CN108649318B - 一种基于刚性剪叉机构的空间三棱台可展机构 - Google Patents

一种基于刚性剪叉机构的空间三棱台可展机构 Download PDF

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Abstract

本实施例提供了一种基于刚性剪叉机构的空间三棱台可展机构，包括两个相同的双4R机构，双4R机构包括：两根相同的第一纵杆；两根相同的第一剪叉杆，两根第一剪叉杆通过转动副R1互相连接，形成剪叉机构；两根第一剪叉杆的始端分别通过转动副R2连接于两根第一纵杆的下端；两根相同的第一连杆，两根第一连杆的始端分别通过转动副R3连接于两根第一纵杆的上端，两根第一连杆的末端分别通过转动副R4连接于两根第一剪叉杆的末端。本发明采用剪叉机构，实现三棱台单元的折展运动，在结构的工程制造方面易于实现，能减少折展过程中的卡顿现象；具有较大的折展比，折展性能突出，可靠性高；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。

Description

一种基于刚性剪叉机构的空间三棱台可展机构
技术领域
本发明涉及一种基于刚性剪叉机构的空间三棱台可展机构。
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，在工程制造繁锁，折展性能较差，折展比不高，无法保证曲面精度。
因此，需要提出一种具有单一自由度的、易于工程制造、折展性能好的可展机构。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于刚性剪叉机构的空间三棱台可展机构，其结构简单，具有单一自由度，折展性能好，具有较大的折展比。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于刚性剪叉机构的空间三棱台可展机构，包括两个相同的双4R机构，双4R机构为封闭式平面对称结构，包括：
两根相同的第一纵杆；
两根相同的第一剪叉杆，两根第一剪叉杆通过转动副R1互相连接，形成剪叉机构；两根第一剪叉杆的始端分别通过转动副R2连接于两根第一纵杆的下端；
两根相同的第一连杆，两根第一连杆的始端分别通过转动副R3连接于两根第一纵杆的上端，两根第一连杆的末端分别通过转动副R4连接于两根第一剪叉杆的末端。
本发明的双4R机构基于经典的剪叉机构，延伸出相互对称的六连杆机构，形成可以自由伸展的双4R机构，其中，该双4R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。
根据本发明的另一种具体实施方式，还包括随动分支机构，两个双4R机构、随动分支机构首尾相连，形成封闭的三棱台结构。本方案中，随动分支机构的作用在于，使两个双4R机构在展开过程中，实现同步同向跨越奇异位置(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，第一连杆、第一剪叉杆的相对位置，在转动副R1、转动副R3、转动副R4的轴线共面的瞬间，第一连杆、第一剪叉杆处于奇异状态)，以使伸展过程更加流畅；并且增加整体结构的强度，使该三棱台结构具有相同的运动趋势。需要说明的是，在两个双4R机构的伸展过程中，两个双4R机构所在的平面之间的夹角是固定的，相应的，夹角为60°；例如，采用花盘楔键的连接方式，或者二者之间的连接处设有相抵的类似凸台结构等方式；来使两个双4R机构所在的平面之间的夹角是唯一的、不会发生变化的。
根据本发明的另一种具体实施方式，随动分支机构为双5R机构，双5R机构包括：
两根相同的第二纵杆；
两根相同的第二剪叉杆，两根第二剪叉杆通过转动副R5互相连接；两根第二剪叉杆的始端分别通过转动副R6连接于两根第二纵杆的下端；
两根相同的第二连杆，两根第二连杆的始端分别通过转动副R7连接于两根第二纵杆的上端；
两根相同的第三连杆，两根第三连杆的始端分别通过转动副R8连接于两根第二连杆的末端；两根第三连杆的末端分别通过转动副R9连接于两根第二剪叉杆的末端。
本方案中，双5R机构为两个双4R机构提供一个平面约束，使由两个双4R机构、一个双5R机构组成的三棱台结构，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，实现折叠、伸展两种状态之间的切换。
根据本发明的另一种具体实施方式，第二纵杆、第二连杆、第三连杆的长度之和，大于第二剪叉杆的长度。经过大量的实验验证，第二纵杆、第二连杆、第三连杆的长度之和，小于或等于第二剪叉杆长度的时候，在折展过程容易出现卡顿的现象，使整个三棱台结构无法完成伸展过程；第二纵杆、第二连杆、第三连杆的长度之和，略大于第二剪叉杆的长度可以实现，第二连杆、第三连杆的长度可以相等，也可以不想等，优选的，二者的长度相等，其中，第二纵杆、第二连杆、第三连杆的长度之和，略大于第二剪叉杆的长度，但二者长度之间差异不能过大，否则会在折叠状态造成构件之间的干涉问题。此时，即满足折叠后占用空间小的特点，又能够实现伸展过程不出现卡顿现象，还能够实现该机构的完全伸展。
根据本发明的另一种具体实施方式，第一纵杆、第二纵杆通过转动关节互相连接；转动关节为转动副或者圆柱副，例如第一纵杆、第二纵杆通过铰接的方式进行连接。
根据本发明的另一种具体实施方式，第一纵杆、第一连杆的长度之和，等于第一剪叉杆的长度。本方案中，第一纵杆、第一连杆的长度之和，等于第一剪叉杆的长度，可以实现双4R机构的完全折叠，配合双5R机构，可以实现自由伸展。双5R机构是三自由度机构，双4R机构为单自由度机构，通过采用双5R机构作为该三棱台结构的侧边填充结构，在两个双4R机构所在平面的夹角固定的前提下，可以更好的适配两个双4R机构的折展轨迹，在实现了折展过程中，第一纵杆、第二纵杆的同步折展。
根据本发明的另一种具体实施方式，两个双4R机构之间设有同步约束机构；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连接第一剪叉杆。
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双4R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，可以随着双4R机构的折展进行同步运动。
根据本发明的另一种具体实施方式，双4R机构的展开状态为：第一连杆与第一剪叉杆共线，这里的共线既包括了在同一条线上，也包括了接近共线的情况，此时处于该双4R机构处于完全展开的状态，展开后，覆盖的面积大。相应的，也可以在第一剪叉杆上设计相对应的定位机构，来实现对完全展开状态的确定。
根据本发明的另一种具体实施方式，双4R机构的折叠状态为：第一连杆与第一纵杆共线，这里的共线既包括了在同一条线上，也包括了接近共线的情况，此时处于该双4R机构处于完全折叠的状态，折叠后占用空间小。
根据本发明的另一种具体实施方式，双4R机构完全展开状态为等腰梯形。
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；双4R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，双4R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，在双5R机构的作用下，两个双4R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。
根据本发明的另一种具体实施方式，第一剪叉杆设有吊耳，第二转动件通过转动副Ra2连接吊耳。
本发明中，可以通过采用柔性构件(例如65Mn弹簧钢)，代替双5R机构中的第二连杆、第三连杆，该柔性构件在折展过程中会受到两端铰链连接处的压力而产生弯曲变形，实现等同于第二连杆、第三连杆之间相对转动的效果。相应的，为了保证该柔性构件的弯折在可控范围，即能够实现指定位置的弹性变形，可以采用特殊结构(例如在预设产生变形的位置设置镂空结构等)，以实现整个三棱台结构的伸展运动。
本发明通过基于剪叉机构的双4R机构、双5R机构形成的三棱台，在同步约束机构的作用下，可以实现单自由度的折展运动，即采用一个驱动元件及时实现折展过程。
本发明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。该单元机构在全展开状态下为大体积的三棱台形状，而在全折叠状态下则为小体积的三棱柱形状。
本发明的有益之处在于：
1、采用剪叉机构为基础，实现该三棱台单元的折展运动，在结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、本发明为单自由度结构，且具有较大的折展比，折展性能突出，可靠性高；
3、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的三棱台可展机构的整体结构示意图；
图2是实施例1的三棱台可展机构的机构运动简图；
图3是图1的折叠状态示意图；
图4是图1中，双4R机构的原理示意图；
图5是图1中，双4R机构的整体结构示意图；
图6是图5完全折展的状态示意图；
图7是图1中，双5R机构的整体结构示意图；
图8是图7中，同步约束机构的整体结构示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种基于刚性剪叉机构的空间三棱台可展机构，如图1-7所示，其包括两个相同的双4R机构1、双5R机构2、同步约束机构3。
其中，双4R机构1为封闭式平面对称结构，如图4-5所示，其包括两根第一纵杆11、两根第一剪叉杆12、两根第一连杆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；两根第一连杆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，两根第一连杆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；在第一剪叉杆12靠近端部的位置设有吊耳14。
如图7所示，双5R机构2包括两根第二纵杆21、两根第二剪叉杆22、两根第二连杆23、两根第三连杆24，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；两根第二连杆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；两根第三连杆24的始端分别通过转动副R8连接于两根第二连杆23的末端；两根第三连杆24的末端分别通过转动副R9连接于两根第二剪叉杆22的末端。
如图8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1所示，两个双4R机构1、一个双5R机构2，形成封闭的三棱台结构，同步约束机构3靠近两个双4R机构1中相互连接的第一纵杆11设置。
在本实施例中，双5R机构2中的两根第二纵杆21，分别通过转动副连接两个双4R机构1中的第一纵杆11。在双4R机构1中，第一剪叉杆12的长度等于第一纵杆11、第一连杆13的长度之和；在双5R机构2中，第二剪叉杆22的长度，略小于第二纵杆21、第二连杆23、第三连杆24的长度之和；通过双4R机构1、双5R机构2中构件的长度关系，实现该三棱台机构的稳定伸展过程，从而避免伸展过程中的卡顿现象。
如图6所示，双4R机构1在完全展开状态为等腰梯形；此时，第一连杆13与第一剪叉杆12共线；而完全折叠状态时，第一连杆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，当双4R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，双4R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，在双5R机构的作用下，两个双4R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。该机构在完全展开状态下为大体积的三棱台形状，而在全折叠状态下则为小体积的三棱柱形状。
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 (8)

1.一种基于刚性剪叉机构的空间三棱台可展机构，其特征在于，包括两个相同的双4R机构与一个随动分支机构，两个所述双4R机构、所述随动分支机构首尾相连，形成封闭的三棱台结构；
所述双4R机构为封闭式平面对称结构，其包括两根相同的第一纵杆、两根相同的第一剪叉杆、两根相同的第一连杆；
其中，两根所述第一剪叉杆通过转动副R1互相连接，形成剪叉机构；两根所述第一剪叉杆的始端分别通过转动副R2连接于两根所述第一纵杆的下端；两根所述第一连杆的始端分别通过转动副R3连接于两根所述第一纵杆的上端，两根所述第一连杆的末端分别通过转动副R4连接于两根所述第一剪叉杆的末端；
所述随动分支机构为双5R机构，所述双5R机构包括两根相同的第二纵杆、两根相同的第二剪叉杆、两根相同的第二连杆、两根相同的第三连杆；
其中，两根所述第二剪叉杆通过转动副R5互相连接；两根所述第二剪叉杆的始端分别通过转动副R6连接于两根所述第二纵杆的下端；两根所述第二连杆的始端分别通过转动副R7连接于两根所述第二纵杆的上端；两根所述第三连杆的始端分别通过转动副R8连接于两根所述第二连杆的末端；两根所述第三连杆的末端分别通过转动副R9连接于两根所述第二剪叉杆的末端；
其中，所述第一纵杆、所述第二纵杆通过转动关节互相连接。
2.如权利要求1所述的基于刚性剪叉机构的空间三棱台可展机构，其特征在于，所述第二纵杆、所述第二连杆、所述第三连杆的长度之和，大于所述第二剪叉杆的长度。
3.如权利要求1所述的基于刚性剪叉机构的空间三棱台可展机构，其特征在于，所述转动关节为转动副或者圆柱副。
4.如权利要求1所述的基于刚性剪叉机构的空间三棱台可展机构，其特征在于，所述第一纵杆、所述第一连杆的长度之和，等于所述第一剪叉杆的长度。
5.如权利要求1所述的基于刚性剪叉机构的空间三棱台可展机构，其特征在于，两个所述双4R机构之间设有同步约束机构；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连接所述第一剪叉杆。
6.如权利要求1所述的基于刚性剪叉机构的空间三棱台可展机构，其特征在于，所述双4R机构的展开状态为：所述第一连杆与所述第一剪叉杆共线。
7.如权利要求6所述的基于刚性剪叉机构的空间三棱台可展机构，其特征在于，所述双4R机构的折叠状态为：所述第一连杆与所述第一纵杆共线。
8.如权利要求1所述的基于刚性剪叉机构的空间三棱台可展机构，其特征在于，所述双4R机构完全展开状态为等腰梯形。
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