CN113071711B - 一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构 - Google Patents

一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构 Download PDF

Info

Publication number
CN113071711B
CN113071711B CN202110426266.2A CN202110426266A CN113071711B CN 113071711 B CN113071711 B CN 113071711B CN 202110426266 A CN202110426266 A CN 202110426266A CN 113071711 B CN113071711 B CN 113071711B
Authority
CN
China
Prior art keywords
isosceles trapezoid
units
rods
foldable
rod
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110426266.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113071711A (zh
Inventor
吕胜男
姚鹏飞
张武翔
丁希仑
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beihang University
Original Assignee
Beihang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beihang University filed Critical Beihang University
Priority to CN202110426266.2A priority Critical patent/CN113071711B/zh
Publication of CN113071711A publication Critical patent/CN113071711A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113071711B publication Critical patent/CN113071711B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/222—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles for deploying structures between a stowed and deployed state

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Tents Or Canopies (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

本发明公开一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构，属于空间折展机构领域。机构具有呈镜面对称的两个等腰梯形单元，以及两侧共用两个等腰梯形同侧斜边的矩形单元；同时等腰梯形单元与矩形单元采用连杆连接而成，各连杆间通过连接件连接形成转动副；同时整个机构顶面与底面四根连杆采用可折叠杆。机构自由度为1，展开后外形为等腰梯形截面直四棱柱，等腰梯形角度可在一定范围内变化，折叠后外形为束状。本发明运动控制简单，生产加工方便，可实现束状折叠，展开后工作空间大且外形丰富，在建筑、航空、航天等领域中有重要意义和广泛应用前景。

Description

一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构
技术领域
本发明属于空间折展机构领域，具体涉及一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构。
背景技术
随着航天事业的发展，航天器结构越来越趋向于大型化。然而，由于运载火箭容积的限制，能够发射到太空的非折展结构的尺寸无法满足任务需求。由于可折展机构具有折叠和展开两种形态，折叠时占用体积小，刚度和强度高，便于运输；展开时，能够形成预定的结构形式；因此，各种类型的空间可折展机构得到了快速发展和应用，如折展太阳能电池板、空间站基础骨架、空间机械臂、空间伸展臂、大口径折展天线、大型柔性太阳帆板支撑背架等。
可折展机构一般采用模块化设计，即由若干个相同折展模块连接组成，每一个折展模块称为基本折展单元，把一系列基本折展单元按照一定的机构学原理连接在一起，可构成大尺度可折展机构。例如，AEC-Able公司研制的索杆铰接式伸展臂，四根横杆刚性连接构成刚性框架，纵杆两端通过球铰与相邻的刚性框架铰接构成伸展臂桁架单元；ETS-VIII卫星采用六边形模块单元进行天线背架的组网。
相对于平面机构，Bennett、Myard和Bricard等空间过约束机构具有单自由度、折展比大等优点，以此类单元为基本折展单元构成可折展机构，将能很好地满足航天器结构的需求。已有学者进行了此方面的研究，在此仅列出与本发明同属空间折展机构领域的技术方案。
2013年发表于Journal of Mechanical Design第135卷的Virtual ChainApproach for Mobility Analysis of Multiloop Deployable Mechanisms公开了一种可束状折叠的正四棱柱单元，该单元是由4个相同的面对称Bricard单元以共用杆件的方式连接构成闭环机构，以该机构为基本折展单元可组网成一维伸展臂和二维空间平面桁架，该机构的缺点是外形单一，不能通过改变杆件参数使机构形成除矩形外的其他截面，从而限制了其应用范围。一种可折展四棱柱框架结构(申请号：201610493049.4)公开了一种可束状折叠的四棱柱框架结构，该结构是由4个与前者不同的面对称Bricard单元以共用杆件的方式连接构成闭环机构，但是该机构与前者有相同的缺点。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构，以克服现有技术中机构外形单一、应用范围窄的不足。
本发明一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构，具有两个呈镜面对称设置的等腰梯形单元。等腰梯形单元由四根连杆两两端部相连构成，各连杆间由转动副连接。两个等腰梯形单元同侧倾斜连杆上下端间通过连杆相连形成转动副，在两个等腰梯形两侧形成呈镜面对称的两个矩形单元。上述等腰梯形单元以及矩形单元的顶边连杆与底边连杆均为可折叠杆。
折叠过程中所有连杆同步运动，其中两个等腰梯形单元中上侧可折叠杆中两段直杆向上相对转动，同时向机构内部或外部移动；下侧可折叠杆中两段直杆向下相对转动，同时与上侧可折叠杆中两段直杆移动方向相同；进而带动两侧倾斜连杆相对运动。同时两个矩形单元中上侧可折叠杆中两段直杆向上相对转动，且与等腰梯形单元中可折叠杆中两段直杆移动方向相反；下侧可折叠杆中两段直杆向下相对转动，且与上侧两段直杆移动方向相同；进而带动矩形单元左右两侧直杆相对运动，最终使两个等腰梯形单元的倾斜连杆向整个机构竖直中轴线靠拢，实现折叠。
本发明的优点在于：
1、本发明可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构，机构自由度为1，仅依靠单个动力源即可驱动机构折展，运动控制简单，生产加工方便。
2、本发明可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构，可实现束状折叠，方便储存和运输；展开后工作空间大且外形丰富，在建筑、航空、航天等领域中有重要意义和广泛应用前景。
附图说明
图1为本发明可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构展开状态结构示意图。
图2为本发明可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构中等腰梯形单元结构示意图。
图3为本发明可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构中矩形单元结构示意图。
图4为本发明可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构中连杆间转动副空间方位示意图。
图5为本发明可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构中折叠方式示意图。
图6为本发明可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构折叠后结构示意图。
图中：
1-左侧等腰梯形单元 2-右侧等腰梯形单元 3-前侧矩形单元
4-后侧矩形单元
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构，由杆件构成的等腰梯形截面直四棱柱结构，如图1所示，具有左侧等腰梯形单元1，以及与左侧等腰梯形单元1呈镜面对称的右侧等腰梯形单元2；两个等腰梯形单元间相对的夹角位置通过连杆连接，则在等腰梯形截面直四棱柱结构前后侧分别形成前侧矩形单元3与后侧矩形单元4，且前侧矩形单元3与后侧矩形单元4呈镜面对称。
如图2所示，在等腰梯形单元中，上下两侧连杆为由两段直杆构成的可折叠杆；前后两侧倾斜连杆均为直杆。令下侧可折叠杆中两个直杆长度分别为LT1与LT6，上侧可折叠杆中两个直杆长度分别为LT3与LT4；前后两侧倾斜连杆长度分别为LT2与LT5，则有：
LT1＝LT6、LT2＝LT5、LT3＝LT4
LT1＝LT3+LT2sin(θ/2)
LT6＝LT4+LT5sin(θ/2)
且前后两侧倾斜连杆夹角0∈0,π。
上述等腰梯形单元中，上侧可折叠杆中两个直杆间通过连接件相连形成转动副A；下侧可折叠杆中两个直杆间通过连接件相连形成转动副B；上侧可折叠杆的两端分别通过连接件与前侧和后侧倾斜连杆上端安装的转接头相连形成转动副C；下侧可折叠杆的两端分别通过连接件与前侧和后侧倾斜连杆下端安装的转接头相连形成转动副D。其中，转动副C与转动副D转动轴线平行，均垂直于等腰梯形单元；而转动副A与转动副B的转动轴线相交，且转动副A与转动副C的转动轴线在其公垂线的法平面内投影夹角为α，转动副B与转动副D的转动轴线在其公垂线的法平面内投影的夹角为α，此时，单个等腰梯形单元形成一种可束状折叠的面对称Bricard机构，其自由度为1，即驱动任何一根连杆即可带动其余连杆同步运动，最终折叠成束状。
如图3所示，在矩形单元中，上下两侧连杆为可折叠杆，与前述可折叠杆相同，由两段直杆构成，上侧两段直杆端部间通过连接件相连形成转动副E；下侧两段直杆端部间通过连接件相连形成转动副F；而第一矩形单元3左右两侧连杆即为两个等腰梯形单元前侧连杆；第二矩形单元4左右两侧连杆即为两个等腰梯形单元后侧连杆。令第一矩形单元3与第二矩形单元4中，下侧两段直杆长度分别为LR1与LR2，上侧两段直杆长度分别为LR3与LR4，则有：
LR1＝LR2＝LR3＝LR4。
上述矩形单元3中，上侧可折叠杆两端分别与两个等腰梯形单元倾斜连杆上端转接件连接形成转动副G；下侧可折叠杆两端分别与两个等腰梯形单元倾斜连杆下端转接件连接形成转动副H；其中，转动副G与转动副H的转动轴线垂直于矩形单元；转动副E与转动副F的转动轴线相交；转动副E与转动副G的转动轴线在其公垂线的法平面内投影夹角为α；转动副F与转动副H的转动轴线在其公垂线的法平面内投影夹角为α，此时，单个矩形单元形成一种可束状折叠的面对称Bricard机构，其自由度为1，即驱动任何一根连杆运动时，将带动其余连杆同步运动，最终折叠成束状。
上述机构中，两个等腰梯形单元中转动副A与转动副B的转动轴线交点均位于机构内侧或外侧；同时两个矩形单元中转动副E与转动副F的转动轴线交点的位置与两个等腰梯形单元相反；且当两个等腰梯形单元中转动副A与转动副B的转动轴线交点均位于机构内侧或外侧时，两个矩形单元中的转动副E与转动副F的转动轴线交点均位于机构外侧或内侧；按照此方式构成的等腰梯形截面直四棱柱机构，其自由度为1，即驱动任意一根连杆运动即可带动其余连杆同步运动。同时，仅当等腰梯形单元中的夹角α与矩形单元中的夹角α相等，且α∈(0,π/2)，等腰梯形截面直四棱柱机构方可实现束状折叠。
下面通过实施例对本发明可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构具体折叠方式进行说明：
如图5所示，为θ＝π/3、α＝π/3，且两个等腰梯形单元中转动副A与转动副B的转动轴线交点均位于机构外侧，两个矩形单元中的转动副E与转动副F的转动轴线交点均位于机构内侧。在折叠过程中所有连杆同步运动，其中两个梯形单元中上侧可折叠杆的两段直杆分别绕转动副A向上相对转动，同时向机构内部移动；下侧可折叠杆的两段直杆绕转动副B向下相对转动，同时向机构内部移动；进而带动两侧倾斜连杆相对运动。同时两个矩形单元中上侧可折叠杆的两段直杆绕转动副E向上相对转动，同时向机构外部移动；下侧可折叠杆的两段直杆绕转动副F向下相对转动，同时向机构外部移动；进而带动矩形单元左右两侧直杆(即两个等腰梯形单元同侧倾斜连杆)相对运动，最终使两个等腰梯形单元的倾斜连杆向整个机构竖直中轴线靠拢，实现折叠，折叠后结构如图6所示。

Claims (3)

1.一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构，其特征在于：具有两个呈镜面对称设置的等腰梯形单元；等腰梯形单元由四根连杆两两端部相连构成，各连杆间由转动副连接，四角处转动副轴线平行，均垂直于等腰梯形单元；
两个等腰梯形单元同侧倾斜连杆上下端间通过连杆相连形成转动副，在两个等腰梯形两侧形成呈镜面对称的两个矩形单元；上述等腰梯形单元以及矩形单元的上侧连杆与下侧连杆均为可折叠杆，上侧与下侧可折叠杆转动副轴线相交；
上述等腰梯形单元中，下侧可折叠杆中两个直杆长度分别为LT1与LT6，上侧可折叠杆中两个直杆长度分别为LT3与LT4；两侧倾斜连杆长度分别为LT2与LT5，则有：
LT1＝LT6、LT2＝LT5、LT3＝LT4
LT1＝LT3+LT2sinθ/2
LT6＝LT4+LT5sinθ/2；
同时等腰梯形单元中，两侧倾斜连杆夹角θ∈( 0,π) ；
上述矩形单元中，上侧与下侧可折叠杆中两段直杆长度相等；同时矩形单元中，上侧与下侧可折叠杆转动副轴线相交；矩形单元上侧连杆和下侧连杆与两个等腰梯形单元倾斜连杆间的转动副轴线均垂直于矩形单元；
进一步下述8个夹角角度相等，分别为：
a、两个等腰梯形单元中，上侧可折叠杆转动副与等腰梯形单元两个顶角处转动副轴线在其公垂线的法平面内投影的夹角α；
b、两个等腰梯形单元中，下侧可折叠杆转动副与等腰梯形单元两个底角处转动副轴线在其公垂线的法平面内投影的夹角α；
c、两个矩形单元中，上侧可折叠杆转动副与上侧可折叠杆同两个等腰梯形单元倾斜连杆上端间的转动副轴线在其公垂线的法平面内投影的夹角α；
d、两个矩形单元中，下侧可折叠杆转动副与下侧可折叠杆同两个等腰梯形单元倾斜连杆下端间的转动副轴线在其公垂线的法平面内投影的夹角α；
上述夹角α∈(0,π/2)。
2.如权利要求1所述一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构，其特征在于：两个等腰梯形单元中上侧与下侧可折叠杆的转动副轴线交点均位于机构内侧或外侧；当两个等腰梯形单元中上侧与下侧可折叠杆转动副的转动轴线交点位于机构内侧或外侧时，两个矩形单元中上侧与下侧可折叠杆转动副的转动轴线交点位于机构外侧或内侧。
3.如权利要求1所述一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构，其特征在于：折叠过程中所有连杆同步运动，其中两个等腰梯形单元中上侧可折叠杆中两段直杆向上相对转动，同时向机构内部或外部移动；下侧可折叠杆中两段直杆向下相对转动，并与上侧可折叠杆中两段直杆移动方向相同；进而带动两侧倾斜连杆相对运动；同时两个矩形单元中上侧可折叠杆中两段直杆向上相对转动，且与等腰梯形单元中可折叠杆中两段直杆移动方向相反；下侧可折叠杆中两段直杆向下相对转动，且与上侧两段直杆移动方向相同；进而带动矩形单元左右两侧直杆相对运动，最终使两个等腰梯形单元的倾斜连杆向整个机构竖直中轴线靠拢，实现折叠。
CN202110426266.2A 2021-04-20 2021-04-20 一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构 Active CN113071711B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110426266.2A CN113071711B (zh) 2021-04-20 2021-04-20 一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110426266.2A CN113071711B (zh) 2021-04-20 2021-04-20 一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113071711A CN113071711A (zh) 2021-07-06
CN113071711B true CN113071711B (zh) 2023-01-13

Family

ID=76618188

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110426266.2A Active CN113071711B (zh) 2021-04-20 2021-04-20 一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113071711B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115199914B (zh) * 2022-06-16 2023-06-02 上海工程技术大学 一种易隐蔽的侦查设备搭载平台

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6076770A (en) * 1998-06-29 2000-06-20 Lockheed Martin Corporation Folding truss
CN202153555U (zh) * 2010-12-15 2012-02-29 关富玲 双环形桁架式可展开天线
CN105799950A (zh) * 2016-03-18 2016-07-27 燕山大学 单自由度过约束剪式可展单元及其组成的空间可展机构
CN106078680A (zh) * 2016-06-27 2016-11-09 天津大学 一种可折展四棱柱框架结构
CN107054693A (zh) * 2017-05-05 2017-08-18 燕山大学 单自由度非对称剪铰式可展开机构单元
CN208123242U (zh) * 2018-03-21 2018-11-20 深圳市陆博新材料有限公司 一种自锁式空间折叠结构
CN109050980A (zh) * 2018-08-29 2018-12-21 燕山大学 一种基于三棱柱可展单元机构的伸展臂

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6076770A (en) * 1998-06-29 2000-06-20 Lockheed Martin Corporation Folding truss
CN202153555U (zh) * 2010-12-15 2012-02-29 关富玲 双环形桁架式可展开天线
CN105799950A (zh) * 2016-03-18 2016-07-27 燕山大学 单自由度过约束剪式可展单元及其组成的空间可展机构
CN106078680A (zh) * 2016-06-27 2016-11-09 天津大学 一种可折展四棱柱框架结构
CN107054693A (zh) * 2017-05-05 2017-08-18 燕山大学 单自由度非对称剪铰式可展开机构单元
CN208123242U (zh) * 2018-03-21 2018-11-20 深圳市陆博新材料有限公司 一种自锁式空间折叠结构
CN109050980A (zh) * 2018-08-29 2018-12-21 燕山大学 一种基于三棱柱可展单元机构的伸展臂

Also Published As

Publication number Publication date
CN113071711A (zh) 2021-07-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107331939B (zh) 剪叉式六棱柱可展单元及其组成的空间可展机构
CN105799950B (zh) 单自由度过约束剪式可展单元及其组成的空间可展机构
CN107933959B (zh) 六杆机构及由其组成的可展模块、伸展臂、平面展开桁架
Meng et al. Structure design and kinematic analysis of a class of ring truss deployable mechanisms for satellite antennas based on novel basic units
CN113071711B (zh) 一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构
CN102167165A (zh) 一种七转动副可展单元及采用该可展单元的空间可展机构
CN106450647A (zh) 剪叉式六棱柱可展单元及其组成的空间可展机构
Guo et al. A novel modular deployable mechanism for the truss antenna: Assembly principle and performance analysis
CN111276785B (zh) 一种单自由度对称空间rurur可展单元及基于此的空间可展机构
CN110116418A (zh) 一种剪叉弯曲变胞机构机械手
CN115180117A (zh) 双侧三棱锥模块化飞行器变形翼骨架机构
CN108860667B (zh) 一种桁架式可折展抓捕变胞机构
CN205499405U (zh) 单自由度过约束剪式可展单元及其组成的空间可展机构
Yundou et al. Design and analysis of a truss deployable antenna mechanism based on a 3UU-3URU unit
CN108518407B (zh) 一种对称可折展厚板结构
CN113675574B (zh) 一种双向平板折展单元及双向平板折展天线机构
CN109940589B (zh) 对称两转一移完全解耦并联机构
CN106078680A (zh) 一种可折展四棱柱框架结构
CN109484734B (zh) 一种单自由度双重对称的可折展盒子结构
CN108638110B (zh) 一种刚性可折展抓捕变胞机构
CN113071710B (zh) 基于等腰梯形截面直四棱柱机构拟合柱面的方法
CN108945523B (zh) 四棱柱可展单元以及基于四棱柱可展单元的空间伸展机构
CN108443308B (zh) 一种可折展厚板盒子结构
CN107416232B (zh) 一种抛物面花瓣式折展装置
CN212435636U (zh) 具有四边形构件的单自由度可无限扩展可展结构

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant