CN102167165A - 一种七转动副可展单元及采用该可展单元的空间可展机构 - Google Patents

Abstract

一种七转动副可展单元及采用该可展单元的空间可展机构，它涉及一种单闭环单自由度空间可展机构。本发明为了解决现有五转动副机构对几何参数要求苛刻，展开性能差，可靠性低，不适用于大尺度空间可展机构的问题。本发明的第一可展单元为单闭环单自由度可展单元，本发明的多个第一可展单元环形阵列在共用基座上，且相邻两个第一可展单元之间通过共用第一连杆或共用第六连杆组成第一空间可展机构，本发明的第二可展单元为单闭环单自由度可展单元，本发明的多个第二可展单元环形阵列在共用基座上，且相邻两个第二可展单元之间通过共用共用第一转动连杆或共用第二转动连杆组成第二空间可展机构。本发明适用于卫星抛物面天线和太阳能电池阵的支撑架中。

Description

一种七转动副可展单元及采用该可展单元的空间可展机构

技术领域

本发明涉及一种七转动副可展单元及采用该可展单元的空间可展机构。

背景技术

随着航天器功能日益复杂，对航天器的能源需求大幅增长，使得航天器太阳能电池阵的面积也随之大幅度增长，如国际空间站这样复杂大型的航天器，太阳能电池阵面积庞大，但航天器的包络尺寸却受到运载火箭有效载荷舱容积的限制，这就需要在发射阶段可以收缩为体积很小，而在运行阶段又能展开成大面积或者大体积的高折叠比可展机构。可展机构在空间站、通讯卫星平台、太空望远镜、航天飞机、星球探测器等航天器上被广泛采用。如空间站基础骨架、可展开/收拢的空间机械臂、空间伸展臂、大口径可展开天线、大型柔性太阳帆板支架等。

根据国外航天器已付诸应用的空间可展机构的资料，空间可展机构通常分为三种：杆状可展机构、面状可展机构和体状可展机构。其中可展开成平面的面状可展机构被大量应用于太阳能电池阵、卫星天线支撑架等领域，是目前应用最多的一类可展机构。根据可展机构的组成原理，可展机构又可以分为铰接式可展机构和柔性材料可展机构两大类，前者由运动副和连杆组成，此类机构的展开过程由铰链活动实现，可重复折叠展开性好、寿命长、抗震性好、精度高、刚度大，当前已经被广泛应用于空间可展桁架、空间伸展臂、卫星可展天线等领域，目前已作为成熟组件广泛的应用于各类航天器中，国内以往研制的折叠式太阳电池阵属于铰接展开式机构。但是该类机构构造工艺复杂，铰接点较多。柔性材料可展机构由柔性材料的弹性变形实现折叠展开，构造工艺相对简单，但是可重复收拢性差，精度和刚度都相对较低。

当前国外已成功研制多种类型的铰接式可展机构，如美国用于三维地形观测的60m可折展雷达支撑臂、国际空间站主太阳翼支撑龙骨、俄罗斯“联盟号”飞船上的四面体构架天线、美国Thuraya通信卫星上直径达12m的环形桁架式天线、日本ETS-8卫星上的13m口径构架型天线等。未来星球探测、太空组装与操作、太空建设、太空运输等作业，都需要宇航空间可折展机构来完成相应的作业。而现有的5转动副机构对几何参数要求苛刻，展开性能差，可靠性低，且不适用于大尺度空间可展机构。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的5转动副机构对几何参数要求苛刻，展开性能差，可靠性低，且不适用于大尺度空间可展机构的问题，进而提供一种七转动副可展单元及采用该可展单元的空间可展机构。

本发明的技术方案是：一种七转动副可展单元，包括第一可展单元，第一可展单元为单闭环单自由度可展单元，第一可展单元包括基座、第一转动副、第一连杆、第二转动副、第二连杆、第三转动副、第三连杆、第四转动副、第五转动副、第四连杆、第六转动副、第五连杆、第六连杆和第七转动副，第一转动副和第七转动副转动安装在基座上，第一转动副的轴线和第七转动副的轴线在水平面内相交于点P1，且第一转动副的轴线和第七转动副的轴线与基座所在的平面平行，第四转动副的轴线与第五转动副的轴线在基座上方的水平面内相交于点P2，第一转动副与第四转动副之间通过第一连杆连接，第七转动副和第五转动副之间通过第六连杆连接，第二连杆和第三连杆之间通过第三转动副连接并组成第一转动连杆，第五连杆和第四连杆之间通过第六转动副连接并组成第二转动连杆，第二转动副位于基座的上方，第二转动副的轴线与P1构成一个平面，第一可展单元关于所述平面对称，第四转动副与第二转动副之间通过第一转动连杆连接，第五转动副与第二转动副之间通过第二转动连杆连接。

本发明还提供了一种采用七转动副可展单元的空间可展机构，它包括多个第一可展单元，每个第一可展单元均为单闭环单自由度可展单元，第一可展单元包括共用基座、第一转动副、共用第一连杆、第二转动副、第二连杆、第三转动副、第三连杆、第四转动副、第五转动副、第四连杆、第六转动副、第五连杆、共用第六连杆和第七转动副，第一转动副和第七转动副转动安装在共用基座上，第一转动副的轴线和第七转动副的轴线在水平面内相交于点P1′，且第一转动副的轴线和第七转动副的轴线与共用基座所在的平面平行，第一转动副与第四转动副之间通过共用第一连杆连接，第七转动副和第五转动副之间通过共用第六连杆连接，第二连杆和第三连杆之间通过第三转动副连接并组成第一转动连杆，第五连杆和第四连杆之间通过第六转动副连接并组成第二转动连杆，第二转动副位于共用基座的上方，第二转动副的轴线与P1′构成一个平面，第一可展单元关于所述平面对称，第四转动副与第二转动副之间通过第一转动连杆连接，第五转动副与第二转动副之间通过第二转动连杆连接，多个第一可展单元环形阵列在共用基座上，且相邻两个第一可展单元之间通过共用第一连杆或共用第六连杆组成第一空间可展机构。

本发明还提供了一种七转动副可展单元，它包括第二可展单元，第二可展单元为单闭环单自由度可展单元，第二可展单元包括基座、第一转动副、第一连杆、第二转动副、第二连杆、第三连杆、第三转动副、第四转动副、第四连杆、第五转动副、第五连杆、第六转动副、第六连杆和第七转动副，第一转动副和第七转动副转动安装在基座上，第一转动副的轴线和第七转动副的轴线在水平面内相交于点M1，且第一转动副的轴线和第七转动副的轴线与基座所在的平面平行，第一连杆和第二连杆之间通过第二转动副连接并组成第一转动连杆，第六连杆和第五连杆之间通过第六转动副连接并组成第二转动连杆，第三转动副的轴线和第五转动副的轴线在基座上方相交于点M2，第一转动副与第三转动副之间通过第一转动连杆连接，第七转动副和第五转动副之间通过第二转动连杆连接，第四转动副位于基座的上方，第四转动副的轴线与M1构成一个平面，第二可展单元关于平面对称，第三转动副与第四转动副之间通过第三连杆连接，第五转动副与第四转动副之间通过第四连杆连接。

本发明还提供了一种采用七转动副可展单元的空间可展机构，它包括多个第二可展单元，每个第二可展单元均为单闭环单自由度可展单元，第二可展单元包括共用基座、第一转动副、第一连杆、第二转动副、第二连杆、第三连杆、第三转动副、第四转动副、第四连杆、第五转动副、第五连杆、第六转动副、第六连杆和第七转动副，第一转动副和第七转动副转动安装在共用基座上，第一转动副的轴线和第七转动副的轴线在水平面内相交于点M1′，且第一转动副的轴线和第七转动副的轴线与共用基座所在的平面平行，第一连杆和第二连杆之间通过第二转动副连接并组成共用第一转动连杆，第六连杆和第五连杆之间通过第六转动副连接并组成共用第二转动连杆，第三转动副的轴线和第五转动副的轴线在共用基座上方相交于点M2′，第一转动副与第三转动副之间通过共用第一转动连杆连接，第七转动副和第五转动副之间通过共用第二转动连杆连接，第四转动副位于共用基座的上方，第四转动副的轴线与M1′构成一个平面，第二可展单元关于平面对称，第三转动副与第四转动副之间通过第三连杆连接，第五转动副与第四转动副之间通过第四连杆连接，多个第二可展单元环形阵列在共用基座上，且相邻两个第二可展单元之间通过共用共用第一转动连杆或共用第二转动连杆组成第二空间可展机构，共用基座为正多边形基座，且共用基座的边数与第二可展单元的数量相一致。

本发明与现有技术相比具有以下效果：1.本发明在现有5转动副的基础上通过增加两个转动副，有效的克服了5转动副机构对几何参数要求苛刻，展开性能差，可靠性低，且不适用于大尺度的空间可展机构的问题。2.本发明由7个转动副组成的可展机构单元，折叠比大，通过对多个可展机构单元的组装，形成大尺度空间的可展机构，尤其适用于卫星抛物面天线和太阳能电池阵的支撑架中。3.本发明在连杆加工制造过程中存在一定误差以及连杆装配过程中存在一定误差的情况下仍然可以实现折叠展开，因此，本发明的展开性能好，寿命长，便于生产加工。4.本发明的可展单元刚度大，抗震性好。

附图说明

图1是本发明第一可展单元A的结构示意图；图2是第一空间可展机构的展开示意图；图3是第一空间可展机构展开过程的示意图；图4是第一空间可展机构收拢状态的示意图；图5是单自由度空间可展网络的展开过程的示意图；图6是本发明第二可展单元B的结构示意图；图7是第二空间可展机构展开过程的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种七转动副可展单元，它包括第一可展单元A，第一可展单元A为单闭环单自由度可展单元，第一可展单元A包括基座1、第一转动副2、第一连杆3、第二转动副4、第二连杆5、第三转动副6、第三连杆7、第四转动副8、第五转动副9、第四连杆10、第六转动副11、第五连杆12、第六连杆13和第七转动副14，第一转动副2和第七转动副14转动安装在基座1上，第一转动副2的轴线和第七转动副14的轴线在水平面内相交于点P1，且第一转动副2的轴线和第七转动副14的轴线与基座1所在的平面平行，第四转动副8的轴线与第五转动副9的轴线在基座1上方的水平面内相交于点P2，第一转动副2与第四转动副8之间通过第一连杆3连接，第七转动副14和第五转动副9之间通过第六连杆13连接，第二连杆5和第三连杆7之间通过第三转动副6连接并组成第一转动连杆15，第五连杆12和第四连杆10之间通过第六转动副11连接并组成第二转动连杆16，第二转动副4位于基座1的上方，第二转动副4的轴线与P1构成一个平面，第一可展单元A关于所述平面对称，第四转动副8与第二转动副4之间通过第一转动连杆15连接，第五转动副9与第二转动副4之间通过第二转动连杆16连接。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的基座1为正多边形基座。如此设置，不但便于多个转动副的安装，还便于第一可展机构均匀的设置在基座上。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2-图4说明本实施方式，本实施方式的一种采用七转动副可展单元的空间可展机构，它包括多个第一可展单元A′，每个第一可展单元A′均为单闭环单自由度可展单元，第一可展单元A′包括共用基座1′、第一转动副2、共用第一连杆3′、第二转动副4、第二连杆5、第三转动副6、第三连杆7、第四转动副8、第五转动副9、第四连杆10、第六转动副11、第五连杆12、共用第六连杆13′和第七转动副14，第一转动副2和第七转动副14转动安装在共用基座1′上，第一转动副2的轴线和第七转动副14的轴线在水平面内相交于点P1′，且第一转动副2的轴线和第七转动副14的轴线与共用基座1′所在的平面平行，第一转动副2与第四转动副8之间通过共用第一连杆3′连接，第七转动副14和第五转动副9之间通过共用第六连杆13′连接，第二连杆5和第三连杆7之间通过第三转动副6连接并组成第一转动连杆15，第五连杆12和第四连杆10之间通过第六转动副11连接并组成第二转动连杆16，第二转动副4位于共用基座1′的上方，第二转动副4的轴线与P1′构成一个平面，第一可展单元A′关于所述平面对称，第四转动副8与第二转动副4之间通过第一转动连杆15连接，第五转动副9与第二转动副4之间通过第二转动连杆16连接，多个第一可展单元A′环形阵列在共用基座1′上，且相邻两个第一可展单元A′之间通过共用第一连杆3′或共用第六连杆13′组成第一空间可展机构。

具体实施方式四：结合图2-图4说明本实施方式，本实施方式的第一可展单元A′的数量为6-12个。如此设置，便于组成大尺度空间的可展机构。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图2-图4说明本实施方式，本实施方式的共用基座1′为正多边形基座，且共用基座1′的边数与第一可展单元A′的数量相一致。如此设置，不但便于多个第一可展单元A的连接，还便于组成大尺度空间的可展机构。其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图5说明本实施方式，本实施方式的多个第一空间可展机构的一个第一可展单元A的第四转动副8与第五转动副9首尾此次连接，组成单自由度空间可展网络。如此设置，便于组成更大尺度空间的可展机构，满足使用需求。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式七：结合图6说明本实施方式，本实施方式的一种七转动副可展单元，它包括第二可展单元B，第二可展单元B为单闭环单自由度可展单元，第二可展单元B包括基座1、第一转动副2、第一连杆3、第二转动副4、第二连杆5、第三连杆6、第三转动副7、第四转动副8、第四连杆9、第五转动副10、第五连杆11、第六转动副12、第六连杆13和第七转动副14，第一转动副2和第七转动副14转动安装在基座1上，第一转动副2的轴线和第七转动副14的轴线在水平面内相交于点M1，且第一转动副2的轴线和第七转动副14的轴线与基座1所在的平面平行，第一连杆3和第二连杆5之间通过第二转动副4连接并组成第一转动连杆15，第六连杆13和第五连杆11之间通过第六转动副12连接并组成第二转动连杆16，第三转动副7的轴线和第五转动副10的轴线在基座1上方相交于点M2，第一转动副2与第三转动副7之间通过第一转动连杆15连接，第七转动副14和第五转动副10之间通过第二转动连杆16连接，第四转动副8位于基座1的上方，第四转动副8的轴线与M1构成一个平面，第二可展单元B关于平面对称，第三转动副7与第四转动副8之间通过第三连杆6连接，第五转动副10与第四转动副8之间通过第四连杆9连接。

具体实施方式八：结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式的第二转动副4和第六转动副12为圆柱转动副。如此设置，便于获得更大折叠比的可展单元。其它组成和连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式的基座1为正多边形基座。如此设置，不但便于多个转动副的安装，还便于第一可展机构均匀的设置在基座上。其它组成和连接关系与具体实施方式七或八相同。

具体实施方式十：结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式的一种采用七转动副可展单元的空间可展机构，它包括多个第二可展单元B′，每个第二可展单元B′均为单闭环单自由度可展单元，第二可展单元B′包括共用基座1′、第一转动副2、第一连杆3、第二转动副4、第二连杆5、第三连杆6、第三转动副7、第四转动副8、第四连杆9、第五转动副10、第五连杆11、第六转动副12、第六连杆13和第七转动副14，第一转动副2和第七转动副14转动安装在共用基座1′上，第一转动副2的轴线和第七转动副14的轴线在水平面内相交于点M1′，且第一转动副2的轴线和第七转动副14的轴线与共用基座1′所在的平面平行，第一连杆3和第二连杆5之间通过第二转动副4连接并组成共用第一转动连杆15′，第六连杆13和第五连杆11之间通过第六转动副12连接并组成共用第二转动连杆16′，第三转动副7的轴线和第五转动副10的轴线在共用基座1′上方相交于点M2′，第一转动副2与第三转动副7之间通过共用第一转动连杆15′连接，第七转动副14和第五转动副10之间通过共用第二转动连杆16′连接，第四转动副8位于共用基座1′的上方，第四转动副8的轴线与M1′构成一个平面，第二可展单元B′关于平面对称，第三转动副7与第四转动副8之间通过第三连杆6连接，第五转动副10与第四转动副8之间通过第四连杆9连接，多个第二可展单元B′环形阵列在共用基座1′上，且相邻两个第二可展单元B′之间通过共用共用第一转动连杆15′或共用第二转动连杆16′组成第二空间可展机构，共用基座1′为正多边形基座，且共用基座1′的边数与第二可展单元B′的数量相一致。

具体实施方式十一：结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式的第二转动副4和第六转动副12为圆柱转动副。如此设置，便于获得更大折叠比的可展单元。其它组成和连接关系与具体实施方式十相同。

Claims (10)

1.一种七转动副可展单元，其特征在于：它包括第一可展单元(A)，第一可展单元(A)为单闭环单自由度可展单元，第一可展单元(A)包括基座(1)、第一转动副(2)、第一连杆(3)、第二转动副(4)、第二连杆(5)、第三转动副(6)、第三连杆(7)、第四转动副(8)、第五转动副(9)、第四连杆(10)、第六转动副(11)、第五连杆(12)、第六连杆(13)和第七转动副(14)，第一转动副(2)和第七转动副(14)转动安装在基座(1)上，第一转动副(2)的轴线和第七转动副(14)的轴线在水平面内相交于点(P1)，且第一转动副(2)的轴线和第七转动副(14)的轴线与基座(1)所在的平面平行，第四转动副(8)的轴线与第五转动副(9)的轴线在基座(1)上方的水平面内相交于点(P2)，第一转动副(2)与第四转动副(8)之间通过第一连杆(3)连接，第七转动副(14)和第五转动副(9)之间通过第六连杆(13)连接，第二连杆(5)和第三连杆(7)之间通过第三转动副(6)连接并组成第一转动连杆(15)，第五连杆(12)和第四连杆(10)之间通过第六转动副(11)连接并组成第二转动连杆(16)，第二转动副(4)位于基座(1)的上方，第二转动副(4)的轴线与(P1)构成一个平面，第一可展单元(A)关于所述平面对称，第四转动副(8)与第二转动副(4)之间通过第一转动连杆(15)连接，第五转动副(9)与第二转动副(4)之间通过第二转动连杆(16)连接。

2.根据权利要求1所述的一种七转动副可展单元，其特征在于：基座(1)为正多边形基座。

3.一种采用七转动副可展单元的空间可展机构，其特征在于：它包括多个第一可展单元(A′)，每个第一可展单元(A′)均为单闭环单自由度可展单元，第一可展单元(A′)包括共用基座(1′)、第一转动副(2)、共用第一连杆(3′)、第二转动副(4)、第二连杆(5)、第三转动副(6)、第三连杆(7)、第四转动副(8)、第五转动副(9)、第四连杆(10)、第六转动副(11)、第五连杆(12)、共用第六连杆(13′)和第七转动副(14)，第一转动副(2)和第七转动副(14)转动安装在共用基座(1′)上，第一转动副(2)的轴线和第七转动副(14)的轴线在水平面内相交于点(P1′)，且第一转动副(2)的轴线和第七转动副(14)的轴线与共用基座(1′)所在的平面平行，第一转动副(2)与第四转动副(8)之间通过共用第一连杆(3′)连接，第七转动副(14)和第五转动副(9)之间通过共用第六连杆(13′)连接，第二连杆(5)和第三连杆(7)之间通过第三转动副(6)连接并组成第一转动连杆(15)，第五连杆(12)和第四连杆(10)之间通过第六转动副(11)连接并组成第二转动连杆(16)，第二转动副(4)位于共用基座(1′)的上方，第二转动副(4)的轴线与(P1′)构成一个平面，第一可展单元(A′)关于所述平面对称，第四转动副(8)与第二转动副(4)之间通过第一转动连杆(15)连接，第五转动副(9)与第二转动副(4)之间通过第二转动连杆(16)连接，多个第一可展单元(A′)环形阵列在共用基座(1′)上，且相邻两个第一可展单元(A′)之间通过共用第一连杆(3′)或共用第六连杆(13′)组成第一空间可展机构。

4.根据权利要求3所述的一种采用七转动副可展单元的空间可展机构，其特征在于：第一可展单元(A′)的数量为6-12个。

5.根据权利要求4所述的一种采用七转动副可展单元的空间可展机构，其特征在于：共用基座(1′)为正多边形基座，且共用基座(1′)的边数与第一可展单元(A′)的数量相一致。

6.一种七转动副可展单元，其特征在于：它包括第二可展单元(B)，第二可展单元(B)为单闭环单自由度可展单元，第二可展单元(B)包括基座(1)、第一转动副(2)、第一连杆(3)、第二转动副(4)、第二连杆(5)、第三连杆(6)、第三转动副(7)、第四转动副(8)、第四连杆(9)、第五转动副(10)、第五连杆(11)、第六转动副(12)、第六连杆(13)和第七转动副(14)，第一转动副(2)和第七转动副(14)转动安装在基座(1)上，第一转动副(2)的轴线和第七转动副(14)的轴线在水平面内相交于点(M1)，且第一转动副(2)的轴线和第七转动副(14)的轴线与基座(1)所在的平面平行，第一连杆(3)和第二连杆(5)之间通过第二转动副(4)连接并组成第一转动连杆(15)，第六连杆(13)和第五连杆(11)之间通过第六转动副(12)连接并组成第二转动连杆(16)，第三转动副(7)的轴线和第五转动副(10)的轴线在基座(1)上方相交于点(M2)，第一转动副(2)与第三转动副(7)之间通过第一转动连杆(15)连接，第七转动副(14)和第五转动副(10)之间通过第二转动连杆(16)连接，第四转动副(8)位于基座(1)的上方，第四转动副(8)的轴线与(M1)构成一个平面，第二可展单元(B)关于平面对称，第三转动副(7)与第四转动副(8)之间通过第三连杆(6)连接，第五转动副(10)与第四转动副(8)之间通过第四连杆(9)连接。

7.根据权利要求6所述的一种七转动副可展单元，其特征在于：第二转动副(4)和第六转动副(12)为圆柱转动副。

8.根据权利要求7所述的一种七转动副可展单元，其特征在于：基座(1)为正多边形基座。

9.一种采用七转动副可展单元的空间可展机构，其特征在于：它包括多个第二可展单元(B′)，每个第二可展单元(B′)均为单闭环单自由度可展单元，第二可展单元(B′)包括共用基座(1′)、第一转动副(2)、第一连杆(3)、第二转动副(4)、第二连杆(5)、第三连杆(6)、第三转动副(7)、第四转动副(8)、第四连杆(9)、第五转动副(10)、第五连杆(11)、第六转动副(12)、第六连杆(13)和第七转动副(14)，第一转动副(2)和第七转动副(14)转动安装在共用基座(1′)上，第一转动副(2)的轴线和第七转动副(14)的轴线在水平面内相交于点(M1′)，且第一转动副(2)的轴线和第七转动副(14)的轴线与共用基座(1′)所在的平面平行，第一连杆(3)和第二连杆(5)之间通过第二转动副(4)连接并组成共用第一转动连杆(15′)，第六连杆(13)和第五连杆(11)之间通过第六转动副(12)连接并组成共用第二转动连杆(16′)，第三转动副(7)的轴线和第五转动副(10)的轴线在共用基座(1′)上方相交于点(M2′)，第一转动副(2)与第三转动副(7)之间通过共用第一转动连杆(15′)连接，第七转动副(14)和第五转动副(10)之间通过共用第二转动连杆(16′)连接，第四转动副(8)位于共用基座(1′)的上方，第四转动副(8)的轴线与(M1′)构成一个平面，第二可展单元(B′)关于平面对称，第三转动副(7)与第四转动副(8)之间通过第三连杆(6)连接，第五转动副(10)与第四转动副(8)之间通过第四连杆(9)连接，多个第二可展单元(B′)环形阵列在共用基座(1′)上，且相邻两个第二可展单元(B′)之间通过共用共用第一转动连杆(15′)或共用第二转动连杆(16′)组成第二空间可展机构，共用基座(1′)为正多边形基座，且共用基座(1′)的边数与第二可展单元(B′)的数量相一致。

10.根据权利要求9所述的一种采用七转动副可展单元的空间可展机构，其特征在于：第二转动副(4)和第六转动副(12)为圆柱转动副。

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