CN107618679B - 一种高收纳比展开支撑机构 - Google Patents

Abstract

一种高收纳比展开支撑机构，包括剪刀式驱动机构、支撑部件；两套平行布置的剪刀式驱动机构安装在各第九杆件(9)的两端；支撑部件通过第九杆件(9)与剪刀式驱动机构连接，展开时，通过剪刀式驱动机构的驱动，形成空间三棱柱形的框架结构。本发明解决了现有的铰接式可展开支撑机构收纳比较低的问题，构造简单，制造容易，成本较低，显著提高了收纳比。

Description

一种高收纳比展开支撑机构

技术领域

本发明涉及一种展开支撑机构。

背景技术

当前，对地球以外的空间进行探测已成为世界各国科学界的热点研究内容，而各种形式的空间探索任务中均离不开空间机构，而可展开支撑机构则是空间机构中形式最为丰富、研究最早、应用最为广泛的一种。可展开支撑机构在各种空间探测任务中主要是用来驱动柔性太阳能电池帆板，组成太空望远镜、孔径雷达与卫星天线等。随着深空探测技术的飞速发展以及复杂探测任务的需求，对高收纳比、大刚度、易驱动锁定、超轻型的可展开支撑机构的需求越来越迫切。可展开支撑机构发展至今日，其结构形式各种各样，其中铰接式可展开支撑机构具有大刚度、高可靠性、大承载能力的特点，得到广泛应用，但现有的铰接式可展开支撑机构多具有收纳比较低的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供一种高收纳比可展开支撑机构，由剪刀式驱动机构和支撑部件组成，解决现有的铰接式可展开支撑机构收纳比较低的问题。

为解决上述问题，本发明是采用如下技术方案实现的：一种高收纳比展开支撑机构，包括剪刀式驱动机构、支撑部件；剪刀式驱动机构包括第一杆件、第二杆件、第三杆件、第六杆件、第七杆件、第八杆件；第一杆件与第六杆件在两杆中心处转动连接，第二杆件与第七杆件在两杆中心处转动连接；第三杆件与第八杆件在端部转动连接；第二连杆两端分别与第一连杆端部、第三连杆端部转动连接，第七连杆两端分别与第六连杆端部、第八连杆端部转动连接；两套平行布置的剪刀式驱动机构安装在各第九杆件的两端；支撑部件通过第九杆件与剪刀式驱动机构连接，展开时，通过剪刀式驱动机构的驱动，形成空间三棱柱形的框架结构。

所述支撑部件包括第四杆件、第五杆件、第九杆件；两根第四杆件一端端部转动连接，另一端分别与第九杆件转动连接，形成等腰三角形稳定单元，两根第四杆件的连接点为顶点、第四杆件与第九杆件的连接点为底点；顶点与顶点重合的两个等腰三角形稳定单元在顶点处转动连接；底点与底点重合的两等腰三角形稳定单元共用一根第九杆件，分别在底点处转动连接；两个底点重合的等腰三角形稳定单元的顶点通过两根转动连接的第五杆件连接，第五连杆与各顶点之间转动连接；各第九杆件两端分别与两套剪刀式驱动机构中的第一杆件的中心点、第二杆件的中心点、第三杆件和第八杆件的公共端点转动连接。

所述第一杆件分别与第二杆件等长。

所述第六杆件和第七杆件等长。

第三杆件长度为第一杆件长度的一半。

所述第八连杆件长度为第六杆件长度的一半。

所述剪刀式驱动机构末端的第六杆件与外部设备转动连接，转动连接位置处安装驱动电机，用于驱动剪刀式驱动机构及支持部件展开；剪刀式驱动机构末端的第一杆件、支撑部件末端的两个第四杆件的公共连接点与外部设备分别通过滑块连接，滑块在外部设备上移动并通过锁定机构实现位置锁定。

通过成组增加第一杆件、第二杆件、第六杆件、第七杆件、第四杆件、第五杆件、第九杆件进行扩展，具体方法为：首先，分别移除两套平行布置的剪刀式驱动机构中的第三杆件、第八杆件，及支撑部件中与第三杆件、第八杆件之间的交点连接的第九杆件、与上述第九杆件共同组成等腰三角形稳定单元的两根第四杆件，形成杆组单元；其次，将n组杆组单元中任一组杆组单元中的第六杆件、第一杆件、等腰三角形稳定单元顶点分别与另一组杆组单元中的第七杆件、第二杆件、等腰三角形稳定单元顶点转动连接，完成n组杆组单元的连接，其中，n为正整数。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明所述的高收纳比可展开支撑机构构造简单，制造容易，成本较低；

2、本发明收拢后体积小，重量轻，收纳比达到1:40，相对于索杆铰接式可展开机构的收纳比提高25％以上；

3、本发明所述的支撑部件部分由等腰三角形单元组成，支撑部件于展开状态时呈四棱锥单元结构，结构锁定后稳定性好，刚度大；

4、本发明所述的高收纳比展开支撑机构易于驱动与锁定，应用范围较广，可应用于驱动柔性太阳能电池帆板，组成太空望远镜、孔径雷达与卫星天线等。

附图说明

图1是本发明的高收纳比展开支撑机构收拢状态轴侧示意图；

图2是本发明的高收纳比展开支撑机构展开状态轴侧示意图；

图3是本发明的高收纳比展开支撑机构收拢状态主视图；

图4是本发明的高收纳比展开支撑机构展开状态主视图；

图5是本发明的第一杆件轴侧示意图；

图6是本发明的第三杆件轴侧示意图；

图7是本发明的第四杆件轴侧示意图；

图8是本发明的第五杆件轴侧示意图；

图9是本发明的第六杆件轴侧示意图；

图10是本发明的第八杆件轴侧示意图；

图11是本发明的第九杆件轴侧示意图；

图12是本发明的展开支撑机构使用时展开后的机构运动简图主视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细地描述：

本发明集成剪刀式机构与展开后呈四棱锥稳定单元的支撑部件于一体，构成一种具有大收纳比的展开支撑机构，该机构具有组成简单、折叠状态体积较小、可利用电机直接驱动、可利用滑块机构锁定的特点。

所述的高收纳比展开机构由剪刀式驱动机构与支撑部件组成可展开单元。每个可展开单元包含两套平行布置的剪刀式驱动机构，在剪刀式驱动机构末端安装电机，电机带动剪刀式驱动机构由收拢状态展成支撑工作状态。两套剪刀式驱动机构均由杆件铰接而成，结构完全相同，并通过杆件连接以实现同步运动。每个可展开单元包括一套支撑部件，支撑部件起到提高机构整体刚度的支撑作用，主要由三角形框架结构组成，与驱动机构铰接，可由收拢状态跟随驱动机构展开。将多个可展开单元通过铰链连接可构成大型可展开支撑机构。

在本实施例中，剪刀式驱动机构包括第一杆件1、第二杆件2、第三杆件3、第六杆件6、第七杆件7、第八杆件8，数量分别为1根；如图1～图4所示，剪刀式驱动机构中，第一杆件1与第六杆件6通过位于两杆中心处的铰链连接，两杆可相对转动，第二杆件2与第七杆件7通过位于两杆中心处的铰链连接，两杆可相对转动；第三杆件3与第八杆件8通过位于两杆端点处的铰链连接，两杆可相对转动；第一杆件1与第二杆件2通过位于两杆端点的铰链连接，第二杆件2与第三杆件3通过位于两杆端点的铰链连接，第六杆件6与第七杆件7通过位于两杆端点的铰链连接，第七杆件7与第八杆件8通过位于两杆端点的铰链连接，上述相互连接的杆件之间均可相对转动。

在本实施例中，支撑部件包括10根第四杆件4、4根第五杆件5、3根第九杆件9。如图1～图4所示，支撑部件中，两根第四杆件4与一根第九杆件9通过铰链连接，构成一个等腰三角形稳定单元；两根第四杆件4的连接点称为顶点、第四杆件4与第九杆件9的连接点称为底点；顶点与顶点重合的两个三角形稳定单元通过位于顶点处的铰链连接，两个单元可以相对转动；底点与底点重合的三角形稳定单元通过位于底点处的铰链连接，两个单元可以相对转动。

支撑部件中，两个底点重合的三角形稳定单元通过两根第五杆件5连接；第五杆件5与三角形稳定单元通过位于三角形稳定单元顶点处的铰链连接，第五杆件5与三角形稳定单元可相对转动；两根第五杆件5的一端分别连接两个三角形稳定单元，两根第五杆件5的另一端通过铰链连接，二者可相对转动。

所述的展开支撑机构包含两套平行布置的剪刀式驱动机构，两套剪刀式驱动机构中第一杆件1与第六杆件6的中心点、第二杆件2与第七杆件7的中心点、第三杆件3与第八杆件8未与第二杆件2和第七杆件7连接的端点与三组三角形稳定单元的底点通过铰链连接，相互连接的构件之间均可相对转动。

如图5、图6、图9、图10所示，第一杆件1和第二杆件2的实际结构完全相同，而第三杆件3为第一杆件1的一半结构；第六杆件6和第七杆件7的实际结构完全相同，而第八杆件8为第六杆件6的一半结构。

如图5～图11所示，为避免机构处于折叠状态时各构件之间发生干涉，第一杆件1、第四杆件4、第五杆件5、第六杆件6两端点处的铰链中心点与杆件轴线构成的几何形状呈中心对称，且铰链中心点不位于杆件轴线中。

为避免机构处于折叠状态时各构件之间发生干涉，铰链连接应遵从以下规则，即利用铰链相互连接的杆件可运动至轴线共线位置，利用铰链相互连接的三角形稳定单元可运动至两三角形稳定单元共面位置。

在本实施例中，高收纳比展开支撑机构可以通过成组增加由第一杆件1、第二杆件2、第六杆件6、第七杆件7、第四杆件4、第五杆件5、第九杆件9组成的杆组单元进行扩展，形成扩展机构；

扩展机构包括n组杆组单元；在如图2所示的展开支撑机构基础上，分别移除两套平行布置的剪刀式驱动机构中的第三杆件3、第八杆件8，及支撑部件中与第三杆件3、第八杆件8之间的交点连接的第九杆件9、与上述第九杆件9共同组成等腰三角形稳定单元的两根第四杆件4，形成杆组单元；杆组单元之间通过将同一组杆组单元中的第六杆件6与另一组中的第七杆件7连接、第一杆件1与另一组中的第二杆件2连接，等腰三角形稳定单元顶点与另一组中的等腰三角形稳定单元顶点连接，形成由n组杆组单元组成的扩展机构，n为正整数。

下面对照附图对本发明的工作原理及使用方法作进一步说明。

如图1、图2、图3，图4、图12所示，将所述高收纳比展开支撑机构最左端的第六杆件6的左端与机架铰接，第六杆件6相对机架转动。将展开支撑机构最左端的第一杆件1的左端与滑块连接，第一杆件1可相对滑块转动，滑块与机架通过移动副连接。将展开支撑机构最左端的三角形稳定单元的顶点与滑块连接，三角形稳定单元可相对滑块转动，滑块与机架通过移动副连接。由于机构不具有空间运动副，可看作图12所示的平面机构，利用平面机构自由度计算公式，机构的自由度为：F＝3×17-2×25＝1。因此，在第六杆件6与机架的转动副位置添加驱动电机，可实现机构由收拢状态展开为支撑状态。当滑块运动到指定位置时，可通过推销锁定机构固定滑块，此时机构的自由度变为：F＝3×15-2×23＝-1，机构处于过约束状态，无法运动，进而起到支撑作用。将多个所述机构连接可构成大型展开支撑机构。

本发明可作为航天飞船使用的高精度雷达的支撑机构，在前端第九杆件9处安放高精度雷达，待展开机构完全展开后可与航天飞船本体内雷达保持一定距离，实现双雷达在一定距离上同时测量。本发明可作为太阳帆帆面的展开支撑机构，在第一杆件1与第六杆件6的连接轴上可挂接太阳帆薄膜，展开支撑结构展开时可带动薄膜结构一并展开，最终形成大面积太阳帆。本发明可作为空间站太阳能帆板展开支撑机构，在第一杆1与第六杆件6的连接轴上可挂接薄膜太阳能电池，展开支撑结构展开时可带动薄膜太阳能电站一并展开，最终形成柔性太阳能电池阵，为空间飞行器提供电能。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种高收纳比展开支撑机构，其特征在于，包括剪刀式驱动机构、支撑部件；剪刀式驱动机构包括第一杆件(1)、第二杆件(2)、第三杆件(3)、第六杆件(6)、第七杆件(7)、第八杆件(8)；第一杆件(1)与第六杆件(6)在两杆中心处转动连接，第二杆件(2)与第七杆件(7)在两杆中心处转动连接；第三杆件(3)与第八杆件(8)在端部转动连接；第二杆件(2)两端分别与第一杆件(1)端部、第三杆件(3)端部转动连接，第七杆件(7)两端分别与第六杆件(6)端部、第八杆件(8)端部转动连接；两套平行布置的剪刀式驱动机构安装在各第九杆件(9)的两端；支撑部件通过第九杆件(9)与剪刀式驱动机构连接，展开时，通过剪刀式驱动机构的驱动，形成空间三棱柱形的框架结构。

2.根据权利要求1所述的一种高收纳比展开支撑机构，其特征在于，所述支撑部件包括第四杆件(4)、第五杆件(5)、第九杆件(9)；两根第四杆件(4)一端端部转动连接，另一端分别与第九杆件(9)转动连接，形成等腰三角形稳定单元，两根第四杆件(4)的连接点为顶点、第四杆件(4)与第九杆件(9)的连接点为底点；顶点与顶点重合的两个等腰三角形稳定单元在顶点处转动连接；底点与底点重合的两等腰三角形稳定单元共用一根第九杆件(9)，分别在底点处转动连接；两个底点重合的等腰三角形稳定单元的顶点通过两根转动连接的第五杆件(5)连接，第五杆件(5)与各顶点之间转动连接；各第九杆件(9)两端分别与两套剪刀式驱动机构中的第一杆件(1)的中心点、第二杆件(2)的中心点、第三杆件(3)和第八杆件(8)的公共端点转动连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种高收纳比展开支撑机构，其特征在于，所述第一杆件(1)分别与第二杆件(2)等长。

4.根据权利要求3所述的一种高收纳比展开支撑机构，其特征在于，所述第六杆件(6)和第七杆件(7)等长。

5.根据权利要求4所述的一种高收纳比展开支撑机构，其特征在于，第三杆件(3)长度为第一杆件(1)长度的一半。

6.根据权利要求4或5所述的一种高收纳比展开支撑机构，其特征在于，所述第八杆件(8)长度为第六杆件(6)长度的一半。

7.根据权利要求1或2所述的一种高收纳比展开支撑机构，其特征在于，所述剪刀式驱动机构末端的第六杆件(6)与外部设备转动连接，转动连接位置处安装驱动电机，用于驱动剪刀式驱动机构及支持部件展开；剪刀式驱动机构末端的第一杆件(1)、支撑部件末端的两个第四杆件(4)的公共连接点与外部设备分别通过滑块连接，滑块在外部设备上移动并通过锁定机构实现位置锁定。

8.根据权利要求1或2所述的一种高收纳比展开支撑机构，其特征在于，通过成组增加第一杆件(1)、第二杆件(2)、第六杆件(6)、第七杆件(7)、第四杆件(4)、第五杆件(5)、第九杆件(9)进行扩展，具体方法为：首先，分别移除两套平行布置的剪刀式驱动机构中的第三杆件(3)、第八杆件(8)，及支撑部件中与第三杆件(3)、第八杆件(8)之间的交点连接的第九杆件(9)、与上述第九杆件(9)共同组成等腰三角形稳定单元的两根第四杆件(4)，形成杆组单元；其次，将n组杆组单元中任一组杆组单元中的第六杆件(6)、第一杆件(1)、等腰三角形稳定单元顶点分别与另一组杆组单元中的第七杆件(7)、第二杆件(2)、等腰三角形稳定单元顶点转动连接，完成n组杆组单元的连接，其中，n为正整数。