CN109860972B - 一种基于对称结构四面体组合单元的模块化可展天线机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于对称结构四面体组合单元的模块化可展天线机构，可展天线机构由多个可展天线模块构成，相邻的两个可展天线模块通过其中一个可展天线模块底部的第一花盘和另一个可展天线模块底部的第二花盘连接，且第一花盘与第二花盘之间通过虎克铰连接，相邻的两个可展天线模块底部未连接的第一花盘和第二花盘之间通过第一同步杆连接，第一同步杆的杆体中部能够折叠，且第一同步杆与第一花盘、第二花盘转动连接；本发明提供的可展天线机构的模块之间通过虎克铰连接，能够实现各模块之间的相对姿态调整，并具有结构简单，加工制造成本和安装难度低的优点，可形成任意口径的收拢率高的大型可展天线机构。

Description

一种基于对称结构四面体组合单元的模块化可展天线机构

技术领域

本发明涉及空间可展机构技术领域，特别是涉及一种基于对称结构四面体组合单元的模块化可展天线机构。

背景技术

航天技术在我国科技发展战略规划中占有重要地位，随着深空探测、载人航天和大型运载火箭等一系列重大航天科技工程的实施与深入，对具有可展性能的大型机构的应用需求更加迫切。近年来，大型可展开机构由于其本身具有的优异性能，例如，结构几何单元的一致性、可重复性、高刚度、灵活的几何设计特征和高的表面精度等，在可展开桅杆、天线、太阳能电池板等航天任务中得到了广泛的应用。

对于可展机构的研究已成为当今国际上的一个研究热点。国内外许多研究学者和科研机构都对可展天线机构进行了比较深入的研究，相继出现了结构多样、性能多样的诸多大型可展机构。比较典型的机构有TRW公司研制的太阳花展开天线，AEC-Able工程公司为国际空间站开发的FAST伸展臂以及俄罗斯Energia-GPI-Space公司开发的一种EGS天线。中国在空间可展机构这方面起步较晚，虽然取得了一定的研究成果，但现有已经研制成功并顺利应用的并不多，许多可展天线机构在实际应用中存在多种局限性。目前，对于可展机构的研究主要集中在机构的运动学、动力学上，且现有具有优异性能的可展天线机构种类较少，单元间连接形式单一，构件种类较多，不仅加工制造成本高，而且安装难度大。缺少由相同结构单元组成的模块化空间可展天线机构，模块化设计能够降低加工制造成本和安装难度，可形成任意口径的大型可展天线机构。为了适应当前空间科学任务对大口径天线的需求，设计新型的模块化空间可展机构具有重要的研究意义与实用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于对称结构四面体组合单元的模块化可展天线机构，以解决上述现有技术存在的问题，具有结构简单，加工制造成本和安装难度低的优点，可形成任意口径的收拢率高的大型可展天线机构。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种基于对称结构四面体组合单元的模块化可展天线机构，所述可展天线机构由多个可展天线模块构成，相邻的两个所述可展天线模块通过其中一个所述可展天线模块底部的第一花盘和另一个所述可展天线模块底部的第二花盘连接，且所述第一花盘与所述第二花盘之间通过虎克铰连接，相邻的两个所述可展天线模块底部未连接的所述第一花盘和所述第二花盘之间通过第一同步杆连接，所述第一同步杆的杆体中部能够折叠，且所述第一同步杆与所述第一花盘、所述第二花盘转动连接。

优选地，所述虎克铰包括连接槽、T型套筒、连接杆和销轴，所述连接槽设置于所述第一花盘上，所述连接杆设置于所述第二花盘上，所述T型套筒的横杆两端通过穿插于其内部的所述销轴与所述连接槽的两侧壁转动连接，所述T型套筒的竖杆通过穿插于其内部的所述销轴与所述连接杆转动连接。

优选地，所述可展天线模块由三个四面体可展天线单元构成；

所述四面体可展天线单元包括四个花盘、三个等长腹杆、两个第二同步杆和一个第四同步杆；四个花盘包括所述第一花盘、所述第二花盘、第三花盘和第四花盘，所述第四花盘设置于所述第一花盘、所述第二花盘和所述第三花盘的顶部；所述第四花盘与所述第一花盘、所述第二花盘和所述第三花盘之间分别通过一所述腹杆连接，且各个所述腹杆的两端与所述第一花盘、所述第二花盘、所述第三花盘、所述第四花盘之间转动连接；所述第一花盘与所述第三花盘、所述第二花盘和所述第三花盘通过所述第二同步杆连接，所述第一花盘与所述第二花盘通过所述第四同步杆连接，所述第二同步杆和所述第四同步杆的杆体中部均能够竖向折叠，且所述第二同步杆与所述第一花盘、所述第二花盘、所述第三花盘转动连接，所述第四同步杆与所述第一花盘和所述第二花盘也转动连接；

三个所述四面体可展天线单元的与所述第三花盘连接的所述腹杆共用一个所述第三花盘，三个所述四面体可展天线单元的与所述第三花盘连接的所述第二同步杆也共用一个所述第三花盘；三个所述四面体可展天线单元的所述第四花盘之间通过三个第三同步杆连接，所述第三同步杆的杆体中部能够折叠，且所述第三同步杆与所述第四花盘转动连接；相邻的两个所述四面体可展天线单元之间的所述第一花盘和所述第二花盘通过第四同步杆连接成闭环，且所述第四同步杆与所述第一花盘、所述第二花盘转动连接；且三个所述四面体可展天线单元的所述第一花盘和所述第二花盘的中心连线构成正六边形，所述第三花盘所在的平面与各个所述第一花盘和所述第二花盘所在的平面均相切于同一抛物面。

优选地，所述第一花盘、所述第二花盘、所述第三花盘和所述第四花盘与所述腹杆的连接端的端面上设置有环形凹槽，所述环形凹槽的内侧壁和外侧壁上周向设置有多个两两相对的铰接孔，所述腹杆的端部通过销轴与所述铰接孔铰接。

优选地，所述第一同步杆、所述第二同步杆、所述第三同步杆和所述第四同步杆的杆体中部均通过同步铰链连接。

优选地，所述第一花盘、所述第二花盘、所述第三花盘和所述第四花盘的外围还设置有多个成对的第一平行耳片，所述第一同步杆、所述第二同步杆、所述第三同步杆和所述第四同步杆的端部设置有与所述第一平行耳片配合设置的第二平行耳片，所述第二平行耳片伸入所述第一平行耳片内，并通过销轴铰接，所述销轴的轴线与所述同步铰链的转动副的轴线平行；所述第二平行耳片设置于一转动接头上，所述转动接头与所述第一同步杆、所述第二同步杆、所述第三同步杆和所述第四同步杆的杆体两端转动连接。

优选地，所述转动接头一端与所述第二平行耳片一体连接，所述转动结构另一端一体设置有一插入轴，所述插入轴插入所述所述第一同步杆、所述第二同步杆、所述第三同步杆和所述第四同步杆的杆体两端。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

1、本发明提供的基于对称结构四面体组合单元的模块化可展天线机构，各个组合单元的构件之间连接方式简单，易于实现高刚度结构的设计。

2、本发明提供的基于对称结构四面体组合单元的模块化可展天线机构，各个模块完全相同，便于加工制造与安装；可通过设计模块本身的大小及模块的数量形成任意口径的具有大收拢率的大型可展天线支撑机构，可拓展性强；模块之间通过虎克铰连接，且各个同步杆与花盘的连接端具有两个自由度，能够实现各模块之间的相对姿态调整，可实现天线机构最终完全收拢(花盘姿态均一致且所有连杆紧密靠拢)，收拢率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中可展天线机构完全展开状态的俯视角度的立体结构示意图；

图2为图1中A处的局部放大图；

图3为本发明中虎克铰的结构示意图；

图4为本发明中可展天线模块的立体结构示意图；

图5为图4中A处的局部放大图；

图6为图4中B处的局部放大图；

图7为本发明中连接有第二同步杆的第一花盘和第二花盘的结构示意图；

图8为本发明中转动接头的结构示意图；

图9为本发明中同步铰链展开状态的俯视图；

图10为本发明中同步铰链完全收拢状态的正视图；

图11为本发明中同步齿轮的正视图；

图12位本发明中同步齿轮的俯视图；

图13位本发明中框架的立体结构示意图；

图14为本发明中可展天线机构完全展开状态的正视角度的立体结构示意图；

图15为本发明中可展天线机构半收拢状态的立体结构示意图；

图16为本发明中可展天线机构完全收拢状态的立体结构示意图；

图中：1-第一花盘、2-第二花盘、3-第三花盘、4-第四花盘、5-腹杆、6-第一同步杆、7-同步铰链、8-第二同步杆、9-第三同步杆、10-第四同步杆；

11-环形凹槽、12-第一平行耳片、13-第二平行耳片、14-连接槽、15-T型套筒、16-连接杆、17-转动接头、18-插入轴、C-T型套筒的横杆的轴线、D-T型套筒的竖杆的轴线；

21-同步齿轮、22-扭簧、23-框架；

I-第一可展天线模块、II-第二可展天线模块、III-第三可展天线模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于对称结构四面体组合单元的模块化可展天线机构，以解决现有技术存在的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

本实施例提供一种基于对称结构四面体组合单元的模块化可展天线机构，如图1、图2所示，可展天线机构由多个可展天线模块构成，相邻的两个可展天线模块通过其中一个可展天线模块底部的第一花盘1和另一个可展天线模块底部的第二花盘2连接，且第一花盘1与第二花盘2之间通过虎克铰连接，相邻的两个可展天线模块底部未连接的第一花盘1和第二花盘2之间通过第一同步杆6连接，第一同步杆6的杆体中部能够折叠，且第一同步杆6与第一花盘1、第二花盘2转动连接。

于本具体实施例中，如图3所示，虎克铰包括连接槽14、T型套筒15、连接杆16和销轴，连接槽14设置于第一花盘1上，连接杆16设置于第二花盘2上，T型套筒15的横杆两端通过穿插于其内部的销轴与连接槽14的两侧壁转动连接，T型套筒15的竖杆通过穿插于其内部的销轴与连接杆16转动连接。

于本具体实施例中，可展天线机构由三个可展天线模块构成，如图1、图2所示，三个可展天线模块包括第一可展天线模块I、第二可展天线模块II和第三可展天线模块III，第一可展天线模块I的其中一个第一花盘1与第三可展天线模块III的其中一个第二花盘2通过虎克铰铰接；第三可展天线模块III的其中一个第一花盘1与第二可展天线模块II的其中一个第二花盘2通过虎克铰铰接，第二可展天线模块II的其中一个第一花盘1与第一可展天线模块I的其中一个第二花盘2通过虎克铰铰接，进而实现本实施例中三个可展天线模块底部花盘之间的连接。

以上述三个可展天线模块中连接两个可展天线单元的第四同步杆10轴线为边线形成一个平面等边三角形；其中一个可展天线模块的第一花盘1上连接T型套筒15的横杆的轴线C平行于与其相邻的第四同步杆10的轴线，T型套筒15的竖杆的轴线D则垂直于所述等边三角形所在的平面，模块之间可绕这两条轴线摆动，实现模块的调姿运动。

对于可展天线模块，如图4-6所示，本实施例中，可展天线模块由三个四面体可展天线单元构成；

四面体可展天线单元包括四个花盘、三个等长腹杆5、两个第二同步杆8和一个第四同步杆10；四个花盘包括第一花盘1、第二花盘2、第三花盘3和第四花盘4，第四花盘4设置于第一花盘1、第二花盘2和第三花盘3的顶部；第四花盘4与第一花盘1、第二花盘2和第三花盘3之间分别通过一腹杆5连接，且各个腹杆5的两端与第一花盘1、第二花盘2、第三花盘3、第四花盘4之间转动连接；第一花盘1与第三花盘3、第二花盘2和第三花盘3通过第二同步杆8连接，第一花盘1与第二花盘2通过第四同步杆10连接，第二同步杆8和第四同步杆10的杆体中部均能够竖向折叠，且第二同步杆8与第一花盘1、第二花盘2、第三花盘3转动连接，第四同步杆10与第一花盘1和第二花盘2也转动连接；

三个四面体可展天线单元的与第三花盘3连接的腹杆5共用一个第三花盘3，三个四面体可展天线单元的与第三花盘3连接的第二同步杆8也共用一个第三花盘3；三个四面体可展天线单元的第四花盘4之间通过三个第三同步杆9连接，第三同步杆9的杆体中部能够折叠，且第三同步杆9与第四花盘4转动连接；相邻的两个四面体可展天线单元之间的第一花盘1和第二花盘2通过第四同步杆10连接成闭环，且第四同步杆10与第一花盘1、第二花盘2转动连接；且三个四面体可展天线单元的第一花盘1和第二花盘2的中心连线构成正六边形，第三花盘3所在的平面与各个第一花盘1和第二花盘2所在的平面相切于同一抛物面。

如图6、图7所示，为了实现腹杆5与各个花盘之间的转动连接第一花盘1、第二花盘2、第三花盘3和第四花盘4与腹杆5的连接端的端面上设置有环形凹槽11，环形凹槽11的内侧壁和外侧壁上周向设置有多个两两相对的铰接孔，腹杆5的端部通过销轴与铰接孔铰接；具体的铰接孔的对数与其连接的腹杆5的数量相同，第四花盘4同时连接三个腹杆5，则在第四花盘4的环形凹槽11的内外侧壁上均布三对铰接孔。

于本具体实施例中，第一同步杆6、第二同步杆8、第三同步杆9和第四同步杆10的杆体中部均通过同步铰链7连接。

对于上述各个同步杆中部设置的同步铰链7，如图9-13所示，其具体结构为由同步齿轮21、扭簧22和框架23组合而成，两个相对的同步齿轮21通过销钉连接在框架23内部两侧，扭簧22则位于同步齿轮21之间，通过两个同步齿轮21的啮合，从而实现同步杆之间的转动，形成转动副。框架23起支撑保护作用，框架23一端开口，可以实现完全收拢，另一端封闭，可以在同步杆完全展开(即180度)的时候起到限位作用。

本实施例中，如图7所示，第一花盘1、第二花盘2、第三花盘3和第四花盘4的外围还设置有多个成对的第一平行耳片12(平行耳片的对数与花盘连接的同步杆的数量相同)，第一同步杆6、第二同步杆8、第三同步杆9和第四同步杆10的端部设置有与第一平行耳片12配合设置的第二平行耳片13，第二平行耳片13伸入第一平行耳片12内，并通过销轴铰接，销轴的轴线与第二平行耳片13所在的同步杆上的同步铰链7的转动副的轴线平行；

如图8所示，为了实现更同步杆与花盘连接处的双自由度，实现模块自身在收拢时的姿态调整，本实施例中的第二平行耳片13设置于一转动接头17上，转动接头17与第一同步杆6、第二同步杆8、第三同步杆9和第四同步杆10的杆体两端转动连接；具体的转动接头17一端与第二平行耳片13一体连接，转动接头17另一端则一体设置有一插入轴18，插入轴18插入第一同步杆6、第二同步杆8、第三同步杆9和第四同步杆10的杆体两端，以此实现各个同步杆与其端部花盘的双自由度连接。

本发明提供的基于对称结构四面体组合单元的模块化可展天线机构，在每根同步杆中部的转动副处添加合理驱动，每个模块能够实现收拢与调姿运动，进而实现整体模块机构的完全收拢，此时，各个花盘平面基本一致且水平，各个杆件相互靠拢，处于最小包络体积，图1、图14-16所示为可展天线不同角度的展开、半收拢或完全收拢状态的结构示意图。

本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于对称结构四面体组合单元的模块化可展天线机构，其特征在于：所述可展天线机构由多个可展天线模块构成，相邻的两个所述可展天线模块通过其中一个所述可展天线模块底部的第一花盘和另一个所述可展天线模块底部的第二花盘连接，且所述第一花盘与所述第二花盘之间通过虎克铰连接，相邻的两个所述可展天线模块底部未连接的所述第一花盘和所述第二花盘之间通过第一同步杆连接，所述第一同步杆的杆体中部能够折叠，且所述第一同步杆与所述第一花盘、所述第二花盘转动连接；

所述可展天线模块由三个四面体可展天线单元构成；所述四面体可展天线单元包括四个花盘、三个等长腹杆、两个第二同步杆和一个第四同步杆；四个花盘包括所述第一花盘、所述第二花盘、第三花盘和第四花盘，所述第四花盘设置于所述第一花盘、所述第二花盘和所述第三花盘的顶部；所述第四花盘与所述第一花盘、所述第二花盘和所述第三花盘之间分别通过一所述腹杆连接，且各个所述腹杆的两端与所述第一花盘、所述第二花盘、所述第三花盘、所述第四花盘之间转动连接；所述第一花盘与所述第三花盘、所述第二花盘和所述第三花盘通过所述第二同步杆连接，所述第一花盘与所述第二花盘通过所述第四同步杆连接，所述第二同步杆和所述第四同步杆的杆体中部均能够竖向折叠，且所述第二同步杆与所述第一花盘、所述第二花盘、所述第三花盘转动连接，所述第四同步杆与所述第一花盘和所述第二花盘也转动连接；

三个所述四面体可展天线单元的与所述第三花盘连接的所述腹杆共用一个所述第三花盘，三个所述四面体可展天线单元的与所述第三花盘连接的所述第二同步杆也共用一个所述第三花盘；三个所述四面体可展天线单元的所述第四花盘之间通过三个第三同步杆连接，所述第三同步杆的杆体中部能够折叠，且所述第三同步杆与所述第四花盘转动连接；相邻的两个所述四面体可展天线单元之间的所述第一花盘和所述第二花盘通过第四同步杆连接成闭环，且所述第四同步杆与所述第一花盘、所述第二花盘转动连接；且三个所述四面体可展天线单元的所述第一花盘和所述第二花盘的中心连线构成正六边形，所述第三花盘所在的平面与各个所述第一花盘和所述第二花盘所在的平面均相切于同一抛物面。

2.根据权利要求1所述的基于对称结构四面体组合单元的模块化可展天线机构，其特征在于：所述虎克铰包括连接槽、T型套筒、连接杆和销轴，所述连接槽设置于所述第一花盘上，所述连接杆设置于所述第二花盘上，所述T型套筒的横杆两端通过穿插于其内部的所述销轴与所述连接槽的两侧壁转动连接，所述T型套筒的竖杆通过穿插于其内部的所述销轴与所述连接杆转动连接。

3.根据权利要求2所述的基于对称结构四面体组合单元的模块化可展天线机构，其特征在于：所述第一花盘、所述第二花盘、所述第三花盘和所述第四花盘与所述腹杆的连接端的端面上设置有环形凹槽，所述环形凹槽的内侧壁和外侧壁上周向设置有多个两两相对的铰接孔，所述腹杆的端部通过销轴与所述铰接孔铰接。

4.根据权利要求3所述的基于对称结构四面体组合单元的模块化可展天线机构，其特征在于：所述第一同步杆、所述第二同步杆、所述第三同步杆和所述第四同步杆的杆体中部均通过同步铰链连接。

5.根据权利要求4所述的基于对称结构四面体组合单元的模块化可展天线机构，其特征在于：所述第一花盘、所述第二花盘、所述第三花盘和所述第四花盘的外围还设置有多个成对的第一平行耳片，所述第一同步杆、所述第二同步杆、所述第三同步杆和所述第四同步杆的端部设置有与所述第一平行耳片配合设置的第二平行耳片，所述第二平行耳片伸入所述第一平行耳片内，并通过销轴铰接，所述销轴的轴线与所述同步铰链的转动副的轴线平行；所述第二平行耳片设置于一转动接头上，所述转动接头与所述第一同步杆、所述第二同步杆、所述第三同步杆和所述第四同步杆的杆体两端转动连接。

6.根据权利要求5所述的基于对称结构四面体组合单元的模块化可展天线机构，其特征在于：所述转动接头一端与所述第二平行耳片一体连接，所述转动接头另一端一体设置有一插入轴，所述插入轴插入所述第一同步杆、所述第二同步杆、所述第三同步杆和所述第四同步杆的杆体两端。