CN104966892B - 一种正六边形平面展开机构 - Google Patents

Abstract

本发明为一种正六边形平面展开机构，由七个正六边形机架及二十四个普通双铰接点直线连杆彼此通过圆柱销连接而成；其中一个正六边形机架为机架处于中心部位，其余六个正六边形机架围绕在中心正六边形机架周围，此七个正六边形机架彼此间按照一定的方式顺次连接而成。其中，可将一个普通双铰接点直线连杆作为驱动杆，绕正六边形机架相连接的铰接点旋转运动。其原理简单，可靠性高，组成构件类别少，尺寸单一，重复性强，加工简单，易于装配，误差小，展开过程平稳，冲击小，整个系统只有一个自由度，机构采用微小型电动机驱动，驱动简单，易于控制。

Description

一种正六边形平面展开机构

技术领域

本发明属于结构设计领域，涉及一种平面展开收缩机构，特别涉及一种基于正六边形的平面展开机构。

背景技术

随着空间技术和信息化技术的发展，可展开机构逐渐走入人们的视野，其应用领域亦是十分广泛。如各类卫星上的星载可展天线、太阳能电池翼，它们的应用是由于火箭有效运载空间、运载力的限制，要求其在发射阶段以折叠状固定在运载工具有效载荷舱内，待航天器进入轨道后，再由地面控制中心指令其在空间轨道按设计要求逐步完成展开动作，锁定后并保持为工作状态。而月球探测器的车轮上的可展机构则是当月球探测器在月面前进时，根据月面形状变化灵活调整其姿态，从而提高月球车越障性能及系统稳定性。

而可展结构的概念在日常生活中也得到了普遍应用，如可展开纸扇，可展开手风琴，应用可展概念的汽车等；同时，人类亦将可展结构应用于建筑领域，如野营帐篷、大型体育馆及歌剧院等；当然，可展结构还可以做玩具、艺术品、修饰品等物件。总之，其应用越来越广泛。

但是，在应用过程中，其复杂度及刚度问题的解决尤为重要，能够拥有简单的构型及更高的刚度，对航天领域、建筑领域及日常生活领域都极为重要。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：为了避免现有技术存在的不足，克服其系统结构复杂，刚度低的问题，本发明提出一种新型的正六边形平面可展机构，其构型简单，刚度大，展开过程平稳，冲击小，机构具有一个自由度，易于控制。

本发明的技术方案是：设计一种正六边形平面展开机构，包括七个正六边形机架，当七个正六边形机架展开时，围绕在周边的六个正六边形机架呈正六边形围绕在第七个正六边形机架的周围，且每一个正六边形机架均有相对的两条边与中心的正六边形机架的一边平行，每一个正六边形机架每一条边的两端和中间处分别设有铰接孔；

当七个正六边形机架展开时，周边正六边形机架通过以下方式与中心正六边形机架连接：对于某一周边正六边形机架，该周边正六边形机架的A边与中心正六边形机架的B边通过相互平行的连杆C和连杆D连接；其中A边为该周边正六边形机架中与中心正六边形机架相邻的一边，B边为中心正六边形机架中与该周边正六边形机架相邻的一边，连杆C两端分别与A边一端的铰接孔和B边中心的铰接孔铰接，连杆D两端分别与A边中心的铰接孔和B边一端的铰接孔铰接；

当七个正六边形机架展开时，周边正六边形机架通过以下方式与相邻周边正六边形机架连接：对于任一周边正六边形机架，所述任一周边正六边形机架的E边与相邻周边正六边形机架的F边通过相互平行的连杆G和连杆H连接；其中E边为所述任一周边正六边形机架中与所述相邻周边正六边形机架相邻的一边，F边为所述相邻周边正六边形机架中与所述任一周边正六边形机架的一边，连杆G两端分别与E边一端的铰接孔和F边中心的铰接孔铰接，连杆H两端分别与E边中心的铰接孔和F边一端的铰接孔铰接；

所有连杆两端均有垂直于正六边形机架平面的凸台，所述凸台的高度确保七个正六边形机架收拢时，所有连杆相互不干涉。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明提出一种新型的正六边形平面展开机构，原理简单，可靠性高。该可展机构结构简单，组成构件类别少，尺寸单一，重复性强，加工简单，易于装配，误差小，展开过程平稳，冲击小，整个系统只有一个自由度，机构采用微小型电动机驱动，驱动简单，易于控制。本发明无论结构的设计，还是尺寸的设计方面都有独到的优势，既可解决结构复杂的缺点，也提高了精度，可适用于卫星天线展开系统等需大面积展开收缩的领域,，也可用于星球探测车的可展轮毂以及其它诸如工艺品及建筑等领域。

附图说明

图1为正六边形展开机构的第一结构示意图。

图2为正六边形展开机构的第二结构示意图。

图3为正六边形展开机构的第三结构示意图。

图4为本实例中连杆连接形式示意图。

图5为本实施例中正六边形机架的示意图。

图6为本实施例中一号连杆的示意图。

图7为本实施例中二号连杆的示意图。

图8为本实施例中三号连杆的示意图。

图9为本实施例中四号连杆的示意图。

图10为连杆旋转时，本发明完全收缩时的示意图。

图11为连杆旋转时，本发明展开30°时的示意图。

图12为连杆旋转时，本发明完全展开时的示意图。

附图标记说明：1—第一组连杆；2—第二组连杆；3—第三组连杆；4—第四组连杆；5—正六边形机架；

具体实施方式

下面结合具体实施实例，对本发明技术方案进一步说明。在本实施例中，为更好说明中心正六边形机架与周围正六边形机架的连接关系，在此用第一组连杆、第二组连杆、第三组连杆和第四组连杆进行说明，每组连杆均由两根连杆组成，第一组连杆中一端未设有凸台，另一端设有凸台；其余每组连杆中的两根连杆两端均设有凸台；且所有的连杆中，所设的凸台高度均不相同。

如附图1-6示，正六边形展开机构由七个正六边形机架及二十四个普通双铰接点直线连杆彼此通过圆柱销连接而成；其中一个正六边形机架处于中心部位，其余六个正六边形机架以它为中心环形阵列分布，此七个正六边形机架彼此间按照一定的方式顺次连接而成，如图1。为了避免该可展机构在运动过程中发生干涉，对连杆两端设置不同的凸台实现运动过程中的分层，如图2和图3。

所述正六边形机架，为周边有十二个铰接孔的框架，通过铰接孔和双铰接点直线连杆相连，并连接到另一个正六边形机架上，连杆连接形式见图4，正六边形机架结构形式见图5。

所述双铰接点直线连杆，为连接正六边形机架的部件，在本发明中根据两边凸台高度的不同，共采用了四种不同类型的双铰接点直线连杆，用于保证每个正六边形机架在运动过程中处于不同的平面上，同时每根直线连杆都采用相同的长度。在本专利中，以正六边形机架的厚度为标准，记为一个单位高度，用于计量直线连杆两端凸台高度。为了方便标示凸台高度不同的直线连杆，本实施例中，根据直线连杆两端的凸台的高度，按照从小到大的顺序，将直线连杆记为：一号杆、二号杆、三号杆和四号杆。同时，为了保证对称布置的凸台能够在运动过程中不干涉，两端的凸台必须采用不同的高度，以使对称布置的一对直线连杆能够在运动中不发生干涉。如图6所示为第一组连杆，其一端有凸台，高度记为一个单位高度，另一端没有凸台，所以第一组连杆两端凸台的高度差为两个单位高度。如图6所示为第二组连杆，其两端都有凸台，高的一端三个单位高度，低的一端为一个单位高度，两端的高度差为五个单位高度。如图7所示为第三组连杆，其两端也都设有凸台，高度一端为四个单位高度，低的一端为三个单位高度，两端的高度差为八个单位高度。如图8所示为第四组连杆，其两端也有凸台，高的一端为六个单位高度，低的一端为四个单位高度，其两端的高度差为十一个单位高度。以一个单位高度为10mm为例，第一组连杆的凸台一侧为0mm，一侧为10mm，两端高度差为20mm；第二组连杆的凸台一侧为10mm，一侧为30mm，两端高度差为50mm；第三组连杆的凸台一侧为40mm，一侧为30mm，两端高度差为80mm；第一组连杆的凸台一侧为60mm，一侧为40mm，两端高度差为110mm；

如图1所示，中心正六边形机架的六个方向上布置着三种不中类型的双铰接点直线连杆，分别中心位于正六边形机架的上方和下方。如图2所示，在中心正六边形机架的垂直方向的上方和下方，分别按顺序布置有第一组连杆、第二组连杆和第三组连杆，且位于中心正六边形机架上方的第三组连杆必须和位于中心正六边形机架下方的一号杆处于相邻的位置。所以正六边形机架的六条边上对应的六对连杆顺序为第一组连杆(上)-第二组连杆(上)-第三组连杆(上)-第一组连杆(下)-第二组连杆(下)-第三组连杆(下)。同时，在图2中可以看出，每对杆组在中心正六边形机架采用对称布置，即在中心正六边形机架上的铰接处应该采用不同的凸台，用于保证在运转过程中同一对杆组的错位。同时，为了保证每对杆组能在同一方向运转，应该保证每对杆组按高低错落的方式对称布置，即高低错落的方向应该一样，如图2所示。

如图1所示，在中心正六边形机架的周围还布置有六个正六边形机架。如图3所示，通过四对一号连杆和两对四号连杆将其连接起来。在连接时，由于中心正六边形机架周边的直线连杆的布置方式不一样，所以在连接周边的正六边形机架时可以根据错落的高度不同，采用所需的连杆。而且，在每对直线连杆布置凸台时，也要采用相同的高低错落方式，即采用和相邻的一组连杆相同的布置方式。

由垂直方向观察机构的展开过程，可以看出，本机构可以从初始的收缩状态，通过驱动运动到最后的展开状态。在正常展开时，通过给中心正六边形机架周边的其中的一根连杆添加驱动，以实现机构的展开与收缩运动。其展开过程的原理同四边形机构一样，通过给其中的一条边添加驱动，从而带动另一条边运动，在理想状况下，由于本机构采用的特殊的长度，能实现另一条边和驱动边有相同的运动状态。同时通过正六边形机架的连带作用，带动其它的机构一起做相同的运动。

如图2所示，正六边形展开机构由七个正六边形机架及二十四个普通双铰接点直线连杆彼此通过圆柱销连接而成；其中一个正六边形机架处于中心部位，其余六个正六边形机架以它为中心环形阵列分布，此七个正六边形机架彼此间按照一定的方式顺次连接而成。其中，可将一个普通双铰接点直线连杆作为驱动杆，绕与机架相连接的铰接点旋转运动。为了避免该可展机构运动过程中发生干涉，可按照一定的规则对连杆设置凸台进行分层。

该展开机构中各个连杆间具体的连接方式：

(1)中心正六边形机架、普通直线型连接杆与周边正六边形机架间的连接：

中心正六边形机架上有十二个铰接孔，与之配合的有六对直线连杆，如图1所示。由于在该机构运动过程中，中心正六边形机架固定不动，所以在安装时，首先将中心正六边形机架固定，然后安装周边的六对直线连杆，然后再安装周边正六边形机架。在图2中给出了周围的六对连杆的布置方式，可见在中心正六边形机架的上方和下方分别布置着三对直线连杆。在组装直线连杆时，要特别注意不同型号直线连杆的安装顺序，以及高低凸台在中心正六边形机架上的安装。将中心正六边形机架固定之后，首先在其下方组装第一组连杆，应采用不同的凸台端于其上的铰接孔铰接；然后在该组连杆的两侧，分别在中心正六边形的下方组装第二组连杆和在中心正六边形机架的上方组装第三组连杆，其凸台高低的错落方式应与第一组连杆保持一致；之后再在三号连杆的旁边在正六边形的上方布置第二组连杆，同时在上一步二号连杆的旁边在下方组装第三组连杆，其凸台高低的错落方式应与以上组装的杆组中保持一致；最后，在剩下的两个铰接孔处，在中心正六边形机架的上方组装第一组连杆。之后组装周边正六边形机架时，为了保证机构能够正确安装，需指定其上的铰接孔与直线连杆的连接位置。如图2所示，每对直线连杆与中心正六边形连接时，有一个铰接孔在正六边形的一条边的中间位置，另一个在顶点处。所以在周边正六边形机架组装时，应该按照一条直线连杆的两端能够分别连接到顶点处的铰接点和中间位置的铰接点。按此方式，即可完成本机构组装的第一步。

(2)周边正六边形机架、普通直线型连杆与相邻周边正六边形机架间的连接：

如图3所示，从图中可见，周边正六边形机架的连接采用了两种不同的直线连杆，即一号杆和四号杆。在完成第一步的组装后，就可以根据相邻连接杆的高度差，安装一号杆和四号杆。在本步的安装过程中，要注意每对杆组上的凸台的高低错落方式，应该与之前连接杆的方式保持一致。

正六边形展开机构的工作原理：

如图1所示，本机构将第一步组装的一条一号连杆当作为该机构驱动杆，当该一号杆旋转运动时，正六边形展开机构可实现展开收缩功能，展开工作角度共为210°。当其旋转时，由该展开机构第一种完全收缩状态向完全展开状态运动变化，可参见图10、图11和图12，展开角度为120°。该机构在运输，储存等不工作的时候为收缩状态，当其需要展开时，即可按照上述工作原理展开工作。

该正六边形展开机构自由度为1，为旋转自由度，故可使用小型电动机作为动力源进行驱动控制。

本发明中提供一种可行性方案，即：各杆件宽度为b＝12mm，厚度为h＝5mm，a＝45mm，c＝67.5mm，各杆件上圆孔直径d₁＝6mm，所使用的圆柱销的直径为d₂＝6mm，圆柱销的长度根据具体圆柱孔的深度情况选用，说明书附图中各杆件连接处为分层处理所增加的凸台厚度单位为5mm。

正六边形展开机构的收缩比：

按照本发明机构原理图，可以通过控制a，c及b的大小改变机构的收缩比，当a＝45mm，c＝67.5mm，b＝12mm时，顺时针旋转可得到这一展开机构的收缩比为1:1.40；逆时针旋转可得到这一展开机构的收缩比为1:1.41；而当a＝45mm，c＝90mm，b＝12mm时，顺时针旋转可得到这一展开机构的收缩比为1:1.43；逆时针旋转可得到这一展开机构的收缩比为1:1.42。

为了便于运输，储存以及工程工作需要，再结合该正六边形可收展机构的特点可将这种机构应用到空间大型展开天线、星球探测车的可展轮毂等领域，也可应用于其它各种需大面积展开收缩的领域，如工艺品及建材等方面。

Claims (1)

1.一种正六边形平面展开机构，其特征在于，包括七个正六边形机架，当七个正六边形机架展开时，围绕在周边的六个正六边形机架呈正六边形围绕在第七个正六边形机架的周围，且每一个正六边形机架均有相对的两条边与中心的正六边形机架的一边平行，每一个正六边形机架每一条边的两端和中间处分别设有铰接孔；

当七个正六边形机架展开时，周边正六边形机架通过以下方式与中心正六边形机架连接：对于某一周边正六边形机架，该周边正六边形机架的A边与中心正六边形机架的B边通过相互平行的连杆C和连杆D连接；其中A边为该周边正六边形机架中与中心正六边形机架相邻的一边，B边为中心正六边形机架中与该周边正六边形机架相邻的一边，连杆C两端分别与A边一端的铰接孔和B边中心的铰接孔铰接，连杆D两端分别与A边中心的铰接孔和B边一端的铰接孔铰接；

当七个正六边形机架展开时，周边正六边形机架通过以下方式与相邻周边正六边形机架连接：对于任一周边正六边形机架，所述任一周边正六边形机架的E边与相邻周边正六边形机架的F边通过相互平行的连杆G和连杆H连接；其中E边为所述任一周边正六边形机架中与所述相邻周边正六边形机架相邻的一边，F边为所述相邻周边正六边形机架中与所述任一周边正六边形机架相邻的一边，连杆G两端分别与E边一端的铰接孔和F边中心的铰接孔铰接，连杆H两端分别与E边中心的铰接孔和F边一端的铰接孔铰接；

所有连杆两端均有垂直于正六边形机架平面的凸台，所述凸台的高度确保七个正六边形机架收拢时，所有连杆相互不干涉。