CN114275190A - 一种用于多体卫星变构的三轴正交关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多体卫星变构的三轴正交关节，包括第一安装架、第二安装架、第三安装架、驱动安装架、第一驱动部、第二驱动部和第三驱动部，第一安装架设置于左部，第二安装架和第三安装架均设置于右部，驱动安装架设置于第一安装架与第二安装架和/或第三安装架之间，第一驱动部驱动第一安装架相对驱动安装架转动，形成第一转动平面；第二驱动部同时驱动第二安装架和第三安装架相对驱动安装架转动，形成第二转动平面；第三驱动部同时驱动第二安装架和第三安装架相对驱动安装架转动，形成第三转动平面，三个转动平面两两相互垂直，确保不同卫星可在不同平面转动。

Description

一种用于多体卫星变构的三轴正交关节

技术领域

本发明主要涉及航天器技术领域，具体地说，涉及一种用于多体卫星变构的三轴正交关节。

背景技术

随着微小卫星及其技术的蓬勃发展，单卫星已经难以满足各国对其提出的多任务执行能力、较强的环境适应性及抗风险等要求，因此人们将目光转向多体可变构卫星的研究。多体可变构卫星由数量不等的结构相同的卫星模块组成，可以在没有外力干预的情况下自主实现卫星构型的变化且无需增减卫星的任何部件。多体可变构卫星可根据不同任务需求，将原有构型的多个功能卫星模块重组成适应新任务的最佳构型；在局部卫星模块出现故障的情况下，可通过在轨重构完成备用模块与故障模块之间的替换，具有自修复功能；还可根据发射条件将自重构卫星调整到最佳的发射构型，进入轨道后通过在轨重组恢复到运行及工作形态。由于具有以上突出优势，多体可变构卫星作为新型卫星概念，得到近年来各国密切关注及发展。因此，如何实现各卫星拓扑模块间的相对运动是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于多体卫星变构的三轴正交关节，可实现多体可变构卫星的多个卫星之间的相对运动。

本发明的用于多体卫星变构的三轴正交关节，包括第一安装架、第二安装架、第三安装架、驱动安装架、第一驱动部、第二驱动部和第三驱动部，所述第一安装架设置于左部，所述第二安装架和第三安装架均设置于右部，所述驱动安装架设置于第一安装架与第二安装架和/或第三安装架之间，所述第一安装架通过第一转动轴与驱动安装架可转动地连接，所述第一转动轴分别与第一安装架和第一驱动部固定连接，所述第一驱动部固定于驱动安装架上，所述第一驱动部通过第一转动轴驱动第一安装架相对驱动安装架转动，形成第一转动平面；所述第二安装架和第三安装架通过第二转动轴与驱动安装架可转动地连接，所述第二转动轴分别与第二驱动部、第二安装架和第三安装架固定连接，所述第二驱动部固定于驱动安装架上，所述第二驱动部通过第二转动轴同时驱动第二安装架和第三安装架相对驱动安装架转动，形成第二转动平面；所述第三驱动部安装于第二安装架和第三安装架之间，并与第三转动轴固定连接，所述第三转动轴分别与第二安装架和第三安装架固定连接，所述第三驱动部通过第三转动轴同时驱动第二安装架和第三安装架相对驱动安装架转动，形成第三转动平面；所述第一转动平面、第二转动平面和第三转动平面两两相互垂直。

进一步地，所述第一驱动部包括第一电机、第一锥齿轮和第二锥齿轮，所述第一电机固定于驱动安装架上，且所述第二电机的输出轴与第一锥齿轮固定连接，所述第二锥齿轮固定套设于第一转动轴上，所述第一锥齿轮与第二锥齿轮垂直设置且传动啮合。

进一步地，所述第二驱动部包括第二电机、第一直齿轮和第二直齿轮，所述第二电机固定于驱动安装架上，且所述第二电机的输出轴与第一直齿轮固定连接，所述第二直齿轮固定套设于第二转动轴上，所述第一直齿轮与第二直齿轮位于同一平面且传动啮合。

进一步地，所述第三驱动部包括第三电机、第三直齿轮和第四直齿轮，所述第三电机的输出轴与第三直齿轮固定连接，所述第四直齿轮固定套设于第三转动轴上，所述第一直齿轮与第二直齿轮位于同一平面且传动啮合，所述第三电机垂直于第一电机和第二电机设置。

进一步地，所述驱动安装架为半框型结构，包括平行且间隔设置的第一端板、第二端板及设置于第一端板和第二端板之间的连接板，所述半框型结构的开口背离第一安装架设置，所述第一电机和第二电机相对设置，并分别固定于所述第一端板和第二端板上。

进一步地，所述第一转动轴穿过所述连接板并与所述连接板可转动地连接，所述第二锥齿轮固定套设于第一转动轴的一端，第一转动轴的另一端与第一安装架固定连接。

进一步地，所述第二转动轴穿过第一端板并与所述第一端板可转动地连接，其第一端与第二端板可转动地连接，其第二端与第三转动轴固定连接，且所述第二转动轴与第三转动轴组成T型结构或L型结构，所述第二转动轴与第一转动轴相互垂直。

进一步地，所述第二安装架与第三安装架上下相互平行且有间隔地设置，所述第二安装架与第三安装架之间固定有限位架，所述限位架卡合于第二转动轴的第一端。

进一步地，所述限位架为T型架，所述T型架的横边垂直设置于第二安装架和第三安装架之间，所述T型架的竖边的一端卡合于第二转动轴上。

进一步地，所述第二安装架、第三安装架的同一端均固定设置有一支板，所述第三转动轴穿过两个所述支板且与两个所述支板固定连接，所述第三电机固定于其中一个支板上。

本发明的用于多体卫星变构的三轴正交关节，包括第一安装架、第二安装架、第三安装架、驱动安装架、第一驱动部、第二驱动部和第三驱动部，所述第一安装架设置于左部，所述第二安装架和第三安装架均设置于右部，所述驱动安装架设置于第一安装架与第二安装架和/或第三安装架之间，所述第一安装架通过第一转动轴与驱动安装架可转动地连接，所述第一转动轴分别与第一安装架和第一驱动部固定连接，所述第一驱动部固定于驱动安装架上，所述第一驱动部通过第一转动轴驱动第一安装架相对驱动安装架转动，形成第一转动平面；所述第二安装架和第三安装架通过第二转动轴与驱动安装架可转动地连接，所述第二转动轴分别与第二驱动部、第二安装架和第三安装架固定连接，所述第二驱动部固定于驱动安装架上，所述第二驱动部通过第二转动轴驱动第二安装架和第三安装架相对驱动安装架转动，形成第二转动平面；所述第三驱动部安装于第二安装架和第三安装架之间，并与第三转动轴固定连接，所述第三转动轴分别与第二安装架和第三安装架固定连接，所述第三驱动部通过第三转动轴同时驱动第二安装架和第三安装架相对驱动安装架转动，形成第三转动平面；所述第一转动平面、第二转动平面和第三转动平面两两相互垂直。本发明中第一驱动部驱动第一安装架相对驱动安装架转动，形成第一转动平面，第一安装架用于连接一卫星；第二驱动部驱动第二安装架和第三安装架相对驱动安装架转动，形成第二转动平面，第三驱动部通过第三转动轴同时驱动第二安装架和第三安装架相对驱动安装架转动，形成第三转动平面，第二安装架和第三安装架共同固定连接另一卫星；且第一转动平面、第二转动平面和第三转动平面两两相互垂直。因此，第一安装架、第一转动轴与驱动安装架可等同组成扭转机构，第二转动轴、第二安装架、第三安装架与驱动安装架可等同组成弯曲机构，第三转动轴与第二安装架、第三安装架可等同组成折叠机构，通过弯曲机构实现第一安装架在第一转动平面转动，通过扭转机构和折叠机构实现第二安装架和第三安装架在第二转动平面和第三转动平面旋转，进而实现各卫星之间间的相对运动。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明一种用于多体卫星变构的三轴正交关节的结构示意图；

图2是本发明一种用于多体卫星变构的三轴正交关节应用于卫星时的结构示意图。

附图标记说明：

第一载荷-101 第二载荷-102

第一安装架-201 驱动安装架-202

第一电机-203 第一锥齿轮-204

第二锥齿轮-205 第一直齿轮-206

第二直齿轮-207 第二电机-208

第二安装架-209 第三安装架-210

限位架-211 第二转动轴-212

第三直齿轮-213 第四直齿轮-214

第三电机-215 支板-216

第一转动轴-217 第三转动轴-218。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明中，使用的方位如“左”、“右”、“前”、“后”、“上”、“下”等均以图1所示的视图为基准。术语“第一”、“第二”、“第三”主要用于区分不同的部件，但不对部件进行具体限制。

图1是本发明一种用于多体卫星变构的三轴正交关节的结构示意图。该实施例的一种用于多体卫星变构的三轴正交关节，包括第一安装架201、第二安装架209、第三安装架210、驱动安装架202、第一驱动部、第二驱动部和第三驱动部，所述第一安装架201设置于左部，所述第二安装架209和第三安装架210均设置于右部，所述驱动安装架202设置于第一安装架201与第二安装架209和/或第三安装架210之间，所述第一安装架201通过第一转动轴217与驱动安装架202可转动地连接，所述第一转动轴217分别与第一安装架201和第一驱动部固定连接，所述第一驱动部固定于驱动安装架202上，所述第一驱动部通过第一转动轴217驱动第一安装架201相对驱动安装架202转动，形成第一转动平面；所述第二安装架209和第三安装架210通过第二转动轴212与驱动安装架202可转动地连接，所述第二转动轴212分别与第二驱动部、第二安装架209和第三安装架210固定连接，所述第二驱动部固定于驱动安装架202上，所述第二驱动部通过第二转动轴212同时驱动第二安装架209和第三安装架210相对驱动安装架202转动，形成第二转动平面；所述第三驱动部安装于第二安装架209和第三安装架210之间，并与第三转动轴218固定连接，所述第三转动轴218分别与第二安装架209和第三安装架210固定连接，所述第三驱动部通过第三转动轴218同时驱动第二安装架209和第三安装架210相对驱动安装架202转动，形成第三转动平面；所述第一转动平面、第二转动平面和第三转动平面两两相互垂直。为更好地描述本发明，建立了三维坐标系o-xyz，从图1中可知，第一转动平面即yoz平面，第二转动平面即xoz平面，第三转动平面即xoy平面。通过上述设置，由于第一安装架201连接一卫星，第二安装架209和第三安装架210共同固定连接另一卫星：当第一驱动部驱动第一安装架201相对驱动安装架202转动时，形成第一转动平面，第一安装架201以第一转动轴217为轴线旋转；当第二驱动部通过第二转动轴212同时驱动第二安装架209和第三安装架210相对驱动安装架202转动时，形成第二转动平面，第二安装架209和第三安装架210以第二转动轴212为轴线旋转；当第三驱动部通过第三转动轴218同时驱动第二安装架209和第三安装架210相对驱动安装架202转动，形成第三转动平面，此时，第二安装架209和第三安装架210以第三转动轴218为轴线旋转，三个转动平面相互垂直，确保了两个卫星可以在不同的平面实现转动，进而扩大各卫星间的相对运动轨迹。就图1中实施例而言，可将第一安装架201、第一转动轴217与驱动安装架202等同组成扭转机构，第二转动轴212、第二安装架209、第三安装架210与驱动安装架202等同组成弯曲机构，第三转动轴218与第二安装架209、第三安装架210等同组成折叠机构，通过弯曲机构、扭转机构和折叠机构分别实现第一安装架201、第二安装架209和第二安装架209在不同平面旋转，进而实现各卫星之间间的相对运动。

作为本发明的优选实施例，第一驱动部包括第一电机203、第一锥齿轮204和第二锥齿轮205，所述第一电机203固定于驱动安装架202上，且所述第二电机208的输出轴与第一锥齿轮204固定连接，所述第二锥齿轮205固定套设于第一转动轴217上，所述第一锥齿轮204与第二锥齿轮205垂直设置且传动啮合；第二驱动部包括第二电机208、第一直齿轮206和第二直齿轮207，所述第二电机208固定于驱动安装架202上，且所述第二电机208的输出轴与第一直齿轮206固定连接，所述第二直齿轮207固定套设于第二转动轴212上，所述第一直齿轮206与第二直齿轮207位于同一平面且传动啮合；第三驱动部包括第三电机215、第三直齿轮213和第四直齿轮214，所述第三电机215的输出轴与第三直齿轮213固定连接，所述第四直齿轮214固定套设于第三转动轴218上，所述第一直齿轮206与第二直齿轮207位于同一平面且传动啮合，所述第三电机215垂直于第一电机203和第二电机208设置。需要说明的是，在其他实施例中第一电机203、第二电机208和第三电机215可以用液压马达代替。

在图1所示的实施例中，驱动安装架202优选为半框型结构，包括平行且间隔设置的第一端板、第二端板及设置于第一端板和第二端板之间的连接板，第一端板位于后侧，第二端板位于前侧，该半框型结构的开口背离第一安装架201设置，第一电机203和第二电机208相对设置，分别设置于该第一端板和第二端板上。应当清楚，驱动安装架202并不仅限于半框型结构，也可为U型框，当然还可以有其他更多可能，均可以实现本发明的技术效果。

为了便于第一安装架201更好地相对驱动安装架202转动，优选地，第一转动轴217穿过上述连接板并与该连接板可转动地连接，第二锥齿轮205固定套设于第一转动轴217的右端，第一转动轴217的左端与第一安装架201固定连接。同时，第二转动轴212穿过第一端板并与该第一端板可转动地连接，其前端与第二端板可转动地连接，其后端与第三转动轴218固定连接，第一转动轴217沿第一安装架201的宽度方向设置（即沿左右方向设置），第二转动轴212沿第二安装架209、第三安装架210的长度方向设置（即沿前后方向设置），第三转动轴218沿第二安装架209和第三安装架210的高度方向设置（即沿上下方向设置），第一转动轴217、第二转动轴212与第三转动轴218两两相互垂直，通过上述设置可以更好地实现第一安装架201的扭转运动（第一安装架201相对驱动安装架202转动时形成第一转动平面），第二安装架209、第三安装架210的弯曲运动（第二安装架209、第三安装架210相对驱动安装架202转动时形成第二转动平面）以及第二安装架209、第三安装架210的折叠运动（第二安装架209、第三安装架210相对驱动安装架202转动时形成第三转动平面）。参见图1，上述第二转动轴212与第三转动轴218组成T型结构，具体地，第二转动轴212为T型结构的竖边，第三转动轴218为T型结构的横边。需要说明的是，在其他实施例中，第二转动轴212与第三转动轴218可组成L型结构，或其他可实现本发明技术效果的结构。

同时，参见图1，第二安装架209与第三安装架210上下相互平行且有间隔地设置，第二安装架209与第三安装架210之间固定有限位架211，限位架211卡合于第二转动轴212的第一端，优选地，该限位架211为T型架，T型架的横边垂直设置于第二安装架209和第三安装架210之间，T型架的竖边的一端卡合于第二转动轴212上。在第三电机215带动第三直齿轮213转动，第三直齿轮213带动第四直齿轮214转动，第四直齿轮214带动第三转动轴218转动，进而同时带动第二安装架209与第三安装架210转动时，当第四直齿轮214上的齿轮传动力达到预设阈值时，限位架211与第二转动轴212的卡合处松开，进而实现折叠运动，当第四直齿轮214上的齿轮传动力低于预设阈值时，限位架211与第二转动轴212的卡合处卡合，进而实现固定连接，具体地，第四直齿轮214上的齿轮传动力的预设阈值通过第三电机215的预设阈值来调节实现。需要说明的是，限位架211优选通过锁定对接机构卡合于第二转动轴212的第一端，锁定对接机构用于实现限位架211与第二转动轴212的紧固和松开，当第四直齿轮214上的齿轮传动力达到预设阈值时，锁定对接机构松开，限位架211与第二转动轴212分离，进而实现折叠运动，当第四直齿轮214上的齿轮传动力低于预设阈值时，锁定对接机构锁紧，限位架211与第二转动轴212紧固，进而实现固定连接。

需要说明的是，第二安装架209、第三安装架210的前端均固定设置有一支板216，第三转动轴218穿过两个支板216且与两个支板216固定连接，以保证第三转动轴218转动时同时带动第二安装架209、第三安装架210相对驱动安装架202转动。该支板216与第二安装架209、第三安装架210之间可分体或一体形成。应当清楚的是，本发明中第二安装架209、第三安装架210、限位架211，支板216也可分体或一体形成。

图2为本发明一种用于多体卫星变构的三轴正交关节应用于卫星时的结构示意图。第一安装架201与第一载荷101101固定连接，第二安装架209、第三安装架210共同与第二载荷102固定连接，第一载荷101和第二载荷102上均固定有卫星（图2中的卫星省略），当卫星需要变换位姿时，第一电机203驱动第一锥齿轮204转动，第一锥齿轮204带动第二锥齿轮205转动，第二锥齿轮205带动第一转动轴217转动，进而带动第一安装架201相对驱动安装架202转动，形成第一转动平面，该过程为实现第一载荷101上卫星的扭转运动；第二电机208驱动第一直齿轮206转动，第一直齿轮206带动第二直齿轮207转动，第二直齿轮207带动第二转动轴212，进而同时带动第二安装架209、第三安装架210相对驱动安装架202转动，形成第二转动平面，该过程为实现第二载荷102上卫星的弯曲运动；且第三电机215驱动第三直齿轮213转动，第三直齿轮213带动第四直齿轮214转动，第四直齿轮214带动第三转动轴218转动，进而同时带动第二安装架209、第三安装架210相对驱动安装架202转动，形成第三转动平面，在此过程中，当第四直齿轮214上的齿轮传动力达到预设阈值时，限位架211与第二转动轴212的卡合处松开，以便实现第二载荷102上卫星的折叠运动，需要说明的是，卫星载荷之间折叠90°后的载荷连接面可共面。通过第一载荷101上卫星的扭转运动和第二载荷102、第三载荷上卫星的弯曲、折叠运动可以很好地实现卫星间的相对运动，改变卫星间的相对位姿，具有结构简单，应用广泛的优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于多体卫星变构的三轴正交关节，其特征在于，包括第一安装架（201）、第二安装架（209）、第三安装架（210）、驱动安装架（202）、第一驱动部、第二驱动部和第三驱动部，所述第一安装架（201）设置于左部，所述第二安装架（209）和第三安装架（210）均设置于右部，所述驱动安装架（202）设置于第一安装架（201）与第二安装架（209）和/或第三安装架（210）之间，所述第一安装架（201）通过第一转动轴（217）与驱动安装架（202）可转动地连接，所述第一转动轴（217）分别与第一安装架（201）和第一驱动部固定连接，所述第一驱动部固定于驱动安装架（202）上，所述第一驱动部通过第一转动轴（217）驱动第一安装架（201）相对驱动安装架（202）转动，形成第一转动平面；所述第二安装架（209）和第三安装架（210）通过第二转动轴（212）与驱动安装架（202）可转动地连接，所述第二转动轴（212）分别与第二驱动部、第二安装架（209）和第三安装架（210）固定连接，所述第二驱动部固定于驱动安装架（202）上，所述第二驱动部通过第二转动轴（212）同时驱动第二安装架（209）和第三安装架（210）相对驱动安装架（202）转动，形成第二转动平面；所述第三驱动部安装于第二安装架（209）和第三安装架（210）之间，并与第三转动轴（218）固定连接，所述第三转动轴（218）分别与第二安装架（209）和第三安装架（210）固定连接，所述第三驱动部通过第三转动轴（218）同时驱动第二安装架（209）和第三安装架（210）相对驱动安装架（202）转动，形成第三转动平面；所述第一转动平面、第二转动平面和第三转动平面两两相互垂直。

2.根据权利要求1所述的用于多体卫星变构的三轴正交关节，其特征在于，所述第一驱动部包括第一电机（203）、第一锥齿轮（204）和第二锥齿轮（205），所述第一电机（203）固定于驱动安装架（202）上，且所述第二电机（208）的输出轴与第一锥齿轮（204）固定连接，所述第二锥齿轮（205）固定套设于第一转动轴（217）上，所述第一锥齿轮（204）与第二锥齿轮（205）垂直设置且传动啮合。

3.根据权利要求2所述的用于多体卫星变构的三轴正交关节，其特征在于，所述第二驱动部包括第二电机（208）、第一直齿轮（206）和第二直齿轮（207），所述第二电机（208）固定于驱动安装架（202）上，且所述第二电机（208）的输出轴与第一直齿轮（206）固定连接，所述第二直齿轮（207）固定套设于第二转动轴（212）上，所述第一直齿轮（206）与第二直齿轮（207）位于同一平面且传动啮合。

4.根据权利要求3所述的用于多体卫星变构的三轴正交关节，其特征在于，所述第三驱动部包括第三电机（215）、第三直齿轮（213）和第四直齿轮（214），所述第三电机（215）的输出轴与第三直齿轮（213）固定连接，所述第四直齿轮（214）固定套设于第三转动轴（218）上，所述第一直齿轮（206）与第二直齿轮（207）位于同一平面且传动啮合，所述第三电机（215）垂直于第一电机（203）和第二电机（208）设置。

5.根据权利要求4所述的用于多体卫星变构的三轴正交关节，其特征在于，所述驱动安装架（202）为半框型结构，包括平行且间隔设置的第一端板、第二端板及设置于第一端板和第二端板之间的连接板，所述半框型结构的开口背离第一安装架（201）设置，所述第一电机（203）和第二电机（208）相对设置，并分别固定于所述第一端板和第二端板上。

6.根据权利要求5所述的用于多体卫星变构的三轴正交关节，其特征在于，所述第一转动轴（217）穿过所述连接板并与所述连接板可转动地连接，所述第二锥齿轮（205）固定套设于第一转动轴（217）的一端，第一转动轴（217）的另一端与第一安装架（201）固定连接。

7.根据权利要求6所述的用于多体卫星变构的三轴正交关节，其特征在于，所述第二转动轴（212）穿过第一端板并与所述第一端板可转动地连接，其第一端与第二端板可转动地连接，其第二端与第三转动轴（218）固定连接，且所述第二转动轴（212）与第三转动轴（218）组成T型结构或L型结构，所述第一转动轴（217）、第二转动轴（212）与第三转动轴（218）两两相互垂直。

8.根据权利要求7所述的用于多体卫星变构的三轴正交关节，其特征在于，所述第二安装架（209）与第三安装架（210）上下相互平行且有间隔地设置，所述第二安装架（209）与第三安装架（210）之间固定有限位架（211），所述限位架（211）卡合于第二转动轴（212）的第一端，当第四直齿轮（214）上的齿轮传动力达到预设阈值时，限位架（211）与第二转动轴（212）的卡合处松开，进而实现折叠运动，当第四直齿轮（214）上的齿轮传动力低于预设阈值时，限位架（211）与第二转动轴（212）的卡合处卡合，进而实现固定连接。

9.根据权利要求8所述的用于多体卫星变构的三轴正交关节，其特征在于，所述限位架（211）为T型架，所述T型架的横边垂直设置于第二安装架（209）和第三安装架（210）之间，所述T型架的竖边的一端卡合于第二转动轴（212）上。

10.根据权利要求8所述的用于多体卫星变构的三轴正交关节，其特征在于，所述第二安装架（209）、第三安装架（210）的同一端均固定设置有一支板（216），所述第三转动轴（218）穿过两个所述支板（216）且与两个所述支板（216）固定连接，所述第三电机（215）固定于其中一个支板（216）上。

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