CN110281218B - 一种柔性铰链冗余驱动并联结构刚度杆 - Google Patents
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Abstract
一种柔性铰链冗余驱动并联结构刚度杆是由柔性铰链薄壁伸杆及其安装支座构成；薄壁伸杆以结构自身的通孔作为柔性关节，利用柔性关节的弯曲势能，实现其180度折叠展开功能，具有质量轻、结构简单、展开可靠性与稳定性高、机械安装接口简单等特点，两个薄壁伸杆通过与安装支座连接形成并联机构；通过计算得到机构的驱动数为6，自由度为2，由于驱动数大于自由度，形成了冗余驱动，冗余驱动极大地改善了机构的受力特性，可避开机构的奇异位形；同时过约束并联机构则大大提高了机构的刚度及承载能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种含柔性铰链的高刚度杆，特别是一种具有冗余驱动过约束并联结构的高刚度杆，适用于抛物面天线、太阳帆、卫星空间可展开结构等。
背景技术
在航天结构中，空间伸杆是最基本的一类空间可展结构，其通过杆状可展机构展开为一维线性体系，呈细长管或单向构架，广泛应用于卫星的太阳帆板、通讯天线、探测设备以及空间平台等结构，用以实现发射时收拢、在轨展开或空间展开折叠功能。
柔性铰链是指在外部力或力矩的作用下，利用材料的弹性变形在相邻刚性杆之间产生相对运动的一种运动副形式，与传统刚性运动副的结构有很大不同，相对于传统的刚性铰链机构，柔性铰链机构具有整体化、免于润滑、无间隙和摩擦等优点，同时，其储能特性为柔性铰链在空间用折展机构中的应用奠定了基础。
冗余驱动结构可以有效地改善机构的受力特性，避开奇异位形；并联机构是指由两个或者两个以上分支组成，机构具有两个及两个以上自由度，且以并联方式驱动的结构。并联结构相对于串联结构具有机构刚度大、承载能力强、质量轻、惯性小、位置误差不累积等特点。
其中冗余驱动过约束并联机构由于同时存在主动过约束和被动过约束，很好地融合了过约束并联机构与冗余驱动并联机构二者的优点，具有承载能力大和各方向刚度良好等特点，应用潜力很大，但其受力分析相当复杂。
发明内容
为了解决现有含柔性铰链机构存在的小转角或大应变问题，本发明提供一种一种柔性铰链冗余驱动并联结构刚度杆，能够在弹性应变范围内实现180度大挠度弯曲，并依靠自身变形存储的弹性势能实现展开。
本发明目的通过如下技术方案实现的。
一种柔性铰链冗余驱动并联结构刚度杆，包括刚度杆的基本单元结构；其特征在于：
所述刚度杆是由一个基本单元构成、或者是由N个基本单元构成；
所述基本单元结构是由柔性铰链薄壁伸杆及其安装支座构成；
所述柔性铰链薄壁伸杆是由带有单元内反对称分布柔性铰链设置的第一柔性铰链薄壁伸杆和第二柔性铰链薄壁伸杆及其第一安装支座和第二安装支座构成；
所述第一柔性铰链薄壁伸杆和柔性铰链薄壁伸杆第二是含有柔性铰链Ⅰ、含有柔性铰链Ⅱ、含有柔性铰链Ⅲ、含有柔性铰链Ⅳ、含有柔性铰链Ⅴ及含有柔性铰链Ⅵ。
进一步有如下技术特征。
所述基本单元结构的分布规律是单元内的柔性铰链反对称布置，实现单元的平行四边形折叠。
所述并联结构刚度杆的驱动数为6；过约束自由度为2。
所述并联结构刚度杆是轴向180 度折叠展开结构。
本发明上述技术方案利用带有按照一定规律分布的柔性铰链的薄壁伸杆，其通孔处为柔性关节，通过利用柔性关节的弯曲势能，实现伸杆的180度折叠展开功能；与传统的柔性铰链相比，其运动行程较大，可实现的折叠角度较大，两个薄壁伸杆通过并联与安装支座铰接，形成冗余驱动并联机构，提高了结构的刚度、承载能力和结构稳定，适用于大转角的高精度机构设计，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、本发明薄壁伸杆本身是结构一体化的可展开柔性伸杆，该伸杆具有质量轻、结构简单、展开可靠性与稳定性高，重复展开指向精度高、机械安装接口简单、适用于多种航天器等特点，尤其具有自行展开自动定型的特点，无需额外的驱动装置。
第二、本发明中两个薄壁伸杆通过并联与安装支座铰接，形成冗余驱动过约束并联机构，具有承载能力大和各项同性良好等特点，提高了机构的稳定性和刚度。
第三、本发明中利用薄壁伸杆中的通孔作为柔性关节，通过利用柔性关节的弯曲势能，实现伸杆的180 度折叠展开功能，实现了机构的较大折叠角度，有效地增大了结构的空间利用率。
附图说明
图1是本发明机构基本单元结构示意图。
图2是本发明含四个基本单元的机构完全折叠结构简图。
图3是本发明含四个基本单元的机构展开状态1结构简图。
图4是本发明含四个基本单元的机构展开状态2结构简图。
图5是本发明含四个基本单元的机构完全展开状态结构简图。
图6是本发明机构展开过程状态1结构示意图。
图7是本发明机构展开过程状态2结构示意图。
图8是本发明机构展开完全态结构示意图。
图中：1：第一柔性铰链薄壁伸杆；2：第二柔性铰链薄壁伸杆；3：第一安装支座；4：第二安装支座；5：柔性铰链Ⅰ；6：柔性铰链Ⅱ；7：柔性铰链Ⅲ；8：柔性铰链Ⅳ；9：柔性铰链Ⅴ（9）；10：柔性铰链Ⅵ。
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。
实施一种本发明上述所提供的一种柔性铰链冗余驱动并联结构刚度杆的技术方案，包括刚度杆的基本单元结构，此刚度杆是由一个基本单元构成，或者是由N加一个基本单元构成；
其中的基本单元结构是由柔性铰链薄壁伸杆及其安装支座构成；
其中的柔性铰链薄壁伸杆是由带有单元内反对称分布柔性铰链设置的第一柔性铰链薄壁伸杆1和第二柔性铰链薄壁伸杆2及其第一安装支座3和第二安装支座4构成；
其中的第一柔性铰链薄壁伸杆1和柔性铰链薄壁伸杆第二2是含有柔性铰链Ⅰ5、含有柔性铰链Ⅱ6、含有柔性铰链Ⅲ7、含有柔性铰链Ⅳ8、含有柔性铰链Ⅴ9及含有柔性铰链Ⅵ10。
进一步的具体实施方案在于带有单元内反对称分布柔性铰链设置是在基本单元结构中进行柔性铰链反对称设置结构。
进一步的具体实施方案还在于并联结构刚度杆的驱动数为6；过约束自由度为2。
进一步的具体实施方案还在于并联结构刚度杆是轴向180 度折叠展开结构。
上述本发明所实施的一种柔性铰链冗余驱动并联结构刚度杆，将其结构上的薄壁伸杆作为弹性储能模块，其伸杆上的通孔处为柔性关节，利用柔性关节的弯曲势能，实现伸杆的180度折叠展开功能；在机构发射过程中，高刚度杆要求伸杆能够实现180度折叠，夹紧固定在卫星的表面；在入轨后夹紧释放机构解锁，整个机构能够平稳地展开成直线状，待完全展开后，有效载荷开始科学探测。
具体实施例1
为了更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的具体实施方式做出进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施方式所表示的范围。
如附图1所示，实施一种柔性铰链冗余驱动并联结构刚度杆，包括薄壁伸杆第一柔性铰链薄壁伸杆1、第二柔性铰链薄壁伸杆2、第一安装支座3和第二安装支座4；其中，第一柔性铰链薄壁伸杆1和第二柔性铰链薄壁伸杆2是通过并联连接在机构安装在第一安装支座3和第二安装支座4上；第一柔性铰链薄壁伸杆1和第二柔性铰链薄壁伸杆2上分布安装有柔性铰链Ⅰ5、柔性铰链Ⅱ6、柔性铰链Ⅲ7、柔性铰链Ⅳ8、柔性铰链Ⅴ9和柔性铰链Ⅵ10，但柔性铰链Ⅰ5、柔性铰链Ⅱ6、柔性铰链Ⅲ7、柔性铰链Ⅳ8、柔性铰链Ⅴ9和柔性铰链Ⅵ10的分布规律不同，其具体基本单元结构的分布规律如附图1所示。
如附图1所示的第一柔性铰链薄壁伸杆1和第二柔性铰链薄壁伸杆2上包含有柔性铰链Ⅰ5、柔性铰链Ⅱ6、柔性铰链Ⅲ7、柔性铰链Ⅳ8、柔性铰链Ⅴ9和柔性铰链Ⅵ10，薄壁伸杆上的通孔即为柔性铰链，通过利用包含四个基本单元的结构展开过程简图（附图2-附图5）来展现其结构的展开过程；如附图2简图中所示，柔性铰链Ⅲ7和柔性铰链Ⅳ8实现180度的折叠，其余柔性铰链Ⅰ5、柔性铰链Ⅱ6、柔性铰链Ⅴ9和柔性铰链Ⅵ10实现90度折叠，在向空间输送过程中，可以大大减少机构的体积，可夹紧固定在卫星的表面；机构在入轨后夹紧释放机构解锁，其柔性铰链通过释放其弹性势能，结构展开过程先后状态如附图3和附图4所示，其结构展开至平行四边形状；当柔性铰链Ⅰ5、柔性铰链Ⅱ6、柔性铰链Ⅲ7、柔性铰链Ⅳ8、柔性铰链Ⅴ9和柔性铰链Ⅵ10由初始状态展开后呈直线状，如简图5所示；附图6-附图8给出展开过程示意图，当整个结构完全展开，可以开始科学检测工作。
上述技术方案是一种柔性铰链冗余驱动并联结构刚度杆，利用两个含柔性铰链的薄壁伸杆通过并联与安装支座铰接，构成冗余驱动过约束并联机构；其中的单元内反对称分布柔性铰链是在基本单元结构中将柔性铰链进行反对称布置的结构，通过反对称布置，可充分发挥折展机构发射体积较小，展开刚度大的优势，可极大地增加结构的体积利用率，减少输送阻力，同时也提高了在轨精度。
为了进一步实现本发明的技术思想，在薄壁伸杆上按照一定规律进行设置柔性铰链，不仅有效地减轻了结构的质量，便于机构向太空中传送，同时重复折叠展开指向的精度较高，薄壁伸杆上的通孔处为柔性铰链，实现伸杆的180度折叠展开功能。
本发明利用两个通孔布置方式不同的薄壁伸杆并联在一起，形成冗余驱动过约束并联机构，相较于串联机构，并联机构尽管结构相对复杂、工作空间较小、动作相对不灵活，但是刚度大、运动误差无累积、承载重量比大、模块化程度高、响应速度快、成本低、技术附加值高，特别适用于重载高精度的场合或微动场合；同时提供增加冗余驱动，减少机构内部奇异，增加其可用工作空间；过约束并联机构则大大提高了机构的刚度及承载能力，此发明很好地融合了被动过约束并联机构与冗余驱动并联机构二者的优点，具有承载能力大和各项同性良好等特点。
Claims (4)
1.一种柔性铰链冗余驱动并联结构刚度杆，包括刚度杆的基本单元结构；其特征在于：
所述刚度杆是由一个基本单元构成、或者是由N个基本单元构成；
所述基本单元结构是由柔性铰链薄壁伸杆及其安装支座构成；
所述柔性铰链薄壁伸杆是由带有单元内反对称分布柔性铰链设置的第一柔性铰链薄壁伸杆（1）和第二柔性铰链薄壁伸杆（2）及其第一安装支座（3）和第二安装支座（4）构成；
所述第一柔性铰链薄壁伸杆（1）和第二柔性铰链薄壁伸杆（2）含有柔性铰链Ⅰ（5）、含有柔性铰链Ⅱ（6）、含有柔性铰链Ⅲ（7）、含有柔性铰链Ⅳ（8）、含有柔性铰链Ⅴ（9）及含有柔性铰链Ⅵ（10）。
2.如权利要求1所述的柔性铰链冗余驱动并联结构刚度杆，其特征在于：所述基本单元结构的分布规律是单元内的柔性铰链反对称布置，实现单元的平行四边形折叠。
3.如权利要求1所述的柔性铰链冗余驱动并联结构刚度杆，其特征在于：所述并联结构刚度杆的驱动数为6；过约束自由度为2。
4.如权利要求1所述的柔性铰链冗余驱动并联结构刚度杆，其特征在于：所述并联结构刚度杆是轴向180 度折叠展开结构。
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