CN101792023B - 拉索杆式一维伸展臂 - Google Patents

Abstract

拉索杆式一维伸展臂，目前主要有三种形式：薄壁管状伸展臂、盘压杆式伸展臂、铰接杆式伸展臂。本发明组成包括：一组伸展机构，伸展机构由四根空心支撑杆(4)与两个刚性框架(5)构成，展开拉索(10)通过支撑杆(4)的空心与固定于刚性框架(5)角部的翻转锥套(23)，展开辊(15)与展开电机(16)连接，收拢拉索(6)分别穿过所述的刚性框架(5)的对角小孔，一端固定在伸展臂座上，另一端固定在收拢辊筒(1)上，两根防转杆(13)固定在最顶层的刚性框架上，每隔一层刚性框架上的相应位置均安装有直线轴承(12)，展开电机(16)与收拢电机(3)为力矩电机。本发明用于航天领域的空间杆状伸展臂。

Description

拉索杆式一维伸展臂

技术领域：

本发明涉及一种拉索式杆状展开机构特别是一维伸展臂。

背景技术：

由于运载器内有效载荷包络尺寸的限制，大型空间结构必须收拢在有限的空间内，并在入轨后伸展为预想的构型，杆状空间伸展臂是空间展开机构中应用最广的一维展开机构，目前应用于航天领域的空间杆状伸展臂主要有三种形式：薄壁管状伸展臂、盘压杆式伸展臂、铰接杆式伸展臂。

薄壁管状伸展臂臂跟部翘曲限制了结构强度，因而热稳定性、抗弯及抗扭刚度较低，难以实现精确定位。

盘压杆式伸展臂展开过程中伸展臂刚度比较差，且伸展臂顶端绕伸展臂的中心线旋转，伸展臂在空间只能实现一次伸展，不能自动收拢。

铰接杆式伸展臂需要复杂的伸展与收拢机构，质量大。

发明内容：

本发明的目的是提供一种能够重复收拢的拉索式杆状展开机构。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

拉索杆式一维伸展臂，其组成包括：一组伸展机构，所述的伸展机构由四根空心支撑杆与两个刚性框架构成，展开拉索通过所述的支撑杆的空心与固定于刚性框架角部的翻转锥套，一端固定在伸展机构的顶端，另一端固定在与伸展臂座通过转动副连接的展开辊上，所述的展开辊与展开电机连接，收拢拉索分别穿过所述的刚性框架的对角小孔，一端固定在伸展臂座上，另一端固定在收拢辊筒上，两根防转杆固定在所述的最顶层的刚性框架上，并与固定于隔一层刚性框架上的直线轴承构成移动副，从最顶层开始，每隔一层刚性框架上的相应位置均安装有直线轴承，展开电机与收拢电机为力矩电机。

所述的拉索杆式一维伸展臂，所述的刚性框架是一个正方形框架，四个拐角上分别装有翻转锥套和钻有四个小孔，空心支撑杆由翻转锥通过锁紧螺母与空心杆固连构成，所述的展开电机与展开辊间通过小齿轮和大齿轮连接。

所述的拉索杆式一维伸展臂，当伸展机构处于展开状态时，同一根收拢拉索所穿过相邻的小孔处于伸展臂的同一侧面的两个侧边，收拢拉索呈“Z”形；在伸展机构收拢时，同一根收拢拉索所穿过的小孔处于同一轴线上，收拢拉索被拉直；通过收拢电机的驱动，收拢辊筒正反转可以拉紧与放松收拢拉索通过展开电机的驱动，展开辊正反转可以拉紧与放松展开拉索。

所述的拉索杆式一维伸展臂，在伸展臂展开时，支撑杆的轴线与刚性框架的平面垂直，处于收拢状态时，支撑杆的轴线与刚性框架的平面平行。

所述的拉索杆式一维伸展臂，其特征是：伸展机构由收拢状态展开时，收拢电机反转，收拢拉索放松，展开电机驱动展开辊正转，四根展开拉索同步拉紧产生拉力，在展开拉索的作用下，翻转锥与翻转锥套构成杠杆机构，使翻转锥相对于刚性框架发生翻转，从而使四根支撑杆相对于刚性框架发生同步翻转，驱动相邻刚性框架远离，直至支撑杆轴线垂直于刚性框架平面；

伸展臂由展开状态收拢时，展开电机反转，减小展开拉索的拉力，收拢电机驱动收拢辊筒正转，两根收拢拉索同步拉紧产生拉力，在拉力的作用下，收拢拉索有由“Z”伸直的趋势，使相邻两个刚性框架间产生旋转力矩，在支撑杆和收拢拉索的共同作用下，驱动其发生相对旋转且靠近，直至支撑杆轴线平行于刚性框架平面。

本发明的有益效果：

本发明可以用做空间设备的展开支架，该支架可以重复展开与收拢，展开时由底层向顶层依次开始，收拢时由顶层向底层依次开始；在防转杆的作用下，当刚性框架的数目为奇数时，伸展臂顶端可实现平动而不发生转动；该装置结构简单，不需要复杂的展开与收拢结构，质量小，展开长度与收拢长度比值较大；展开后在展开拉索拉力的作用下，具有较高的抗弯、抗扭刚度，可实现所支撑装置在空间的精确定位；由于在空间所有装置均处于失重状态，故在空间应用时该伸展臂理论上可以无限加长。

附图说明：

附图1是本发明的展开正视图；

附图2是本发明的展开侧视图；

附图3是本发明的收拢图；

附图4是空心支撑杆的结构图；

附图5是刚性框架俯视图；

附图6是单层展开过程图；

附图7是展开后翻转关节的放大剖视图；

附图8是收拢后翻转关节的放大剖视图；

附图9是展开拉索在伸展臂顶端锁紧结构图。

其中：1.收拢辊筒，2.转向支撑I，3.收拢电机，4.空心支撑杆，5.刚性框架，6.收拢拉索，7.伸展臂座，8.大齿轮，9.小齿轮，10.展开拉索，11.转向支撑III，12.直线轴承，13.防转杆，14.转向支撑II，15.展开辊，16.展开电机，17.翻转锥，18.锁紧螺母，19.空心杆，20.刚性框架i，21.刚性框架i+1，22.刚性框架i+2，23.翻转锥套。

具体实施方式：

实施例1：

拉索杆式一维伸展臂，其组成包括：一组伸展机构，所述的伸展机构由四根空心支撑杆4与两个刚性框架5构成，展开拉索10通过所述的支撑杆4的空心与固定于刚性框架5角部的翻转锥套23，一端固定在伸展机构的顶端，另一端固定在与伸展臂座7通过转动副连接的展开辊15上，所述的展开辊15与展开电机16连接，收拢拉索6分别穿过所述的刚性框架5的对角小孔，一端固定在伸展臂座上，另一端固定在收拢辊筒1上，两根防转杆13固定在所述的最顶层的刚性框架上，并与固定于隔一层刚性框架上的直线轴承构成移动副，从最顶层开始，每隔一层刚性框架上的相应位置均安装有直线轴承12，展开电机16与收拢电机3为力矩电机。

实施例2：

所述的拉索杆式一维伸展臂，所述的刚性框架是一个正方形框架，四个拐角上分别装有翻转锥套和钻有四个小孔，空心支撑杆由翻转锥17通过锁紧螺母18与空心杆19固连构成。所述的展开电机16与展开辊15间通过小齿轮9和大齿轮8连接。

实施例3：

所述的拉索杆式一维伸展臂，当伸展机构处于展开状态时，同一根收拢拉索所穿过相邻的小孔处于伸展臂的同一侧面的两个侧边，收拢拉索呈“Z”形；在伸展机构收拢时，同一根收拢拉索所穿过的小孔处于同一轴线上，收拢拉索被拉直；通过收拢电机的驱动，收拢辊筒正反转可以拉紧与放松收拢拉索通过展开电机的驱动，展开辊正反转可以拉紧与放松展开拉索。

实施例4：

所述的拉索杆式一维伸展臂，在伸展臂展开时，支撑杆的轴线与刚性框架的平面垂直，处于收拢状态时，支撑杆的轴线与刚性框架的平面平行。

实施例5：

所述的拉索杆式一维伸展臂，伸展机构由收拢状态展开时，收拢电机反转，收拢拉索放松，展开电机驱动展开辊正转，四根展开拉索同步拉紧产生拉力，在展开拉索的作用下，翻转锥与翻转锥套构成杠杆机构，使翻转锥相对于刚性框架发生翻转，从而使四根支撑杆相对于刚性框架发生同步翻转，驱动相邻刚性框架远离，直至支撑杆轴线垂直于刚性框架平面；

伸展臂由展开状态收拢时，展开电机反转，减小展开拉索的拉力，收拢电机驱动收拢辊筒正转，两根收拢拉索同步拉紧产生拉力，在拉力的作用下，收拢拉索有由“Z”伸直的趋势，使相邻两个刚性框架间产生旋转力矩，在支撑杆和收拢拉索的共同作用下，驱动其发生相对旋转且靠近，直至支撑杆轴线平行于刚性框架平面。

工作过程：

如附图1所示，本发明是多层杆框式结构，每层由四根空心支撑杆4和两个正方形刚性框架5构成。如附图4所示空心支撑杆4由中空的翻转锥17通过螺纹与空心杆19固联构成，通过旋转翻转锥17可调节空心支撑杆4的长度。如附图5所示刚性框架5的四个拐角处均安装有翻转锥套23。如附图1、附图7和附图9所示，展开拉索10穿过每层对应的支撑杆4的空心和相应刚性框架的翻转锥套23中心孔，其一端固定于伸展臂顶端，另一端固定于位于伸展臂座7由展开电机16驱动的展开辊15上，展开电机16与展开辊15间通过小齿轮9和大齿轮8完成运动和动力的传递。如附图1和附图2所示，收拢拉索6共有两根，分别穿过刚性框架的对角小孔，该小孔在伸展臂展开后位于伸展臂的同一侧面且不共线，使收拢拉索在伸展臂的一个侧面从头到尾呈“Z”形循环，其一端固定于伸展臂座7上，另一端与位于伸展臂顶端由收拢电机3驱动的收拢辊筒1上。如附图1所示，防转杆13固定于伸展臂顶层刚性框架上，与顶层刚性框架每隔一层的刚性框架上相应的位置装有直线轴承12。

如附图3所示，当伸展臂被收拢，支撑杆4与刚性框架5处于折叠状态，支撑杆的轴线平行于刚性框架平面，占用轴向空间小。需要展开时，展开电机16与收拢电机3按一定关系运转，展开拉索10产生拉力，收拢拉索6放松，在展开拉索的作用下，翻转锥与翻转锥套23形成杠杆机构如附图8所示，驱动四根支撑杆翻转如附图6所示，迫使相邻刚性框架分离，直至支撑杆的轴线垂直于刚性框架的平面如附图7所示，展开时由于拉索与空心支撑杆空心臂间的摩擦，使拉索对支撑杆的作用力逐渐减小，最底层支撑杆产生的翻转力矩最大，故伸展是从最底层到顶层依次开始的，展开后收拢拉索6在伸展臂的一个侧面从头到尾呈“Z”形循环如附图1所示；需要收拢时收拢电机3与展开电机16按一定关系反转，收拢拉索6拉紧，展开拉索10放松，收拢拉索在拉力的作用下有从“Z”形向“-”伸直的趋势运动，驱动相邻的刚性框架发生相对转动，同时在展开拉索10的限制下折叠收拢，直至支撑杆的轴线平行于刚性框架平面，收拢完毕，在收拢过程中，由于拉索与刚性框架小孔的摩擦力存在，拉索中产生的拉力同样逐渐减小，故收拢时，折叠运动是从伸展臂的顶层至底层依次开始的。

如附图6所示在展开与收拢的运动过程中相邻刚性框架(刚性框架i 20与刚性框架i+1 21)间发生相对转动与远离的综合运动，间隔的两刚性框架(刚性框架i与刚性框架i+2 22)间在防转杆13的作用下只发生远离的运动而不发生相对转动，当伸展臂有奇数个刚性框架时，其顶端只沿轴向平动，不绕轴线转动。

Claims (3)

1.一种拉索杆式一维伸展臂，其组成包括：一组伸展机构，其特征是：所述的伸展机构由四根空心支撑杆与两个刚性框架构成，所述的一组伸展机构纵向排列；

展开拉索通过所述的空心支撑杆的空心与固定于刚性框架角部的翻转锥套中心孔，一端固定在顶层伸展机构的顶端，另一端固定在与伸展臂座通过转动副连接的展开辊上；

所述的展开辊与展开电机连接，收拢拉索分别穿过所述的刚性框架的对角小孔，一端固定在伸展臂座上，另一端固定在收拢辊筒上；

两根防转杆固定在最顶层的刚性框架上，并与固定于隔一层刚性框架上的直线轴承构成移动副；

从最顶层开始，每隔一层刚性框架上的相应位置均安装有直线轴承，展开电机与收拢电机为力矩电机；

所述的刚性框架是一个正方形框架，四个拐角上分别装有翻转锥套和钻有四个小孔，空心支撑杆由翻转锥通过锁紧螺母与空心杆固连构成，所述的展开电机与展开辊间通过小齿轮和大齿轮连接；

伸展机构由收拢状态展开时，收拢电机反转，收拢拉索放松，展开电机驱动展开辊正转，四根展开拉索同步拉紧产生拉力，在展开拉索的作用下，翻转锥与翻转锥套构成杠杆机构，使翻转锥相对于刚性框架发生翻转，从而使四根空心支撑杆相对于刚性框架发生同步翻转，驱动相邻刚性框架远离，直至空心支撑杆轴线垂直于刚性框架平面，此时处于伸展臂一个侧面的收拢拉索呈“Z”形；

伸展臂由展开状态收拢时，展开电机反转，减小展开拉索的拉力，收拢电机驱动收拢辊筒正转，两根收拢拉索同步拉紧产生拉力，在拉力的作用下，收拢拉索有由“Z”伸直的趋势，使相邻两个刚性框架间产生旋转力矩，在空心支撑杆和收拢拉索的共同作用下，驱动相邻的刚性框架发生相对转动，同时在展开拉索的限制下折叠收拢，直至支撑杆的轴线平行于刚性框架平面。

2.根据权利要求1所述的拉索杆式一维伸展臂，其特征是：当伸展机构处于展开状态时，同一根收拢拉索所穿过相邻的小孔处于伸展臂的同一侧面的两个侧边，收拢拉索呈“Z”形；在伸展机构收拢时，同一根收拢拉索所穿过的小孔处于同一轴线上，收拢拉索被拉直；通过收拢电机的驱动，收拢辊筒正反转可以拉紧与放松收拢拉索，通过展开电机的驱动，展开辊正反转可以拉紧与放松展开拉索。

3.根据权利要求1或2所述的拉索杆式一维伸展臂，其特征是：在伸展臂展开时，空心支撑杆的轴线与刚性框架的平面垂直，处于收拢状态时，空心支撑杆的轴线与刚性框架的平面平行。

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