CN110061360A - 含柔性铰链的模块化空间曲面可展机构 - Google Patents

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寇子明
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Abstract

一种含柔性铰链的模块化空间曲面可展机构，包括柔性伸杆、第一刚性杆、第二刚性杆之间通过刚性铰链铰接构成一三角形单元；其特征是由多个上下相应的三角形单元通过刚性铰链铰接组网构成环形模块，多个环形模块之间通过刚性铰链铰接，经阵列组合构成可展桁架机构，所述可展桁架机构的刚性铰链与可展薄膜之间通过拉索连接，构成含柔性铰链的模块化空间曲面可展机构；所述可展桁架机构是利用柔性铰链处的弹性势能自驱动展开；本发明利用多个开槽式柔性铰链，其机构的装配简单，还可以大大减少可展机构整体质量，减少了可展机构展开时的碰撞与摩擦，提高了机构的折展性能。

Description

含柔性铰链的模块化空间曲面可展机构
技术领域
本发明涉及一种可展机构，特别是一种由多个含柔性铰链的环形模块组成的可展机构与可折叠薄膜构成的高刚度同步空间可展机构，适用于太空卫星天线等领域。
背景技术
可展机构是实现结构形态变化、可展开的一类运动式结构，其形态一般分为三类：完全折叠状态，展开与折叠运动状态，完全展开状态；组成可展机构的单元有不同的类型，如连杆机构、平行四边形单元、多面体单元等；可展机构广泛应用于航空航天领域，比如太阳能电池板、太阳帆等。
刚性可展机构主要将运动部件通过传统运动副进行连接，从而实现预定的展开运动，但是部件厚度的存在，导致装配困难，通过现有常见解决方法，如利用偏置转动关节位置或利用多条折痕代替一条折痕解决运动干涉问题会使可展机构结构更复杂，制造难度更大。由于加工误差与装配误差的存在，导致机构卡死等现象的出现。同时，刚性铰链存在一定的铰链间隙，刚性铰链运动过程中会出现结构碰撞与振动现象，大大降低了可展机构的运动平稳性。再次，刚性可展机构采用电机等驱动方式进行结构形态的变化，增加了可展机构的整体质量。
柔性铰链不同于传统铰链，其为利用自身材料的弹性变形而非刚性元件的运动来转换力、运动或能量的一种运动副形式，柔性铰链具有零件数量少、重量轻、无需润滑、装配简单，甚至无需装配等特点，有助于减少机构运动中的摩擦、磨损、冲击振动和噪音，从而可以提高机构精度，增加可靠性，减少维护。当可展机构采用柔性铰链代替刚性铰链时，由于柔性铰链可存储弹性势能，自身具有回程反力，可展机构便可自驱动展开，减小了机构整体质量。
发明内容
本发明的目的是在于克服现有刚性可展机构的不足，提供一种由柔性铰链驱动的环形机构连接可折叠薄膜构成的高刚度同步可展机构，其中桁架机构由多个含柔性铰链的环形模块组合而成，该可展机构通过自展开机构的展开实现薄膜的展开，并使薄膜在展开过程中保持类曲面形状。
本发明的技术方案是一种含柔性铰链的模块化空间曲面可展机构，包括一柔性伸杆、第一刚性杆、第二刚性杆之间通过刚性铰链铰接，构成一三角形单元；其特征在于：由多个上下相应的三角形单元通过刚性铰链铰接组网构成环形模块，多个环形模块之间通过刚性铰链铰接，经阵列组合构成可展桁架机构，所述可展桁架机构的刚性铰链与可展薄膜之间通过拉索连接，构成含柔性铰链的模块化空间曲面可展机构；所述可展桁架机构是利用柔性铰链处的弹性势能自驱动展开。
其中所述的柔性伸杆是一薄壁圆管，圆管上包含一长通孔作为柔性铰链，利用柔性铰链的弹性势能，实现伸杆的180度一体化空间展开；所述的三角形单元是在完全展开时的一等腰三角形；所述的空间曲面可展机构是冗余驱动机构，其环形模块驱动数目为12，自由度为1；所述的空间曲面可展机构是在展开与折叠运动状态下，可折叠薄膜保持曲面形状结构；所述的空间曲面可展机构的高刚度特性是通过采用柔性铰链的错位布局和冗余驱动方式实现。
与现有技术相比，本发明具体优点与积极效果集中体现在如下几点。
第一、本发明采用柔性铰链，相比于使用刚性铰链，可展机构具有质量轻、结构简单、展开可靠性与稳定性高、装配简单等特点，还能克服由加工误差所带来的运动干涉缺点。
第二、本发明依托可展开桁架机构展开后形成曲面的特点，连接可折叠薄膜，使薄膜在展开过程中保持曲面形状，使该机构能够更好地应用于薄膜天线等领域。
第三、本发明中含柔性铰链的三角形单元在可展开桁架机构中均布，可保证柔性铰链受力均衡。
第四、本发明基于同步可展模块，可实现机构本身的同步展开，由于该机构由可展模块阵列组合而来，故展开过程中可保持一定的精确性。
第五、本发明中的柔性铰链可以作为大型可展机构的驱动，使机构可以去除驱动装置，减小机构质量，并且通过柔性铰链的形状设计，可实现不同规律的扭矩输出。
第六、本发明中的柔性铰链错位均布，多个柔性铰链进行机构的冗余驱动，产生了该可展机构的高刚度特性。
第七、本发明实现了该类机构的模块化扩展，适用于反射面拉伸成型的曲面天线结构，可实现模块化生产，降低制造成本与难度。
附图说明
图1是本发明环形模块的三角形单元结构示意图。
图2是本发明可展桁架机构的环形模块结构示意图。
图3是本发明单个环形模块通过拉索连接薄膜构成可展机构的完全折叠状态结构示意图。
图4是本发明单个环形模块通过拉索连接薄膜构成可展机构的展开与折叠运动状态结构示意图。
图5是本发明单个环形模块通过拉索连接薄膜构成可展机构的完全展开状态结构示意图。
图6是本发明含柔性铰链模块化曲面空间可展机构的完全折叠状态结构示意图。
图7是本发明含柔性铰链模块化曲面空间可展机构的展开与折叠运动状态结构示意图。
图8是本发明含柔性铰链模块化曲面空间可展机构的完全展开状态结构示意图。
图中：1：刚性铰链；2：第一刚性杆；3：柔性铰链；4：柔性伸杆；5：第二刚性杆；6：拉索；7：可展薄膜；8：可展桁架机构。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
实施本发明上述所提供的一种含柔性铰链的模块化空间曲面可展机构，包括刚性铰链1、第一刚性杆2、柔性铰链3、柔性伸杆4、第二刚性杆5、拉索6、可展薄膜7和可展桁架机构8；其具体构成如下。
如附图1、附图2、附图8所示，选取一薄壁圆管为柔性伸杆4，该圆管中段上包含一长通孔作为柔性铰链3，利用柔性铰链3的弹性势能，柔性伸杆4能够实现的180度空间展开；再将一柔性伸杆4的两刚性段通过刚性铰链1分别与第一刚性杆2和第二刚性杆5铰接，第一刚性杆2和第二刚性杆5之间通过刚性铰链1铰接，构成一三角形单元，此三角形单元是在完全展开时为一等腰三角形；两个上下相应的三角形单元通过刚性铰链1铰接为一组，多个相应的三角形单元通过铰接，组合成可展桁架机构的环形模块，多个环形模块之间通过刚性铰链1进行铰接，经阵列组合构成可展桁架机构8。
如附图6、附图7、附图8所示，可展桁架机构8的刚性铰链1与可展薄膜7之间通过拉索6连接，构成本发明所述的含柔性铰链的模块化曲面空间可展机构；本可展桁架机构是利用柔性铰链3处的弹性势能自驱动展开。
上述所有空间曲面可展机构8是冗余驱动方式结构，其环形模块驱动数目为12，自由度为1；该机构吧在展开与折叠运动状态下，可折叠薄膜7保持曲面形状结构，并通过采用柔性铰链3的错位均布结构和自身的冗余驱动方式结构实现高刚度特性，本空间曲面可展机构8的工作原理及过程如下：
利用柔性铰链的弹性势能，本机构自驱动展开，进而实现由完全折叠状态到完全展开状态的转变，附图3、附图4、附图5为由单个环形模块通过拉索连接薄膜构成的可展机构，由于附图6、附图7、附图8中大型可展机构与附图3、附图4、附图5中可展机构的工作原理及过程相同，故采用附图3、附图4、附图5中可展机构的展开进行详述。
如附图3、附图4、附图5所示，柔性铰链3驱动柔性伸杆4两刚性段展开，可展机构由完全折叠状态到完全展开状态时；通过两刚性段与第一刚性杆2和第二刚性杆5的铰接，柔性伸杆4两刚性段的运动带动第一刚性杆2和第二刚性杆5相互远离，促使三角形单元展开；通过环形模块内部所有三角形单元的同步展开，环形模块展开；由于可展薄膜与环形模块通过拉索6相连接，环形模块的展开带动可折叠薄膜展开；当柔性伸杆4两刚性段展开至轴线重合，该可展机构实现完全展开。

Claims (6)

1.一种含柔性铰链的模块化空间曲面可展机构，包括一柔性伸杆（4）、第一刚性杆（2）、第二刚性杆（5）之间通过刚性铰链（1）铰接，构成一三角形单元；其特征在于：
由多个上下相应的三角形单元通过刚性铰链（1）铰接组网构成环形模块，多个环形模块之间通过刚性铰链（1）铰接，经阵列组合构成可展桁架机构（8），所述可展桁架机构（8）的刚性铰链（1）与可展薄膜（7）之间通过拉索（6）连接，构成含柔性铰链的模块化空间曲面可展机构；
所述可展桁架机构是利用柔性铰链（3）处的弹性势能自驱动展开。
2.如权利要求1所述的含柔性铰链的模块化空间曲面可展机构，其特征在于：所述柔性伸杆（4）是一薄壁圆管，圆管上包含一长通孔作为柔性铰链，利用柔性铰链的弹性势能，实现伸杆的180度一体化空间展开。
3.如权利要求1所述的含柔性铰链的模块化空间曲面可展机构，其特征在于：所述三角形单元是在完全展开时的一等腰三角形。
4.如权利要求1所述的含柔性铰链的模块化空间曲面可展机构，其特征在于：所述空间曲面可展机构（8）是冗余驱动机构，其环形模块驱动数目为12，自由度为1。
5.如权利要求1所述的含柔性铰链的模块化空间曲面可展机构，其特征在于：所述空间曲面可展机构（8）是在展开与折叠运动状态下，可折叠薄膜（7）保持曲面形状结构。
6.如权利要求1、4或5所述的含柔性铰链的模块化空间曲面可展机构，其特征在于：所述空间曲面可展机构（8）的高刚度特性是通过采用柔性铰链（3）的错位均布结构和自身的冗余驱动方式结构实现。
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