相邻两连杆的交点的距离相同，用c来表示；所述第二旋转副的轴线上相邻两公垂线的交点到相邻两连杆的交点的距离、所述第四旋转副的轴线上相邻两公垂线的交点到相邻两连杆的交点的距离和所述第六旋转副的轴线上相邻两公垂线的交点到相邻两连杆的交点之间的距离相同，用d来表示；c、d和l需要满足以下关系：
其中，θf为机构完全闭合时所述第一连杆与所述第二连杆间的连杆转角，也是所述第三连杆与所述第四连杆间的连杆转角，也是所述第五连杆与所述第六连杆间的连杆转角，为机构完全闭合时所述第二连杆与所述第三连杆间的连杆转角，也是所述第四连杆与所述第五连杆间的连杆转角，也是所述第六连杆与所述第一连杆间的连杆转角。
本发明具有的优点和积极效果是：能够达到最大程度的折展，在航空航天和土木工程等领域应用过程中，可以根据实际需要来调控折展式六杆结构完全折展后的形状，可以为等边三角形也可以为任意一种等边六边形，同时也可以控制完全展开状态和完全折叠状态转化间机构运动参数的变化范围。过约束性质增强了机构本身的刚度和稳定性。单自由度使得本发明控制起来更加简单。
附图说明
图1为本发明的机构示意图；
图2为应用本发明的机构示意图；
图3为应用本发明的机构的第一连杆1、第三连杆3和第五连杆5的示意图；
图4为应用本发明的机构的第二连杆2、第四连杆4和第六连杆6的示意图；
图5为应用本发明的机构完全展开状态的示意图；
图6、图7为应用本发明的机构折叠过程示意图；
图8为应用本发明的机构完全折叠状态示意图。
图中：1-第一连杆；2-第二连杆；3-第三连杆；4-第四连杆；5-第五连杆；6-第六连杆；7-第一公垂线；8-第二公垂线；9-第三公垂线；10-第四公垂线；11-第五公垂线；12-第六公垂线；L12-第一旋转副；L23-第二旋转副；L34-第三旋转副；L45-第四旋转副；L56-第五旋转副；L61-第六旋转副；I、J、M、N、P、Q、S、T、U、W、U'、W'-节点。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1，一种折展式六杆结构型机构，包括六个旋转副和六根等长连杆，第一连杆1与第二连杆2通过第一旋转副L12相连，第二连杆2与第三连杆3通过第二旋转副L23相连，第三连杆3与第四连杆4通过第三旋转副L34相连，第四连杆4与第五连杆5通过第四旋转副L45相连，第五连杆5与第六连杆6通过第五旋转副L56相连，第六连杆6与第一连杆1通过第六旋转副L61相连；
在机构运动过程中，所述第一旋转副L12的轴线、所述第三旋转副L34的轴线和所述第五旋转副L56的轴线始终相交于一点；所述第二旋转副L23的轴线、所述第四旋转副L45的轴线和所述第六旋转副L61的轴线始终相交于另一点；
相邻的两根所述连杆的连杆扭角大小相等，旋向相反；
所述第六旋转副L61的轴线与所述第一旋转副L12的轴线的公垂线为第一公垂线7，所述第一旋转副L12的轴线与所述第二旋转副L23的轴线的公垂线为第二公垂线8，所述第二旋转副L23的轴线与所述第三旋转副L34的轴线的公垂线为第三公垂线9，所述第三旋转副L34的轴线与所述第四旋转副L45的轴线的公垂线为第四公垂线10，所述第四旋转副L45的轴线与所述第五旋转副L56的轴线的公垂线为第五公垂线11，所述第五旋转副L56的轴线与所述第六旋转副L61的轴线的公垂线为第六公垂线12；
令l表示相邻旋转副轴线的公垂线的长度；所述第一旋转副L12的轴线上相邻两公垂线的交点到相邻两连杆的交点的距离、所述第三旋转副L34的轴线上相邻两公垂线的交点到相邻两连杆的交点的距离和所述第五旋转副L56的轴线上相邻两公垂线的交点到相邻两连杆的交点的距离相同，用c来表示；所述第二旋转副L23的轴线上相邻两公垂线的交点到相邻两连杆的交点的距离、所述第四旋转副L45的轴线上相邻两公垂线的交点到相邻两连杆的交点的距离和所述第六旋转副L61的轴线上相邻两公垂线的交点到相邻两连杆的交点之间的距离相同，用d来表示；c、d和l需要满足以下关系：
其中，θf为机构完全闭合时所述第一连杆1与所述第二连杆2间的连杆转角θ，也是所述第三连杆3与所述第四连杆4间的连杆转角θ，也是所述第五连杆5与所述第六连杆6间的连杆转角θ，为机构完全闭合时所述第二连杆2与所述第三连杆3间的连杆转角也是所述第四连杆4与所述第五连杆5间的连杆转角也是所述第六连杆6与所述第一连杆间1的连杆转角
由于上述机构的连杆和旋转副的约束条件符合三重对称Bricard机构的约束条件，只改变了相邻两连杆在轴线上的连接位置，与三重对称Bricard机构的运动行为一致，所以上述机构的自由度数量与三重对称Bricard机构的自由度数量相同，只具有一个自由度。
应用本发明的实例请参阅图2～图8，如图2所示，本发明的实例由第一连杆1、第二连杆2、第三连杆3、第四连杆4、第五连杆5、第六连杆6通过旋转副依次连接组成。所述第一连杆1与第二连杆2通过第一旋转副L12相连，所述第二连杆2与第三连杆3通过第二旋转副L23相连，所述第三连杆3与第四连杆4通过第三旋转副L34相连，所述第四连杆4与第五连杆5通过第四旋转副L45相连，所述第五连杆5与第六连杆6通过第五旋转副L56相连，所述第六连杆6与第一连杆1通过第六旋转副L61相连。
机构运动过程中，第一旋转副L12的轴线、第三旋转副L34的轴线和第五旋转副L56的轴线始终相交于一点，第二旋转副L23的轴线、第四旋转副L45的轴线和第六旋转副L61的轴线始终相交于一点，且机构关于第一旋转副L12的轴线和第四旋转副L45的轴线确定的平面对称，也关于第二旋转副轴线L23的轴线和第五旋转副L56的轴线确定的平面对称，还关于第三旋转副L34的轴线和第六旋转副L61的轴线确定的平面对称。
如图3所示，第一连杆1为等边三角形截面杆，所述第一连杆1的端面1-1和端面1-2所成二面角为60度，通过调节第一连杆1的轴线与所述端面1-1所成的线面角的大小既可控制应用本发明的机构展开后的形状；端面1-1的边线IQ上设有旋转副接口，端面1-2的边线JP上设有旋转关节，直线QW到直线PJ的角为α，点W为IQ与JP的公垂线与直线IQ的交点，点U为IQ与JP的公垂线与直线JP的交点，线段QW、线段PU和线段UW之间满足以下关系：
如图4所示，第二连杆2为等边三角形截面杆，所述第二连杆2的端面2-1和端面2-2所成二面角为60度，第二连杆2的轴线与所述端面2-1所成的线面角和第一连杆1的轴线与所述端面1-2所成的线面角相等，端面2-1的边线NT上设有旋转关节，端面2-2的边线MS上设有旋转副接口，直线NT到直线MS的角为-α，点U'为NT与MS的公垂线与直线NT的交点，点W'为NT与MS的公垂线与直线MS的交点，线段TU'、线段SW'和线段U'W'之间满足以下关系：
其中，如图2所示，θf为机构完全闭合时所述第一连杆1与所述第二连杆2间的连杆转角θ，也是所述第三连杆3与所述第四连杆4间的连杆转角θ，也是所述第五连杆5与所述第六连杆6间的连杆转角θ，为机构完全闭合时所述第二连杆2与所述第三连杆3间的连杆转角也是所述第四连杆4与所述第五连杆5间的连杆转角也是所述第六连杆6与所述第一连杆1间的连杆转角
第三连杆3、第五连杆5的形状和旋转副接口的设置与第一连杆1完全相同，在此不再赘述；第四连杆4、第六连杆6的形状和旋转副接口的设置与第二连杆2完全相同，在此不再赘述。
如图3所示，第一连杆1的两端设计有两个端面1-1和1-2，同样在与所述第一连杆1相同的第三连杆3和第五连杆5上也分别设计有两个端面3-1、3-2及5-1、5-2；如图4所示，所述的第二连杆2两端设计有两个端面2-1和2-2，同样在与所述第二连杆2相同的第四连杆4和第六连杆6上也分别设计有两个端面4-1、4-2及6-1、6-2。通过将所述第一连杆1上端面1-1底部的旋转副接口与所述第六连杆6上端面6-2的旋转副接口转动相连，点S与点Q重合，同时将所述第一连杆1上端面1-2的旋转副接口与所述第二连杆2上端面2-1上的旋转副接口转动连接，点P与点T重合，同时将所述第二连杆2上端面2-2的旋转副接口与所述第三连杆3上端面3-1的旋转副转动连接，点S与点Q重合，同时将所述第三连杆3上端面3-2的旋转副接口与所述第四连杆4上端面4-1的旋转副转动连接，点P与点T重合，同时将所述第四连杆4上端面4-2的旋转副接口与所述第五连杆5上端面5-1的旋转副转动连接，点S与点Q重合，同时将所述第五连杆5上端面5-2的旋转副接口与所述第六连杆6上端面6-1的旋转副转动连接，点P与点T重合，便可组成本发明的折展式六杆结构。
在应用本发明的机构中，当所述的端面1-1与所述端面6-2重合，所述的端面1-2与所述端面2-1重合，所述的端面2-2与所述端面3-1重合，所述的端面3-2与所述端面4-1重合，所述的端面4-2与所述端面5-1重合，所述的端面5-2与所述端面6-1重合，此种状态为所述应用本发明的机构的一个稳定态，即完全展开态，此时，所述本发明机构展开成为一个平面，如图5所示。
由于所述的本发明的各个连杆通过旋转副相连，且由于上述该机构的约束关系，可以使所述本发明转变为另一个稳定态。由于所述机构仅具有一个自由度，因此向另一稳定态的转变过程可通过驱动任意组成连杆实现，所形成的另一稳定态，即为完全折叠态，此时，六连杆收成紧凑的一束，如图8所示。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，例如：利用圆形截面杆也可以做出具有相同折展性能的机构，需要指出的是，本发明六根连杆与六个旋转副的轴线只要满足上述的约束条件，即可达到本发明完全折展的功能，而与组成机构的各个连杆及旋转副形状无关。这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种折展式六杆结构型机构，包括六个旋转副和六根等长连杆，其特征在于，
第一连杆与第二连杆通过第一旋转副相连，第二连杆与第三连杆通过第二旋转副相连，第三连杆与第四连杆通过第三旋转副相连，第四连杆与第五连杆通过第四旋转副相连，第五连杆与第六连杆通过第五旋转副相连，第六连杆与第一连杆通过第六旋转副相连；
在机构运动过程中，所述第一旋转副的轴线、所述第三旋转副的轴线和所述第五旋转副的轴线始终相交于一点；所述第二旋转副的轴线、所述第四旋转副的轴线和所述第六旋转副的轴线始终相交于另一点；
相邻的两根所述连杆的连杆扭角大小相等，旋向相反；
所述第六旋转副的轴线与所述第一旋转副的轴线的公垂线为第一公垂线，所述第一旋转副的轴线与所述第二旋转副的轴线的公垂线为第二公垂线，所述第二旋转副的轴线与所述第三旋转副的轴线的公垂线为第三公垂线，所述第三旋转副的轴线与所述第四旋转副的轴线的公垂线为第四公垂线，所述第四旋转副的轴线与所述第五旋转副的轴线的公垂线为第五公垂线，所述第五旋转副的轴线与所述第六旋转副的轴线的公垂线为第六公垂线；
令l表示相邻旋转副轴线的公垂线的长度；所述第一旋转副的轴线上相邻两公垂线的交点到相邻两连杆的交点的距离、所述第三旋转副的轴线上相邻两公垂线的交点到相邻两连杆的交点的距离和所述第五旋转副的轴线上相邻两公垂线的交点到相邻两连杆的交点的距离相同，用c来表示；所述第二旋转副的轴线上相邻两公垂线的交点到相邻两连杆的交点的距离、所述第四旋转副的轴线上相邻两公垂线的交点到相邻两连杆的交点的距离和所述第六旋转副的轴线上相邻两公垂线的交点到相邻两连杆的交点之间的距离相同，用d来表示；c、d和l需要满足以下关系：
其中，θ f 为机构完全闭合时所述第一连杆与所述第二连杆间的连杆转角，也是所述第三连杆与所述第四连杆间的连杆转角，也是所述第五连杆与所述第六连杆间的连杆转角，为机构完全闭合时所述第二连杆与所述第三连杆间的连杆转角，也是所述第四连杆与所述第五连杆间的连杆转角，也是所述第六连杆与第一连杆间的连杆转角。
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