CN107097977A - 含1r耦合支链的可展单元及基于此的伞形空间折展机构 - Google Patents

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曹文熬
杨栋皓
徐世杰
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Abstract

本发明涉及一种含1R耦合支链的可展单元及基于此的伞形空间折展机构，该可展单元的杆和副呈镜面对称布置。多个可展单元环形阵列在同一基座上，两个相邻的前后单元之间，前一单元的第二中间平台与后一单元的第一中间平台通过一个五转动副链连接，这样便构成了一个多环耦合状的空间折展机构。本发明的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，进而构建的折展机构具有高刚度，高承载能力的特点。本发明的折展机构在卫星天线、太阳能电池板支撑结构以及建筑工程等多个领域有较好的应用前景。

Description

含1R耦合支链的可展单元及基于此的伞形空间折展机构
技术领域
本发明涉及机构学领域，特别涉及一种含1R耦合支链的可展单元及基于此的伞形空间折展机构。
背景技术
折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，可移动建筑的桁架结构等在航空航天、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，折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)以及我国的航天科技集团一直在不断地开展航天折展机构的研究。目前国外一些大学如美国麻省理工学院，英国剑桥大学，日本东京大学等和我国的浙江大学，哈尔滨工业大学，天津大学，同济大学等的许多学者都在进行折展机构的设计与研究。
早期的折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Bennett 4R可展单元构建的折展机构；中国专利CN103786906A公开了一种空间折展机构，其包括若干相同的可展单元，这些可展单元是左右对称的剪叉机构；中国专利CN102167165A公开了一种七转动副单环可展单元及采用该单元的空间折展机构，这种单元比Myard 5R可展单元的可展性更好。
本发明涉及的含1R耦合支链的可展单元在结构上不同于现有的单环连杆可展单元，这种可展单元的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。本发明涉及的含1R耦合支链的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折展机构。
发明内容
本发明涉及具有高刚度和高承载能力的含1R耦合支链的可展单元及基于此的伞形空间折展机构。
实现本发明采用的技术方案是：
一种含1R耦合支链的可展单元，它包括基座、第一转动副、第一连杆、第二转动副、第二连杆、第三转动副、第一中间平台、第四转动副、第三连杆、第五转动副、第四连杆、第六转动副、末端连杆、第七转动副、第五连杆、第八转动副、第六连杆、第九转动副、第二中间平台、第十转动副、第七连杆、第十一转动副、第八连杆、第十二转动副、耦合支链连杆一、耦合支链转动副一、耦合支链连杆二；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，第一中间平台通过第三转动副与第二连杆相连，第三连杆通过第四转动副与第一中间平台连接，第四连杆通过第五转动副与第三连杆连接，第五转动副的轴线沿第三连杆的中心线，末端连杆通过第六转动副与第四连杆连接，第五连杆通过第七转动副与末端连杆连接，第六连杆通过第八转动副与第五连杆连接，第八转动副的轴线沿第六连杆的中心线，第二中间平台通过第九转动副与第六连杆连接，第七连杆通过第十转动副与第二中间平台连接，第八连杆一端通过第十一转动副与第七连杆相连，另一端通过第十二转动副安装在基座上，第十一转动副的轴线沿第七连杆的中心线，耦合支链连杆一与第一中间平台固定连接，耦合支链连杆二一端通过耦合支链转动副一与耦合支链连杆一连接，另一端与第二中间平台固定连接；第一转动副的轴线和第十二转动副的轴线在基座平面内相交，第四转动副的轴线与第三转动副的轴线相互平行，第九转动副的轴线与第十转动副的轴线相互平行，第六转动副的轴线与第七转动副的轴线相交，耦合支链转动副一的轴线分别与第三转动副的轴线和第十转动副的轴线相互平行。
多个上述可展单元按照如下方法构建伞形折展机构：可展单元环形阵列在同一基座上，两个相邻的前后单元之间，前一单元的第二中间平台与后一单元的第一中间平台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、第一中间连杆、第二中间转动副、第二中间连杆、第三中间转动副、第三中间连杆、第四中间转动副、第四中间连杆、第五中间转动副；五转动副链的第一中间连杆通过第一中间转动副与前一可展单元的第二中间平台连接，第二中间连杆通过第二中间转动副与第一中间连杆连接，第二中间转动副的轴线沿第一中间连杆的中心线，第三中间连杆通过第三中间转动副与第二中间连杆连接，第四中间连杆一端通过第四中间转动副与第三中间连杆连接，另一端通过第五中间转动副与后一可展单元的第一中间平台连接，第四中间转动副的轴线沿第四中间连杆的中心线。此折展机构的基座为底面是正偶数多边形的正棱柱，折展机构中可展单元的数量是基座的底面边数的一半。
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折展机构也具有较高的刚度和承载能力。
2、本发明所涉及的折展机构是一种伞形形式，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的折展机构展开状态示意图；
图3是本发明实施例2的折展机构展开过程示意图；
图4是本发明实施例2的折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：
本实施例的一种含1R耦合支链的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、第三转动副R3、第一中间平台MP1、第四转动副R4、第三连杆L3、第五转动副R5、第四连杆L4、第六转动副R6、末端连杆EP、第七转动副R7、第五连杆L5、第八转动副R8、第六连杆L6、第九转动副R9、第二中间平台MP2、第十转动副R10、第七连杆L7、第十一转动副R11、第八连杆L8、第十二转动副R12、耦合支链连杆一L9、耦合支链转动副一R13、耦合支链连杆二L10；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通过第三转动副R3与第二连杆L2相连，第三连杆L3通过第四转动副R4与第一中间平台MP1连接，第四连杆L4通过第五转动副R5与第三连杆L3连接，第五转动副R5的轴线沿第三连杆L3的中心线，末端连杆EP通过第六转动副R6与第四连杆L4连接，第五连杆L5通过第七转动副R7与末端连杆EP连接，第六连杆L6通过第八转动副R8与第五连杆L5连接，第八转动副R8的轴线沿第六连杆L6的中心线，第二中间平台MP2通过第九转动副R9与第六连杆L6连接，第七连杆L7通过第十转动副R10与第二中间平台MP2连接，第八连杆L8一端通过第十一转动副R11与第七连杆L7相连，另一端通过第十二转动副R12安装在基座FB上，第十一转动副R11的轴线沿第七连杆L7的中心线，耦合支链连杆一L9与第一中间平台MP1固定连接，耦合支链连杆二L10一端通过耦合支链转动副一R13与耦合支链连杆一L9连接，另一端与第二中间平台MP2固定连接；第一转动副R1的轴线和第十二转动副R12的轴线在基座平面内相交，第四转动副R4的轴线与第三转动副R3的轴线相互平行，第九转动副R9的轴线与第十转动副R10的轴线相互平行，第六转动副R6的轴线与第七转动副R7的轴线相交，耦合支链转动副一R13的轴线分别与第三转动副R3的轴线和第十转动副R10的轴线相互平行。
实施例2：
本实施例的一种基于含1R耦合支链的可展单元的伞形空间折展机构的结构如图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形折展机构：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与前一可展单元的第二中间平台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与后一单元Ⅱ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；此折展机构的基座FB为底面是正偶数多边形的正棱柱，且折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)

1.一种含1R耦合支链的可展单元，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)、第三转动副(R3)、第一中间平台(MP1)、第四转动副(R4)、第三连杆(L3)、第五转动副(R5)、第四连杆(L4)、第六转动副(R6)、末端连杆(EP)、第七转动副(R7)、第五连杆(L5)、第八转动副(R8)、第六连杆(L6)、第九转动副(R9)、第二中间平台(MP2)、第十转动副(R10)、第七连杆(L7)、第十一转动副(R11)、第八连杆(L8)、第十二转动副(R12)、耦合支链连杆一(L9)、耦合支链转动副一(R13)、耦合支链连杆二(L10)；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)通过第三转动副(R3)与第二连杆(L2)相连，第三连杆(L3)通过第四转动副(R4)与第一中间平台(MP1)连接，第四连杆(L4)通过第五转动副(R5)与第三连杆(L3)连接，第五转动副(R5)的轴线沿第三连杆(L3)的中心线，末端连杆(EP)通过第六转动副(R6)与第四连杆(L4)连接，第五连杆(L5)通过第七转动副(R7)与末端连杆(EP)连接，第六连杆(L6)通过第八转动副(R8)与第五连杆(L5)连接，第八转动副(R8)的轴线沿第六连杆(L6)的中心线，第二中间平台(MP2)通过第九转动副(R9)与第六连杆(L6)连接，第七连杆(L7)通过第十转动副(R10)与第二中间平台(MP2)连接，第八连杆(L8)一端通过第十一转动副(R11)与第七连杆(L7)相连，另一端通过第十二转动副(R12)安装在基座(FB)上，第十一转动副(R11)的轴线沿第七连杆(L7)的中心线，耦合支链连杆一(L9)与第一中间平台(MP1)固定连接，耦合支链连杆二(L10)一端通过耦合支链转动副一(R13)与耦合支链连杆一(L9)连接，另一端与第二中间平台(MP2)固定连接；第一转动副(R1)的轴线和第十二转动副(R12)的轴线在基座平面内相交，第四转动副(R4)的轴线与第三转动副(R3)的轴线相互平行，第九转动副(R9)的轴线与第十转动副(R10)的轴线相互平行，第六转动副(R6)的轴线与第七转动副(R7)的轴线相互相交，耦合支链转动副一(R13)的轴线分别与第三转动副(R3)的轴线和第十转动副(R10)的轴线相互平行。
2.基于权利要求1所述的可展单元，按照如下方法构建伞形折展机构：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之间，前一单元的第二中间平台(MP2)与后一单元的第一中间平台(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)与前一可展单元的第二中间平台(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；上述折展机构的基座(FB)为底面是正偶数多边形的正棱柱，且折展机构中可展单元的数量是基座(FB)底面边数的一半。
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