CN102616389B - 一种基于向心机构的三棱柱同步展开折叠空间伸展臂 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于向心机构的三棱柱同步展开折叠空间伸展臂，属于航天科学技术领域，该同步展开折叠空间伸展臂由若干三棱柱向心机构串联而成，每一个三棱柱向心机构均是由3个中心连接构件、6个角点连接构件及12根相同长度直杆形状的关节轴组成，中心连接构件具有十字型支架结构，十字型支架的每个支端通过一对平行斜齿轮固定连接一个关节轴，角点连接构件为V字型支架结构，具有两个张开的支端，每个支端的边缘通过转轴同轴连接一个斜齿轮。本发明提出一种基于向心机构的三棱柱同步展开折叠空间伸展臂，自由度少，可同步展开折叠，可靠性好，重复性高，结构刚度好，机构组合方便，运动机构控制简单。

Description

一种基于向心机构的三棱柱同步展开折叠空间伸展臂

技术领域

本发明属于航天科学技术领域，特别涉及一种基于向心机构的三棱柱同步展开折叠空间伸展臂。

背景技术

由于受到运载工具有效载荷舱几何尺寸的限制，卫星和空间站等不可避免地大量采用可展开可组装结构形式。其种类繁多、应用广泛，如空间站基础骨架、可伸展/收缩的空间机械臂、可展开天线、太阳能帆板、可展开发射架系统等。这些大型的航天结构机构在地面储存和发射过程中处于收拢状态，上天入轨后再展开并锁定为工作状态。

伸展臂机构能够从压缩状态展开到预定的稳定位置，并且承受一定的载荷。它作为一种重要的展开机构，被大量用于航天领域，如大型太阳帆、可展天线、空间平台、大型太空望远镜等。此类机构要求机构有较大的伸缩比，在储存和运输时，能够有较小的收拢体积，进入太空后，能够展开到工作状态。在展开时，伸展臂有一定的运动自由度。早在上世纪70年代，美国，前苏联和日本等相关学者就开始对伸展臂的刚度、结构、展开性能等方面进行研究。目前，较典型的伸展臂类型主要有Retractable Telescoping Mast、Hingless Mast、Variable Geometry Truss、Astromast等。目前的伸展臂结构要么自由度较多，不便控制，且重复性较差；要么采用弹性构件，但在展开时对平台冲击大，飞行器姿态难以控制，而且刚度不好；还有一些利用绳索驱动实现其展开收拢功能，但绳索路径复杂而且距离长，导致其可靠性低。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于向心机构的三棱柱同步展开折叠空间伸展臂，自由度少，可同步展开折叠，可靠性好，重复性高，结构刚度好，机构组合方便，运动机构控制简单。

本发明提出一种基于向心机构的三棱柱同步展开折叠空间伸展臂，由若干三棱柱向心机构串联而成，每一个三棱柱向心机构均是由3个中心连接构件、6个角点连接构件及12根相同长度直杆形状的关节轴组成。

所述的中心连接构件具有十字型支架结构，十字型支架的每个支端通过一对平行斜齿轮固定连接一个关节轴，关节轴通过斜齿轮的转动带动，围绕十字型支架结构转动。

所述的角点连接构件为V字型支架结构，具有两个张开的支端，每个支端的截面形状为正方形结构，每个支端的边缘通过转轴同轴连接一个斜齿轮，且转轴中心轴线方向垂直于支端的中心轴线方向，且两个转轴的中心轴线之间的夹角为41.41°，两个斜齿轮分别对称固定于两个转轴同侧的边缘位置，转轴中心轴线方向与斜齿轮中心轴线方向同轴，两个斜齿轮彼此啮合，两个斜齿轮的中心轴线之间的夹角也为41.41°，转轴与V字型支架的支端垂直，两个支端的中部还分别与关节轴连接，且每个关节轴的另一端分别与一个中心连接构件连接，每个中心连接构件连接的4个关节轴中分别与4个不同角点连接构件支端连接，处于3个中心连接构件连接的12个关节轴中，处于上方的6个关节轴通过3个角点连接件交替连接，形成闭合连接，处于下方的6个关节轴通过3个角点连接件交替连接，也形成闭合连接；使3个中心连接构件通过6个角点连接构件和12根关节轴连接在一起形成一个可展开和收拢结构。

在角点连接构件处进行单元连接，通过单元连接将若干单元串联成伸展臂结构，在两三棱柱向心机构对应的角点连接构件上布置一根支撑柱，通过支撑柱与相邻两单元的角点连接构件固结。

本发明的优点在于：

(1)；本发明提出一种基于向心机构的三棱柱同步展开折叠空间伸展臂，自由度少，可同步展开折叠；

(2)；本发明提出一种基于向心机构的三棱柱同步展开折叠空间伸展臂，可靠性好，重复性高；

(3)；本发明提出一种基于向心机构的三棱柱同步展开折叠空间伸展臂，结构刚度好；

(4)；本发明提出一种基于向心机构的三棱柱同步展开折叠空间伸展臂，机构组合方便，运动机构控制简单。

附图说明

图1是本发明中单一三棱柱向心机构的结构示意图；

图2是本发明三棱柱向心机构的中心连接构件；

图3是本发明三棱柱向心机构的角点连接构件；

图4是本发明三棱柱向心机构的中间状态；

图5是本发明三棱柱向心机构的收拢状态；

图6是本发明相邻两单元的角点连接构件连接方式；

图7是本发明支撑柱结构；

图8是本发明两单元组合机构展开状态；

图9是本发明组合机构收拢状态；

图10是本发明组合机构中间状态；

图11是平面OC₁D₂上的双滑块机构；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出一种基于向心机构的三棱柱同步展开折叠空间伸展臂，基于一类特殊的多面体机构的运动特点(如Wohlhart的多面体星型展开机构，Hoberman球体机构)设计的新型三棱柱同步展开折叠空间伸展臂。该伸展臂的自由度为1，只需要一个驱动就可以实现伸展臂的同步展开和折叠功能。

本发明提出的伸展臂结构由若干(大于等于2个)三棱柱向心机构串联而成。如图1所示，每一个三棱柱向心机构均是由3个中心连接构件、6个角点连接构件及12根相同长度直杆形状的关节轴组成。

所述的中心连接构件具有十字型支架结构，如图2所示，十字型支架的每个支端通过一对平行斜齿轮固定连接一个关节轴，关节轴可以通过斜齿轮的转动，进而围绕十字型支架结构转动。

所述的角点连接构件为V字型支架结构，具有两个张开角度为138.59°的支端，每个支端的截面形状为正方形结构，每个支端的边缘通过转轴同轴连接一个斜齿轮，且转轴中心轴线方向垂直于支端的中心轴线方向，且两个转轴的中心轴线之间的夹角为41.41°。两个斜齿轮分别对称固定于两个转轴同侧的边缘位置，转轴中心轴线方向与斜齿轮中心轴线方向同轴，两个斜齿轮彼此啮合，两个斜齿轮的中心轴线之间的夹角进而也为41.41°，转轴与V字型支架的支端垂直。两个支端的中部还分别与关节轴连接，且每个关节轴的另一端分别与一个中心连接构件连接，即每个中心连接构件连接的4个关节轴中分别与4个不同角点连接构件支端连接，即处于3个中心连接构件连接的12个关节轴中，处于上方的6个关节轴通过3个角点连接件交替连接，形成闭合连接，处于下方的6个关节轴通过3个角点连接件交替连接，也形成闭合连接，进而使3个中心连接构件通过6个角点连接构件和12根关节轴连接在一起形成一个可展开和收拢结构。当展开时，每个中心连接构件连接的4个关节轴互相垂直且处于同一个平面内，3个中心连接构建连接的12个关节轴处于三个竖直的平面上，进而形成三棱柱结构，每个中心构建连接的4个关节轴的另外一端都分别与角点连接构件连接，角点连接构件位于三棱柱的角点位置。由于角点连接构件和中心连接构件均具有斜齿轮，当通过拉伸3个中心连接构件均向外部运动时，通过转动轴的传动，使角点连接构件在斜齿轮的传动下向收缩方向运动，随着向外牵拉，使与3个中心连接构件连接的12根转动轴均处于水平方向，进而使角点连接构件也运动至与中心连接构件处于同一个平面上，形成收拢结构。

本发明中为确保机构展开、收拢的同步性，为克服机构的奇异性，在设计中心连接构件和角点连接构件时均设计了斜齿轮结构，如图3所示，在角点连接构件处，2个转动关节轴线成41.41°，如图3所示。

本发明中每一个三棱柱向心机构的自由度是1，在任一转动副上添加一旋转驱动就可以实现机构的展开折叠功能。当该机构从展开状态运动到收拢状态时，机构中心连接构件沿各自向心运动轴线(该轴线穿过各自中心连接构件中心和机构中心)向外伸展，而角点连接构件沿各自向心运动轴线(该轴线穿过各自角点连接构件中心和机构中心)向中心收拢。反之，当该机构从收拢状态运动到展开状态时，机构中心连接构件向内收拢，而角点连接构件向外展开，处于展开、中间状态以及收拢时的形状分别如图1、图4和图5所示。

在该三棱柱向心机构中，6个角点连接构件均为向心运动，存在一个相向运动的分量，可以在角点连接构件处进行单元连接。通过单元连接，可以将若干单元串联成大型伸展臂结构。在本发明中为连接相邻两单元(即连接相邻两个三棱柱向心机构)，可以在两三棱柱向心机构对应的角点连接构件上布置一根支撑柱。通过支撑柱与相邻两单元的角点连接构件固结。如图6所示，支撑柱的截面设计为顶点为41.41°的等腰三棱柱，上下两端面用45°面剖切而成，如图7所示，支撑柱的上下两端面与水平方向之间的角分为45°和-45°，水平截面为顶点为41.41°的等腰三角形，41.41°对应的棱边长度大于其他两棱边。三棱柱的上下端面分别对称固定连接两个三棱柱向心机构对应的角点连接构件的两支端连接平面上，进而实现将两个三棱柱向心机构连接一起，如图8所示，当实现多个三棱柱向心机构的连接时，只要顺次将三棱柱向心机构的角点连接构件通过支撑柱顺次固定连接，既可以完成多个三棱柱向心机构的连接。多个三棱柱向心机构同样也可以实现展开、收拢以及中间状态结构，分别如图8、图9和图10所示。

新型伸展臂结所构由多个三棱柱向心机构单元串联而成，在进行运动学分析时，先对一个单元进行运动学分析。在该单元中，中心连接构件和角点连接构件的运动可以看成沿各自向心运动轴线的直线运动，每个关节轴、中心连接构件和角点连接构件组成的运动链可以简化为一个双滑块机构如图。在实际设计中，构件尺寸使关节轴与向心运动轴线之间存在着一个偏移量，如图11中k₁、k₂所示。如果组合单元较多，转动铰与滑动轴线的偏移量会造成较大的误差。取图1中中心连接构件C₁、角点连接构件D₂及它们之间的关节轴组成的双滑块机构进行研究，简化后的机构如图11所示，O是三棱柱向心机构单元的中心，k₁，k₂是转动铰与滑动轴线之间的偏移量，β是相邻中心连接构件的向心运动轴线与角连接构件的向心运动轴线之间的夹角，l是关节轴长度，φ是由中心连接构件C₁、角连接构件D₂和三棱柱向心机构中心O形成的平面C₁OD₂与水平面的夹角，为预先给定的。γ是关节轴与中心连接构件的向心运动轴线夹角，它随中心连接构件的运动而变化。利用几何关系可以得到d₁、d₂与k₁、k₂之间的关系。

$d_1=\frac{k_1\cos \mathrm{\β}+k_2}{\sin \mathrm{\β}}---\left(1\right)$

$d_2=\frac{k_2\cos \mathrm{\β}+k_1}{\sin \mathrm{\β}}---\left(2\right)$

令u′₁＝u₁-d₁，u′₂＝u₂-d₂，其中u₁表示中心连接构件与中心O之间的距离，u₂表示角连接构件与中心O之间的距离；

因此双滑块机构的闭环矢量方程可以写成：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_2^{\′}\sin \mathrm{\β}=l\sin \mathrm{\γ}\\ u_2^{\′}\cos \mathrm{\β}+l\cos \mathrm{\γ}=u_1^{\′}\end{array}\right.---\left(3\right)$

计算得到：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_1=(\frac{\sin \mathrm{\γ}}{\tan \mathrm{\β}}+\cos \mathrm{\γ})l+d_1\\ u_2=l\frac{\sin \mathrm{\γ}}{\sin \mathrm{\β}}+d_2\end{array}\right.---\left(4\right)$

双滑块机构的展开高度H₀

H₀＝u₂sinβsinφ＝lsinγsinφ+d₂sinβsinφ             (5)

对于一个单元，其单元展开高度H₁是双滑块机构的展开高度的2倍，因此一个单元的展开高度：

H₁＝2H₀＝2lsinγsinφ+2d₂sinβsinφ                    (6)

对于由n个此类单元串联组合成的结构，其展开高度H_n

H_n＝nH₁＝2n(lsinγsinφ+d₂sinβsinφ)                  (7)

进一步考察式(7)，可以得到组合机构沿Z轴方向展开收拢的两个极限尺寸。

当γ＝0时，伸展臂的最短收拢长度：

$H_n^{\min }=2n{d}_2\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\φ}---\left(8\right)$

当γ＝90°时，伸展臂的最长展开长度：

$H_n^{\max }=2n(l\sin \mathrm{\φ}+d_2\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\φ})---\left(9\right)$

因而，机构的收拢率η可以计算为

$\mathrm{\η}=\frac{H_n^{\min }}{H_n^{\max }}=\frac{d_2\sin \mathrm{\β}}{l+d_2\sin \mathrm{\β}}\×100\%---\left(10\right)$

由式(10)可见，组合机构的收拢率与单元个数无关，只与单元的构件尺寸有关。由于在尺寸上d₂远远小于l，机构的收拢率较小，能够适合伸展臂贮存和工作的两种状态。在具体设计时，通过调整l与k₁，k₂的尺寸，可以得到满足要求的收拢率。

Claims (3)

1.一种基于向心机构的三棱柱同步展开折叠空间伸展臂，其特征在于：所述的伸展臂结构由若干三棱柱向心机构串联而成，每一个三棱柱向心机构均是由3个中心连接构件、6个角点连接构件及12根相同长度直杆形状的关节轴组成；

所述的中心连接构件具有十字型支架结构，十字型支架的每个支端通过一对平行斜齿轮固定连接一个关节轴，关节轴通过斜齿轮的转动带动，围绕十字型支架结构转动；

所述的角点连接构件为V字型支架结构，具有两个张开的支端，每个支端的截面形状为正方形结构，每个支端的边缘通过转轴同轴连接一个斜齿轮，且转轴中心轴线方向垂直于支端的中心轴线方向，且两个转轴的中心轴线之间的夹角为41.41°，两个斜齿轮分别对称固定于两个转轴同侧的边缘位置，转轴中心轴线方向与斜齿轮中心轴线方向同轴，两个斜齿轮彼此啮合，两个斜齿轮的中心轴线之间的夹角也为41.41°，转轴与V字型支架的支端垂直，两个支端的中部还分别与关节轴连接，且每个关节轴的另一端分别与一个中心连接构件连接，每个中心连接构件连接的4个关节轴中分别与4个不同角点连接构件支端连接，处于3个中心连接构件连接的12个关节轴中，处于上方的6个关节轴通过3个角点连接件交替连接，形成闭合连接，处于下方的6个关节轴通过3个角点连接件交替连接，也形成闭合连接；使3个中心连接构件通过6个角点连接构件和12根关节轴连接在一起形成一个可展开和收拢结构；

在角点连接构件处进行单元连接，通过单元连接将若干单元串联成伸展臂结构，在两三棱柱向心机构对应的角点连接构件上布置一根支撑柱，通过支撑柱与相邻两单元的角点连接构件固结。

2.根据权利要求1所述的一种基于向心机构的三棱柱同步展开折叠空间伸展臂，其特征在于：所述的支撑柱的截面为顶点为41.41°的等腰三棱柱，上下两端面用45°面剖切而成，支撑柱的上下两端面与水平方向之间的角分为45°和-45°，水平截面为顶点为41.41°的等腰三角形，41.41°对应的棱边长度大于其他两棱边，三棱柱的上下端面分别对称固定连接两个三棱柱向心机构对应的角点连接构件的两支端连接平面上，进而实现将两个三棱柱向心机构连接一起，当实现多个三棱柱向心机构的连接时，顺次将三棱柱向心机构的角点连接构件通过支撑柱顺次固定连接，完成多个三棱柱向心机构的连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于向心机构的三棱柱同步展开折叠空间伸展臂，其特征在于：所述空间伸展臂的展开高度为H_n＝nH₁＝2n(lsinγsinφ+d₂sinβsinφ)，其中，H₁是一个三棱柱向心机构的展开高度，n表示三棱柱向心机构的个数，β是相邻中心连接构件的向心运动轴线与角连接构件的向心运动轴线之间的夹角，l是关节轴长度，φ是由中心连接构件C₁、角连接构件D₂和三棱柱向心机构中心O形成的平面C₁OD₂与水平面的夹角，γ是关节轴与中心连接构件的向心运动轴线夹角，u₂表示角连接构件与中心O之间的距离；

k₂是转动铰与滑动轴线之间的偏移量。

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