CN110641736B - 张拉整体伸展臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种张拉整体伸展臂，包括驱动单元、设置在驱动单元上的伸展单元，所述驱动单元包括工作台、设置在工作台内的步进电机、通过联轴器与步进电机输出端连接的滚轮、绕在滚轮上的中心驱动索，所述伸展单元由下至上分别为依次连接的底层伸展单元、中间层伸展单元、顶层伸展单元，中间层伸展单元的个数大于等于一，每层伸展单元均包括一号杆、二号杆和三号杆，同层的三个杆之间设置有三根斜索，相邻两层的三个杆之间通过鞍索和附加索连接，顶层伸展单元的三个杆的上端部分别通过中心索连接至位于中心的连接件二十一上，连接件二十一与中心驱动索连接。本发明是一种简单可靠且折叠率高的伸展臂。

Description

张拉整体伸展臂

技术领域

本发明涉及一种可展结构，尤其涉及一种张拉整体伸展臂。

背景技术

可展结构在建筑、航空航天等多个领域都有需求和应用。伸展臂作为一种主要的展开结构，具有能够实现一维折展、便于运输和储存、刚度高等特点，在航天领域应用十分广泛，许多星载天线、太阳能电池阵、光学望远镜等结构都使用了伸展臂结构。

桁架式伸展臂，其设计难度主要集中于运动副，而且其质量也主要集中于运动副。张拉整体伸展臂的杆构件不相互接触，这样就避免了运动副带来的问题。与桁架式伸展臂相比，张拉整体伸展臂具有质量小、折叠率高等优点。张拉整体伸展臂的刚度可调，而且调节方式简单，通过个别几个构件的长度变化，就可以实现整体刚度的改变，并且不需要设计复杂的铰接装置。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种单索驱动、可实现重复折展的张拉整体伸展臂。

本发明的目的是这样实现的：包括驱动单元、设置在驱动单元上的伸展单元，所述驱动单元包括工作台、设置在工作台内的步进电机、通过联轴器与步进电机输出端连接的滚轮、绕在滚轮上的中心驱动索，所述伸展单元由下至上分别为依次连接的底层伸展单元、中间层伸展单元、顶层伸展单元，中间层伸展单元的个数大于等于一，每层伸展单元均包括一号杆、二号杆和三号杆，同层的三个杆之间设置有三根斜索，相邻两层的三个杆之间通过鞍索和附加索连接，顶层伸展单元的三个杆的上端部分别通过中心索连接至位于中心的连接件二十一上，连接件二十一与中心驱动索连接。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述底层伸展单元的一号杆至三号杆的下端分别与均匀设置在工作台上的三个万向节铰接，底层伸展单元的一号杆至三号杆的上端分别设置有一连接件，顶层伸展单元和中间层伸展单元的一号杆至三号杆的上下两端分别设置有连接件，每层伸展单元上均设置有螺栓，螺栓上设置有弹簧索，弹簧索的端部连接有弹簧，

底层伸展单元的三根斜索的布置方式是：一号斜索的一端与万向节一连接、另一端绕过三号杆上的连接件后与三号杆上的弹簧连接，二号斜索的一端与万向节二连接、另一端绕过一号杆上的连接件后与一号杆上的弹簧连接，三号斜索的一端与万向节三连接、另一端绕过二号杆上的连接件后与二号杆上的弹簧连接；

中间层伸展单元和顶层伸展单元作为偶数层时，三根斜索的布置方式是：一号斜索的一端与一号杆下端连接件连接、另一端与二号杆上端连接件连接，二号斜索的一端与二号杆的下端连接、另一端与三号杆的上端连接，三号斜索的一端与三号杆的下端连接、另一端与一号杆上端连接；

中间层伸展单元和顶层伸展单元作为奇数层时，三根斜索的布置方式是：一号斜索的一端与一号杆下端连接件连接、另一端与三号杆上端连接件连接，二号斜索的一端与二号杆的下端连接、另一端与一号杆的上端连接，三号斜索的一端与三号杆的下端连接、另一端与二号杆上端连接；

中间层伸展单元和顶层伸展单元的斜索中间位置设置有一弹簧。

2.附加所索的连接方式是：某一层的三个杆的上端分别与其相邻两层的对应的三个杆的上端之间、某一层的三个杆的下端分别与其相邻两层的对应的三个杆的下端之间设置有附加索。

3.中间层伸展单元与顶层伸展单元的一号杆至三号杆上的螺栓、弹簧及弹簧索个数分别为2，且对称设置在对应的杆的两侧，

中间层伸展单元、顶层伸展单元作为奇数层时，其与前一层伸展单元之间的鞍索的连接方式为：其中一层的一号杆上的两个弹簧分别连接两根鞍索、两根鞍索的端部分别穿过一号杆下端的连接件后与前一层的一号杆上端的连接件和二号杆上端的连接件连接，二号杆上的两个弹簧分别连接两根鞍索、两根鞍索的端部分别穿过二号杆下端的连接件后与前一层的二号杆上端的连接件和三号杆上端的连接件连接，三号杆上的两个弹簧分别连接两根鞍索、两根鞍索的端部分别穿过三号杆下端的连接件后与前一层的三号杆上端的连接件和一号杆上端的连接件连接；

中间层伸展单元、顶层伸展单元作为奇数层时，其与前一层伸展单元之间的鞍索的连接方式为：其中一层的一号杆上的两个弹簧分别连接两根鞍索、两根鞍索的端部分别穿过一号杆下端的连接件后与前一层的一号杆上端的连接件和三号杆上端的连接件连接，二号杆上的两个弹簧分别连接两根鞍索、两根鞍索的端部分别穿过二号杆下端的连接件后与前一层的二号杆上端的连接件和一号杆上端的连接件连接，三号杆上的两个弹簧分别连接两根鞍索、两根鞍索的端部分别穿过三号杆下端的连接件后与前一层的三号杆上端的连接件和二号杆上端的连接件连接；

与底层伸展单元连接的中间层伸展单元的鞍索与偶数层相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明不需要附加锁紧装置就可以实现构件在任意位置时的自稳定。并且，除了与底座的连接，机构不含有铰链结构，构件只承受轴向力，这样使其结构更为简单和轻便。只需要调整个别索的长度，就可以实现整体结构刚度的调节，调节方式简单。通过弹簧与杆构件相连，使鞍索的长度可以改变，改变鞍索的长度就可以实现机构的展开或者收缩。在斜向杆上加弹簧的设计，减少了伸展臂折展过程中构件干涉现象的发生。本发明采用中心驱动的方式，只需要一个电机就可以实现结构的折展，驱动系统简单。由于结构的预紧力是一个均匀的系统，这样就可以保证伸展臂的折展过程是同步运行的，提升了折展效率。机构在展开过程中，由鞍索弹簧提供驱动力，利用步进电机的自锁特性控制展开速度，防止结构瞬间弹开造成冲击，提高了展开精度。在结构完全展开时，驱动索对结构的预紧力无影响，故不需要定位和制动装置。

附图说明

图1是结构完全展开图；

图2是底层伸展单元示意图；

图3是偶数层伸展单元示意图；

图4是奇数层伸展单元示意图；

图5是结构俯视图；

图6是驱动单元示意图；

图7是鞍索连接示意图；

图8a图8b分别是连接件的主视方向和俯视方向示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

以四个伸展单元为例说明本发明提出的技术方案：一种张拉整体伸展臂，包括伸展单元和驱动单元。此伸展臂结构可以看作是多个3杆张拉整体单元沿轴向拼接而成，每个单元都看作伸展单元。对这些单元由下至上依次排序，奇数层的伸展单元结构相同，偶数层的伸展结构单元相同，奇数层的斜向杆倾斜方向为逆时针方向，偶数层的斜向杆倾斜方向为顺时针方向。索构件分为以下几类：斜索、鞍索、附加索、中心索、驱动索、弹簧索。伸展单元内的杆构件通过斜索相连接，相邻伸展单元之间通过鞍索和附加索相连接，弹簧与螺栓之间通过弹簧索相连接。中心索在伸展臂的顶层端面，驱动索位于伸展臂内部中心。

本发明还包括：

还包括底层伸展单元D。有三个万向节1、2、27，三根斜向杆5、6、10，三个螺栓，三个连接件，三个弹簧、三根斜索，三个弹簧索。万向节均匀分布在工作台上，一端与工作台相连接，一端与斜向杆连接，通过万向节使工作台和底层伸展单元连接起来。万向节二的下端2与工作台连接，上端3与斜向杆连接。三根斜向杆的布置都相同，以斜向杆一5 为例，在此不在描述斜向杆二6和斜向杆三10。斜向杆一5上的构件包括万向节一1、螺栓一14、弹簧一16、连接件一24。斜向杆一5的一端与连接件一24相连接，另一端与万向节一1相连，中部又与螺栓一14相连接。在万向节一1和连接件三25之间的外侧布置斜索一 9，斜索一穿过连接件三25的小孔与弹簧三13相连，并且通过弹簧索三12与螺栓三11相连接，螺栓三11与斜向杆三10连接。在万向节一至万向节三上分别设置有斜索一至斜索三，斜索一的端部绕过连接件三后连接弹簧三，弹簧三的端部通过弹簧索三与螺栓三连接，另外的斜索二8和斜索三29的布置与斜索一9相同，具体是：斜索二8的端部绕过连接件一24 后连接弹簧一16，弹簧一16的端部通过弹簧索一15与螺栓一14连接，斜索三29的端部绕过连接件二34后连接弹簧二，弹簧二的端部通过弹簧索二与螺栓二连接。

还包括偶数层伸展单元C结构，偶数层伸展单元包括均匀分布的斜向杆四18、斜向杆五 43、斜向杆六50。每根斜向杆上的两侧都布置有两根弹簧。斜向杆四18上的构件为连接件四17、连接件七45、螺栓四26、弹簧四20、弹簧五21。斜向杆五43上的构件为连接件五48、连接件八47、螺栓五52、弹簧六51、弹簧七。斜向杆六50上的构件为连接件六49、连接件九46、螺栓六54、弹簧八53、弹簧九。单元内斜向杆的上下两端通过斜索连接，在连接件四17和连接件八47之间的外侧布置斜索四38。在连接件五48和连接件九46之间的外侧布置斜索五55。在连接件六49和连接件七45之间的外侧布置斜索六58。每根斜索中间都布置一个弹簧，斜索四38中部布置弹簧十39，斜索五55中部布置弹簧十一56，斜索六58 中部布置弹簧十二57。

还包括相邻伸展单元之间的连接方式。上下层的伸展单元通过鞍索和附加索连接在一起。附加索的连接规则为：每层的斜向杆的下端要与该层的上下两层斜向杆的下端通过附加索连接起来，每层的斜向杆的上端要与该层的上下两层斜向杆的上端通过附加索连接起来。鞍索的布置如图7所示，鞍索的一端与连接件固定，另一端穿过连接件与弹簧相连，并与斜向杆上的螺栓相连。以底层伸展单元与偶数层伸展单元之间为例。在底层伸展单元的连接件三25 和偶数层伸展单元的连接件四17之间布置鞍索一19，鞍索一22穿过连接件四17的小孔与弹簧四20相连，并通过弹簧索四23与螺栓四26相连。在偶数层伸展单元的连接件四17和底层伸展单元的连接件一24之间布置鞍索二22，鞍索二22穿过连接件四17的小孔与弹簧五21相连，并通过弹簧索与螺栓四26相连。依据此种连接规则布置鞍索三31，鞍索四32，鞍索五33，鞍索六30，使底层伸展单元的上端面与偶数层伸展单元下端面连接起来。在底层伸展单元的万向节一1与偶数层伸展单元的连接件四17之间布置附加索一4，在底层伸展单元的万向节二2与偶数层伸展单元的连接件五48之间布置附加索二7，在底层伸展单元的万向节三27与偶数层伸展单元的连接件六49之间布置附加索三28。在连接件一24与连接件八47之间布置附加索四40，在连接件二34与连接件九46之间布置附加索五59，在连接件三25与连接件七45之间布置附加索六60。在连接件四17与连接件十41之间布置附加索七60，在连接件五48与连接件十一62之间布置附加索八，在连接件六49与连接件十二81之间布置附加索九。

还包括与偶数层伸展单元结构相同，但是斜向杆的倾斜方向相反的奇数层伸展单元B，其连接方式与底层伸展单元和偶数层伸展单元之间的连接方在连接件三25与连接件七45之间布置附加索六6041式相同，都是通过鞍索和附加索与偶数层伸展单元相连。奇数层伸展单元包括斜向杆七42、斜向杆八93、斜向杆九86，斜向杆的上下两端都与连接件相连，斜向杆七42的下端与连接件十41相连接，上端与连接件十三79相连接。斜向杆八93的下端与连接件十一62相连接，上端与连接件十四94相连接。斜向杆九86的下端与连接件十二81 相连接，上端与连接件十五77相连接。每根斜向杆上的构件与偶数层伸展单元的斜向杆相同。在连接件十41与连接件十五77之间布置斜索七73，在连接件十一62与连接件十三79之间布置斜索八68，在连接件十二81与连接件十四94之间布置斜索九88。每根斜索的中间都布置有一个弹簧，如斜索八的中间布置有弹簧72。以斜向杆七42为例简单介绍鞍索的连接方式，鞍索七63的一端与连接件八47固定，另一端穿过连接件十41与弹簧十三65相连，并通过弹簧索与螺栓七69相连。鞍索八80的一端与连接件七45固定，另一端穿过连接件十 41与弹簧十四66相连，并通过弹簧索与螺栓七69相连。依照此种规则依次布置鞍索九67、鞍索十84、鞍索十一83、鞍索十二82。在连接件八47与连接件十三79之间布置附加索十 70，在连接件九46与连接件十四94之间布置附加索十一89，在连接件七45与连接件十五 77之间布置附加索十二87。斜向杆十76、斜向杆十一78、斜向杆十二92为顶层伸展单元的三根斜向杆。在斜向杆十76下端的连接件十六74与连接件十41之间布置附加索十三64。在斜向杆十一78下端的连接件十七90与连接件十一62之间布置附加索十四71。在斜向杆十二92下端的连接件十八91与连接件十二81之间布置附加索十五85。

还包括与偶数层伸展单元结构相似的顶层伸展单元A，顶层伸展单元斜向杆两端的连接件通过鞍索和附加索与临层伸展单元相连接，连接方式与底层伸展单元和偶数层伸展单元之间的连接方式的相同。顶层伸展单元上端面不再布置鞍索，而是在上端面的中心布置连接件二十二97，通过中心索一95、中心索二96、中心索三98分别与顶层伸展单元上端面与杆相连的连接件相连接。

还包括驱动单元E。驱动单元包括工作台，中心驱动索，螺栓，滚轮，联轴器，步进电机。连接件二十二97与螺栓相连接，在螺栓与滚轮之间布置中心驱动索102，滚轮101与联轴器100相连接，联轴器100与步进电机99相连接，步进电机99通过螺纹连接与工作台103 相连接。

结合图1～6，每个伸展单元包括杆构件、连接件、索构件、弹簧、螺栓。伸展臂的展开结构图和俯视图如图1、图5所示。其中连接件的形状如图8a-b所示，用以固定在杆构件的两端，使索构件穿过连接件的孔，将杆构件连接起来，该连接件的形状不限于此。单元内的杆构件通过斜索连接起来，单元间的杆构件通过附加索和鞍索连接起来。底层伸展单元如图 2所示，杆构件的下端与万向节相连接，可以实现任意角度的转动，杆构件上端与连接件相连，与第二伸展单元的下端面通过鞍索相连。偶数层伸展单元如图3所示，偶数层伸展单元的杆构件的上端的连接件通过鞍索与奇数层伸展单元的杆构件的下端相连，并且鞍索通过弹簧与杆构件相连，使鞍索的长度可以改变，改变鞍索的长度就可以实现展开或者收缩。奇数层伸展单元的结构与底层伸展单元相似、连接方式相同，与偶数层和顶层伸展单元相连。顶层单元通过上端面的三根中心索与驱动索相连接，如图5所示。驱动单元由工作台，中心驱动索，螺栓，滚轮，联轴器，步进电机组成，连接方式如图6所示。

图1为伸展臂的完全展开状态，也为其工作状态。此时，斜索连接的弹簧长度最大，鞍索连接的弹簧长度最小。图6中步进电机通过联轴器带动滚轮转动，将驱动索缠绕于滚轮上以实现驱动索的缩短。驱动索通过三根中心索，拉动图1所示机构完全展开态的顶部端面向下运动。伸展臂的顶部端面向下运动，鞍索伸长，每个伸展单元的端面(除了最顶部端面和最底部端面)外接圆半径增大，单元高度减小。随着驱动索的缩短，机构整体高度减小，直到各杆构件相互接触，整体高度达到最小，完成机构的折叠。机构弯曲折叠后，斜索连接的弹簧依然张紧，但是弹簧长度最小，鞍索连接的弹簧长度最大，保存了一定的弹性势能。

机构展开时，图6中步进电机通过联轴器带动滚轮反向转动，将驱动索从滚轮上释放以实现驱动索的伸长。机构的展开过程是鞍索的弹簧释放其弹性势能的过程，由鞍索自身的弹性势能使鞍索长度缩短，斜索长度伸长，利用步进电机的自锁特性带动驱动索，通过三根中心索，使伸展臂匀速展开。直到机构完全展开，此时驱动索不再受力就可以实现自平衡。此时斜索弹簧长度最大，鞍索连接的弹簧长度最小。

综上，本发明属于航天设备技术领域，提供了一种张拉整体伸展臂机构。该机构采用中心驱动的方式，只需要一个驱动就可以实现伸展臂竖直方向上的折叠和展开，故该机构的自由度为1。而且，该机构的折展过程具有一定的函数关系，并不是任意或随意运动，并且连接件简单可靠，不需要复杂的铰链设计，是一种简单可靠且折叠率高的伸展臂。杆之间通过索连接，可以大幅度降低伸展臂的总体质量，而且只要施加较大的预紧力，机构将具有较好的机构刚度，且具有非常好的结构对称性。机构材料只承受单向正应力，因此是轻质化、低能耗、抗冲击的新型结构组成形式，其作为索杆类空间伸展臂的一个分支对索杆式伸展臂的发展有着重要的意义，能够应用于大型空间可展机构。

Claims (3)

1.张拉整体伸展臂，其特征在于：包括驱动单元、设置在驱动单元上的伸展单元，所述驱动单元包括工作台、设置在工作台内的步进电机、通过联轴器与步进电机输出端连接的滚轮、绕在滚轮上的中心驱动索，所述伸展单元由下至上分别为依次连接的底层伸展单元、中间层伸展单元、顶层伸展单元，中间层伸展单元的个数大于等于一，每层伸展单元均包括一号杆、二号杆和三号杆，同层的三个杆之间设置有三根斜索，相邻两层的三个杆之间通过鞍索和附加索连接，顶层伸展单元的三个杆的上端部分别通过中心索连接至位于中心的连接件二十二上，连接件二十二与中心驱动索连接；所述底层伸展单元的一号杆至三号杆的下端分别与均匀设置在工作台上的三个万向节铰接，底层伸展单元的一号杆至三号杆的上端分别设置有一连接件，顶层伸展单元和中间层伸展单元的一号杆至三号杆的上下两端分别设置有连接件，每层伸展单元上均设置有螺栓，螺栓上设置有弹簧索，弹簧索的端部连接有弹簧，

底层伸展单元的三根斜索的布置方式是：一号斜索的一端与万向节一连接、另一端绕过三号杆上的连接件后与三号杆上的弹簧连接，二号斜索的一端与万向节二连接、另一端绕过一号杆上的连接件后与一号杆上的弹簧连接，三号斜索的一端与万向节三连接、另一端绕过二号杆上的连接件后与二号杆上的弹簧连接；

中间层伸展单元和顶层伸展单元作为偶数层时，三根斜索的布置方式是：一号斜索的一端与一号杆下端连接件连接、另一端与二号杆上端连接件连接，二号斜索的一端与二号杆的下端连接、另一端与三号杆的上端连接，三号斜索的一端与三号杆的下端连接、另一端与一号杆上端连接；

中间层伸展单元和顶层伸展单元作为奇数层时，三根斜索的布置方式是：一号斜索的一端与一号杆下端连接件连接、另一端与三号杆上端连接件连接，二号斜索的一端与二号杆的下端连接、另一端与一号杆的上端连接，三号斜索的一端与三号杆的下端连接、另一端与二号杆上端连接；

中间层伸展单元和顶层伸展单元的斜索中间位置设置有一弹簧。

2.根据权利要求1所述的张拉整体伸展臂，其特征在于：附加索的连接方式是：某一层的三个杆的上端分别与其相邻两层的对应的三个杆的上端之间、某一层的三个杆的下端分别与其相邻两层的对应的三个杆的下端之间设置有附加索。

3.根据权利要求2所述的张拉整体伸展臂，其特征在于：中间层伸展单元与顶层伸展单元的一号杆至三号杆上的螺栓、弹簧及弹簧索个数分别为2，且对称设置在对应的杆的两侧，

中间层伸展单元、顶层伸展单元作为奇数层时，其与前一层伸展单元之间的鞍索的连接方式为：其中一层的一号杆上的两个弹簧分别连接两根鞍索、两根鞍索的端部分别穿过一号杆下端的连接件后与前一层的一号杆上端的连接件和二号杆上端的连接件连接，二号杆上的两个弹簧分别连接两根鞍索、两根鞍索的端部分别穿过二号杆下端的连接件后与前一层的二号杆上端的连接件和三号杆上端的连接件连接，三号杆上的两个弹簧分别连接两根鞍索、两根鞍索的端部分别穿过三号杆下端的连接件后与前一层的三号杆上端的连接件和一号杆上端的连接件连接；

中间层伸展单元、顶层伸展单元作为奇数层时，其与前一层伸展单元之间的鞍索的连接方式为：其中一层的一号杆上的两个弹簧分别连接两根鞍索、两根鞍索的端部分别穿过一号杆下端的连接件后与前一层的一号杆上端的连接件和三号杆上端的连接件连接，二号杆上的两个弹簧分别连接两根鞍索、两根鞍索的端部分别穿过二号杆下端的连接件后与前一层的二号杆上端的连接件和一号杆上端的连接件连接，三号杆上的两个弹簧分别连接两根鞍索、两根鞍索的端部分别穿过三号杆下端的连接件后与前一层的三号杆上端的连接件和二号杆上端的连接件连接；

与底层伸展单元连接的中间层伸展单元的鞍索与偶数层相同。

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