CN106364700B - 基于革翅目昆虫蠼螋后翅展开机理设计的空间展开机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于革翅目昆虫蠼螋后翅展开机理设计的空间展开机构，应用于卫星天线的反射器上，结构包括一级杆组、二级杆组、三级杆组、支撑杆组、推拉杆组、复合铰链机构、聚酯薄膜，一级杆组中杆件端部之间通过铰链依次连接；二级杆组包括杆件和齿轮，齿轮和二级杆件连接后再与一级杆件连接，三级杆组中杆件通过支撑杆与二级杆组中的杆件连接。在一级杆组的杆件上施加驱动可实现整个机构的展开。本发明可实现航天器卫星天线的可控折叠与展开，具有较大的收纳比，同时通过选用碳纤维材料使整个可展机构具有轻质高强、稳定性好等优点。

Description

基于革翅目昆虫蠼螋后翅展开机理设计的空间展开机构

技术领域：

本发明涉及一种空间可展机构，具体涉及基于革翅目昆虫蠼螋后翅展开机理设计的空间展开机构，能够满足宇航空间技术领域对高收纳比机构的需求，其属于航天技术领域。

背景技术：

本发明灵感来源于革翅目昆虫蠼螋，此昆虫具有翅膀展开速度快、质量轻、收纳比高、飞行稳定的特点，而这种优点正是宇航空间技术领域所需求的。近年来，随着空间科学的发展和航天技术的进步，大型空间展开机构得到越来越多的应用，由于航天发射工具运载舱空间的限制，机构发射时处于折叠状态，到达轨道后再完全展开并保持构型。展开机构的种类繁多，其中应用较多、发展迅速的是杆状构架式展开机构。自1865年作为磁强计支架首次用于美国空军S-3卫星后，已多次用于各类航天器。目前，包括美国、日本、俄罗斯、中国和欧空局等均已开展了杆状构架式展开机构的研究,其中美国AEC-Able公司对该项技术的研究及其产业化处于领先地位。虽然展开机构的研究已比较深入，但是目前还存在比较突出的问题，这些问题主要包括：

展开机构的收纳比不高。

展开机构的展开过程不具有可逆性，展开后很难再次折叠起来。

展开机构的展开需要多自由度驱动，驱动机构比较复杂和冗余。

发明内容：

本发明旨在解决上述展开机构存在的缺陷，提供一种基于革翅目昆虫蠼螋后翅展开机理设计的空间展开机构，实现了机构的高收纳比、展开过程可逆等功能。

本发明采用如下技术方案：一种基于革翅目昆虫蠼螋后翅展开机理设计的空间展开机构，包括一级杆组、二级杆组、三级杆组、支撑杆组、推拉杆组、聚酯薄膜、销孔、销轴、直齿轮、齿条、齿条的铰接点、滑槽、第一铰接点、第一空间复合铰链、第二空间复合铰链、第一不完全齿轮、第二不完全齿轮、第二铰接点、第三铰接点、第四铰接点、第五铰接点、环形滑块、左半圆柱结构、右半圆柱结构以及环形滑槽，所述一级杆组包括第一一级杆件、第二一级杆件、第三一级杆件、第四一级杆件、第五一级杆件、第六一级杆件以及第七一级杆件，所述二级杆组包括第一二级杆件、第二二级杆件、第三二级杆件、第四二级杆件、第五二级杆件、第六二级杆件、以及第七二级杆件，所述三级杆组包括第一三级杆件、第二三级杆件、第三三级杆件、第四三级杆件、第五三级杆件以及第六三级杆件，所述支撑杆组包括第一支撑杆、第二支撑杆、第三支撑杆、第四支撑杆、第五支撑杆以及第六支撑杆，所述推拉杆组包括第一推拉杆、第二推拉杆以及第三推拉杆，所述一级杆组中第一一级杆件与第二一级杆件相连接，第二一级杆件与第三一级杆件，依次的，第六一级杆件与第七一级杆件相连，二级杆组中，第一二级杆件至第七二级杆件的端部依次与第一一级杆件至第七一级杆件的端部通过铰链连接，共形成7个旋转副，所述聚酯薄膜位于一级杆组、二级杆组、三级杆组内相邻的杆件之间，所述齿条安装在一级杆组中第一一级杆件的滑槽内，齿条与直齿轮形成啮合关系，第一推拉杆将齿条的铰接点和第二一级杆件上的第一铰接点连接起来，第一一级杆件的运动带动第一推拉杆的运动，第一推拉杆的运动带动齿条在滑槽内滑动。

进一步地，所述第一一级杆件、第二一级杆件、第三一级杆件、第四一级杆件、第五一级杆件、第六一级杆件以及第七一级杆件的端部均设有销孔和销轴，第一一级杆件的销孔与第二一级杆件的销轴组合成铰链。

进一步地，所述直齿轮通过键联接安装在第一二级杆件的销轴上，齿条安装在第一一级杆件的滑槽内，并与直齿轮啮合，第一推拉杆的一端与齿条的铰接点连接，另一端与第二一级杆件上的第一铰接点连接，并推动齿条在滑槽内移动，齿条通过啮合传动使直齿轮转动，以带动第一二级杆件展开。

进一步地，所述第一空间复合铰链由左半圆柱结构和右半圆柱结构组成，所述第二空间复合铰链与第一空间复合铰链的结构相同，左半圆柱结构与第四支撑杆相连，右半圆柱结构与第三支撑杆相连接，所述第一空间复合铰链上设有环形滑槽，环形滑块在环形滑槽内滑动。

进一步地，所述第二支撑杆、第五支撑杆分别与第一不完全齿轮、第二不完全齿轮固联后，与第二二级杆件分别在第二铰接点与第四铰接点处铰接，且第一不完全齿轮和第二不完全齿轮处于啮合状态，第四支撑杆、第六支撑杆分别于第三铰接点、第五铰接点处铰接在第二二级杆件，第二支撑杆与第一支撑杆用第一空间复合铰链连接，第三支撑杆与第四支撑杆之间用第一空间复合铰链连接，第一三级杆件一端与第一空间复合铰链的右半圆柱结构固定在一起。

本发明具有如下有益效果：

(1).本发明只有一个单输入驱动，与传统的展开机构相比，驱动结构简单，减少了展开机构的重量、可控性好。

(2).本发明中空间复合铰链仅提供两个旋转副，且旋转副的轴线相互垂直，其优点在于不会因两支撑杆连接处自由度过多而难以约束其运动形式，同时又可作为三级杆组中杆件的承载构件。

(3).本发明中一级杆组与二级杆组中的杆件的展开是通过齿轮齿条的啮合传递动力，其展开过程平稳、精度高。

(4).本发明中巧妙地增加了三级杆组，与传统展开机构相比大大的提高了机构的收纳比，本展开机构的收纳比约为23且随着各组杆件长度的增加收纳比将进一步提高，而且由于设计有支撑杆，整个机构处于展开状态时，结构更加稳定。

附图说明：

图1是展开机构完全折叠时的示意图。

图2是展开机构展开过程的示意图。

图3是展开机构完全展开时的主视图。

图4是展开机构完全展开时的后视图。

图5是一级杆组间杆件铰链连接示意图。

图6是一级杆件的铰链结构局部示意图。

图7是齿轮齿条与一级杆件、二级杆件的连接示意图。

图8是二级杆件与直齿轮的连接示意图。

图9是二级杆件的滑槽结构的局部示意图。

图10是推拉杆连接一级杆件和齿条的示意图。

图11是支撑杆与二级杆件、支撑杆与支撑杆间的连接结构示意图。

图12是支撑杆与二级杆件连接结构的局部放大图。

图13是二级杆件上的铰接点结构局部放大图。

图14是支撑杆与空间复合铰链的连接示意图。

图15是支撑杆绕空间复合铰链旋转的旋转中心放大图。

图16是支撑杆环形滑块的局部放大图。

图17为左半圆柱结构和右半圆柱结构的剖视图。

其中：

A1：第一一级杆件；A2：第二一级杆件；A3：第三一级杆件；A4：第四一级杆件；A5：第五一级杆件；A6：第六一级杆件；A7：第七一级杆件；B1：第一二级杆件；B2：第二二级杆件；B3：第三二级杆件；B4：第四二级杆件；B5：第五二级杆件；B6：第六二级杆件；B7：第七二级杆件；C1：第一三级杆件；C2：第二三级杆件；C3：第三三级杆件；C4：第四三级杆件；C5：第五三级杆件；C6：第六三级杆件；D1：第一支撑杆；D2：第二支撑杆；D3：第三支撑杆；D4：第四支撑杆；D5：第五支撑杆；D6：第六支撑杆；E1：第一推拉杆；E2：第二推拉杆；E3：第三推拉杆；1：聚酯薄膜；2：销孔；3：销轴；4：直齿轮；5：齿条；6：齿条的铰接点；7：滑槽；8：第一铰接点；9：第一空间复合铰链；10：第二空间复合铰链；11：第一不完全齿轮；12：第二不完全齿轮；13：第二铰接点；14：第三铰接点；15：第四铰接点；16：第五铰接点；17：环形滑块；19：左半圆柱结构；22：右半圆柱结构；23：环形滑槽。

具体实施方式：

请参照图1至图17所示，本发明基于革翅目昆虫蠼螋后翅展开机理设计的空间展开机构，包括一级杆组A、二级杆组B、三级杆组C、支撑杆组D、推拉杆组E、聚酯薄膜1、销孔2、销轴3、齿条5、齿条的铰接点6、滑槽7、第一铰接点8、第一空间复合铰链9、第二空间复合铰链10、第一不完全齿轮11、第二不完全齿轮12、第二铰接点13、第三铰接点14、第四铰接点15、第五铰接点16、环形滑块17、左半圆柱结构19、右半圆柱结构22以及环形滑槽23。一级杆组A包括第一一级杆件A1、第二一级杆件A2、第三一级杆件A3、第四一级杆件A4、第五一级杆件A5、第六一级杆件A6以及第七一级杆件A7，二级杆组B包括第一二级杆件B1、第二二级杆件B2、第三二级杆件B3、第四二级杆件B4、第五二级杆件B5、第六二级杆件B6、以及第七二级杆件B7，三级杆组C包括第一三级杆件C1、第二三级杆件C2、第三三级杆件C3、第四三级杆件C4、第五三级杆件C5以及第六三级杆件C6，支撑杆组D包括第一支撑杆D1、第二支撑杆D2、第三支撑杆D3、第四支撑杆D4、第五支撑杆D5以及第六支撑杆D6，推拉杆组E包括第一推拉杆E1、第二推拉杆E2以及第三推拉杆E3。

一级杆组A中第一一级杆件A1与第二一级杆件A2相连接，第二一级杆件A2与第三一级杆件A3，依次的，第六一级杆件A6与第七一级杆件A7相连，二级杆组B中，第一二级杆件B1至第七二级杆件B7的端部依次与第一一级杆件A1至第七一级杆件A7的端部通过铰链连接，共形成7个旋转副。聚酯薄膜1位于一级杆组A、二级杆组B、三级杆组C内相邻的杆件之间。

齿条5安装在一级杆组中第一一级杆件A1的滑槽7内，齿条5与直齿轮4形成啮合关系，第一推拉杆E1将齿条的铰接点6和第二一级杆A2上的第一铰接点8连接起来，第一一级杆件A1的运动带动第一推拉杆E1的运动，第一推拉杆E1的运动带动齿条5在滑槽7内滑动。

请参照图5所示，一级杆组A中的一级杆件端部有铰链结构，第一一级杆件A1端部有销孔2和销轴3(其余一级杆件结构同第一一级杆件A1，均存在销孔2和销轴3)，第一一级杆件A1的销孔2与第二一级杆件A2的销轴组合成铰链，余下的一级杆件依次铰接在一起，这些一级杆件的旋转中心并不在同一条线上，不会因围绕同一个旋转中心旋转而发生干涉；展开机构展开时，第七一级杆件A7作为整个展开机构的机架与卫星本体连接，驱动电机的驱动扭矩加载到第六一级杆件A6上，第六一级杆件A6绕其销孔2逆时针旋转(图5所示)，第五一级杆件A5绕着第六一级杆件A6的销轴3逆时针旋转，依次，第一一级杆A1绕着第二一级杆件A2的销轴3逆时针旋转。

请参照图7所示，其为第一一级杆件A1与第一二级杆件B1的连接，直齿轮4通过键联接安装在第一二级杆件B1的销轴上，齿条5安装在第一一级杆件A1的滑槽7内，并与直齿轮4啮合，第一推拉杆E1的一端与齿条的铰接点6连接，另一端与第二一级杆件A2上的第一铰接点8连接，并推动齿条5在滑槽7内移动，齿条5通过啮合传动使直齿轮4转动，从而带动第一二级杆件B1展开；第一二级杆件B1的运动为一个复合运动，绕X轴(图7所示)旋转的同时，绕第一一级杆件A1的销孔2旋转。

第三支撑杆D3的一端与第一二级杆件B1连接，另一端如图16所示，其上有环形滑块17，图14中是第一空间复合铰链9，第一空间复合铰链9由左半圆柱结构19和右半圆柱结构22组成，第二空间复合铰链10相比于第一空间复合铰链9，结构上一致，尺寸偏小，也由左半圆柱结构和右半圆柱结构组成，为简化也称其由左半圆柱结构19和右半圆柱结构22组成，左半圆柱结构19与第四支撑杆D4相连，右半圆柱结构22与第三支撑杆D3相连接，图17是第一空间复合铰链9的全剖视图，在全剖视图中存在环形滑槽23，环形滑块17在环形滑槽23内滑动，第三支撑杆D3、第四支撑杆D4通过第一空间复合铰链9的连接可以实现绕中心线b旋转的同时绕中心线c旋转，此外第一空间复合铰链9还可以作为第一三级杆件C1的承载杆件。其中图14中a为第一三级杆件C1的中心线，b、c为第三支撑杆D3和第四支撑杆D4之间的相对旋转中心线。

第一三级杆件C1的中心线a与中心线b重合并与右半圆柱结构22固定，此外第一三级杆件C1的中心线a穿过第二空间复合铰链10的轴孔，形成一个圆柱副，在展开机构展开或折叠的过程中可以实现滑动和移动，展开时一级杆件间夹角变大带动推拉杆，推拉杆带动齿条移动，齿条使与之啮合的直齿轮转动，二级杆组中间的二级杆件开始展开。

第二二级杆件B2与六个支撑杆连接结构如图11所示，第二支撑杆D2、第五支撑杆D5分别与第一不完全齿轮11、第二不完全齿轮12固联后，与第二二级杆件B2分别在第二铰接点13与第四铰接点15处铰接，同时第一不完全齿轮11和第二不完全齿轮12处于啮合状态，第四支撑杆D4、第六支撑杆D6分别于第三铰接点14、第五铰接点16处铰接在第二二级杆件B2，第二支撑杆D2与第一支撑杆D1用第二空间复合铰链10连接，第三支撑杆D3与第四支撑杆D4之间用第一空间复合铰链9连接，第一三级杆件C1一端与第一空间复合铰链9的右半圆柱结构22固定在一起，另一端穿过旋转中心b；当第一二级杆件B1和第二二级杆件B2间夹角随着一级杆组A的展开而变大时，第三支撑杆D3和第四支撑杆D4围绕着旋转中心线b、c旋转，第三支撑杆D3和第四支撑杆D4的夹角逐渐变大，第一三级杆件C1从第一二级杆件B1、第二二级杆件B2之间伸展出来；当一级杆件、二级杆件、三级杆件运动到展开位置时，聚酯薄膜1被杆件撑开，形成天线反射面，完成展开过程。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于革翅目昆虫蠼螋后翅展开机理设计的空间展开机构，其特征在于：包括一级杆组(A)、二级杆组(B)、三级杆组(C)、支撑杆组(D)、推拉杆组(E)、聚酯薄膜(1)、销孔(2)、销轴(3)、直齿轮(4)、齿条(5)、齿条的铰接点(6)、滑槽(7)、第一铰接点(8)、第一空间复合铰链(9)、第二空间复合铰链(10)、第一不完全齿轮(11)、第二不完全齿轮(12)、第二铰接点(13)、第三铰接点(14)、第四铰接点(15)、第五铰接点(16)、环形滑块(17)、左半圆柱结构(19)、右半圆柱结构(22)以及环形滑槽(23)，所述一级杆组(A)包括第一一级杆件(A1)、第二一级杆件(A2)、第三一级杆件(A3)、第四一级杆件(A4)、第五一级杆件(A5)、第六一级杆件(A6)以及第七一级杆件(A7)，所述二级杆组(B)包括第一二级杆件(B1)、第二二级杆件(B2)、第三二级杆件(B3)、第四二级杆件(B4)、第五二级杆件(B5)、第六二级杆件(B6)、以及第七二级杆件(B7)，所述三级杆组(C)包括第一三级杆件(C1)、第二三级杆件(C2)、第三三级杆件(C3)、第四三级杆件(C4)、第五三级杆件(C5)以及第六三级杆件(C6)，所述支撑杆组(D)包括第一支撑杆(D1)、第二支撑杆(D2)、第三支撑杆(D3)、第四支撑杆(D4)、第五支撑杆(D5)以及第六支撑杆(D6)，所述推拉杆组(E)包括第一推拉杆(E1)、第二推拉杆(E2)以及第三推拉杆(E3)，所述一级杆组(A)中第一一级杆件(A1)与第二一级杆件(A2)相连接，第二一级杆件(A2)与第三一级杆件(A3)，依次的，第六一级杆件(A6)与第七一级杆件(A7)相连，二级杆组(B)中，第一二级杆件(B1)至第七二级杆件(B7)的端部依次与第一一级杆件(A1)至第七一级杆件(A7)的端部通过铰链连接，共形成7个旋转副，所述聚酯薄膜(1)位于一级杆组(A)、二级杆组(B)、三级杆组(C)内相邻的杆件之间，所述齿条(5)安装在一级杆组中第一一级杆件(A1)的滑槽(7)内，齿条(5)与直齿轮(4)形成啮合关系，第一推拉杆(E1)将齿条的铰接点(6)和第二一级杆件(A2)上的第一铰接点(8)连接起来，第一一级杆件(A1)的运动带动第一推拉杆(E1)的运动，第一推拉杆(E1)的运动带动齿条(5)在滑槽(7)内滑动。

2.如权利要求1所述的基于革翅目昆虫蠼螋后翅展开机理设计的空间展开机构，其特征在于：所述第一一级杆件(A1)、第二一级杆件(A2)、第三一级杆件(A3)、第四一级杆件(A4)、第五一级杆件(A5)、第六一级杆件(A6)以及第七一级杆件(A7)的端部均设有销孔(2)和销轴(3)，第一一级杆件(A1)的销孔(2)与第二一级杆件(A2)的销轴组合成铰链。

3.如权利要求2所述的基于革翅目昆虫蠼螋后翅展开机理设计的空间展开机构，其特征在于：所述直齿轮(4)通过键联接安装在第一二级杆件(B1)的销轴上，齿条(5)安装在第一一级杆件(A1)的滑槽(7)内，并与直齿轮(4)啮合，第一推拉杆(E1)的一端与齿条的铰接点(6)连接，另一端与第二一级杆件(A2)上的第一铰接点(8)连接，并推动齿条(5)在滑槽(7)内移动，齿条(5)通过啮合传动使直齿轮(4)转动，以带动第一二级杆件(B1)展开。

4.如权利要求3所述的基于革翅目昆虫蠼螋后翅展开机理设计的空间展开机构，其特征在于：所述第一空间复合铰链(9)由左半圆柱结构(19)和右半圆柱结构(22)组成，所述第二空间复合铰链(10)与第一空间复合铰链(9)的结构相同，左半圆柱结构(19)与第四支撑杆(D4)相连，右半圆柱结构(22)与第三支撑杆(D3)相连接，所述第一空间复合铰链(9)上设有环形滑槽(23)，环形滑块(17)在环形滑槽(23)内滑动。

5.如权利要求4所述的基于革翅目昆虫蠼螋后翅展开机理设计的空间展开机构，其特征在于：所述第二支撑杆(D2)、第五支撑杆(D5)分别与第一不完全齿轮(11)、第二不完全齿轮(12)固联后，与第二二级杆件(B2)分别在第二铰接点(13)与第四铰接点(15)处铰接，且第一不完全齿轮(11)和第二不完全齿轮(12)处于啮合状态，第四支撑杆(D4)、第六支撑杆(D6)分别于第三铰接点(14)、第五铰接点(16)处铰接在第二二级杆件(B2)，第二支撑杆(D2)与第一支撑杆(D1)用第一空间复合铰链(10)连接，第三支撑杆(D3)与第四支撑杆(D4)之间用第一空间复合铰链(9)连接，第一三级杆件(C1)一端与第一空间复合铰链(9)的右半圆柱结构(22)固定在一起。