CN114180101B - 桁架式伸缩臂机构和平面式可展开桁架阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了由空间可展开基本单元及其构造的空间多棱柱可展开机构组成的桁架式伸缩臂机构和平面式可展开桁架阵列。空间可展开基本单元由上、下两个空间对称型7R机构和一个平面连接机构组成。空间多棱柱可展开机构由多个基本单元组成，其中相邻基本单元共用长支链臂和内节点。多个基本单元或空间多棱柱可展开机构可以组成桁架式伸缩臂机构，其中相邻基本单元或空间多棱柱可展开机构的上、下内节点分别通过上、下端面固连。多个空间多棱柱可展开机构可以组成平面式可展开桁架阵列，相邻空间多棱柱可展开机构共用两对上、下内节点。桁架式伸缩臂机构和平面式可展开桁架阵列均为单自由度机构，具有良好的结构和运动对称性、折叠/展开性能。

Description

桁架式伸缩臂机构和平面式可展开桁架阵列

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，尤其是涉及一类桁架式伸缩臂机构和一类平面式可展开桁架阵列。

背景技术

在航空航天领域，空间站、卫星等航天器需要确保通信和能源供应，以执行复杂的空间任务。随着任务多样性的丰富和规模的增大，相关太阳能采集和航天器发射设备的可展开面积和长度也在增加。然而，这些设备通常是由火箭或航天飞机运载升空的，小发射空间与大可展开面积之间存在突出矛盾，传统的刚性支撑结构难以满足要求。相比之下，可展开机构具有存储空间小、可展开面积大的优点，在相关领域越来越受重视。桁架式伸缩臂机构和太阳能采集阵列具有结构简单、重量较轻、互换性强等优点，是理想的结构形式之一。因此，设计高性能的桁架式伸缩臂机构和可展开桁架阵列具有重要意义。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出由空间可展开基本单元及其构造的空间多棱柱可展开机构组成的桁架式伸缩臂机构和平面式可展开桁架阵列。所述桁架式伸缩臂机构和平面式可展开桁架阵列具有良好的结构和运动对称性，因此具有较为简单的运动学和动力学。所述桁架式伸缩臂机构和平面式可展开桁架阵列具有单自由度，避免了采用过多的同步关节，这不仅保证了可靠性，同时降低了机构整体的重量。此外，所述桁架式伸缩臂机构和平面式可展开桁架阵列具有较好的折叠/展开性能。

根据本发明实施例的空间可展开基本单元，包括：上空间对称型7R机构；下空间对称型7R机构；平面连接机构，所述平面连接机构分别与所述上空间对称型7R机构和所述下空间对称型7R机构可枢转相连。多个所述空间可展开基本单元可组成桁架式伸缩臂机构，相邻所述空间可展开基本单元的上、下内节点分别通过上、下端面固连；组成所述桁架式伸缩臂机构的所述空间可展开基本单元的数量可以根据具体设计需求进行设定。

根据本发明实施例的空间可展开基本单元，其具有一个自由度。

在一些实施例中，所述上空间对称型7R机构包括：上中心节点；第一上内节点；第一长支链臂，所述第一长支链臂分别与所述上中心节点和所述第一上内节点可枢转相连，且两转动副轴线相互平行；第二上内节点，所述上中心节点、所述第一上内节点和所述第二上内节点的上下端面均相互平行；第二长支链臂，所述第二长支链臂分别与所述上中心节点和所述第二上内节点可枢转相连，且两转动副轴线相互平行；第一短支链臂；第二短支链臂，所述第一短支链臂的下端通过转动副与所述第二短支链臂的下端相连，所述第一短支链臂的上端和所述第二短支链臂的上端分别通过转动副与所述第一上内节点和所述第二上内节点相连，且上述三转动副轴线均相互平行。

所述第一长支链臂、所述第二长支链臂、所述第一短支链臂和所述第二短支链臂在俯视图中构成等腰三角形，该等腰三角形的顶角可以根据具体设计需求进行设定。

在一些实施例中，该等腰三角形的顶角为90°。

在一些可选的实施例中，该等腰三角形的顶角为120°。

在一些可选的实施例中，该等腰三角形的顶角为72°。

在一些可选的实施例中，该等腰三角形的顶角为60°。

在一些实施例中，所述下空间对称型7R机构包括：下中心节点，所述上中心节点与所述下中心节点分别通过下端面和上端面固连；第一下内节点；第三长支链臂，所述第三长支链臂分别与所述下中心节点和所述第一下内节点可枢转相连，且两转动副轴线相互平行；第二下内节点，所述下中心节点、所述第一下内节点和所述第二下内节点的上下端面均相互平行；第四长支链臂，所述第四长支链臂分别与所述下中心节点和所述第二下内节点可枢转相连，且两转动副轴线相互平行；第三短支链臂；第四短支链臂，所述第三短支链臂的上端通过转动副与所述第四短支链臂的上端相连，所述第三短支链臂的下端和所述第四短支链臂的下端分别通过转动副与所述第一下内节点和所述第二下内节点相连，且上述三转动副轴线均相互平行。

所述第三长支链臂、所述第四长支链臂、所述第三短支链臂和所述第四短支链臂在俯视图中构成等腰三角形，该等腰三角形的顶角可以根据具体设计需求进行设定。

在一些实施例中，该等腰三角形的顶角为90°。

在一些可选的实施例中，该等腰三角形的顶角为120°。

在一些可选的实施例中，该等腰三角形的顶角为72°。

在一些可选的实施例中，该等腰三角形的顶角为60°。

在一些实施例中，所述平面连接机构包括：第一中间连杆；第二中间连杆；第三中间连杆；第四中间连杆。

在一些实施例中，所述第一中间连杆的下端通过转动副与所述第三中间连杆的上端相连；所述第二中间连杆的下端通过转动副与所述第四中间连杆的上端相连；所述第一中间连杆的上端和所述第二中间连杆的上端通过公共转动副与所述第一短支链臂的下端和所述第二短支链臂的下端相连；所述第三中间连杆的下端和所述第四中间连杆的下端通过公共转动副与所述第三短支链臂的上端和所述第四短支链臂的上端相连；上述转动副轴线均相互平行。

在一些可选的实施例中，所述平面连接机构包括：第五中间连杆；第六中间连杆；第七中间连杆；第八中间连杆。

在一些可选的实施例中，所述第五中间连杆的下端通过转动副与所述第七中间连杆的上端相连；所述第六中间连杆的下端通过转动副与所述第八中间连杆的上端相连；所述第五中间连杆的上端通过转动副与所述第一短支链臂的中点相连；所述第六中间连杆的上端通过转动副与所述第二短支链臂的中点相连；所述第七中间连杆的下端通过转动副与所述第三短支链臂的中点相连；所述第八中间连杆的下端通过转动副与所述第四短支链臂的中点相连；上述转动副轴线均相互平行。

在一些可选的实施例中，所述平面连接机构包括：第九中间连杆；第十中间连杆；第十一中间连杆；第十二中间连杆。

在一些可选的实施例中，所述第九中间连杆的下端通过转动副与所述第十一中间连杆的上端相连；所述第十中间连杆的下端通过转动副与所述第十二中间连杆的上端相连；所述第九中间连杆的上端通过转动副与所述第一短支链臂的上端相连；所述第十中间连杆的上端通过转动副与所述第二短支链臂的上端相连；所述第十一中间连杆的下端通过转动副与所述第三短支链臂的下端相连；所述第十二中间连杆的下端通过转动副与所述第四短支链臂的下端相连；上述转动副轴线均相互平行。

在一些可选的实施例中，所述平面连接机构包括：第十三中间连杆；第十四中间连杆。

在一些可选的实施例中，所述第十三中间连杆的下端通过移动副与所述第十四中间连杆的上端相连；所述第十三中间连杆的上端通过公共转动副与所述第一短支链臂的下端和所述第二短支链臂的下端相连；所述第十四中间连杆的下端通过公共转动副与所述第三短支链臂的上端和所述第四短支链臂的上端相连；上述转动副轴线均相互平行。

在一些可选的实施例中，所述平面连接机构包括：第十五中间连杆；第十六中间连杆；第十七中间连杆；第十八中间连杆。

在一些可选的实施例中，所述第十五中间连杆的下端通过移动副与所述第十七中间连杆的上端相连；所述第十六中间连杆的下端通过移动副与所述第十八中间连杆的上端相连；所述第十五中间连杆的上端通过转动副与所述第一短支链臂的中点相连；所述第十六中间连杆的上端通过转动副与所述第二短支链臂的中点相连；所述第十七中间连杆的下端通过转动副与所述第三短支链臂的中点相连；所述第十八中间连杆的下端通过转动副与所述第四短支链臂的中点相连；上述转动副轴线均相互平行。

在一些可选的实施例中，所述平面连接机构包括：第十九中间连杆；第二十中间连杆；第二十一中间连杆；第二十二中间连杆。

在一些可选的实施例中，所述第十九中间连杆的下端通过移动副与所述第二十一中间连杆的上端相连；所述第二十中间连杆的下端通过移动副与所述第二十二中间连杆的上端相连；所述第十九中间连杆的上端通过转动副与所述第一短支链臂的上端相连；所述第二十中间连杆的上端通过转动副与所述第二短支链臂的上端相连；所述第二十一中间连杆的下端通过转动副与所述第三短支链臂的下端相连；所述第二十二中间连杆的下端通过转动副与所述第四短支链臂的下端相连；上述转动副轴线均相互平行。

根据本发明实施例的利用所述空间可展开基本单元组成的空间多棱柱可展开机构，包括：多个空间可展开基本单元，多个所述空间可展开基本单元围绕所述公共上、下中心节点连线形成的轴线呈圆周分布，其中相邻的所述空间可展开基本单元共用所述长支链臂和所述内节点。

根据本发明实施例的利用所述空间可展开基本单元组成的空间多棱柱可展开机构，由于相邻的所述空间可展开基本单元共用所述内节点，因此整个空间多棱柱可展开机构中运动输出构件的运动均为同时的，空间多棱柱可展开机构的整体自由度与单个空间基本单元相同，亦为单自由度机构。

组成所述空间多棱柱可展开机构的所述空间可展开基本单元的数量由俯视图中所述第一长支链臂与所述第二长支链臂之间的夹角决定。

若在俯视图中所述第一长支链臂与所述第二长支链臂之间的夹角为360°/N，则所述空间可展开基本单元的数量为N个，组成空间N棱柱可展开机构。其中，N可以根据具体设计需求进行设定。

特殊地，所述第一长支链臂与所述第二长支链臂之间的夹角可设定如下：

在一些实施例中，所述第一长支链臂与所述第二长支链臂之间的夹角在俯视图中为120°，所述空间可展开基本单元的数量为3个，组成空间三棱柱可展开机构。

在一些可选的实施例中，所述第一长支链臂与所述第二长支链臂之间的夹角在俯视图中为90°，所述空间可展开基本单元的数量为4个，组成空间四棱柱可展开机构。

在一些可选的实施例中，所述第一长支链臂与所述第二长支链臂之间的夹角在俯视图中为72°，所述空间可展开基本单元的数量为5个，组成空间五棱柱可展开机构。

在一些可选的实施例中，所述第一长支链臂与所述第二长支链臂之间的夹角在俯视图中为60°，所述空间可展开基本单元的数量为6个，组成空间六棱柱可展开机构。

在俯视图中所述空间多棱柱可展开机构的形状为正多边形。

根据本发明实施例的利用所述空间可展开基本单元组成的桁架式伸缩臂机构，包括：多个空间可展开基本单元，其中相邻所述空间可展开基本单元的所述上、下内节点分别通过上、下端面固连。

根据本发明实施例的利用所述空间可展开基本单元组成的桁架式伸缩臂机构，由于相邻所述空间可展开基本单元的所述上、下内节点分别固连，因此整个桁架式伸缩臂机构中运动输出构件的运动均为同时的，桁架式伸缩臂机构的整体自由度与单个空间基本单元相同，亦为单自由度机构。

组成所述桁架式伸缩臂机构的所述空间可展开基本单元的数量可以根据具体设计需求进行设定。

在一些实施例中，所述空间可展开基本单元的数量为5个。

根据本发明实施例的利用所述空间多棱柱可展开机构组成的桁架式伸缩臂机构，包括：多个空间多棱柱可展开机构，其中相邻所述空间多棱柱可展开机构的所述上、下内节点分别通过上、下端面固连。

根据本发明实施例的利用所述空间多棱柱可展开机构组成的桁架式伸缩臂机构，由于相邻所述空间多棱柱可展开机构的所述上、下内节点分别固连，因此整个桁架式伸缩臂机构中运动输出构件的运动均为同时的，桁架式伸缩臂机构的整体自由度与单个空间多棱柱可展开机构相同，亦为单自由度机构。

组成所述桁架式伸缩臂机构的所述空间多棱柱可展开机构的数量可以根据具体设计需求进行设定。

在一些实施例中，所述空间多棱柱可展开机构的数量为5个。

根据本发明实施例的利用所述空间多棱柱可展开机构组成的平面式可展开桁架阵列，包括：多个空间多棱柱可展开机构，其中相邻所述空间多棱柱可展开机构共用两对所述上、下内节点。

根据本发明实施例的利用所述空间多棱柱可展开机构组成的平面式可展开桁架阵列，由于相邻所述空间多棱柱可展开机构共用两对所述上、下内节点，因此整个平面式可展开桁架阵列中运动输出构件的运动均为同时的，平面式可展开桁架阵列的整体自由度与单个空间多棱柱可展开机构相同，亦具有单自由度。

组成所述平面式可展开桁架阵列的所述空间多棱柱可展开机构的数量可以根据具体设计需求进行设定。

在一些实施例中，组成所述平面式可展开桁架阵列的所述空间三棱柱可展开机构的数量为9个。

在一些实施例中，组成所述平面式可展开桁架阵列的所述空间四棱柱可展开机构的数量为9个。

在一些实施例中，组成所述平面式可展开桁架阵列的所述空间六棱柱可展开机构的数量为7个。

组成所述平面式可展开桁架阵列的所述空间多棱柱可展开机构的结构中心均位于同一平面内。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明第一实施例的空间可展开基本单元的立体图；

图2为根据本发明第一实施例的空间可展开基本单元的俯视图；

图3为根据本发明第二实施例的空间可展开基本单元的立体图；

图4为根据本发明第三实施例的空间可展开基本单元的立体图；

图5为根据本发明第四实施例的空间可展开基本单元的立体图；

图6为根据本发明第五实施例的空间可展开基本单元的立体图；

图7为根据本发明第六实施例的空间可展开基本单元的立体图；

图8为空间三棱柱可展开机构的立体图；

图9为空间三棱柱可展开机构的俯视图；

图10为空间四棱柱可展开机构的立体图；

图11为空间四棱柱可展开机构的俯视图；

图12为空间五棱柱可展开机构的立体图；

图13为空间五棱柱可展开机构的俯视图；

图14为空间六棱柱可展开机构的立体图；

图15为空间六棱柱可展开机构的俯视图；

图16为由多个空间可展开基本单元组成的桁架式伸缩臂机构完全伸展时的立体图；

图17为由多个空间可展开基本单元组成的桁架式伸缩臂机构完全收缩时的立体图；

图18为由多个空间三棱柱可展开机构组成的桁架式伸缩臂机构完全伸展时的立体图；

图19为由多个空间三棱柱可展开机构组成的桁架式伸缩臂机构完全收缩时的立体图；

图20为由多个空间四棱柱可展开机构组成的桁架式伸缩臂机构完全伸展时的立体图；

图21为由多个空间四棱柱可展开机构组成的桁架式伸缩臂机构完全收缩时的立体图；

图22为由多个空间三棱柱可展开机构组成的平面式可展开桁架阵列完全展开时的立体图；

图23为由多个空间三棱柱可展开机构组成的平面式可展开桁架阵列完全展开时的俯视图；

图24为由多个空间三棱柱可展开机构组成的平面式可展开桁架阵列完全收拢时的立体图；

图25为由多个空间四棱柱可展开机构组成的平面式可展开桁架阵列完全展开时的立体图；

图26为由多个空间四棱柱可展开机构组成的平面式可展开桁架阵列完全展开时的俯视图；

图27为由多个空间四棱柱可展开机构组成的平面式可展开桁架阵列完全收拢时的立体图；

图28为由多个空间六棱柱可展开机构组成的平面式可展开桁架阵列完全展开时的立体图；

图29为由多个空间六棱柱可展开机构组成的平面式可展开桁架阵列完全展开时的俯视图；

图30为由多个空间六棱柱可展开机构组成的平面式可展开桁架阵列完全收拢时的立体图。

附图标记：

空间可展开基本单元1；

上空间对称型7R机构11、上中心节点111、第一上内节点112、第一长支链臂113、第二上内节点114、第二长支链臂115、第一短支链臂116、第二短支链臂117；

下空间对称型7R机构12、下中心节点121、第一下内节点122、第三长支链臂123、第二下内节点124、第四长支链臂125、第三短支链臂126、第四短支链臂127；

平面连接机构13、第一中间连杆131、第二中间连杆132、第三中间连杆133、第四中间连杆134；

第五中间连杆a1、第六中间连杆a2、第七中间连杆a3、第八中间连杆a4；

第九中间连杆b1、第十中间连杆b2、第十一中间连杆b3、第十二中间连杆b4；

第十三中间连杆c1、第十四中间连杆c4；

第十五中间连杆d1、第十六中间连杆d2、第十七中间连杆d3、第十八中间连杆d4；

第十九中间连杆e1、第二十中间连杆e2、第二十一中间连杆e3、第二十二中间连杆e4；

空间三棱柱可展开机构2；

空间四棱柱可展开机构3；

空间五棱柱可展开机构4；

空间六棱柱可展开机构5；

由多个空间可展开基本单元1组成的桁架式伸缩臂机构200；

由多个空间三棱柱可展开机构2组成的桁架式伸缩臂机构201；

由多个空间四棱柱可展开机构3组成的桁架式伸缩臂机构202；

由多个空间三棱柱可展开机构2组成的平面式可展开桁架阵列203；

由多个空间四棱柱可展开机构3组成的平面式可展开桁架阵列204；

由多个空间六棱柱可展开机构5组成的平面式可展开桁架阵列205。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是三个或三个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。

下面参考图1和图2描述根据本发明实施例的空间可展开基本单元1。

根据本发明实施例的空间可展开基本单元1，如图1和图2所示，包括：上空间对称型7R机构11、下空间对称型7R机构12和平面连接机构13。平面连接机构13分别与上空间对称型7R机构11和下空间对称型7R机构12枢转相连。其中上中心节点111分别通过第一长支链臂113和第二长支链臂115与第一上内节点112和第二上内节点114枢转相连，第一上内节点112和第二上内节点114分别通过转动副与第一短支链臂116的上端和第二短支链臂117的上端相连，第一短支链臂116的下端与第二短支链臂117的下端通过转动副相连。下中心节点121分别通过第三长支链臂123和第四长支链臂125与第一下内节点122和第二下内节点124枢转相连，第一下内节点122和第二下内节点124分别通过转动副与第三短支链臂126的下端和第四短支链臂127的下端相连，第三短支链臂126的上端与第四短支链臂127的上端通过转动副相连。第一长支链臂113、第二长支链臂115、第一短支链臂116和第二短支链臂117在俯视图中构成等腰三角形，其中第一长支链臂113与第二长支链臂115之间的夹角在俯视图中为90°。

可选地，第一长支链臂113与第二长支链臂115之间的夹角在俯视图中可为120°。

可选地，第一长支链臂113与第二长支链臂115之间的夹角在俯视图中可为72°。

可选地，第一长支链臂113与第二长支链臂115之间的夹角在俯视图中可为60°。

这里需要说明的是，全文提到的“上”、“下”、“俯视图”及相关词语，均是为了描述部件相对位置关系而引入的术语。本文中不是以相对地面的高度为参考而限定出的上、下关系，而是相对上空间对称型7R机构11和下空间对称型7R机构12的位置引入的相对位置关系。因此，全文中限定某一部件，距离上空间对称型7R机构11近的一端为其上端，距离上空间对称型7R机构11远的一端为其下端，这与上、下空间对称型7R机构的命名是相一致的。本文中也不是相对于地面的角度为参考而限定出的俯视图，而是相对上中心节点上端面的位置引入的相对视图，视图角度自上而下且平行于上中心节点上端面的视图为俯视图。

根据本发明实施例的空间可展开基本单元1，其具有一个自由度。

下面结合图1-图7对平面连接机构13进行进一步描述。

用于连接上空间对称型7R机构11和下空间对称型7R机构12的平面连接机构13具有较少的关节，以保证空间可展开基本单元1具有稳定性和精度、良好的折叠/展开性能以及单一的自由度。

在第一实施例中，如图1和图2所示，平面连接机构13分别与第一短支链臂116、第二短支链臂117的下端和第三短支链臂126、第四短支链臂127的上端枢转相连，通过转动副连接使得第一短支链臂116、第二短支链臂117、第三短支链臂126和第四短支链臂127均处于同一平面内，从而保证所述空间可展开基本单元1只有一个自由度。

具体地，如图1和图2所示，平面连接机构13包括：第一中间连杆131、第二中间连杆132、第三中间连杆133和第四中间连杆134。第一中间连杆131的下端通过转动副与第三中间连杆133的上端相连，第二中间连杆132的下端通过转动副与第四中间连杆134的上端相连，第一中间连杆131的上端和第二中间连杆132的上端通过公共转动副与第一短支链臂116的下端和第二短支链臂117的下端相连，第三中间连杆133的下端和第四中间连杆134的下端通过公共转动副与第三短支链臂126的上端和第四短支链臂127的上端相连，上述转动副轴线均相互平行，从而保证第一短支链臂116、第二短支链臂117、第三短支链臂126和第四短支链臂127均处于同一平面内。

在第二实施例中，如图3所示，平面连接机构13分别与第一短支链臂116的中点、第二短支链臂117的中点、第三短支链臂126的中点、第四短支链臂127的中点枢转相连，通过转动副连接使得第一短支链臂116、第二短支链臂117、第三短支链臂126和第四短支链臂127均处于同一平面内，从而保证所述空间可展开基本单元1只有一个自由度。

具体地，如图3所示，平面连接机构13包括：第五中间连杆a1、第六中间连杆a2、第七中间连杆a3和第八中间连杆a4。第五中间连杆a1的下端通过转动副与第七中间连杆a3的上端相连，第六中间连杆a2的下端通过转动副与第八中间连杆a4的上端相连，第五中间连杆a1的上端通过转动副与第一短支链臂116的中点相连，第六中间连杆a2的上端通过转动副与第二短支链臂117的中点相连，第七中间连杆a3的下端通过转动副与第三短支链臂126的中点相连，第八中间连杆a4的下端通过转动副与第四短支链臂127的中点相连，上述转动副轴线均相互平行，从而保证第一短支链臂116、第二短支链臂117、第三短支链臂126和第四短支链臂127均处于同一平面内。

在第三实施例中，如图4所示，平面连接机构13分别与第一短支链臂116、第二短支链臂117的上端和第三短支链臂126、第四短支链臂127的下端枢转相连，通过转动副连接使得第一短支链臂116、第二短支链臂117、第三短支链臂126和第四短支链臂127均处于同一平面内，从而保证所述空间可展开基本单元1只有一个自由度。

具体地，如图4所示，平面连接机构13包括：第九中间连杆b1、第十中间连杆b2、第十一中间连杆b3和第十二中间连杆b4。第九中间连杆b1的下端通过转动副与第十一中间连杆b3的上端相连，第十中间连杆b2的下端通过转动副与第十二中间连杆b4的上端相连，第九中间连杆b1的上端通过转动副与第一短支链臂116的上端相连，第十中间连杆b2的上端通过转动副与第二短支链臂117的上端相连，第十一中间连杆b3的下端通过转动副与第三短支链臂126的下端相连，第十二中间连杆b4的下端通过转动副与第四短支链臂127的下端相连，上述转动副轴线均相互平行，从而保证第一短支链臂116、第二短支链臂117、第三短支链臂126和第四短支链臂127均处于同一平面内。

在第四实施例中，如图5所示，平面连接机构13分别与第一短支链臂116、第二短支链臂117的下端和第三短支链臂126、第四短支链臂127的上端枢转相连，通过转动副连接使得第一短支链臂116、第二短支链臂117、第三短支链臂126和第四短支链臂127均处于同一平面内，从而保证所述空间可展开基本单元1只有一个自由度。

具体地，如图5所示，平面连接机构13包括：第十三中间连杆c1和第十四中间连杆c2。第十三中间连杆c1的下端通过移动副与第十四中间连杆c2的上端相连，第十三中间连杆c1的上端通过公共转动副与第一短支链臂116的下端和第二短支链臂117的下端相连，第十四中间连杆c2的下端通过公共转动副与第三短支链臂126的上端和第四短支链臂127的上端相连，上述转动副轴线均相互平行，从而保证第一短支链臂116、第二短支链臂117、第三短支链臂126和第四短支链臂127均处于同一平面内。

在第五实施例中，如图6所示，平面连接机构13分别与第一短支链臂116的中点、第二短支链臂117的中点、第三短支链臂126的中点、第四短支链臂127的中点枢转相连，通过转动副连接使得第一短支链臂116、第二短支链臂117、第三短支链臂126和第四短支链臂127均处于同一平面内，从而保证所述空间可展开基本单元1只有一个自由度。

具体地，如图6所示，平面连接机构13包括：第十五中间连杆d1、第十六中间连杆d2、第十七中间连杆d3和第十八中间连杆d4。第十五中间连杆d1的下端通过移动副与第十七中间连杆d3的上端相连，第十六中间连杆d2的下端通过移动副与第十八中间连杆d4的上端相连，第十五中间连杆d1的上端通过转动副与第一短支链臂116的中点相连，第十六中间连杆d2的上端通过转动副与第二短支链臂117的中点相连，第十七中间连杆d3的下端通过转动副与第三短支链臂126的中点相连，第十八中间连杆d4的下端通过转动副与第四短支链臂127的中点相连，上述转动副轴线均相互平行，从而保证第一短支链臂116、第二短支链臂117、第三短支链臂126和第四短支链臂127均处于同一平面内。

在第六实施例中，如图7所示，平面连接机构13分别与第一短支链臂116、第二短支链臂117的上端和第三短支链臂126、第四短支链臂127的下端枢转相连，通过转动副连接使得第一短支链臂116、第二短支链臂117、第三短支链臂126和第四短支链臂127均处于同一平面内，从而保证所述空间可展开基本单元1只有一个自由度。

具体地，如图7所示，平面连接机构13包括：第十九中间连杆e1、第二十中间连杆e2、第二十一中间连杆e3和第二十二中间连杆e4。第十九中间连杆e1的下端通过移动副与第二十一中间连杆e3的上端相连，第二十中间连杆e2的下端通过移动副与第二十二中间连杆e4的上端相连，第十九中间连杆e1的上端通过转动副与第一短支链臂116的上端相连，第二十中间连杆e2的上端通过转动副与第二短支链臂117的上端相连，第二十一中间连杆e3的下端通过转动副与第三短支链臂126的下端相连，第二十二中间连杆e4的下端通过转动副与第四短支链臂127的下端相连，上述转动副轴线均相互平行，从而保证第一短支链臂116、第二短支链臂117、第三短支链臂126和第四短支链臂127均处于同一平面内。

下面参考图8-图15描述根据本发明实施例的空间多棱柱可展开机构。

根据本发明实施例的空间三棱柱可展开机构2，如图8和图9所示，包括：三个空间可展开基本单元1。三个空间可展开基本单元1围绕公共上、下中心节点连线形成的轴线呈圆周分布，其中相邻的空间可展开基本单元1共用长支链臂和内节点，不仅保证了可靠性，同时降低了机构整体的重量。此外，空间三棱柱可展开机构2的横截面为正三角形，具有良好的结构和运动对称性，因此具有较为简单的运动学、动力学和较好的互换性。

具体地，第一长支链臂113与第二长支链臂115之间的夹角在俯视图中为120°。

根据本发明实施例的空间四棱柱可展开机构3，如图10和图11所示，包括：四个空间可展开基本单元1。四个空间可展开基本单元1围绕公共上、下中心节点连线形成的轴线呈圆周分布，其中相邻的空间可展开基本单元1共用长支链臂和内节点。此外，空间四棱柱可展开机构3的横截面为正方形，具有良好的结构和运动对称性，因此具有较为简单的运动学、动力学和较好的互换性。

具体地，第一长支链臂113与第二长支链臂115之间的夹角在俯视图中为90°。

根据本发明实施例的空间五棱柱可展开机构4，如图12和图13所示，包括：五个空间可展开基本单元1。五个空间可展开基本单元1围绕公共上、下中心节点连线形成的轴线呈圆周分布，其中相邻的空间可展开基本单元1共用长支链臂和内节点。此外，空间五棱柱可展开机构4的横截面为正五边形，具有良好的结构和运动对称性，因此具有较为简单的运动学、动力学和较好的互换性。

具体地，第一长支链臂113与第二长支链臂115之间的夹角在俯视图中为72°。

根据本发明实施例的空间六棱柱可展开机构5，如图14和图15所示，包括：六个空间可展开基本单元1。六个空间可展开基本单元1围绕公共上、下中心节点连线形成的轴线呈圆周分布，其中相邻的空间可展开基本单元1共用长支链臂和内节点。此外，空间六棱柱可展开机构5的横截面为正六边形，具有良好的结构和运动对称性，因此具有较为简单的运动学、动力学和较好的互换性。

具体地，第一长支链臂113与第二长支链臂115之间的夹角在俯视图中为60°。

由图9、图11、图13和图15可知，上述空间多棱柱可展开机构的横截面均为正多边形，具有良好的结构和运动对称性，因此具有较为简单的运动学、动力学和较好的互换性。

下面参考图16和图17描述由多个空间可展开基本单元1组成的桁架式伸缩臂机构200。

根据本发明实施例的由多个空间可展开基本单元1组成的桁架式伸缩臂机构200，如图16和图17所示，包括：多个空间可展开基本单元1，其中相邻空间可展开基本单元1的上、下内节点分别通过上、下端面固连。

在如图16和图17所示的实施例中，空间可展开基本单元1的数量为5个。

由图16和图17可知，桁架式伸缩臂机构200具有较好的收缩/伸展性能。

下面参考图18-图21描述由多个空间多棱柱可展开机构组成的桁架式伸缩臂机构。

根据本发明实施例的由多个空间三棱柱可展开机构2组成的桁架式伸缩臂机构201，如图18和图19所示，包括：多个空间三棱柱可展开机构2，其中相邻空间三棱柱可展开机构2的上、下内节点分别通过上、下端面固连。

在如图18和图19所示的实施例中，空间三棱柱可展开机构2的数量为5个。

由图18和图19可知，桁架式伸缩臂机构201具有较好的收缩/伸展性能。

根据本发明实施例的由多个空间四棱柱可展开机构3组成的桁架式伸缩臂机构202，如图20和图21所示，包括：多个空间四棱柱可展开机构3，其中相邻空间四棱柱可展开机构3的上、下内节点分别通过上、下端面固连。

在如图20和图21所示的实施例中，空间四棱柱可展开机构3的数量为5个。

由图20和图21可知，桁架式伸缩臂机构202具有较好的收缩/伸展性能。

类似地，多个空间五、六棱柱可展开机构4、5也可以通过相邻机构的上、下内节点的上、下端面固连的装配方式分别组成相应的桁架式伸缩臂机构，均具有较好的收缩/伸展性能。

下面参考图22-图30描述由多个空间多棱柱可展开机构组成的平面式可展开桁架阵列。

根据本发明实施例的由多个空间三棱柱可展开机构2组成的平面式可展开桁架阵列203，如图22-图24所示，包括：多个空间三棱柱可展开机构2，其中相邻空间三棱柱可展开机构2共用两对上、下内节点。

在如图22-图24所示的实施例中，空间三棱柱可展开机构2的数量为9个，且空间三棱柱可展开机构2的结构中心均位于同一平面内。

由图23可知，平面式可展开桁架阵列203具有良好的结构和运动对称性，因此具有较为简单的运动学和动力学。

由图22和图24可知，平面式可展开桁架阵列203具有较好的折叠/展开性能。

根据本发明实施例的由多个空间四棱柱可展开机构3组成的平面式可展开桁架阵列204，如图25-图27所示，包括：多个空间四棱柱可展开机构3，其中相邻空间四棱柱可展开机构3共用两对上、下内节点。

在如图25-图27所示的实施例中，空间四棱柱可展开机构3的数量为9个，且空间四棱柱可展开机构3的结构中心均位于同一平面内。

由图26可知，平面式可展开桁架阵列204具有良好的结构和运动对称性，因此具有较为简单的运动学和动力学。

由图25和图27可知，平面式可展开桁架阵列204具有较好的折叠/展开性能。

根据本发明实施例的由多个空间六棱柱可展开机构5组成的平面式可展开桁架阵列205，如图28-图30所示，包括：多个空间六棱柱可展开机构5，其中相邻空间六棱柱可展开机构5共用两对上、下内节点。

在如图28-图30所示的实施例中，空间六棱柱可展开机构5的数量为7个，且空间六棱柱可展开机构5的结构中心均位于同一平面内。

由图29可知，平面式可展开桁架阵列205具有良好的结构和运动对称性，因此具有较为简单的运动学和动力学。

由图28和图30可知，平面式可展开桁架阵列205具有较好的折叠/展开性能。

类似地，多个空间五棱柱可展开机构4也可以通过相邻机构共用两对上、下内节点的装配方式组成相应的平面式可展开桁架阵列，具有较好的折叠/展开性能。

根据本发明实施例的空间可展开基本单元1、空间三棱柱可展开机构2、空间四棱柱可展开机构3、空间五棱柱可展开机构4、空间六棱柱可展开机构5、桁架式伸缩臂机构200、桁架式伸缩臂机构201、桁架式伸缩臂机构202、平面式可展开桁架阵列203、平面式可展开桁架阵列204和平面式可展开桁架阵列205的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (12)

1.一类利用空间多棱柱可展开机构组成的桁架式伸缩臂机构，其特征在于，所述桁架式伸缩臂机构包括多个空间多棱柱可展开机构，每个所述空间多棱柱可展开机构包括多个空间可展开基本单元，所述空间可展开基本单元包括：

上空间对称型7R机构；

下空间对称型7R机构；

平面连接机构，所述平面连接机构分别与所述上空间对称型7R机构和所述下空间对称型7R机构可枢转相连；其中，

多个所述空间可展开基本单元可组成桁架式伸缩臂机构，相邻所述空间可展开基本单元的上、下内节点分别通过上、下端面固连；

组成所述桁架式伸缩臂机构的所述空间可展开基本单元的数量可以根据具体设计需求进行设定；

其中，所述上空间对称型7R机构包括：

上中心节点；

第一上内节点；

第一长支链臂，所述第一长支链臂分别与所述上中心节点和所述第一上内节点可枢转相连，且两转动副轴线相互平行；

第二上内节点，所述上中心节点、所述第一上内节点和所述第二上内节点的上下端面均相互平行；

第二长支链臂，所述第二长支链臂分别与所述上中心节点和所述第二上内节点可枢转相连，且两转动副轴线相互平行；

第一短支链臂；

第二短支链臂，所述第一短支链臂的下端通过转动副与所述第二短支链臂的下端相连，所述第一短支链臂的上端通过转动副与所述第一上内节点相连，所述第二短支链臂的上端通过转动副与所述第二上内节点相连，且上述所述第一短支链臂的下端、所述第一短支链臂的上端及所述第二短支链臂的上端三处的所述转动副轴线均相互平行；

所述第一长支链臂、所述第二长支链臂、所述第一短支链臂和所述第二短支链臂在俯视图中构成等腰三角形，该等腰三角形的顶角可以根据具体设计需求进行设定；

其中，所述下空间对称型7R机构包括：

下中心节点，所述上中心节点与所述下中心节点分别通过下端面和上端面固连；

第一下内节点；

第三长支链臂，所述第三长支链臂分别与所述下中心节点和所述第一下内节点可枢转相连，且两转动副轴线相互平行；

第二下内节点，所述下中心节点、所述第一下内节点和所述第二下内节点的上下端面均相互平行；

第四长支链臂，所述第四长支链臂分别与所述下中心节点和所述第二下内节点可枢转相连，且两转动副轴线相互平行；

第三短支链臂；

第四短支链臂，所述第三短支链臂的上端通过转动副与所述第四短支链臂的上端相连，所述第三短支链臂的下端通过转动副与所述第一下内节点相连，所述第四短支链臂的下端通过转动副与所述第二下内节点相连，且上述所述第三短支链臂的上端、所述第三短支链臂的下端及所述第四短支链臂的下端三处的所述转动副轴线均相互平行；

所述第三长支链臂、所述第四长支链臂、所述第三短支链臂和所述第四短支链臂在俯视图中构成等腰三角形，该等腰三角形的顶角可以根据具体设计需求进行设定；

在每个所述空间多棱柱可展开机构中，多个所述空间可展开基本单元围绕轴线呈圆周分布，多个所述空间可展开基本单元共用所述上中心节点、所述下中心节点，所述上中心节点和所述下中心节点的连线构成多个所述空间可展开基本单元所围绕的所述轴线；

其中相邻的所述空间可展开基本单元共用所述第一长支链臂、所述第二长支链臂、所述第三长支链臂、所述第四长支链臂、所述第一上内节点、所述第二上内节点、所述第一下内节点和所述第二下内节点；

在所述桁架式伸缩臂机构中，相邻所述空间多棱柱可展开机构的所述上、下内节点分别通过上、下端面固连。

2.根据权利要求1所述的桁架式伸缩臂机构，其特征在于，所述平面连接机构包括：

第一中间连杆；

第二中间连杆；

第三中间连杆；

第四中间连杆；

所述第一中间连杆的下端通过转动副与所述第三中间连杆的上端相连；

所述第二中间连杆的下端通过转动副与所述第四中间连杆的上端相连；

所述第一中间连杆的上端和所述第二中间连杆的上端通过公共转动副与所述第一短支链臂的下端和所述第二短支链臂的下端相连；

所述第三中间连杆的下端和所述第四中间连杆的下端通过公共转动副与所述第三短支链臂的上端和所述第四短支链臂的上端相连；

上述转动副轴线均相互平行。

3.根据权利要求1所述的桁架式伸缩臂机构，其特征在于，所述平面连接机构包括：

第五中间连杆；

第六中间连杆；

第七中间连杆；

第八中间连杆；

所述第五中间连杆的下端通过转动副与所述第七中间连杆的上端相连；

所述第六中间连杆的下端通过转动副与所述第八中间连杆的上端相连；

所述第五中间连杆的上端通过转动副与所述第一短支链臂的中点相连；

所述第六中间连杆的上端通过转动副与所述第二短支链臂的中点相连；

所述第七中间连杆的下端通过转动副与所述第三短支链臂的中点相连；

所述第八中间连杆的下端通过转动副与所述第四短支链臂的中点相连；

上述转动副轴线均相互平行。

4.根据权利要求1所述的桁架式伸缩臂机构，其特征在于，所述平面连接机构包括：

第九中间连杆；

第十中间连杆；

第十一中间连杆；

第十二中间连杆；

所述第九中间连杆的下端通过转动副与所述第十一中间连杆的上端相连；

所述第十中间连杆的下端通过转动副与所述第十二中间连杆的上端相连；

所述第九中间连杆的上端通过转动副与所述第一短支链臂的上端相连；

所述第十中间连杆的上端通过转动副与所述第二短支链臂的上端相连；

所述第十一中间连杆的下端通过转动副与所述第三短支链臂的下端相连；

所述第十二中间连杆的下端通过转动副与所述第四短支链臂的下端相连；

上述转动副轴线均相互平行。

5.根据权利要求1所述的桁架式伸缩臂机构，其特征在于，所述平面连接机构包括：

第十三中间连杆；

第十四中间连杆；

所述第十三中间连杆的下端通过移动副与所述第十四中间连杆的上端相连；

所述第十三中间连杆的上端通过公共转动副与所述第一短支链臂的下端和所述第二短支链臂的下端相连；

所述第十四中间连杆的下端通过公共转动副与所述第三短支链臂的上端和所述第四短支链臂的上端相连；

上述转动副轴线均相互平行。

6.根据权利要求1所述的桁架式伸缩臂机构，其特征在于，所述平面连接机构包括：

第十五中间连杆；

第十六中间连杆；

第十七中间连杆；

第十八中间连杆；

所述第十五中间连杆的下端通过移动副与所述第十七中间连杆的上端相连；

所述第十六中间连杆的下端通过移动副与所述第十八中间连杆的上端相连；

所述第十五中间连杆的上端通过转动副与所述第一短支链臂的中点相连；

所述第十六中间连杆的上端通过转动副与所述第二短支链臂的中点相连；

所述第十七中间连杆的下端通过转动副与所述第三短支链臂的中点相连；

所述第十八中间连杆的下端通过转动副与所述第四短支链臂的中点相连；

上述转动副轴线均相互平行。

7.根据权利要求1所述的桁架式伸缩臂机构，其特征在于，所述平面连接机构包括：

第十九中间连杆；

第二十中间连杆；

第二十一中间连杆；

第二十二中间连杆；

所述第十九中间连杆的下端通过移动副与所述第二十一中间连杆的上端相连；

所述第二十中间连杆的下端通过移动副与所述第二十二中间连杆的上端相连；

所述第十九中间连杆的上端通过转动副与所述第一短支链臂的上端相连；

所述第二十中间连杆的上端通过转动副与所述第二短支链臂的上端相连；

所述第二十一中间连杆的下端通过转动副与所述第三短支链臂的下端相连；

所述第二十二中间连杆的下端通过转动副与所述第四短支链臂的下端相连；

上述转动副轴线均相互平行。

8.一类根据权利要求1-7中任一项所述的桁架式伸缩臂机构，其特征在于：

组成所述空间多棱柱可展开机构的所述空间可展开基本单元的数量由俯视图中所述第一长支链臂与所述第二长支链臂之间的夹角决定；

若在俯视图中所述第一长支链臂与所述第二长支链臂之间的夹角为360°/N，则所述空间可展开基本单元的数量为N个，组成空间N棱柱可展开机构，其中，N可以根据具体设计需求进行设定；

所述第一长支链臂与所述第二长支链臂之间的夹角可设定如下：

若在俯视图中所述第一长支链臂与所述第二长支链臂之间的夹角为120°，则所述空间可展开基本单元的数量为3个，组成空间三棱柱可展开机构；

若在俯视图中所述第一长支链臂与所述第二长支链臂之间的夹角为90°，则所述空间可展开基本单元的数量为4个，组成空间四棱柱可展开机构；

若在俯视图中所述第一长支链臂与所述第二长支链臂之间的夹角为72°，则所述空间可展开基本单元的数量为5个，组成空间五棱柱可展开机构；

若在俯视图中所述第一长支链臂与所述第二长支链臂之间的夹角为60°，则所述空间可展开基本单元的数量为6个，组成空间六棱柱可展开机构。

9.一类根据权利要求1-7中任一项所述的桁架式伸缩臂机构，其特征在于：

在俯视图中所述空间多棱柱可展开机构的形状为正多边形。

10.一类根据权利要求1-7中任一项所述空间多棱柱可展开机构组成的桁架式伸缩臂机构，其特征在于：

组成所述桁架式伸缩臂机构的所述空间多棱柱可展开机构的数量以根据具体设计需求进行设定。

11.一类根据权利要求1-7中任一项所述空间多棱柱可展开机构组成的平面式可展开桁架阵列，其特征在于，包括：

多个空间多棱柱可展开机构，其中相邻所述空间多棱柱可展开机构共用两对所述上、下内节点。

12.一类根据权利要求1-7中任一项所述空间多棱柱可展开机构组成的平面式可展开桁架阵列，其特征在于：

组成所述平面式可展开桁架阵列的所述空间多棱柱可展开机构的数量可以根据具体设计需求进行设定；

组成所述平面式可展开桁架阵列的所述空间多棱柱可展开机构的结构中心均位于同一平面内。