CN106025483A - 剪叉联动式过约束可展单元及其组成的空间可展机构 - Google Patents

Abstract

一种剪叉联动式过约束可展单元及其组成的空间可展机构，其剪叉联动式过约束可展单元包含有六个花盘、六个剪叉杆和十二个连杆，六个剪叉杆组成三组剪叉折叠杆，十二个连杆组成六组折叠连杆，任意一组折叠连杆依靠连杆长度限制基本可展单元的展开程度，剩余五组折叠连杆均为过约束折叠连杆，可有效提高可展单元的刚度，本发明的多个基本可展单元紧密排列，相邻基本可展单元通过共用四个花盘和一组剪叉折叠杆可组成空间可展机构，通过改变基本可展单元的数量，可以改变空间可展机构的大小。本发明具有结构简单、展开性能好、刚度高的特点，可应用于太阳能电池阵支架和星载大口径天线反射器等领域。

Description

剪叉联动式过约束可展单元及其组成的空间可展机构

技术领域

本发明涉及可展机构领域，特别是一种空间可展机构。

背景技术

随着航天事业的迅猛发展，空间通信、对地观测和深空探测等科研任务对大尺度空间机构的需求越来越迫切，例如星载天线，其要求的增益越来越高，直接增大反射器口径是最行之有效的途径，但是受到航天运载工具有效容仓的空间限制，反射器在运输和发射阶段需处于折叠状态，而在航天器入轨后展开成工作状态，因此，随着航天事业及各种科研任务对宇航机构的要求的不断提高，空间可展机构得到了迅速的发展。

可展机构发展至今，其结构形式多种多样，根据可展机构的空间几何形状，可以分为线状可展机构、面状可展机构和体状可展机构，其中应用最多的是面状可展机构，此类机构可以展开成平面，被大量应用于空间伸展臂、太阳能电池阵、星载天线反射器等领域。根据可展机构展开与收拢方式，可展机构又可以分为铰接桁架式可展机构、变形材料可展机构以及充气展开式可展机构，其中铰接桁架式可展机构主要由连杆和运动副组成，此类机构具有收拢折叠比较大、精度高、可重复收拢展开性好和寿命长的优点，目前已经被广泛应用于空间站基础骨架、空间伸展臂以及大口径折展天线等领域。

目前国内外研究的桁架式可展机构中采用的基本可展单元主要有平行四边形单元、四面体单元、四棱锥单元以及六面体单元等。平行四边形单元因具有对角可伸缩的特点广泛应用于环形桁架式可展机构中，美国Thuraya卫星上口径为12.25m的Astro Mesh环形桁架折展天线；四面体单元、四棱锥单元以及六面体单元等属于空间基本单元，可用于三维可展机构中，如美国用于三维地形观测的60m可折展雷达支撑臂、俄罗斯“联盟号”飞船上的四面体构架天线、日本菊8号卫星上的六面体可展单元桁架式抛物面天线等。现有的空间可展机构单元存在折叠比不高、控制较为复杂，可靠性较低等缺点，容易出现展开过程不平稳、卡死等问题，从而引起整体结构在轨展开失败，因此，需要在现有可展机构相关研究基础上提出可靠性高、制造工艺性好、刚度高、折叠比大等性能优良的可展机构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、刚度高、展开性能好、可靠性高的剪叉联动式过约束可展单元及其组成的空间可展机构。

本发明的剪叉联动式过约束可展单元为三棱柱型单自由度基本可展单元，其包括六个剪 叉杆、十二个连杆和六个花盘；所述六个剪叉杆结构完全相同，两个剪叉杆为一组，两剪叉杆中间通过转动副连接，六个剪叉杆共组成三组剪叉折叠杆，三组剪叉折叠杆分布在基本可展单元的三个侧面上；所述十二个连杆结构完全相同，两个连杆为一组，其两个连杆的一端通过转动副连接，十二个连杆共组成六组折叠连杆，六组折叠连杆分布在基本可展单元的上下两个面上，上下两个面均有三组折叠连杆；所述六个花盘结构完全相同，均为正六边形花盘，花盘的每条边上均开有三个槽口，中间槽口用于插入剪叉折叠杆并通过转动副连接，两侧槽口用于插入折叠连杆并通过转动副连接，三个槽口处的转动副轴线重合，六个花盘对称分布在基本可展单元的六个顶点上；每组剪叉折叠杆的四端分别插入与它处于同一平面顶点上的四个花盘的中间槽口，通过四个转动副与四个花盘连接，四个转动副轴线与连接两个剪叉杆组成剪叉折叠杆的转动副轴线平行；每组折叠连杆的两端分别插入平行的两个花盘的侧槽口，通过两个转动副与两个花盘连接，两个转动副轴线与连接两个连杆组成的折叠连杆的转动副轴线平行，分布在基本可展单元的上下两个面上的折展方向相同的折叠连杆上的各转动副轴线以及同侧面上具有相同折展方向的剪叉折叠杆上的转动副轴线均平行。

所述基本可展单元中，折叠连杆的长度限制基本可展单元的展开程度，当折叠连杆完全伸直即折叠连杆上三个转动副轴线共面时，基本可展单元便处于完全展开状态；六组折叠连杆中的任意五组均为过约束连杆，可有效提高基本可展单元的整体刚度，另外一组折叠连杆依靠连杆长度限制基本可展单元的展开程度。

本发明的剪叉联动式过约束可展单元组成的空间可展机构，它包括多个基本可展单元，相邻的基本可展单元共用四个花盘和一组剪叉折叠杆，其中，共用的一组剪叉折叠杆的四端分别插入共用的四个花盘的中间槽口，通过转动副与花盘连接，相邻的两组折叠连杆的两端分别插入上述四个共用花盘的左侧槽口，通过转动副与花盘连接，相邻的另外两组折叠连杆的两端分别插入上述四个共用花盘的右侧槽口，通过转动副与花盘连接；通过改变基本可展单元的数量，能够改变空间可展机构的大小。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明为三棱柱型空间可展单元，折叠比大，含有多个过约束折叠连杆，刚度高，抗震性能好。

2、本发明为单自由度空间基本可展单元，即只需一个驱动就能实现单元的展开与收拢运动，展开性能好，可靠性高。

3、结构简单，运动副均为转动副，易于实现工程制造。

附图说明

图1是本发明基本可展单元的立体示意简图；

图2是图1完全展开状态的立体示意简图；

图3是图1完全收拢状态的立体示意简图；

图4是本发明实施例2完全展开状态的立体示意简图；

图5是图4半展开状态的立体示意简图；

图6是图4完全收拢状态的立体示意简图；

图中：1：第一连杆、2：第一剪叉杆、3：第一花盘、4：第二连杆、5：第三连杆、6：第二剪叉杆、7：第三剪叉杆、8：第二花盘、9：第四连杆、10：第五连杆、11：第六连杆、12：第三花盘、13：第四剪叉杆、14：第七连杆、15：第八连杆、16：第九连杆、17：第四花盘、18：第五剪叉杆、19：第五花盘、20：第十连杆、21：第十一连杆、22：第六花盘、23：第六剪叉杆、24：第十二连杆。

具体实施方式

实施例1

在图1所示的剪叉联动式过约束可展单元的立体示意简图中，六个剪叉杆结构完全相同，两个剪叉杆为一组，其两剪叉杆中间通过转动副连接，六个剪叉杆共组成三组剪叉折叠杆，三组剪叉折叠杆分布在基本可展单元的三个侧面上；十二个连杆结构完全相同，两个两岸为一组，其两个连杆的一端通过转动副连接，十二个连杆共组成六组折叠连杆，六组折叠连杆分布在基本可展单元的上下两个面上，上下两个面均有三组折叠连杆；六个花盘结构完全相同，均为正六边形花盘，花盘的每条边上均开有三个槽口，中间槽口用于插入剪叉折叠杆通过转动副连接，两侧槽口用于插入折叠连杆通过转动副连接，三个槽口处的转动副轴线重合，六个花盘分布在基本可展单元的六个顶点上；每组剪叉折叠杆的四端分别插入与它处于同一平面顶点上的三个花盘的中间槽口，通过四个转动副与四个花盘连接，每组折叠连杆的两端分别插入平行的两个花盘的侧槽口，通过两个转动副与两个花盘连接。

第二剪叉杆6和第三剪叉杆7中间通过转动副连接组成第一剪叉折叠杆，第四剪叉杆13和第五剪叉杆18中间通过转动副连接组成第二剪叉折叠杆，第六剪叉杆23和第一剪叉杆2中间通过转动副连接组成第三剪叉折叠杆，第一剪叉折叠杆的四端分别插入第一花盘3、第二花盘8、第三花盘12和第五花盘19的中间槽口，并通过四个转动副与四个花盘连接，第一剪叉折叠杆上的五个转动副轴线均平行；第二剪叉折叠杆的四端分别插入第三花盘12、第四花盘17、第五花盘19、第六花盘22的中间槽口，并通过四个转动副与四个花盘连接，第二剪叉折叠杆上的五个转动副轴线均平行；第三剪叉折叠杆的四端分别插入第一花盘3、第二花盘8、第四花盘17、第六花盘22的中间槽口，并通过四个转动副与四个花盘连接，第三剪叉折叠杆上的五个转动副轴线均平行。

第五连杆10和第六连杆11的一端通过转动副连接组成第一折叠连杆，第七连杆14和第八连杆15的一端通过转动副连接组成第二折叠连杆，第四连杆9和第九连杆16的一端通过转动副连接组成第三折叠连杆，第二连杆4和第三连杆5的一端通过转动副连接组成第四折叠连杆，第十连杆20和第十一连杆21的一端通过转动副连接组成第五折叠连杆，第一连杆1和第十二连杆24的一端通过转动副连接组成第六折叠连杆；第一折叠连杆的两端分别插入平行的第二花盘8和第三花盘12的侧槽口，通过两个转动副与两个花盘连接，第一折叠连杆上的三个转动副轴线均平行；第二折叠连杆的两端分别插入平行的第三花盘12和第四花盘17的侧槽口，通过两个转动副与两个花盘连接，第二折叠连杆上的三个转动副轴线均平行；第三折叠连杆的两端分别插入平行的第二花盘8和第四花盘17的侧槽口，通过两个转动副与两个花盘连接，第三折叠连杆上的三个转动副轴线均平行；第四折叠连杆的两端分别插入平行的第一花盘3和第五花盘19的侧槽口，通过两个转动副与两个花盘连接，第四折叠连杆上的三个转动副轴线均平行；第五折叠连杆的两端分别插入平行的第五花盘19和第六花盘22的侧槽口，通过两个转动副与两个花盘连接，第五折叠连杆上的三个转动副轴线均平行，第六折叠连杆的两端分别插入平行的第一花盘3和第六花盘22的侧槽口，通过两个转动副与两个花盘连接，第六折叠连杆上的三个转动副轴线均平行；第一折叠连杆、第四折叠连杆以及第一剪叉折叠杆上的转动副轴线均平行，第二折叠连杆、第五折叠连杆以及第二剪叉折叠杆上的转动副轴线均平行，第三折叠连杆、第六折叠连杆以及第三剪叉折叠杆上的转动副轴线均平行。

如图2和图3所示，折叠连杆的长度可限制基本可展单元的展开程度，当折叠连杆完全伸直即折叠连杆上三个转动副轴线共面时，基本可展单元便处于完全展开状态，当折叠连杆完全收拢时,基本可展单元便处于完全收拢状态，六组折叠连杆中的任意五组折叠连杆均为过约束连杆，有利于提高基本可展单元的整体刚度，另外一组折叠连杆依靠连杆长度限制基本可展单元的展开程度。

实施例2

如图4-图6所示，剪叉联动式过约束可展单元组成的空间可展机构包括多个基本可展单元，每个基本可展单元的部件和连接方式与实施例1相同，多个基本可展单元紧密排列，相邻的基本可展单元共用四个花盘和一组剪叉折叠杆，其中，共用的一组剪叉折叠杆的四端分别插入共用的四个花盘的中间槽口，通过转动副与花盘连接，与共用的剪叉折叠杆相邻的两组折叠连杆的两端分别插入上述四个共用花盘的两侧槽口，通过转动副与花盘连接；图4-图6中A和B为两个相邻的基本可展单元，以基本可展单元A和B为例，两个基本可展单元通过共用由剪叉杆2′和剪叉杆23′通过转动副连接组成的剪叉折叠杆和四个花盘8′、17′、22′、3′连接；剪叉联动式过约束可展单元组成的空间可展机构中的其他基本可展单元间的连接方式与基本 可展单元A和基本可展单元B的连接方式相同，通过改变基本可展单元的数量，能够改变空间可展机构的大小。

图4为剪叉联动式过约束可展单元组成的空间可展机构完全展开状态，图5为半展开状态，图6为完全收拢状态。

Claims (4)

1.一种剪叉联动式过约束可展单元及其组成的空间可展机构，其特征在于：所述剪叉联动式过约束可展单元为三棱柱型单自由度基本可展单元，其包括六个剪叉杆、十二个连杆和六个花盘；所述六个剪叉杆结构完全相同，两个剪叉杆为一组，两剪叉杆中间通过转动副连接，六个剪叉杆共组成三组剪叉折叠杆，三组剪叉折叠杆分布在基本可展单元的三个侧面上；所述十二个连杆结构完全相同，两个连杆为一组，其两个连杆的一端通过转动副连接，十二个连杆共组成六组折叠连杆，六组折叠连杆分布在基本可展单元的上下两个面上，上下两个面均有三组折叠连杆；所述六个花盘结构完全相同，均为正六边形花盘，花盘的每条边上均开有三个槽口，中间槽口用于插入剪叉折叠杆并通过转动副连接，两侧槽口用于插入折叠连杆并通过转动副连接，三个槽口处的转动副轴线重合，六个花盘对称分布在基本可展单元的六个顶点上；每组剪叉折叠杆的四端分别插入与它处于同一平面顶点上的四个花盘的中间槽口，通过四个转动副与四个花盘连接，四个转动副轴线与连接两个剪叉杆组成剪叉折叠杆的转动副轴线平行；每组折叠连杆的两端分别插入平行的两个花盘的侧槽口，通过两个转动副与两个花盘连接，两个转动副轴线与连接两个连杆组成的折叠连杆的转动副轴线平行。

2.根据权利要求1所述的剪叉联动式过约束可展单元及其组成的空间可展机构，其特征在于：所述剪叉联动式过约束可展单元的第二剪叉杆和第三剪叉杆中间通过转动副连接组成第一剪叉折叠杆，第四剪叉杆和第五剪叉杆中间通过转动副连接组成第二剪叉折叠杆，第六剪叉杆和第一剪叉杆中间通过转动副连接组成第三剪叉折叠杆，第一剪叉折叠杆的四端分别插入第一花盘、第二花盘、第三花盘和第五花盘的中间槽口，并通过四个转动副与四个花盘连接，第一剪叉折叠杆上的五个转动副轴线均平行；第二剪叉折叠杆的四端分别插入第三花盘、第四花盘、第五花盘、第六花盘的中间槽口，并通过四个转动副与四个花盘连接，第二剪叉折叠杆上的五个转动副轴线均平行；第三剪叉折叠杆的四端分别插入第一花盘、第二花盘、第四花盘、第六花盘的中间槽口，并通过四个转动副与四个花盘连接，第三剪叉折叠杆上的五个转动副轴线均平行；

第五连杆和第六连杆的一端通过转动副连接组成第一折叠连杆，第七连杆和第八连杆的一端通过转动副连接组成第二折叠连杆，第四连杆和第九连杆的一端通过转动副连接组成第三折叠连杆，第二连杆和第三连杆的一端通过转动副连接组成第四折叠连杆，第十连杆和第十一连杆的一端通过转动副连接组成第五折叠连杆，第一连杆和第十二连杆的一端通过转动副连接组成第六折叠连杆；第一折叠连杆的两端分别插入平行的第二花盘和第三花盘的侧槽口，通过两个转动副与两个花盘连接，第一折叠连杆上的三个转动副轴线均平行；第二折叠连杆的两端分别插入平行的第三花盘和第四花盘的侧槽口，通过两个转动副与两个花盘连接， 第二折叠连杆上的三个转动副轴线均平行；第三折叠连杆的两端分别插入平行的第二花盘和第四花盘的侧槽口，通过两个转动副与两个花盘连接，第三折叠连杆上的三个转动副轴线均平行；第四折叠连杆的两端分别插入平行的第一花盘和第五花盘的侧槽口，通过两个转动副与两个花盘连接，第四折叠连杆上的三个转动副轴线均平行；第五折叠连杆的两端分别插入平行的第五花盘和第六花盘的侧槽口，通过两个转动副与两个花盘连接，第五折叠连杆上的三个转动副轴线均平行，第六折叠连杆的两端分别插入平行的第一花盘和第六花盘的侧槽口，通过两个转动副与两个花盘连接，第六折叠连杆上的三个转动副轴线均平行；第一折叠连杆、第四折叠连杆以及第一剪叉折叠杆上的转动副轴线均平行，第二折叠连杆、第五折叠连杆以及第二剪叉折叠杆上的转动副轴线均平行，第三折叠连杆、第六折叠连杆以及第三剪叉折叠杆上的转动副轴线均平行。

3.根据权利要求1或2所述的剪叉联动式过约束可展单元及其组成的空间可展机构，其特征在于：所述分布在基本可展单元的上下两个面上的折展方向相同的折叠连杆上的各转动副轴线以及同侧面上具有相同折展方向的剪叉折叠杆上的转动副轴线均平行。

4.根据权利要求1或2所述的剪叉联动式过约束可展单元及其组成的空间可展机构，其特征在于：由剪叉联动式过约束可展单元组成的空间可展机构，它包括多个基本可展单元，多个基本可展单元紧密排列，相邻的基本可展单元共用四个花盘和一组剪叉折叠杆，其中，共用的一组剪叉折叠杆的四端分别插入共用的四个花盘的中间槽口，通过转动副与花盘连接，相邻的两组折叠连杆的两端分别插入上述四个共用花盘的左侧槽口，通过转动副与花盘连接，相邻的另外两组折叠连杆的两端分别插入上述四个共用花盘的右侧槽口，通过转动副与花盘连接；通过改变基本可展单元的数量，能够改变空间可展机构的大小。