CN108945523B - 四棱柱可展单元以及基于四棱柱可展单元的空间伸展机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种四棱柱可展单元，其包括上层的正方形结构、下层的正方形结构、驱动与锁紧装置以及支撑杆，多根支撑杆相互平行，且垂直于上层和下层的正方形平面；上层和下层的正方形结构的每条边均包括第一连杆、第二连杆以及L型接头，L型接头位于正方形结构的四个直角处，相邻两个L型接头通过第一连杆和第二连杆相连，L型接头的直角处通过L型转轴与支撑杆连接，第一连杆和第二连杆的连接处和其中一个L型接头与支撑杆的连接处安装有驱动与锁紧装置；四棱柱可展单元包括完全展开的第一状态、横向收拢的第二状态和完全收拢的第三状态。本发明的四棱柱可展单元折展比例大、可实现双向折展，多个四棱柱可展单元构成空间伸展机构。

Description

四棱柱可展单元以及基于四棱柱可展单元的空间伸展机构

技术领域

本发明属于机构学技术领域，涉及一种四棱柱可展单元以及基于四棱柱可展单元的空间伸展机构。

背景技术

随着人类太空探索活动的日益频繁，用于空间科学、深空探测以及卫星通讯的高端装备得到快速发展。空间在轨运行的卫星、航天飞机、空间站等航天装备大多受到发射能力的限制，可用的仓储空间较为有限。当前，卫星上的反射天线、太阳能电池帆板和空间伸展臂等普遍采用可展机构，各类能够适应空间航天装备需求的可展机构的发展尤为迫切。太空伸展臂作为航天可展装备的典型代表，可以对太空在轨设备或者垃圾进行抓取回收，还能用于航天装备的搬运和维修。应用空间可展机构可以替代航天员从事舱外作业，有效提高工作效率，同时极大降低太空作业的危险性。空间可展机构的应用能够极大节约航天装备可利用空间，并为航天装备高效可靠运行提供有力支撑。航天可展机构的设计和研究是未来航天技术发展的关键环节。

在火箭发射和运输阶段，大型航天可展装备可以收拢到一起并保持较小尺寸，当航天装备进入太空后，再通过一系列措施将其展开。空间可展机构结构多样，可实现重复折叠和展开，广泛应用于空间航天器，可展机构的设计和研究已成为当前国际航空航天领域的前沿课题。在国外，空间展开机构已经成功用于构建大型太阳帆板支架，空间伸展臂、大口径展开天线等。较为典型的应用案例有日本ETS-8卫星上口径17m基于六棱柱单元设计的构架式展开天线、国际空间站主太阳翼的支撑结构采用的是AEC-Able工程公司设计的大型空间伸展机构、美国Thuraya通信卫星采用的是口径12m的环形桁架式可展天线。

目前而言，我国在空间可展机构的设计、研究和应用领域，起步较晚，技术水平较为薄弱，与国外先进水平相比存在较大差距。当前可展机构的种类较少，且大多可展机构仅能够在单一方向进行折展，普遍存在折展比例较小的缺点。双向可展机构单元的设计案例还不多，由其组成的空间伸展机构更鲜见报道。为了满足航天装备对可展机构的需求的日趋迫切，设计一种新型的空间可展基本单元及其组成的空间伸展机构具有重要研究意义和应用价值。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种折展比例大、可实现双向折展的四棱柱可展单元结构，以及由其组成的空间伸展机构，整体结构稳定性较强。

本发明是这样实现的：

一种四棱柱可展单元，其包括上层的正方形结构、下层的正方形结构、驱动与锁紧装置以及连接所述上层和下层的支撑杆，多根所述支撑杆相互平行，且垂直于所述上层和下层的正方形平面；所述上层和下层的正方形结构的每条边均包括第一连杆、第二连杆以及L型接头，所述L型接头位于所述正方形结构的四个直角处，相邻两个所述L型接头通过所述第一连杆和第二连杆相连，所述第一连杆的第一端与所述L型接头的端部转动连接，所述第一连杆的第二端与所述第二连杆的第一端转动连接，所述第二连杆的第二端与相邻边的L型接头的端部转动连接，所述第一连杆的第二端与所述第二连杆的第一端的连接转动处安装有所述驱动与锁紧装置，所述L型接头的直角处通过L型转轴与所述支撑杆连接，所述支撑杆的长度大于所述第一连杆和第二连杆的长度之和，所述四棱柱可展单元的其中一个L型接头与支撑杆的连接处设有锁紧与驱动装置；所述四棱柱可展单元包括完全展开的第一状态、横向收拢的第二状态和完全收拢的第三状态；所述四棱柱可展单元处于第二状态时，所述第一连杆的第二端与所述第二连杆的第一端的连接转动处的驱动与锁紧装置驱动所述第一连杆和第二连杆向正方形结构的中心收拢，所述第一连杆和第二连杆的连接处分别收拢于所述上层和下层的中心，并通过所述驱动与锁紧装置进行锁紧，所述支撑杆垂直于所述上层和下层；所述四棱柱可展单元处于第三状态时，所述第一连杆的第二端与所述第二连杆的第一端的连接转动处的驱动与锁紧装置驱动所述第一连杆和第二连杆向上层和下层的中心收拢，所述L型接头与支撑杆的连接处的锁紧与驱动装置驱动所述支撑杆处于所述上层和下层靠拢后的中间间隔的位置，并通过所述驱动与锁紧装置进行锁紧。

优选的，所述第一连杆与所述第二连杆的长度相等。

优选的，所述第一连杆的第一端与所述L型接头的端部、所述第一连杆的第二端与所述第二连杆的第一端以及所述第二连杆的第二端与相邻边的L型接头的端部均通过转动副连接，多个所述转动副之间相互平行，并与所述支撑杆的轴线平行。

优选的，所述L型转轴包括相互垂直的第一转动副和第二转动副，所述第一转动副与所述L型接头相连，所述第二转动副与所述支撑杆相连，多个所述第一转动副相互平行，相邻所述第二转动副的轴线的夹角为45°。

优选的，所述第一转动副与所述第二转动副通过直角三角型件连接，所述第一转动副和第二转动副分别固定在所述直角三角型件的两个直角边上。

优选的，所述驱动与锁紧装置为抱闸电机。

一种基于上述的四棱柱可展单元构建的空间伸展机构，其包括多个所述四棱柱可展单元，所述四棱柱可展单元包括上层正方形结构、下层正方形结构和连接所述上层正方形结构和下层正方形结构的支撑杆，其中所述上层四棱柱可展单元的下层正方形结构能作为下层四棱柱可展单元的上层正方形结构，所述下层四棱柱可展单元的支撑柱通过L型转轴与所述上层四棱柱可展单元的下层正方形结构的L型接头连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的四棱柱可展单元所含构件种类和连接形式简单，只有转轴、接头和连杆3种，且各构件之间均通过转动副连接。

(2)本发明的四棱柱可展单元在完全收拢状态，依次完成横向和纵向收拢，实现大比例折展；在完全展开状态，每层正方形平面以及每层之间支撑杆通过锁紧装置作用，保证整体结构的稳定性。

(3)本发明的四棱柱可展单元在收拢过程中，能通过锁紧与驱动装置首先进行驱动，达到收拢状态后再进行锁紧固定。

(4)多个本发明中的四棱柱可展单元能够形成任意口径和任意长度的空间伸展机构，能够满足特定的任务需求。

附图说明

图1为本发明的四棱柱可展单元处于完全展开的第一状态的结构示意图。

图2为本发明的四棱柱可展单元处于横向收拢的第二状态的示意图。

图3为本发明的四棱柱可展单元处于完全收拢的第三状态的示意图。

图4为本发明的基于四棱柱可展单元的空间伸展机构的结构示意图。

图5为本发明的基于四棱柱可展单元的空间伸展机构的横向收拢的示意图。

图6为本发明的基于四棱柱可展单元的空间伸展机构的完全收拢的示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和性能方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

如图1所示，一种四棱柱可展单元，其包括上层1的正方形结构、下层2的正方形结构、锁紧与驱动装置以及连接上层和下层的支撑杆3，多根支撑杆3相互平行，且垂直于上层1和下层2的正方形平面；上层1和下层2的正方形结构的每条边均包括第一连杆11、第二连杆12以及L型接头13，L型接头13位于正方形结构的四个直角处，相邻两个L型接头13通过第一连杆11和第二连杆12相连，第一连杆11的第一端与L型接头13的端部转动连接，第一连杆11的第二端与第二连杆12的第一端转动连接，第二连杆12的第二端与相邻边的L型接头13的端部转动连接，L型接头13的直角处通过L型转轴14与支撑杆3连接，支撑杆3的长度大于第一连杆11和第二连杆12的长度之和，第一连杆11与第二连杆12的长度相等，以确保四棱柱可展单元完全收拢后保持稳定状态。

第一连杆11的第二端和第二连杆12的第一端的连接转动处设有锁紧与驱动装置，此处为横向锁紧与驱动装置4，实现正方形结构的收拢，即四棱柱可展单元的横向收拢；四棱柱可展单元的其中一个,L型接头13与支撑杆3的连接处设有锁紧与驱动装置，此处为纵向锁紧与驱动装置5，实现支撑杆的收拢，即四棱柱可展单元的纵向收拢；四棱柱可展单元通过8个横向锁紧与驱动装置4与1个纵向锁紧与驱动装置5相互配合便能实现完全收拢。

优选的，锁紧与驱动装置为抱闸电机，能依次实现驱动与锁紧动作。

四棱柱可展单元包括完全展开的第一状态、横向收拢的第二状态和完全收拢的第三状态；如图1所示，为四棱柱可展单元处于完全展开的第一状态，此时，上层1和下层2为正方形结构，支撑杆3垂直于上层1和下层2的正方形平面；如图2所示，为四棱柱可展单元处于横向收拢的第二状态，横向锁紧与驱动装置4驱动第一连杆11和第二连杆12向正方形结构的中心收拢，第一连杆11和第二连杆12的连接处分别收拢于上层1和下层2的中心，收拢后横向锁紧与驱动装置4进行锁紧，保持结构的稳定，支撑杆3垂直于上层1和下层2；如图3所示，四棱柱可展单元处于完全收拢的第三状态，横向锁紧与驱动装置4驱动第一连杆11和第二连杆12向上层1和下层2的中心收拢，纵向锁紧与驱动装置5驱动支撑杆3处于上层1和下层2靠拢后的中间间隔的位置，并分别通过横向锁紧与驱动装置4和纵向锁紧与驱动装置5进行锁紧，保持结构的稳定。

优选的，第一连杆11的第一端与L型接头13的端部、第一连杆11的第二端与第二连杆12的第一端以及第二连杆12的第二端与相邻边的L型接头13的端部均通过转动副连接，为了保证收拢后整体包络空间最小，同时避免四棱柱可展单元收拢后第一连杆和第二连杆发生干涉，多个转动副之间相互平行，并与支撑杆3的轴线平行。L型转轴14包括相互垂直的第一转动副和第二转动副，第一转动副与L型接头13相连，第二转动副与支撑杆3相连，多个第一转动副相互平行，相邻第二转动副的轴线的夹角为45°，每层正方形平面对角位置的第二转动副的轴线重合。

优选的，第一转动副与第二转动副通过直角三角型件连接，第一转动副和第二转动副分别固定在直角三角型件的两个直角边上。

在本实施例中，四棱柱可展单元包括8个第一连杆11、8个第二连杆12、8个L型接头13、8个L型连轴14、8个横向锁紧与驱动装置4和1个纵向锁紧与驱动装置5，L型接头13上设有3个轴孔，分别位于L型接头13的两个端部和直角处，两个端部的轴孔到直角处轴孔的距离相同，两个端部的轴孔分别通过转动副与第一连杆11和第二连杆12相连，直角处的轴孔通过L型转轴与支撑杆3连接。在转动副上添加抱闸电机便可实现四棱柱可展单元的展开和收拢。在上层的4个第一连杆11和第二连杆12的转动副处添加4个横向抱闸电机时，可实现上层的横向收拢和展开运动；当在下层4个第一连杆11和第二连杆12的转动副处添加相同数量的横向抱闸电机时，可实现下层的横向收拢和展开运动；当在上层和下层的每个第一连杆11和第二连杆12的转动副处同时添加横向抱闸电机时，可同时实现上、下层的同步收拢和展开运动；在完成横向收拢和展开运动后，在下层或上层任意一个L型接头13和支撑杆3连接处添加纵向抱闸电机时，可实现纵向收拢和展开运动。本发明还通过抱闸电机的抱闸作用进行锁紧，实现整体结构的稳定。

如图4～6所示，本发明还公开了一种基于四棱柱可展单元的空间伸展机构，包括多个四棱柱可展单元，上层四棱柱可展单元的下层正方形结构作为下层四棱柱可展单元的上层正方形结构，下层四棱柱可展单元的支撑柱通过L型转轴14与上层四棱柱可展单元的下层正方形结构的L型接头连接。

在本实施例中，由3个四棱柱单元组成一个三层空间伸展机构，共包括16个第一连杆11、16个第二连杆12、16个L型接头13、16个L型连接轴14、12根支撑杆3。3个四棱柱可展单元结构完全相同，相邻两个四棱柱之间通过共用4根第一连杆11、4根第二连杆12和4个L型接头13连接；各单元之间对应位置支撑杆轴线共线，对应的第一连杆11与第二连杆12相互平行；为适应特定任务需要，多个四棱柱单元可组合成多层空间伸展机构。

对于由3个四棱柱单元组成的三层空间伸展机构，为确保机构的同步横向收拢和展开运动，需要在每个单元上下层第一连杆11和第二连杆12的转动副处各添加4个横向锁紧与驱动装置，由于单元之间连接方式为共用相邻单元的上下层，因此共需添加16个横向锁紧与驱动装置；在完成横向同步收拢和展开运动后，为确保机构的同步纵向收拢和展开运动，需在每层任意L型接头和支撑杆连接处添加1个纵向锁紧与驱动装置，即共需3个纵向锁紧与驱动装置。

空间伸展机构在完全展开的第一状态时，每层所有第一连杆11和第二连杆12连接处受到横向锁紧与驱动装置的作用，每层L型转轴14和支撑杆3间的第二转动副受到纵向锁紧与驱动装置的作用，整体机构处于稳定状态。在横向收拢状态，每层连接第一连杆11和第二连杆12的转动副相互靠拢，第一连杆11和第二连杆12的连接处受到横向锁紧与驱动装置的锁紧作用，机构处于稳定状态；在完成横向收拢状态后，进一步完成纵向收拢情况下，达到机构的完全收拢状态，每层任意支撑杆靠近上层端部与同层相邻支撑杆靠近下层端部相互靠拢，L型转轴和支撑杆连接处的第二运动副受到纵向锁紧与驱动装置的锁紧作用，机构在完全收拢状态下保持稳定。

综上，本发明具有以下优点：

本发明的四棱柱可展单元所含构件种类和连接形式简单，只有转轴、接头和连杆3种，且各构件之间均通过转动副连接。四棱柱可展单元在完全收拢状态，依次完成横向和纵向收拢，实现大比例折展；在完全展开状态，每层正方形平面以及每层之间支撑杆通过横向和纵向锁紧与驱动装置的锁紧作用，保证整体结构的稳定性。多个本发明中的四棱柱可展单元能够形成任意口径和任意长度的空间伸展机构，能够满足特定的任务需求。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种四棱柱可展单元，其特征在于：其包括上层的正方形结构、下层的正方形结构、驱动与锁紧装置以及连接所述上层和下层的支撑杆，多根所述支撑杆相互平行，且垂直于所述上层和下层的正方形平面；

所述上层和下层的正方形结构的每条边均包括第一连杆、第二连杆以及L型接头，所述L型接头位于所述正方形结构的四个直角处，相邻两个所述L型接头通过所述第一连杆和第二连杆相连，所述第一连杆的第一端与所述L型接头的端部转动连接，所述第一连杆的第二端与所述第二连杆的第一端转动连接，所述第二连杆的第二端与相邻边的L型接头的端部转动连接，所述第一连杆的第二端与所述第二连杆的第一端的连接转动处安装有所述驱动与锁紧装置，所述L型接头的直角处通过L型转轴与所述支撑杆连接，所述支撑杆的长度大于所述第一连杆和第二连杆的长度之和，所述四棱柱可展单元的其中一个L型接头与支撑杆的连接处设有锁紧与驱动装置；

所述四棱柱可展单元包括完全展开的第一状态、横向收拢的第二状态和完全收拢的第三状态；所述四棱柱可展单元处于第二状态时，所述第一连杆的第二端与所述第二连杆的第一端的连接转动处的驱动与锁紧装置驱动所述第一连杆和第二连杆向正方形结构的中心收拢，所述第一连杆和第二连杆的连接处分别收拢于所述上层和下层的中心，并通过所述驱动与锁紧装置进行锁紧，所述支撑杆垂直于所述上层和下层；所述四棱柱可展单元处于第三状态时，所述第一连杆的第二端与所述第二连杆的第一端的连接转动处的驱动与锁紧装置驱动所述第一连杆和第二连杆向上层和下层的中心收拢，所述L型接头与支撑杆的连接处的锁紧与驱动装置驱动所述支撑杆处于所述上层和下层靠拢后的中间间隔的位置，并通过所述驱动与锁紧装置进行锁紧；

所述第一连杆与所述第二连杆的长度相等；

所述第一连杆的第一端与所述L型接头的端部、所述第一连杆的第二端与所述第二连杆的第一端以及所述第二连杆的第二端与相邻边的L型接头的端部均通过转动副连接，多个所述转动副之间相互平行，并与所述支撑杆的轴线平行。

2.根据权利要求1所述的四棱柱可展单元，其特征在于：所述L型转轴包括相互垂直的第一转动副和第二转动副，所述第一转动副与所述L型接头相连，所述第二转动副与所述支撑杆相连，多个所述第一转动副相互平行，相邻所述第二转动副的轴线的夹角为45°。

3.根据权利要求2所述的四棱柱可展单元，其特征在于：所述第一转动副与所述第二转动副通过直角三角型件连接，所述第一转动副和第二转动副分别固定在所述直角三角型件的两个直角边上。

4.根据权利要求1所述的四棱柱可展单元，其特征在于：所述驱动与锁紧装置为抱闸电机。

5.一种基于权利要求1所述的四棱柱可展单元构建的空间伸展机构，其特征在于：其包括多个所述四棱柱可展单元，所述四棱柱可展单元包括上层正方形结构、下层正方形结构和连接所述上层正方形结构和下层正方形结构的支撑杆，其中所述上层四棱柱可展单元的下层正方形结构能作为下层四棱柱可展单元的上层正方形结构，所述下层四棱柱可展单元的支撑柱通过L型转轴与所述上层四棱柱可展单元的下层正方形结构的L型接头连接。