CN108649313A - 一种基于刚柔混用剪叉机构的可展开曲面桁架机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于刚柔混用剪叉机构的可展开曲面桁架机构，包括多个三棱台单元，三棱台单元包括三个首尾相连的剪叉机构，剪叉机构包括：两根相同的纵杆；两根相同的剪叉杆，两根剪叉杆通过转动副R1互相连接，形成剪叉机构；两根剪叉杆的始端分别通过转动副R2连接于两根纵杆的下端；两根相同的连杆，两根第一连杆的始端分别通过转动副R3连接于两根纵杆的上端，两根连杆的末端分别通过转动副R4连接于两根剪叉杆的末端；三个剪叉机构均为双4R机构，其中一个剪叉机构的连杆为柔性连杆，另外两个剪叉机构中的连杆为刚性连杆。本发明具有单一自由度、易于工程制造、折展性能好、折展比大、质量轻、强度高、曲面精度高等优点。

Description

一种基于刚柔混用剪叉机构的可展开曲面桁架机构

技术领域

本发明涉及一种基于刚柔混用剪叉机构的可展开曲面桁架机构。

背景技术

由于运载火箭的荷载空间有限，空间天线通常设计为可折展机构， 并在运载途中处于全折叠状态以获得最小的体积，当其到达预定轨道后 再根据相关指令稳定展开至工作状态。现今，已经开发了多种可适用于 空间天线的可展开机构。

中国专利文献CN106450647A公开了一种剪叉式六棱柱可展单元 及其组成的空间可展机构，其剪叉式六棱柱可展单元为单自由度过约束 六棱柱基本可展单元，包括十二个花盘、六组剪叉折叠杆和十二组折叠 连杆，其中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， 剩余十一组折叠连杆均为过约束折叠连杆。多个基本可展单元紧密排列，且相邻基本可展单元之间通过共用四个花盘、一组剪叉折叠杆和两 组折叠连杆可组成空间可展机构。

中国专利文献CN106025483A公开了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。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。

中国专利文献CN104466341A公开了一种曲面天线支撑机构；其 中，中心滑块与滑动丝杠螺纹连接；五个第一变异剪叉组件一端的普通 剪杆均与中心固定块铰接，同一端的限位剪杆均与中心滑块铰接，另一 端的普通剪杆和限位剪杆均铰接有一级折展铰接柱；每个二级折展机构 的一个普通剪叉单元与一个第一变异剪叉组件上的一级折展铰接柱铰接，每个二级折展机构的一个第二变异剪叉单元与相邻的另一个第一变 异剪叉组件上的一级折展铰接柱球铰接，每个二级折展机构的另一个第 二变异剪叉单元通过两个二级折展铰接柱与相邻二级折展机构的另一 个普通剪叉单元铰接。

中国专利CN107134655A公开了一种基于剪叉机构的空间可展开 曲面桁架机构，其由多个三棱台单元组网形成；其中，该三棱台单元包 括三个通过共转动关节依次首尾相连的剪叉机构，相邻三棱台单元之间 通过共剪叉机构相连；并且其中，该剪叉机构包括在中央部分相互铰接 的两根剪叉杆，每一剪叉杆的两个纵向端部分别与一根连杆构件相铰接，位于两根剪叉杆统一纵向端部的两根连杆构件之间形成滑动副连 接；共转动关节设置在相连剪叉机构其中一个径向端部的相邻连杆构件 之间。

上述现有技术的缺陷在于，在工程制造、折展性能、折展比和曲面 精度等四个方面难以实现很好的有机统一。

因此，需要提出一种具有单一自由度的、易于工程制造、折展性能 好的、曲面精度高的可展开曲面桁架机构。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于刚柔混用剪叉机构的可 展开曲面桁架机构，其采用柔性连杆进一步降低折展过程中的冗余约束， 减少重复约束和构件的数目，且整体结构具有单一自由度、易于工程制造、 折展性能好、折展比大、质量轻、强度高、曲面精度高等优点。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于刚柔混用剪叉机构的可展 开曲面桁架机构，其中，包括多个三棱台单元，三棱台单元包括三个首尾 相连的剪叉机构，剪叉机构包括：

两根相同的纵杆；

两根相同的剪叉杆，两根剪叉杆通过转动副R1互相连接，形成剪叉机 构；两根剪叉杆的始端分别通过转动副R2连接于两根纵杆的下端；

两根相同的连杆，两根连杆的始端分别通过转动副R3连接于两根纵杆 的上端，两根连杆的末端分别通过转动副R4连接于两根剪叉杆的末端；

三个剪叉机构均为双4R机构，其中一个剪叉机构的连杆为柔性连杆， 另外两个剪叉机构中的连杆为刚性连杆。

本发明中，在三棱台单元里，使用柔性剪叉机构(即采用柔性连杆形 成的剪叉机构)为两个刚性剪叉机构(即采用刚性连杆的剪叉机构)提供 了一个平面约束，该三棱台单元的三个侧面均采用剪叉结构，整体的稳定 性能高，整体性强，可折展性能好，并且可以同步跨越奇异位置(这里的 奇异位置，是指在理论模型中，转动副R1、转动副R3、转动副R4的轴线 处于同一平面时，刚性剪叉机构中的连杆、剪叉杆的相对位置，在转动副 R1、转动副R3、转动副R4的轴线共面的瞬间，刚性剪叉机构中的连杆、剪 叉杆处于奇异状态)，实现折叠、伸展两种状态之间的切换。

本发明中的剪叉机构，为相互对称的六连杆机构，是可以自由伸展的 双4R机构，其中，该剪叉机构中的各个构件之间均采用转动副进行连接， 易于连接，能够减少折展过程中的卡顿现象。其中一个剪叉机构采用柔性 连杆，柔性连杆具有一定角度的折弯能力，能够很好的动态拟合该三棱台 的展开轨迹。

根据本发明的另一种具体实施方式，柔性连杆的中部设有弯折部，柔 性连杆的两端在承受一定压力的状态下，弯折部产生变形。优选的，柔性 连杆包括相互连接的第一段、第二段，弯折部即为第一段、第二段连接的 位置；相应的，第一段、第二段的长度可以相等，也可以不相等，优选的， 第一段、第二段的长度相等；为了保证折叠后占用较小的空间，第一段、 第二段之间设有夹角，该夹角的角度较小；在柔性连杆的两端承受一定的 压力时，弯折部产生合理的变形，以配合整个机构的伸展过程。

根据本发明的另一种具体实施方式，柔性连杆的中部设有镂空结构。 该镂空结构例如长条状，此处类似两个叠加的弹簧片，可以促进柔性连杆 在受压之后产生变形，并且具有较强的恢复能力。

根据本发明的另一种具体实施方式，柔性连杆的最大折展变形角度范 围为：10°—18°。该变形角度属于柔性连杆的正常变形范围内，在柔性连杆 两端的压力移除后，可以恢复至常态，并且可以进行较多次数的折弯—恢 复过程。

根据本发明的另一种具体实施方式，三棱台单元进一步包括同步约束 机构，同步约束机构包括：

两个相同的第一转动件，两个第一转动件之间铰接；

两个相同的第二转动件，两个第二转动件一端分别通过转动副Ra1连 接两个第一转动件，另一端分别通过转动副Ra2连接相邻剪叉机构中的剪 叉杆。需要说明的是，同步约束机构和两个刚性剪叉机构中的剪叉杆进行 连接。

本方案中，通过设置该同步约束机构，完成采用一个驱动元件即可实 现两个刚性剪叉机构的同步折展运动；该同步约束机构的四个构件之间采 用三个转动副相连形成的串联支链，可以随着三棱台单元的折展进行同步 运动。相应的，在剪叉杆设有吊耳，第二转动件通过转动副Ra2连接吊 耳。

根据本发明的另一种具体实施方式，还包括中心花盘；六个三棱台单 元沿着中心花盘的圆周方向进行组网，形成六棱台模块。本方案中，六棱 台模块包括六个刚性剪叉机构、六个柔性剪叉机构和一个中心花盘，其中， 六个刚性剪叉机构呈米字型均匀分布在中心花盘的圆周方向，六个柔性剪 叉机构呈六边形状，均匀分布于整体结构的外侧。

根据本发明的另一种具体实施方式，中心花盘设有连接槽，剪叉机构 中的一根纵杆设有楔块，楔块与连接槽配合连接。相应的，楔块可以设置 多个，例如两个；楔块与连接槽之间的连接是稳固连接，在装配完成后， 不会松脱；中心花盘的形状可以是较小的六棱台状，在确保连接关系稳固 的情况下，方便整体的装配。

根据本发明的另一种具体实施方式，六棱台模块包括一个Ⅰ级六棱台 单元、六个Ⅱ级六棱台单元，六个Ⅱ级六棱台单元环绕于Ⅰ级六棱台单元 设置。其中，Ⅰ级六棱台单元、Ⅱ级六棱台单元中的剪叉机构的尺寸不完 全相同，Ⅰ级六棱台单元包括了两种尺寸的剪叉机构，Ⅱ级六棱台单元包 括了四种尺寸的剪叉机构。

根据本发明的另一种具体实施方式，柔性连杆采用65Mn弹簧钢制成， 弹簧钢的具体参数如下表所示：

抗拉强(MPa)	弹性模量(GPa)	泊松比	密度(kg/m3)
				980	200	0.3	7850

该材料具有较大的弹性，能够容忍较大的弹性变形；相应的，具有类 似弹性变形能力的材料均可适用，例如60CrMnBA弹簧钢或者合金弹簧钢等。

根据本发明的另一种具体实施方式，转动副R4为偏置转动副；剪叉机 构处于展开状态时，转动副R4的轴线不穿过转动副R1、转动副R3的轴线 所在平面。剪叉机构处于展开状态时，转动副R4的轴线不穿过转动副R1、 转动副R3的轴线所在平面。这样设置的好处在于，在实物模型中，可以消 除各个构件之间的干涉问题，在这种结构下，剪叉机构中在接近完全展开 时，转动副R4就到达了转动副R3、转动副R1连线的位置，即几何奇异位 置，此时，在柔性剪叉机构的作用下，两个刚性剪叉机构同时从相同的方 向越过奇异位置，并最终实现该三棱台的完全展开。

本发明中，刚性剪叉机构中连杆和纵杆的长度之和等于剪叉杆的长度， 这样设置可以使伸展过程更加稳定，避免在伸展过程中出现卡顿现象；其 展开状态为连杆和剪叉杆共线，其折叠状态为连杆和纵杆共线。

本发明中，柔性剪叉机构中的连杆，可以用两根通过转动副连接的刚 性杆代替，从而形成双5R机构，该双5R机构在整个曲面桁架机构的伸展 过程中，可以促进伸展过程的平稳进行。

本发明采用六棱台组网的方式，形成曲面精度高的空间可展机构；通 过位于中心的Ⅰ级六棱台单元的伸展，带动位于外侧的Ⅱ级六棱台单元的 伸展，实现由较小的结构，伸展至具有较大曲面的结构，可以很好的作为 空间承载机构使用。

本发明中，各个六棱台单元之间实现无缝连接，且该空间可展机构可 以实现单自由度的折展运动，在同步约束机构的作用下，采用一个驱动元 件及时实现折展过程。

本发明的有益之处在于：

1、本发明中的所有构件之间均采用转动副进行连接，在机构的工程 制造方面更易于实现，能减少折展过程中的卡顿现象；

2、本发明为空间单自由度展开机构，在折展过程只需要一个驱动元 件，且折展性能好，可靠性高；

3、本发明具有较大的折展比，且整体质量轻、强度高；

4、本发明中采用柔性连杆，可以减少重复约束和构件的数目；

5、本发明能在空间可展天线的反射机构中实现更高的曲面精度，特 别适合作为空间可展天线的曲面背架结构。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是实施例1的可展开曲面桁架机构的中心投影原理示意图；

图2是图1的可展开曲面桁架机构的理论模型示意图；

图3是图2中，Ⅰ级六棱台单元和一个Ⅱ级六棱台单元的理论模型示意 图；

图4是图3的Ⅰ级六棱台单元和一个Ⅱ级六棱台单元的结构尺寸示意 图；

图5是实施例1的可展开曲面桁架机构中，不同位置节点的联接方式 布置示意图；

图6是实施例1的可展开曲面桁架机构的一个六棱台单元的模型示意 图；

图7是实施例1的可展开曲面桁架机构的一个三棱台单元的整体结构 示意图；

图8是图7的机构运动简图；

图9是图7的折叠状态示意图；

图10是图7中，刚性剪叉机构的原理示意图；

图11是图7中，刚性剪叉机构的整体结构示意图；

图12是图7完全折展的状态示意图；

图13是图7中，柔性剪叉机构的整体结构示意图；

图14是图13中，柔性连杆的结构示意图；

图15是图7中，同步约束机构的整体结构示意图；

图16是图8中，A处另一视角的示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种基于刚柔混用剪叉机构的可展开曲面桁架机构， 为了便于理解本实施例，以下先对本实施例的曲面桁架机构的理论模型及 建模过程进行详细说明。

空间天线的理想工作面为抛物面，可以将平行入射的电磁波反射向一 个焦点，从而收集信号源，但是由于制造大型抛物面镜成本很高，因此， 通常会采用曲率一致的曲面代替；在理论建模分析时，同样采用曲率一致 的曲面以简化模型。为此，如图1所示，本实施例首先通过中心投影原 理，以具有相同球心和不同半径的球壳上、下曲面为最基本的被投影面， 以在上、下两个曲面上分别得到相应的组网节点，按照一定顺序，将这些 组网节点之间以点线的方式连接起来，得到如图2所示的桁架机构的理论 模型。

如图3所示，其显示了Ⅰ级六棱台单元和一个Ⅱ级六棱台单元的理论 模型，以得到如图4所示的各个结构关系；图中点A1，B1，C1，D1，E1， F1，G1，H1均位于内球面上，而点A'，B'，C'，D'，E'，F'，G'，H'则 位于同一投影平面上。此外，点B1和C1对应地与点B'和C'重叠，点 P1，P2分别为B1C1和F'G'的中点。令∠A₁OB₁＝∠A₁OC₁＝θ₁， ∠B₁OC₁＝θ₂，∠D₁OB₁＝∠D₁OC₁＝θ₃，∠B₁OE₁＝∠C₁OH₁＝θ₄， ∠D₁OE₁＝∠D₁OH₁＝θ₅，∠E₁OF₁＝∠G₁OH₁＝θ₆，∠D₁OF₁＝∠D₁OG₁＝θ₇， ∠F₁OG₁＝θ₈。

则可得到：

进一步，令θ₂＝θ₈，∠A₁OP₁＝∠P₁OD₁＝∠D₁OP₂＝α，则有 C₁B₁＝F₁G₁，A₁P₁＝P₁D₁＝D₁P₂。令A′B₁＝A′C₁＝B₁C₁＝a，OA′＝l＝μa，可得A′D′＝μatan(2α)， OD′＝μa/cos(2α)，A′P₂＝μatan(3α)，OP₂＝μa/cos(3α)， F′P₂＝OP₂tan(θ₈/2)，OF′＝OP₂/cos(θ₈/2)。进一步推算可知B₁E′＝A′E′-a， D′P₂＝A′P₂-A′D′，

根据余弦定理，可得到如下表达式:

进一步可得:

令由于对 μ∈(0,+∞)范围均成立。即说明f(μ)是一个递增函数，而f(μ)_μ→+∞＝-1， 因此可知cosθ₁＜cosθ₂，也即是θ₁＞θ₂。

同理，同理可得到该投影模型中各θ_i的大小关系：

θ₁＝θ₃＝θ₇＞θ₂＝θ₈＞θ₄＝θ₆＞θ₅，

内、外球面上相应的边长关系如下：

A₁B₁＝D₁B₁＝D₁F₁＞C₁B₁＝F₁G₁＞E₁B₁＝E₁F₁＞D₁E₁

A₂B₂＝D₂B₂＝D₂F₂＞C₂B₂＝F₂G₂＞E₂B₂＝E₂F₂＞D₂E₂

因此可知，Ⅱ级六棱台单元的理论投影模型中存在四种不同尺寸的等 腰梯形，并相应的组成了两种不同尺寸的三棱台结构，如图4所示，其中 各个等腰梯形的尺寸大小关系为：等腰梯形1＞等腰梯形2＞等腰梯形3＞ 等腰梯形4。

如图5-16所示，本实施例提供了一种基于刚柔混用剪叉机构的可展开 曲面桁架机构，其由多个三棱台单元组网形成，如图7-9所示，三棱台单 元包括两个刚性剪叉机构1、一个柔性剪叉机构2、一个同步约束机构3、 中心花盘4。

其中，如图10-12所示，刚性剪叉机构1包括：两根第一纵杆11、两 根第一剪叉杆12、两根刚性连杆13，两根第一剪叉杆12通过转动副R1互 相连接，形成剪叉机构；两根第一剪叉杆12的始端分别通过转动副R2连 接于两根第一纵杆11的下端；两根刚性连杆13的始端分别通过转动副R3 连接于两根第一纵杆11的上端，两根刚性连杆13的末端分别通过转动副 R4连接于两根第一剪叉杆12的末端；两根第一纵杆11分为固定纵杆111、 活动纵杆112；在第一剪叉杆12靠近固定纵杆111的位置设有吊耳14。

如图13所示，柔性剪叉机构包括：两根第二纵杆21、两根第二剪叉杆 22、两根柔性连杆23，其中，两根第二剪叉杆22通过转动副R5互相连 接；两根第二剪叉杆22的始端分别通过转动副R6连接于两根第二纵杆21 的下端；两根柔性连杆23的始端分别通过转动副R7连接于两根第二纵杆21的上端，两根柔性连杆23的末端分别通过转动副R8连接于两根第二剪 叉杆22的末端。

如图14所示，柔性连杆13采用65Mn弹簧钢制成，其包括第一段131、 第二段132，第一段131、第二段132之间互相连接形成弯折部133，且第 一段131、第二段132的长度相等；柔性连杆13的两端在承受一定压力的 状态下，弯折部133产生变形，其中，柔性连杆13的最大折展变形角度为 18°，在整个柔性连杆13的中间部分设有镂空结构134，可以更好的促进该 柔性连杆13的变形，在柔性连杆13两端的压力移除后，即可自动恢复至 初始状态。

如图15所示，同步约束机构3包括：两个第一转动件31、两个第二转 动件32，两个第一转动件31之间铰接；两个第二转动件32一端分别通过 转动副Ra1连接两个第一转动件31，另一端分别通过转动副Ra2连接第一 剪叉杆12上的吊耳14。

如图16所示，在中心花盘4设有连接槽41，在固定纵杆111设有楔块 113，六个刚性剪叉机构通过固定纵杆111上的楔块113与中心花盘4之间 的楔键联接形成固定角度，在同步约束机构3的作用下，组网六棱台模 块。

结合图2、图4的理论模型，六棱台模块包括一个Ⅰ级六棱台单元、六 个Ⅱ级六棱台单元，以形成更大的可展开曲面桁架机构，六个Ⅱ级六棱台 单元环绕于Ⅰ级六棱台单元设置。其中，Ⅰ级六棱台单元、Ⅱ级六棱台单 元中的剪叉机构的尺寸不完全相同，Ⅰ级六棱台单元包括了两种尺寸的剪 叉机构，Ⅱ级六棱台单元包括了四种尺寸的剪叉机构。

如图5所示，联接节点a均采用中心花盘4与楔块113固联的静态连 接方式，而联接节点b、c和d则采用的复合铰链连接方式，但同时节点b、c和d处复合铰链所涉及的构件数量不同，其依次涉及了6、5和3个构 件。

如图13所示，刚性剪叉机构1在完全展开状态为等腰梯形；此时，刚 性连杆13与第一剪叉杆12共线；而完全折叠状态时，刚性连杆13与第一 纵杆11共线。转动副R4采用偏置转动关节，以避免各个构件之间的干涉 问题，当刚性剪叉机构处于完全展开状态时，转动副R4的轴线不穿过转动 副R1、转动副R3的轴线所在平面L1，在这种结构下，刚性剪叉中在接近 完全展开时，转动副R4就到达了转动副R3、转动副R1连线的位置，即几 何奇异位置，此时，在柔性剪叉机构的作用下，两个刚性剪叉机构同时从 相同的方向越过奇异位置，并最终实现整体结构的完全展开。

本实施例中，所有构件之间的动态联接均为转动副，此种连接方式相 对而言易于在几何结构中实现。该空间可展机构在完全展开状态下为大体 积的曲面形状，而在全折叠状态下则为小体积的棱柱结构。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范 围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作 些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵 盖。

Claims (10)

1.一种基于刚柔混用剪叉机构的可展开曲面桁架机构，其特征在于，包括多个三棱台单元，所述三棱台单元包括三个首尾相连的剪叉机构，所述剪叉机构包括：

两根相同的纵杆；

两根相同的剪叉杆，两根所述剪叉杆通过转动副R1互相连接，形成剪叉机构；两根所述剪叉杆的始端分别通过转动副R2连接于两根所述纵杆的下端；

两根相同的连杆，两根所述连杆的始端分别通过转动副R3连接于两根所述纵杆的上端，两根所述连杆的末端分别通过转动副R4连接于两根所述剪叉杆的末端；

三个所述剪叉机构均为双4R机构，其中一个所述剪叉机构的所述连杆为柔性连杆，另外两个所述剪叉机构中的所述连杆为刚性连杆。

2.如权利要求1所述的可展开曲面桁架机构，其特征在于，所述柔性连杆的中部设有弯折部，所述柔性连杆的两端在承受一定压力的状态下，所述弯折部产生变形。

3.如权利要求1所述的可展开曲面桁架机构，其特征在于，所述柔性连杆的中部设有镂空结构。

4.如权利要求1所述的可展开曲面桁架机构，其特征在于，所述柔性连杆的最大折展变形角度范围为：10°—18°。

5.如权利要求1所述的可展开曲面桁架机构，其特征在于，所述三棱台单元进一步包括同步约束机构，所述同步约束机构包括：

两个相同的第一转动件，两个所述第一转动件之间铰接；

两个相同的第二转动件，两个所述第二转动件一端分别通过转动副Ra1连接两个所述第一转动件，另一端分别通过转动副Ra2连接相邻所述剪叉机构中的所述剪叉杆。

6.如权利要求1所述的可展开曲面桁架机构，其特征在于，还包括中心花盘；六个所述三棱台单元沿着所述中心花盘的圆周方向进行组网，形成六棱台模块。

7.如权利要求6所述的可展开曲面桁架机构，其特征在于，所述中心花盘设有连接槽，所述剪叉机构中的一根所述纵杆设有楔块，所述楔块与所述连接槽配合连接。

8.如权利要求6所述的可展开曲面桁架机构，其特征在于，所述六棱台模块包括一个Ⅰ级六棱台单元、六个Ⅱ级六棱台单元，六个所述Ⅱ级六棱台单元环绕于所述Ⅰ级六棱台单元设置。

9.如权利要求1所述的可展开曲面桁架机构，其特征在于，所述柔性连杆采用65Mn弹簧钢制成。

10.如权利要求1所述的可展开曲面桁架机构，其特征在于，转动副R4为偏置转动副；所述剪叉机构处于展开状态时，转动副R4的轴线不穿过转动副R1、转动副R3的轴线所在平面。