CN112550762A - 一种由三对称Bricard机构组成的新型单自由度平面可展开机构网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种由三对称Bricard机构组成的新型单自由度平面可展开机构网络，它由多个三对称Bricard机构通过剪叉机构连接而成，机构网络中的三对称Bricard机构按照杆长的不同分为两类，除杆长参数不同外，机构的其它参数都相同。本发明利用了三对称Bricard机构的构型特点，构造的平面可展开机构网络自由度为1，展开状态下为平面，因为机构网络中单元的杆长不同，在收拢状态下具有较小的高度，折叠比较高，可以通过增加新的机构单元实现网格化扩展，适合构建大尺度空间可展开机构。

Description

一种由三对称Bricard机构组成的新型单自由度平面可展开 机构网络

技术领域

本发明隶属于航天器材与设备技术领域，涉及一种由多个三对称Bricard机构组成的单自由度平面可展开机构网络，可用于卫星展开天线、太阳能电池阵支撑架等空间可折展机构。

背景技术

随着空间技术的发展，空间装备的体积越来越大，而运载火箭的载荷舱尺寸有限，为了适应这种需求，人们提出了可展开机构的概念。在发射阶段，将空间装备折叠成较小的体积，存储在载荷舱内，当发射入轨后，再展开成较大的外形，完成预定的功能。经过多年发展，如今可展开机构广泛应用于卫星大口径天线、太阳能电池阵支撑结构、镜头遮阳罩等。

根据展开机构实现其折展功能的方式，将折展机构分为两大类，分别是基于柔性材料特性的展开机构和基于机构特性的铰接式展开机构。其中铰接式展开机构由铰接运动副和连杆构成，依靠机构特性实现展开和收拢功能，具有刚度高、精度好、重复折展精度高、可靠性高等优点，如今已广泛应用于空间伸展臂、空间可展桁架、卫星可展天线等领域，但该类展开机构质量较大、制造工艺复杂。柔性材料展开机构靠材料本身的特性实现展开和收拢，质量轻，但重复展开精度差、刚度和精度较低。

铰接式展开机构已成为一种比较成熟的空间组件，如今采用的机构构型大都为平面机构，虽然具有构型简单、单元组合容易等优点，但折叠比较小，构造大尺度展开机构收拢体积较大。空间单闭环机构的连杆运动是空间的，相对于平面机构，具有折叠比大、刚度高的优点，但运动复杂，单元组合困难。

三对称Bricard机构是一种经典空间单闭环机构，能展开成平面正三角形或正六边形，收拢成一束杆，具有优良的折展性能。本设计以三对称Bricard机构为基本单元，由其组成机构网络，机构网络中有两种不同参数的单元，通过调整两种单元的杆长关系，使得机构网络收拢后具有较低的收拢高度。本设计可以作为大口径卫星展开天线、太阳电池阵支撑桁架等大型展开机构的基础骨架。

发明内容

本发明提供一种由三对称Bricard机构组成的新型平面可展开机构网络，它由两类除杆长不同外其它参数都相同的三对称bricard机构组合而成，能通过添加新模块的方式扩充大小，可以用来构建大尺度的平面可展开机构。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种由三对称Bricard机构组成的模块化平面可展开机构网络，其特征如图3所示，所述的可展开机构网络包含两种机构单元：基础单元和过渡单元，基础单元以Bi(i＝1,2,…)表示，过渡单元以Ti(i＝1,2,…)表示，两种单元都是三对称Bricard机构。基础单元和过渡单元的组合关系如图3所示，每个基础单元周围环绕3个过渡单元，每个过渡单元周围同样环绕3个基础单元，基础单元的尺寸大于过渡单元。

所述的三对称Bricard机构如图1和2所示，为6杆6转动副的机构，6根杆的杆长相等，6个转动副中，相隔的3个转动副轴线相交于一点。

所述基础单元和过渡单元的连接方式如图7所示，它们通过剪叉机构相连接，剪叉机构中连杆两端的两个转动副分属于两个机构，它们互相平行，如B1-1和T2-7所指示的两个转动副轴线平行，B1-5和T2-1所指示的两个转动副轴线平行，其它连杆两端转动副的平行关系与此类似。

所述平面可展开机构网络在运动过程中如图5和6所示，机构网络的自由度为1，在运动过程中，各机构单元的运动互相协调，基础单元和过渡单元在运动过程中互相平行。

本发明与现有的技术相比具有以下优点：

1.本发明结构简单，机构网络中只含有两种不同参数的机构，生产安装比较方便，制造成本很低。

2.本发明的可折展性能优良，克服了传统Bricard机构网络所有单元参数必须完全一致的缺点，纵向收拢高度相对于传统Bricard机构网络较低，可以在构造大尺度空间可折展机构的情况下，保持较小的收拢体积。

3.本发明运动自由度为1，展开过程便于控制，在构造大尺度展开平面的过程中，只需添加很少的驱动，就能展开。

附图说明

图1：本发明三对称Bricard机构构型示意图。图1中，1.转动副1，2.连杆1，3.转动副2，4.连杆2，5.转动副3，6.连杆3，7.转动副4，8.连杆4，9.转动副5，10.连杆5，11.转动副6，12.连杆6。

图2：本发明中三对称Bricard机构展开状态示意图，为正三角形。

图3：本发明中的由三对称Bricard机构组成的平面机构网络，图中是它的完全展开状态。图3中，B1,B2,…,B9等较大的正三角形机构都是三对称Bricard机构，称为基础单元，其余未标注的较大的正三角形也是基础单元。T1,T2,T3,T4等较小的正三角形机构也是三对称Bricard机构，称为过渡单元，图3中仅标注了部分过渡单元。

图4：本图为图3中A处的详细视图，是过渡单元T2的详细视图。过渡单元T2周围环绕三个基础单元，分别为B1、B2、B7。

图5：本发明中平面机构网络运动过程中的状态，本图是机构网络的俯视图。图4中，基础单元B1,B2,…,B9等和图3中的基础单元是同一个单元，只是运动状态发生了改变，基础单元T1,T2等与此类同。在图中，基础单元和过渡单元是同步运动的。

图6：本发明中平面机构网络运动过程中的状态，本图是3D视图，从图中可以看出各单元间的关系。图6与图5显示的是机构网络的同一状态，只是图6的视角与图5不同。

图7：本发明中平面机构网络中基础单元和过渡单元间连接关系示意图，它摘自图6中的部分单元，即基础单元B1、B2、B7和过渡单元T2。图7中，B1、B2、B7表示三个基础单元，T2表示一个过渡单元，指示符号中，B1-1.基础单元B1的转动副1，B1-2.基础单元B1的连杆1，B1-3.基础单元B1的转动副2，B1-4.基础单元B1的连杆2，B1-5.基础单元B1的转动副3，B1-6.基础单元B1的连杆3，B1-7.基础单元B1的转动副4，B1-8.基础单元B1的连杆4，B1-9.基础单元B1的转动副5，B1-10.基础单元B1的连杆5，B1-11.基础单元B1的转动副6，B1-12.基础单元B1的连杆6；B2-1.基础单元B2的转动副1，B2-2.基础单元B2的连杆1，B2-3.基础单元B2的转动副2，B2-4.基础单元B2的连杆2，B2-5.基础单元B2的转动副3；B2-1.基础单元B2的转动副1，B2-2.基础单元B2的连杆1，B2-3.基础单元B2的转动副2，B2-4.基础单元B2的连杆2，B2-5.基础单元B2的转动副3；B7-1.基础单元B7的转动副1，B7-2.基础单元B7的连杆1，B7-3.基础单元B7的转动副2，B7-4.基础单元B7的连杆2，B7-5.基础单元B7的转动副3；T2-1.过渡单元T2的转动副1，T2-2.过渡单元T2的连杆1，T2-3.过渡单元T2的连杆2，T2-4.过渡单元T2的转动副2，T2-5.过渡单元T2的连杆3，T2-6.过渡单元T2的连杆4，T2-7.过渡单元T2的转动副3，T2-8.过渡单元T2的连杆5，T2-9.过渡单元T2的连杆6。

实施方式

所述的单自由度平面可展开机构网络由多个三对称Bricard机构组合而成，是一个模块化机构，可以通过添加新的三对称Bricard机构扩展尺寸。机构网络中的三对称Bricard机构分为两类：基础单元和过渡单元，它们的机构参数除杆长外，其余都相等。所述平面可展开机构网络在完全展开状态是一个平面，此时覆盖面积最大，随着机构的运动而收拢，覆盖面积减小。

图1所示为本专利中组成机构网络的基本单元，即三对称Bricard机构的结构示意图。在图1中，连杆1、2、3、4、5、6的杆长相等，转动副1、3、5的轴线相交于一点，转动副2、4、6的轴线相交于一点。

图2所示为本专利中三对称Bricard机构的展开状态，此时机构成一个正三角形。

图3所示为本专利中由三对称Bricard机构组成的单自由度平面可展开机构网络的完全展开状态，是一个平面。在图3中，基础单元B1、B2等和过渡单元T1、T2等互相连接，它们都是三对称Bricard机构，为了简化，没有标出所有单元的编号。两种单元连接方式为每个基础单元周围环绕三个过渡单元，每个过渡单元周围也环绕三个基础单元，两种单元所成的正三角形顶角互相相对。图4所示为过渡单元和基础单元相连接处的详细视图。当两种单元相连接时，连接机构为剪叉机构，单元间共用一个转动副，与共用转动副相邻的两个连杆也融合固连成为一根连杆。

图5所示为机构网络从展开状态运动时的状态，此时机构网络覆盖面积减小，图5为俯视图，图6为机构网络的3D视图。当机构网络运动时，各机构单元间的连接关系不变，整个机构网络的自由度为1。

图7所示为本专利中机构网络运动状态的局部机构单元连接视图，从图中可以看出基础单元和过渡单元的连接方式。图7中，B1、B2、B7三个基础单元环绕过渡单元T2，它们之间通过剪叉机构连接。三个基础单元的结构参数都相等，基础单元的杆长大于过渡单元的杆长，除此外，它们的其它结构参数都相等。对于过渡单元T2，它的三个转动副T2-1、T2-4、T2-7是自己独有的，另三个转动副是和三个基础单元共用的，分别是B1-3、B2-3、B7-3，6根连杆T2-2、T2-3、T2-5、T2-6、T2-8、T2-9的杆长相等，转动副T2-1、T2-4、T2-7相交于一点，转动副B1-3、B2-3、B7-3相交于另一点。

图7中，基础单元B1的连杆B1-2和过渡单元T2的连杆T2-8成一条直线且固连，它们融合成一根连杆，连杆B1-4和T2-9也成一条直线，固连成一根连杆。基础单元B1的转动副B1-3和过渡单元T2共用，转动副B1-3不仅在基础单元中作为转动副，在过渡单元T2中也参与构成三对称Bricard机构。连杆B1-2、T2-8、B1-4、T2-9和转动副B1-3构成一个剪叉机构，基础单元B1和过渡单元T2通过这个剪叉机构协调运动。在这个剪叉机构中，两个连杆端部的转动副，B1-1和T2-7平行，B1-5和T2-1平行。基础单元B2和过渡单元T2也通过剪叉机构连接，这个剪叉机构由连杆B2-2、T2-5、B2-4、T2-6和转动副B2-3组成，转动副B2-3为两个单元B2和T2共用，连杆B2-2和T2-5构成一整根连杆，连杆B2-4和T2-6也构成一整根连杆，杆端转动副B2-5和T2-7平行，转动副B2-1和T2-4平行。基础单元B7和过渡单元T2间的剪叉机构由连杆B7-2、T2-3、B7-4、T2-2和共用转动副B7-3组成，连杆B7-2和T2-3构成一整根连杆，连杆B7-4和T2-2构成一整根连杆，杆端转动副B7-1和T2-4平行，转动副B7-5和T2-1平行。

图3、图5、图6中基础单元和过渡单元的连接方式与图7所示的连接方式完全相同。

图3、图5、图6中所示机构网络可以通过添加新的三对称Bricard机构增大尺寸，添加的机构，如果作为基础单元，需要与图中的基础单元结构参数一致，如果作为过渡单元，需要与图中过渡单元的结构参数一致。在本发明所示的机构网络中，只存在两种不同参数的三对称Bricard机构。

Claims (3)

1.一种由三对称Bricard机构组成的新型单自由度平面可展开机构网络，其特征在于：多个三对称Bricard机构通过剪叉机构连接在一起，构成一个模块化的机构网络。机构网络中的机构单元除杆长参数不同外，其它结构参数都相同。机构网络展开状态为平面，收拢时覆盖面积减小，通过调整单元杆长关系，收拢状态的高度较传统Bricard机构网络较小。通过增加新的机构单元，可以扩展机构网络的尺寸。

2.按照权利要求1所述的由三对称Bricard机构组成的可展开机构网络，其特征在于：机构网络中只有两种单元，杆长较长的单元称基础单元，较短的称过渡单元，两种单元的结构参数分别相等，单元间的参数只有杆长不同。组合时，每个基础单元周围环绕三个过渡单元，每个过渡单元周围也环绕三个基础单元。

3.按照权利要求1所述的由三对称Bricard机构组成的可展开机构网络，其特征在于：基础单元和过渡单元通过剪叉机构连接时，共用一个转动副，相对的连杆也固接成为一整根连杆，这根连杆两端的转动副平行。

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