CN110589035A - 单自由度四面体可展胞元机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可展胞元技术领域，具体公开了一种单自由度四面体可展胞元机构，包括第一连杆、第一转动副、第二连杆、第二转动副、第三连杆、第四转动副、第四连杆、第三转动副、第九转动副、第八连杆、第十转动副、第九连杆、第十一转动副、第七转动副、第七连杆、第六连杆、第八转动副、第六转动副、第五连杆和第五转动副。本发明包括九个连杆和十一个转动副，这种结构的单自由度四面体可展胞元机构结构简单，运动副更少，完全采用转动副，机构精度更高。

Description

单自由度四面体可展胞元机构

技术领域

本发明涉及可展胞元技术领域，尤其涉及一种单自由度四面体可展胞元机构。

背景技术

随着空间技术的不断发展，空间望远镜、空间天线及空间站等大型空间功能载荷的应用逐渐广泛。而此类设备在空间安装及使用中，需要满足一定刚度及精度的大型空间载荷承载结构作为其基座，起到固定、承载的作用。由于载荷承载结构工作时的包络体积大，运载火箭无法将其直接发射升空。采用大型可展机构，又存在机构较为复杂，装配精度要求高，展开过程容易卡死等问题。

因此，产生了将承载结构的构件运载至指定轨道，然后在空间中直接搭建桁架式载荷平台的解决方案。可将空间桁架拆分为相同的多面体胞元，并将每个胞元转化为机构。发射时将胞元机构折叠，运送到指定轨道后将折叠的胞元机构依次展开、拼装，完成空间桁架的搭建。空间可展胞元机构的形状种类繁多，如三棱柱、六棱柱、四棱锥等，其中四面体形的可展胞元机构具有组装灵活，冗余杆件少，重量轻等优点。而已有的四面体可展胞元机构种类较少，且存在杆件多，结构复杂，球副降低运动精度等问题。

现有的四面体可展单元中，如专利号为201510672988.0的单自由度四面体可展单元，由一个顶花盘、三个等长的摇摆杆、六个连杆、九个转动副和三个球副组成。顶花盘通过三个呈120度对称分布的转动副分别与三个摇摆杆相连，三个摇摆杆末端两两相连，且连接方式相同，如下：一个摇摆杆末端通过一个转动副与一个连杆一端连接，该连杆另一端通过球副与另一连杆的一端连接，该连杆通过一个转动副与另一摇摆杆末端相连。该机构总共用到了十个零件、十二个运动副，且其中有三个球副。杆件多使得机构结构复杂、重量较大，另外球副实现起来间隙较大，造成机构整体运动精度低。

发明内容

本发明的目的是提供一种单自由度四面体可展胞元机构，以克服现有技术中的四面体可展单元运动副较多，存在球副，杆件多，运动精度较低等问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种单自由度四面体可展胞元机构，包括第一连杆、第一转动副、第二连杆、第二转动副、第三连杆、第四转动副、第四连杆、第三转动副、第九转动副、第八连杆、第十转动副、第九连杆、第十一转动副、第七转动副、第七连杆、第六连杆、第八转动副、第六转动副、第五连杆和第五转动副；

所述第一连杆的一端通过所述第一转动副与所述第二连杆的一端连接，所述第二连杆的另一端通过所述第二转动副与所述第三连杆的一端连接，所述第三连杆的另一端通过所述第三转动副与所述第四连杆的一端连接，所述第四连杆的另一端通过所述第四转动副与所述第一连杆的另一端连接；当所述单自由度四面体可展胞元机构完全展开时，所述第一转动副、第二转动副、第三转动副和第四转动副的轴线平行，且所述第一转动副、第二转动副和第三转动副的轴线共面，所述第一连杆与所述第四连杆垂直，所述第二连杆与所述第三连杆共线，当所述单自由度四面体可展胞元机构完全折叠时，所述第二连杆能够嵌入所述第三连杆的凹槽中，所述第三连杆能够嵌入所述第四连杆的凹槽中，所述第一转动副、第二转动副、第三转动副和第四转动副的轴线平行且共面，所述第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆平行；

所述第五转动副、第五连杆、第六转动副、第六连杆、第八转动副、第七连杆和第七转动副的结构及连接关系与所述第一转动副、第二连杆、第二转动副、第三连杆、第四转动副、第四连杆和第三转动副的结构和连接关系相同，所述第五连杆通过所述第五转动副与所述第一连杆连接，所述第一连杆通过所述第八转动副与所述第一连杆连接，所述第五转动副的轴线与所述第一转动副的轴线垂直；

所述第四连杆通过所述第九转动副与所述第八连杆连接，所述第八连杆通过所述第十转动副与所述第九连杆连接，所述第九连杆通过所述第十一转动副与所述第七连杆连接，所述第九转动副的轴线与所述第三转动副的轴线垂直，所述第十一转动副的轴线与所述第七转动副的轴线垂直；所述第十转动副的轴线与所述第一连杆的夹角为°，当所述单自由度四面体可展胞元机构完全展开时，所述第八连杆与所述第九连杆共线，当所述单自由度四面体可展胞元机构完全折叠时，所述第八连杆与所述第九连杆贴合。

优选的，所述述第一转动副的轴线与所述第四转动副的轴线的间距为a，所述第三转动副的轴线与所述第四转动副的轴线的间距为b，a≠b。

优选的，a>b，所述第一转动副的轴线与所述第二转动副的轴线的间距为c，

所述第二转动副的轴线与所述第三转动副的轴线的间距为d，

优选的，所述第一连杆的截面为正方形，所述第二连杆和第五连杆的截面为矩形，所述第三连杆、第四连杆、第六连杆和第七连杆的截面为凹字形，所述第八连杆和第九连杆的截面为等腰直角三角形。

本发明的单自由度四面体可展胞元机构中第一连杆与第二连杆、第三连杆、第四连杆构成一个直角三角形机构，第一连杆与第五连杆、第六连杆、第七连杆构成另一个直角三角形机构，两个直角三角形机构互相垂直，第四连杆通过第九转动副与第八连杆连接，第八连杆通过第十转动副与第九连杆连接，第九连杆通过第十一转动副与第七连杆连接，第四连杆与第八连杆之间的夹角以及第七连杆与第九连杆之间的夹角均为45度，这种结构的单自由度四面体可展胞元机构结构简单，运动副更少，完全采用转动副，机构精度更高。

附图说明

图1为本发明实施例的单自由度四面体可展胞元机构完全展开时的结构示意图；

图2为本发明实施例的单自由度四面体可展胞元机构半展开时的结构示意图；

图3为本发明实施例的单自由度四面体可展胞元机构完全折叠时的结构示意图。

图中，1：第一连杆；2：第一转动副；3：第二连杆；4：第二转动副；5：第三连杆；6：第四转动副；7：第四连杆；8：第三转动副；9：第九转动副；10：第八连杆；11：第十转动副；12：第九连杆；13：第十一转动副；14：第七转动副；15：第七连杆；16：第六连杆；17：第八转动副；18：第六转动副；19：第五连杆；20：第五转动副。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-3所示，本实施例的单自由度四面体可展胞元机构包括：第一连杆1、第一转动副2、第二连杆3、第二转动副4、第三连杆5、第四转动副6、第四连杆7、第三转动副8、第九转动副9、第八连杆10、第十转动副11、第九连杆12、第十一转动副13、第七转动副14、第七连杆15、第六连杆16、第八转动副17、第六转动副18、第五连杆19和第五转动副20。

第一连杆1的一端通过第一转动副2与第二连杆3的一端连接，第二连杆3的另一端通过第二转动副4与第三连杆5的一端连接，第三连杆5的另一端通过第三转动副8与第四连杆7的一端连接，第四连杆7的另一端通过第四转动副6与第一连杆1的另一端连接；当单自由度四面体可展胞元机构完全展开时(如图1)，第一转动副2、第二转动副4、第三转动副8和第四转动副6的轴线平行，且第一转动副2、第二转动副4和第三转动副8的轴线共面，第一连杆1与第四连杆7垂直，第二连杆3与第三连杆5共线，当单自由度四面体可展胞元机构完全折叠时(如图3)，第二连杆3能够嵌入第三连杆5的凹槽中，第三连杆5能够嵌入第四连杆7的凹槽中，第一转动副2、第二转动副4、第三转动副8和第四转动副6的轴线平行且共面，第一连杆1、第二连杆3、第三连杆5和第四连杆7平行。

第五转动副20、第五连杆19、第六转动副18、第六连杆16、第八转动副17、第七连杆15和第七转动副14的结构及连接关系与第一转动副2、第二连杆3、第二转动副4、第三连杆5、第四转动副6、第四连杆7和第三转动副8的结构和连接关系相同，第五连杆19通过第五转动副20与第一连杆1连接，第一连杆15通过第八转动副17与第一连杆1连接，第五转动副20的轴线与第一转动副2的轴线垂直。如图1所示，第一转动副2与第五转动副20交于点A，第四转动副6与第八转动副17交于点B，AB与第一转动副2、第四转动副6轴线均垂直，第五转动副20和第八转动副17轴线均垂直于直线AB、第一转动副2轴线和第四转动副6轴线，第一转动副2、第四转动副6和第五转动副20、第八转动副17关于平面C对称。第五连杆19、第六连杆16、第七连杆14、第九连杆12分别与第二连杆3、第三连杆5、第四连杆7、第八连杆10关于平面C呈对称布置。

第四连杆7通过第九转动副9与第八连杆10连接，第八连杆10通过第十转动副11与第九连杆12连接，第九连杆12通过第十一转动副13与第七连杆15连接，第九转动副9的轴线与第三转动副8的轴线垂直，第十一转动副13的轴线与第七转动副14的轴线垂直；第十转动副11的轴线与第一连杆1的夹角为45°，当单自由度四面体可展胞元机构完全展开时(如图1)，第八连杆10与第九连杆12共线，第九转动副9与第三转动副8、第四转动副6轴线垂直且交与点D，第十一转动副13与第四转动副6、第七转动副14垂直且交于点E，第十转动副11在平面C上，与直线AB夹角为45°，且经过CD的中点，当单自由度四面体可展胞元机构完全折叠时(如图3)，第八连杆10与第九连杆12贴合，所有连杆平行，机构整体收束成杆状。

述第一转动副2的轴线与第四转动副6的轴线的间距为a，第三转动副8的轴线与第四转动副6的轴线的间距为b，则a≠b。

如a>b，第一转动副2的轴线与第二转动副4的轴线的间距为c，则

第二转动副4的轴线与第三转动副8的轴线的间距为d，则

第一连杆1的截面为正方形，第二连杆3和第五连杆19的截面为矩形，第三连杆5、第四连杆7、第六连杆16和第七连杆15的截面为凹字形，第八连杆10和第九连杆12的截面为等腰直角三角形。

本发明的单自由度四面体可展胞元机构中第一连杆与第二连杆、第三连杆、第四连杆构成一个直角三角形机构，第一连杆与第五连杆、第六连杆、第七连杆构成另一个直角三角形机构，两个直角三角形机构互相垂直，第四连杆通过第九转动副与第八连杆连接，第八连杆通过第十转动副与第九连杆连接，第九连杆通过第十一转动副与第七连杆连接，第四连杆与第八连杆之间的夹角以及第七连杆与第九连杆之间的夹角均为45度，这种结构的单自由度四面体可展胞元机构结构简单，运动副更少，完全采用转动副，机构精度更高。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (4)

1.一种单自由度四面体可展胞元机构，其特征在于，包括第一连杆(1)、第一转动副(2)、第二连杆(3)、第二转动副(4)、第三连杆(5)、第四转动副(6)、第四连杆(7)、第三转动副(8)、第九转动副(9)、第八连杆(10)、第十转动副(11)、第九连杆(12)、第十一转动副(13)、第七转动副(14)、第七连杆(15)、第六连杆(16)、第八转动副(17)、第六转动副(18)、第五连杆(19)和第五转动副(20)；

所述第一连杆(1)的一端通过所述第一转动副(2)与所述第二连杆(3)的一端连接，所述第二连杆(3)的另一端通过所述第二转动副(4)与所述第三连杆(5)的一端连接，所述第三连杆(5)的另一端通过所述第三转动副(8)与所述第四连杆(7)的一端连接，所述第四连杆(7)的另一端通过所述第四转动副(6)与所述第一连杆(1)的另一端连接；当所述单自由度四面体可展胞元机构完全展开时，所述第一转动副(2)、第二转动副(4)、第三转动副(8)和第四转动副(6)的轴线平行，且所述第一转动副(2)、第二转动副(4)和第三转动副(8)的轴线共面，所述第一连杆(1)与所述第四连杆(7)垂直，所述第二连杆(3)与所述第三连杆(5)共线，当所述单自由度四面体可展胞元机构完全折叠时，所述第二连杆(3)能够嵌入所述第三连杆(5)的凹槽中，所述第三连杆(5)能够嵌入所述第四连杆(7)的凹槽中，所述第一转动副(2)、第二转动副(4)、第三转动副(8)和第四转动副(6)的轴线平行且共面，所述第一连杆(1)、第二连杆(3)、第三连杆(5)和第四连杆(7)平行；

所述第五转动副(20)、第五连杆(19)、第六转动副(18)、第六连杆(16)、第八转动副(17)、第七连杆(15)和第七转动副(14)的结构及连接关系与所述第一转动副(2)、第二连杆(3)、第二转动副(4)、第三连杆(5)、第四转动副(6)、第四连杆(7)和第三转动副(8)的结构和连接关系相同，所述第五连杆(19)通过所述第五转动副(20)与所述第一连杆(1)连接，所述第一连杆(15)通过所述第八转动副(17)与所述第一连杆(1)连接，所述第五转动副(20)的轴线与所述第一转动副(2)的轴线垂直；

所述第四连杆(7)通过所述第九转动副(9)与所述第八连杆(10)连接，所述第八连杆(10)通过所述第十转动副(11)与所述第九连杆(12)连接，所述第九连杆(12)通过所述第十一转动副(13)与所述第七连杆(15)连接，所述第九转动副(9)的轴线与所述第三转动副(8)的轴线垂直，所述第十一转动副(13)的轴线与所述第七转动副(14)的轴线垂直；所述第十转动副(11)的轴线与所述第一连杆(1)的夹角为45°，当所述单自由度四面体可展胞元机构完全展开时，所述第八连杆(10)与所述第九连杆(12)共线，当所述单自由度四面体可展胞元机构完全折叠时，所述第八连杆(10)与所述第九连杆(12)贴合。

2.根据权利要求1所述的单自由度四面体可展胞元机构，其特征在于，所述述第一转动副(2)的轴线与所述第四转动副(6)的轴线的间距为a，所述第三转动副(8)的轴线与所述第四转动副(6)的轴线的间距为b，a≠b。

3.根据权利要求2所述的单自由度四面体可展胞元机构，其特征在于，a>b，所述第一转动副(2)的轴线与所述第二转动副(4)的轴线的间距为c，

所述第二转动副(4)的轴线与所述第三转动副(8)的轴线的间距为d，

4.根据权利要求1所述的单自由度四面体可展胞元机构，其特征在于，所述第一连杆(1)的截面为正方形，所述第二连杆(3)和第五连杆(19)的截面为矩形，所述第三连杆(5)、第四连杆(7)、第六连杆(16)和第七连杆(15)的截面为凹字形，所述第八连杆(10)和第九连杆(12)的截面为等腰直角三角形。