CN106695798A - 一种两层两环连杆可展单元及基于该单元的空间可展机构 - Google Patents

一种两层两环连杆可展单元及基于该单元的空间可展机构 Download PDF

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曹文熬
杨栋皓
王玉丹
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Abstract

本发明涉及一种两层两环连杆可展单元及基于该单元的空间可展机构，该可展单元的结构呈镜面对称布置，每对呈镜面对称的转动副的轴线在对称面上相交。多个可展单元环形阵列在同一基座上，且每相邻两个可展单元之中，后一单元删掉第一连杆和第二连杆，后一单元的第一中间平台通过单元转动副与前一单元的第二中间平台连接，这样便构成了一个多环耦合状的空间可展机构。本发明的连杆可展单元比现有的单环连杆可展单元具有更高的刚度和承载能力，进而构建的可展机构具有高刚度，高承载能力的特点。本发明适用于卫星天线、太阳能电池板支撑结构以及土木工程等多个领域。

Description

一种两层两环连杆可展单元及基于该单元的空间可展机构
技术领域
本发明涉及机构学领域，特别涉及一种两层两环连杆可展单元及基于该单元的空间可展机构。
背景技术
可展机构作为空间站的基础骨架，空间机械臂的主体框架，大口径可展开天线支撑机构，大型太阳能帆板支架，可移动建筑的桁架结构等在通航空航天、可再生能源、空间探索、大型建筑，国防军事等领域发挥着重要作用。近几十年，可展机构的设计和研究是航天领域的热门主题。美国航空航天局(NASA)，俄罗斯宇航局，欧空局(ESA)，日本宇宙科学研究所(ISAS)和日本宇宙事业开发团(NASDA)和我国的航天科技集团一直在不断地开展航天可展机构的研究。目前国外一些大学美国麻省理工学院，如英国剑桥大学，西班牙塞维利亚建筑技术研究院，以色列特拉维夫大学，日本东京大学等和我国的哈尔滨工业大学，浙江大学，天津大学，同济大学，北京理工大学，北京航空航天大学等的许多学者都在进行可展机构的设计与研究。
早期的可展机构主要基于剪式铰单元来构建。近年来，基于单自由度单闭环空间连杆的可展单元引起了许多学者的关注，常见的有Bennett 4R机构，Myard 5R机构，Bricard 6R机构等。中国专利CN200380107030.2呈现了一种基于Bennett4R连杆单元构建的大可展机构。中国专利CN102167165A公开了一种七转动副单环连杆可展单元及采用该单元的空间可展机构，这种单元比Myard 5R连杆单元的可展性更好。
本发明涉及的两层两环连杆可展单元在结构上不同于现有的单环连杆可展单元，这种可展单元在杆数和运动副数目更多，运动副轴线之间的布置更加复杂，支链之间的耦合度更高。本发明涉及的两层两环连杆可展单元比单环连杆可展单元的刚度和承载能力更高，非常适合构建大型的可展机构。
发明内容
本发明涉及具有高刚度和高承载能力的两层两环连杆可展单元以及基于该单元构建的可展机构。
实现本发明采用的技术方案是：
一种两层两环连杆可展单元，其特征在于：它包括基座、第一转动副、第一连杆、第二转动副、第二连杆、第一中间平台、第三转动副、第三连杆、第四转动副、末端连杆、第五转动副、第四连杆、第六转动副、第二中间平台、第五连杆、第七转动副、第六连杆、第八转动副、耦合支链转动副一、耦合支链连杆一、耦合支链转动副二、耦合支链连杆二、耦合支链转动副三、耦合支链连杆三、耦合支链转动副四、耦合支链连杆四、耦合支链转动副五；上述基座，连杆，副和平台有如下连接关系：第一连杆通过第一转动副安装在基座上，第二连杆通过第二转动副与第一连杆相连，第二转动副的轴线沿第二连杆的中心线，第一中间平台与第二连杆固定连接，第三连杆通过第三转动副与第一中间平台相连，末端连杆通过第四转动副与第三连杆连接，第四连杆通过第五转动副与末端连杆连接，第二中间平台通过第六转动副与第四连杆连接，第五连杆与第二中间平台固定连接，第六连杆一端通过第七转动副与第五连杆相连，另一端通过第八转动副安装在基座上，第七转动副的轴线沿第五连杆的中心线，耦合支链连杆一通过耦合支链转动副一与第一中间平台连接，耦合支链连杆二通过耦合支链转动副二与耦合支链连杆一连接，耦合支链转动副二的轴线沿耦合支链连杆一的中心线，耦合支链连杆三通过耦合支链转动副三与耦合支链连杆二连接，耦合支链连杆四一端通过耦合支链转动副四与耦合支链连杆三连接，另一端通过耦合支链转动副五与第二中间平台连接，耦合支链转动副四的轴线沿耦合支链连杆四的中心线；第一转动副的轴线和第八转动副的轴线在基座平面内相交，第三转动副的轴线和第六转动副的轴线相交，第四转动副的轴线与第三转动副的轴线相互平行，第五转动副的轴线与第六转动副的轴线相互平行，第四转动副的轴线和第五转动副的轴线相交，耦合支链转动副一的轴线与第三转动副的轴线相互平行，耦合支链转动副五的轴线与第六转动副的轴线相互平行，耦合支链转动副一的轴线与耦合支链转动副五的轴线相交。
多个上述可展单元按照如下方法构建伞状可展机构：可展单元环形阵列在同一基座上，两个相邻的前后单元中，后一单元删掉第一连杆和第二连杆，后一单元的第一中间平台通过单元转动副与前一单元的第二中间平台连接，单元转动副的轴线与前一单元的第七转动副的轴线共线。此可展机构中所含可展单元的数量为6-12个，且可展机构的基座为正棱柱，基座的底面边数与可展单元的数量相一致。
本发明的优点在于：
1、本发明所涉及的可展单元比现有单闭环可展单元具有更高的刚度和承载能力，基于这样的可展单元构建的可展机构也具有较高的刚度和承载能力。
2、本发明所涉及的可展机构是一种伞状形式，驱动简单，便于控制。
附图说明
图1是本发明实施例1的可展单元结构示意图；
图2是本发明实施例2的可展机构展开状态示意图；
图3是本发明实施例2的可展机构展开过程示意图；
图4是本发明实施例2的可展机构收拢状态示意图；
图5是本发明实施例3的可展机构展开状态示意图；
图6是本发明实施例3的可展机构展开过程示意图；
图7是本发明实施例3的可展机构收拢状态示意图；
图8是本发明实施例4的可展单元结构示意图；
图9是本发明实施例5的可展机构展开状态示意图；
图10是本发明实施例5的可展机构展开过程示意图；
图11是本发明实施例5的可展机构收拢状态示意图；
图12是本发明实施例6的可展机构展开状态示意图；
图13是本发明实施例6的可展机构展开过程示意图；
图14是本发明实施例6的可展机构收拢状态示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的内容、功能和特点，下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。
实施例1：
本实施例的一种两层两环连杆可展单元的结构如图1所示，包括基座FB、第一转动副R1、第一连杆L1、第二转动副R2、第二连杆L2、第一中间平台MP1、第三转动副R3、第三连杆L3、第四转动副R4、末端连杆EP、第五转动副R5、第四连杆L4、第六转动副R6、第二中间平台MP2、第五连杆L5、第七转动副R7、第六连杆L6、第八转动副R8、耦合支链转动副一R9、耦合支链连杆一L7、耦合支链转动副二R10、耦合支链连杆二L8、耦合支链转动副三R11、耦合支链连杆三L9、耦合支链转动副四R12、耦合支链连杆四L10、耦合支链转动副五R13；上述基座，连杆，副和平台有如下连接关系：第一连杆L1通过第一转动副R1安装在基座FB上，第二连杆L2通过第二转动副R2与第一连杆L1相连，第二转动副R2的轴线沿第二连杆L2的中心线，第一中间平台MP1与第二连杆L2固定连接，第三连杆L3通过第三转动副R3与第一中间平台MP1相连，末端连杆EP通过第四转动副R4与第三连杆L3连接，第四连杆L4通过第五转动副R5与末端连杆EP连接，第二中间平台MP2通过第六转动副R6与第四连杆L4连接，第五连杆L5与第二中间平台MP2固定连接，第六连杆L6一端通过第七转动副R7与第五连杆L5相连，另一端通过第八转动副R8安装在基座FB上，第七转动副R7的轴线沿第五连杆L5的中心线，耦合支链连杆一L7通过耦合支链转动副一R9与第一中间平台MP1连接，耦合支链连杆二L8通过耦合支链转动副二R10与耦合支链连杆一L7连接，耦合支链转动副二R10的轴线沿耦合支链连杆一L7的中心线，耦合支链连杆三L9通过耦合支链转动副三R11与耦合支链连杆二L8连接，耦合支链连杆四L10一端通过耦合支链转动副四R12与耦合支链连杆三L9连接，另一端通过耦合支链转动副五R13与第二中间平台MP2连接，耦合支链转动副四R12的轴线沿耦合支链连杆四L10的中心线；第一转动副R1的轴线和第八转动副R8的轴线在基座平面内相交，第三转动副R3的轴线和第六转动副R6的轴线相交，第四转动副R4的轴线与第三转动副R3的轴线相互平行，第五转动副R5的轴线与第六转动副R6的轴线相互平行，第四转动副R4的轴线和第五转动副R5的轴线相交，耦合支链转动副一R9的轴线与第三转动副R3的轴线相互平行，耦合支链转动副五R13的轴线与第六转动副R6的轴线相互平行，耦合支链转动副一R9的轴线与耦合支链转动副五R13的轴线相交。
实施例2：
本实施例的一种基于两层两环连杆可展单元的可展机构的结构如图2-图4所示，多个实施例1中的可展单元按照如下方法构建伞状可展机构：可展单元环形阵列在同一基座FB上，两个相邻的前后单元中，后一单元Ⅱ删掉第一连杆L1和第二连杆L2，后一单元Ⅱ的第一中间平台MP1＇通过单元转动副RR1与前一单元Ⅰ的第二中间平台MP2连接，单元转动副RR1的轴线与前一单元Ⅰ的第七转动副R7的轴线共线。此可展机构中所含可展单元的数量为6-12个，且可展机构的基座FB为正棱柱，基座FB的底面边数与可展单元的数量相一致。
实施例3：
本实施例的一种基于两层两环连杆可展单元的可展机构的结构如图5-图7所示，多个实施例1中的可展单元按照如下方法构建伞状可展机构：可展单元环形阵列在同一基座FB上，两个相邻的前后单元之间，前一单元Ⅰ的第二中间平台MP2与后一单元Ⅱ的第一中间平台MP1＇通过一个五转动副链连接，该五转动副链包括第一中间转动副R14、第一中间连杆L11、第二中间转动副R15、第二中间连杆L12、第三中间转动副R16、第三中间连杆L13、第四中间转动副R17、第四中间连杆L14、第五中间转动副R18；五转动副链的第一中间连杆L11通过第一中间转动副R14与前一单元Ⅰ的第二中间平台MP2连接，第二中间连杆L12通过第二中间转动副R15与第一中间连杆L11连接，第二中间转动副R15的轴线沿第一中间连杆L11的中心线，第三中间连杆L13通过第三中间转动副R16与第二中间连杆L12连接，第四中间连杆L14一端通过第四中间转动副R17与第三中间连杆L13连接，另一端通过第五中间转动副R18与后一可展单元的第一中间平台MP1＇连接，第四中间转动副R17的轴线沿第四中间连杆L14的中心线。此可展机构的基座FB为底面是正偶数多边形的正棱柱，可展机构中可展单元的数量是基座FB的底面边数的一半。
实施例4：
本实施例的一种两层两环连杆可展单元的结构如图8所示，包括基座FB、第一转动副R1、第一连杆L1、第二转动副R2、第二连杆L2、第一中间平台MP1、第三转动副R3、第三连杆L3、第四转动副R4、末端连杆EP、第五转动副R5、第四连杆L4、第六转动副R6、第二中间平台MP2、第五连杆L5、第七转动副R7、第六连杆L6、第八转动副R8、耦合支链转动副一R9、耦合支链连杆一L7、耦合支链转动副二R10、耦合支链连杆二L8、耦合支链转动副三R11、耦合支链连杆三L9、耦合支链转动副四R12、耦合支链连杆四L10、耦合支链转动副五R13；上述基座，连杆，副和平台有如下连接关系：第一连杆L1通过第一转动副R1安装在基座FB上，第二连杆L2通过第二转动副R2与第一连杆L1相连，第二转动副R2的轴线沿第二连杆L2的中心线，第一中间平台MP1与第二连杆L2固定连接，第三连杆L3通过第三转动副R3与第一中间平台MP1相连，末端连杆EP通过第四转动副R4与第三连杆L3连接，第四连杆L4通过第五转动副R5与末端连杆EP连接，第二中间平台MP2通过第六转动副R6与第四连杆L4连接，第五连杆L5与第二中间平台MP2固定连接，第六连杆L6一端通过第七转动副R7与第五连杆L5相连，另一端通过第八转动副R8安装在基座FB上，第七转动副R7的轴线沿第五连杆L5的中心线，耦合支链连杆一L7通过耦合支链转动副一R9与第一中间平台MP1连接，耦合支链连杆二L8通过耦合支链转动副二R10与耦合支链连杆一L7连接，耦合支链转动副二R10的轴线沿耦合支链连杆一L7的中心线，耦合支链连杆三L9通过耦合支链转动副三R11与耦合支链连杆二L8连接，耦合支链连杆四L10一端通过耦合支链转动副四R12与耦合支链连杆三L9连接，另一端通过耦合支链转动副五R13与第二中间平台MP2连接，耦合支链转动副四R12的轴线沿耦合支链连杆四L10的中心线；第一转动副R1的轴线和第八转动副R8的轴线在基座平面内相交，第三转动副R3的轴线和第六转动副R6的轴线相交，第四转动副R4的轴线与第三转动副R3的轴线异面，第五转动副R5的轴线与第六转动副R6的轴线异面，第四转动副R4的轴线和第五转动副R5的轴线相交，耦合支链转动副一R9的轴线与第三转动副R3的轴线相互平行，耦合支链转动副五R13的轴线与第六转动副R6的轴线相互平行，耦合支链转动副一R9的轴线与耦合支链转动副五R13的轴线相交。
实施例5：
本实施例的一种基于两层两环连杆可展单元的可展机构的结构如图9-图11所示，多个实施例4中的可展单元按照如下方法构建伞状可展机构：可展单元环形阵列在同一基座FB上，两个相邻的前后单元中，后一单元Ⅱ删掉第一连杆L1和第二连杆L2，后一单元Ⅱ的第一中间平台MP1＇通过单元转动副RR1与前一单元Ⅰ的第二中间平台MP2连接，单元转动副RR1的轴线与前一单元Ⅰ的第七转动副R7的轴线共线。此可展机构中所含可展单元的数量为6-12个，且可展机构的基座FB为正棱柱，基座FB的底面边数与可展单元的数量相一致。
实施例6：
本实施例的一种基于两层两环连杆可展单元的可展机构的结构如图12-图14所示，多个实施例4中的可展单元按照如下方法构建伞状可展机构：可展单元环形阵列在同一基座FB上，两个相邻的前后单元之间，前一单元Ⅰ的第二中间平台MP2与后一单元Ⅱ的第一中间平台MP1＇通过一个五转动副链连接，该五转动副链包括第一中间转动副R14、第一中间连杆L11、第二中间转动副R15、第二中间连杆L12、第三中间转动副R16、第三中间连杆L13、第四中间转动副R17、第四中间连杆L14、第五中间转动副R18；五转动副链的第一中间连杆L11通过第一中间转动副R14与前一单元Ⅰ的第二中间平台MP2连接，第二中间连杆L12通过第二中间转动副R15与第一中间连杆L11连接，第二中间转动副R15的轴线沿第一中间连杆L11的中心线，第三中间连杆L13通过第三中间转动副R16与第二中间连杆L12连接，第四中间连杆L14一端通过第四中间转动副R17与第三中间连杆L13连接，另一端通过第五中间转动副R18与后一可展单元的第一中间平台MP1＇连接，第四中间转动副R17的轴线沿第四中间连杆L14的中心线。此可展机构的基座FB为底面是正偶数多边形的正棱柱，可展机构中可展单元的数量是基座FB的底面边数的一半。

Claims (2)

1.一种两层两环连杆可展单元，其特征在于：它包括基座(FB)、第一转动副(R1)、第一连杆(L1)、第二转动副(R2)、第二连杆(L2)、第一中间平台(MP1)、第三转动副(R3)、第三连杆(L3)、第四转动副(R4)、末端连杆(EP)、第五转动副(R5)、第四连杆(L4)、第六转动副(R6)、第二中间平台(MP2)、第五连杆(L5)、第七转动副(R7)、第六连杆(L6)、第八转动副(R8)、耦合支链转动副一(R9)、耦合支链连杆一(L7)、耦合支链转动副二(R10)、耦合支链连杆二(L8)、耦合支链转动副三(R11)、耦合支链连杆三(L9)、耦合支链转动副四(R12)、耦合支链连杆四(L10)、耦合支链转动副五(R13)；上述基座，连杆，副和平台有如下连接关系：第一连杆(L1)通过第一转动副(R1)安装在基座(FB)上，第二连杆(L2)通过第二转动副(R2)与第一连杆(L1)相连，第二转动副(R2)的轴线沿第二连杆(L2)的中心线，第一中间平台(MP1)与第二连杆(L2)固定连接，第三连杆(L3)通过第三转动副(R3)与第一中间平台(MP1)相连，末端连杆(EP)通过第四转动副(R4)与第三连杆(L3)连接，第四连杆(L4)通过第五转动副(R5)与末端连杆(EP)连接，第二中间平台(MP2)通过第六转动副(R6)与第四连杆(L4)连接，第五连杆(L5)与第二中间平台(MP2)固定连接，第六连杆(L6)一端通过第七转动副(R7)与第五连杆(L5)相连，另一端通过第八转动副(R8)安装在基座(FB)上，第七转动副(R7)的轴线沿第五连杆(L5)的中心线，耦合支链连杆一(L7)通过耦合支链转动副一(R9)与第一中间平台(MP1)连接，耦合支链连杆二(L8)通过耦合支链转动副二(R10)与耦合支链连杆一(L7)连接，耦合支链转动副二(R10)的轴线沿耦合支链连杆一(L7)的中心线，耦合支链连杆三(L9)通过耦合支链转动副三(R11)与耦合支链连杆二(L8)连接，耦合支链连杆四(L10)一端通过耦合支链转动副四(R12)与耦合支链连杆三(L9)连接，另一端通过耦合支链转动副五(R13)与第二中间平台(MP2)连接，耦合支链转动副四(R12)的轴线沿耦合支链连杆四(L10)的中心线；第一转动副(R1)的轴线和第八转动副(R8)的轴线在基座平面内相交，第三转动副(R3)的轴线和第六转动副(R6)的轴线相交，第四转动副(R4)的轴线与第三转动副(R3)的轴线相互平行，第五转动副(R5)的轴线与第六转动副(R6)的轴线相互平行，第四转动副(R4)的轴线和第五转动副(R5)的轴线相交，耦合支链转动副一(R9)的轴线与第三转动副(R3)的轴线相互平行，耦合支链转动副五(R13)的轴线与第六转动副(R6)的轴线相互平行，耦合支链转动副一(R9)的轴线与耦合支链转动副五(R13)的轴线相交。
2.基于权利要求1所述的可展单元，按照如下方法构建的伞状可展机构：多个可展单元环形阵列在同一基座(FB)上，两个相邻的前后单元中，后一单元删掉第一连杆(L1)和第二连杆(L2)，后一单元的第一中间平台(MP1)通过单元转动副(RR1)与前一单元的第二中间平台(MP2)连接，单元转动副(RR1)的轴线与前一单元的第七转动副(R7)的轴线共线；上述可展机构中所含可展单元的数量为6-12个，且可展机构的基座(FB)为正棱柱，该基座(FB)的底面边数与可展单元的数量相一致。
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