CN114370117A - 一种单自由度全对称可展结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种单自由度全对称可展结构，由弹簧驱动铰链和单自由度全对称可展结构连接形成，弹簧驱动铰链安装在单自由度全对称可展结构的连接关节处，通过弹簧弹性驱动可展阵列展开运动。本发明基于刚性厚板剪纸理论设计全对称可展阵列，使该可展阵列具有更大的折展比且可无限扩展以获得较大工作面积，在非工作阶段可以折叠成较小的体积以便于运输，在工作阶段再展开到预期的工作位置，且该可展阵列具有单个自由度，通过弹簧弹力可以实现可展阵列的自动展开，通过板面关节之间的干涉可以实现展开后的自我锁定，使得折叠可靠性得到提升。

Description

一种单自由度全对称可展结构
技术领域
本发明涉及可展结构技术领域，特别是涉及一种单自由度全对称可展结构。
背景技术
可展结构是一种具有多样构型变化的新型结构，其可以在外力驱动下从折叠收拢状态逐步展开到完全部署状态，然后锁定为稳定的工作状态。在完全收拢和部署状态时，可展结构是稳定的“结构”，在展开过程中其可以被视为具有运动自由度的“机构”。
生活中有许多常见的可展结构的概念，例如雨伞、折扇、移动帐篷和升降高空作业平台等。为了实现可折展功能，可展结构大多具有较多的构件和连接关节组成，使得其系统较为复杂。但是与非可展结构相比，可展结构的可折展性能使得其具有质量小、收拢后占用体积小、便于储藏和运输等优点。因此，在对结构形式、构件质量、运输体积具有特殊需求的工程领域中，例如航天、建筑、医疗、军事等应用场合，可展结构得到研究人员广泛的关注和研究。
针对不同的工程应用领域，目前可展结构的研究主要分为杆系、薄膜和刚性板壳三种类型。板壳状可展结构被广泛应用于太阳能帆板、高分辨率对地观测遥感装置、深空探测装置、建筑开合屋顶等领域中，按照应用场所和工作方式的不同，可将板壳加工成平面、抛物面、抛物柱面等型面进行使用。
平面型板壳可展结构是最早使用的可展板壳结构，自20世纪70年代开始就成为了研究人员的关注重点。例如加拿大的Radarsat-I卫星采用自主研制的集中馈电相控阵列SAR天线，它是具有两个自由度的模块化平面式相控卫星天线。日本的ALOS卫星主要通过雷达天线获取全球高分辨率陆地观测数据，该平面天线可实现全天候的对地观测任务。美国空军与JPL实验室联合研制的L波段的星载大型相控雷达LLSBR，是现阶段设计的较大型相控雷达天线，其通过轴销铰链的形式连接在一起形成平面可展单元。美国休斯敦MinuteMaid Park棒球场和日本有明体育馆的屋顶采用水平面移动方式设计的可移动展开屋顶。
然而，上述传统板壳可展结构大多结构简单，折展比较小，质量较大，且自由度较多展开驱动控制困难，因此随着可展结构研究的发展存在许多应用限制，因此研究并设计出大折展比少自由度的空间可展结构一直以来是研究人员研究的重点。
发明内容
本发明的目的是解决现有可展结构折展比小、无法自主展开以及工作面积有限的问题，而提供一种单自由度全对称可展结构，其借用弹簧驱动力驱动阵列展开驱动，结构简单容易实现，使得展开过程可靠性得到显著提升，采用厚板剪纸设计方法去除了部分多余的连接关节，避免运动过程的卡死并提高展开过程的稳定性。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种单自由度全对称可展结构，由弹簧驱动铰链和可展阵列构成，所述可展阵列是基于刚性厚板剪纸折叠方式设计的具有单自由度的全对称可展阵列，由多个基本可展单元通过折痕位置的弹簧驱动铰链连接形成；所述弹簧驱动铰链安装在所述基本可展单元的折痕位置充当运动转动副，以使形成所述基本可展单元的相邻板体能实现折展运动；所述可展阵列在所述弹簧驱动铰链的弹簧弹力和板体板面接触力的作用下保持在预期工作型面位置；
每个基本可展单元相邻角度为梯度变换，相对角度相等，每个基本可展单元内角度与板厚度关系满足空间过约束机构运动学关系以确保每个基本可展单元的可动性，单元相对顶点缩进以避免折叠后的缝隙。
优选的，每个所述基本可展单元是由旋转对称的六折痕的可展单元通过缩进两个相对顶点而构成的全对称扇形角的可展单元，按顺时针方向开始，依次设置有展开时底面位于同一平面上的第一板体、第二板体、第三板体、第四板体、第五板体以及第六板体，其中，所述第一板体与第四板体旋转对称，第二板体与第五板体旋转对称，第三板体与第六板体旋转对称，所述第一板体与第二板体间的第一折叠线与所述六板体与第五板体间的第二折叠线相交呈V形。
优选的，所述第二板体由厚度不同的两块板连接形成，两块板的底面位于同一平面，顶面存在高度差，其中，所述第一板体及第四板体的厚度相同，第三板体及第六板体的厚度相同；
其相应的角度关系满足：α1+α2+α3+α4＝α5+α6+α7+α8＝π，α1＝α7，α2＝α8，α3＝α5，α4＝α6，相应的板厚关系满足t1sinα4＝t4sinα1，t6sinα7＝t7sinα6，t3＝t4＝t5＝t6，t7＝t8＝t1＝t2；
a1是第一板体与第六板体及第二板体的厚板的两个邻边间的夹角，a2是第二板体的厚板与第一板体及第五体的薄板的两个邻边间的夹角，a3是第五板体的薄板与第六板体及第二体的厚板的两个邻边间的夹角，a4是第六板体与第一板体及第五体的薄板的两个邻边间的夹角；
a5是第二板体的薄板与第三板体及第五板体的厚板的两个邻边间的夹角，a6是第三板体与第四板体及第二体的薄板的两个邻边间的夹角，a7是第四板体与第三板体及第五体的厚板的两个邻边间的夹角，a8是第五板体的厚板与第四板体及第一体的薄板的两个邻边间的夹角；
其中，第一板体的厚度为t1、第二板体厚板的厚度为t2、第二板体厚板的薄度为t5，第三板体厚度为t6、第四板体厚度为t7、第五板体的薄板的厚度为t3,第五板体的厚板的厚度为t8，第六板体的厚度为t4。
优选的，每个基本可展单元具有全对称角度，其板厚与角度关系满足空间过约束Waldron hybrid过约束机构运动约束条件以实现单个自由度的可动性，相邻基本可展单元共用板面与折痕，使得所构成的整个可展阵列具有单个自由度，单元内相对顶点之间缩进避免了剪纸折叠方式遗留的裁开缝隙以实现紧密折叠；
每块板面都进行表面形貌处理，使得该可展阵列在展开到工作位置时能够达到预期的工作型面并自锁，并实现折叠后板面之间无干涉。
优选的，所述弹簧驱动铰链由合页铰链、驱动弹簧、连接销轴和固定螺栓组成，所述驱动弹簧安装在合页铰链的转轴处，通过连接销轴安装在合页铰链上；所述合页铰链在安装了驱动弹簧和连接销轴之后通过固定螺栓安装在单自由度全对称可展阵列的全对称的基本可展单元的折痕位置处。
本发明利用厚板剪纸折叠方式设计构成的可展阵列，具有单个自由度、较大的折展比和较高的型面精度，同时使用弹簧驱动铰链作为展开驱动，利用板面之间的干涉实现展开后的自我锁定，结构简单使用方便。
本发明使用合页铰链加装驱动弹簧的方式，通过弹簧自身驱动力即可实现阵列自主展开，结构简单，易于实现，制作方便，折展比大，自主展开，展开稳定，工作型面精度高等优点，并可以进行无限扩展设计。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的可展阵列结构示意图。
图3是本发明可展阵列及弹簧驱动铰链示意图。
图4是本发明全对称厚板剪纸单元顶点缩进示意图。
图5是本发明厚板剪纸基本可展单元角度参数示意图。
图6是本发明的可展阵列折叠过程水平方向示意图。
图7是本发明的可展阵列折叠过程竖直方向示意图。
附图标记：
1-弹簧驱动铰链2-单自由度可展阵列
1-1合页铰链1-2驱动弹簧1-3连接销轴1-4固定螺栓
2-1单元I外A板
2-2单元I中心A板
2-3单元I内A板
2-4单元I内B板
2-5单元I中心B板
2-6单元I外B板
2-7单元II内A板
2-8单元II外A板
2-9单元II外B板
2-10单元II内B板
2-11单元III外A板
2-12单元III中心A板
2-13单元III内A板
2-14单元III内B板
2-15单元III中心B板
2-16单元III外B板
2-17单元IV内A板
2-18单元IV外A板
2-19单元IV外B板
2-20单元IV内B板。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-图2所示，本发明实施例的本发明为一种单自由度全对称可展结构，包括弹簧驱动铰链和单自由度全对称可展阵列。
本实施例中，弹簧驱动铰链(1)安装在单自由度可展阵列(2)的连接折痕位置，利用弹簧驱动力驱动可展阵列实现展开运动；
在本实例中仅给出五个全对称单元组成的可展阵列进行说明，如图2所示，所述可展阵列基于厚板剪纸折叠方式构建的可展阵列由5个基本可展单元I，基本可展单元II，基本可展单元III，基本可展单元IV，基本可展单元V交替排布构建而成，其中相邻的单元之间会共用部分折痕和板面；
如图3所示，详细描述了可展阵列的构成，基本可展单元I由单元I外A板(2-1)、单元I中心A板(2-2)、单元I内A板(2-3)、单元I内B板(2-4)、单元I中心B板(2-5)和单元I外B板(2-6)构成。
基本可展单元II由单元I内A板(2-3)、单元I内B板(2-4)、单元II内A板(2-7)、单元II外A板(2-8)、单元II外B板(2-9)和单元II内B板(2-10)构成。
基本可展单元III由单元III外A板(2-11)、单元III中心A板(2-12)、单元III内A板(2-13)、单元III内B板(2-14)、单元III中心B板(2-15)和单元III外B板(2-16)构成。
基本可展单元IV由单元III内A板(2-13)、单元III内B板(2-14)、单元IV内A板(2-17)、单元IV外A板(2-18)、单元IV外B板(2-19)和单元IV内B板(2-20)构成。
基本可展单元V由单元I内B板(2-4)、单元I中心B板(2-5)、单元II内B板(2-10)、单元III中心A板(2-12)、单元III内A板(2-13)和单元IV内A板(2-17)构成。
如图4所示，该可展阵列中的可展单元由旋转对称的六折痕厚板剪纸可展单元，通过缩进相对顶点A、B构成，由图4可以看出相比于顶点缩进之前，可以有效的消除厚板剪纸折叠方式导致的板间空隙，增大收拢率。
如图5所示，该可展阵列中的每个可展单元需要满足厚板剪纸的相关约束条件，才能在运动学上等效成空间过约束Waldron hybrid过约束机构，实现厚板条件下的折叠可动性，除缩进顶点A、B参数外，该可展单元与顶点缩前的六折痕厚板剪纸单元参数关系相同，其相应的角度关系满足：α1+α2+α3+α4＝α5+α6+α7+α8＝π，相应的板厚关系满足t1sinα4＝t4sinα1，t6sinα7＝t7sinα6，t3＝t4＝t5＝t6，t7＝t8＝t1＝t2；其中为了构建全对称的可展阵列，需要该可展单元能够实现交替排布布置，因此增加了额外的角度关系：α1＝α7，α2＝α8，α3＝α5，α4＝α6；为了减小折叠过程中的驱动力，实现较大的折叠率，并保证折叠过程更加可靠，本发明优选各个α角度小于180度，并且实施例中α1＝45°，α2＝65°，α3＝40°，α4＝30°的情况，该方案可以通过设计各个厚板单元的厚度实现可展阵列的折叠运动；
所述厚板剪纸可展单元具有单个自由度，所述可展阵列由5个可展单元构成，所述可展单元I和可展单元II之间共用一条转动折痕、单元I内A板(2-3)和单元I内B板(2-4)，因此可展单元II的运动输入由可展单元I的运动输出所定义；
所述可展单元V和可展单元I共用一条转动折痕、单元I内B板(2-4)和单元I中心B板(2-5)，同时和可展单元II共用一条转动折痕、单元I内B板(2-4)和单元II内B板(2-10)，由可展单元I和II共同定义运动输入；
所述可展单元III和可展单元V共用一条转动折痕、单元III中心A板(2-12)和单元III内A板(2-13)，其运动输入可以由可展单元V的运动输出所定义；
所述可展单元IV和可展单元V共用一条转动折痕、单元III内A板(2-13)和单元IV内A板(2-17)，其运动输入可以由可展单元V的运动输出所定义，可以依据此构建具有单自由度的可展阵列，阵列结构简单可扩展，具有大折展比的优点。
本实施例中，所述弹簧驱动铰链(1)由合页铰链(1-1)、驱动弹簧(1-2)、连接销轴(1-3)和固定螺栓(1-4)组成，如图3所示；所述合页铰链(1-1)安装在折痕处充当运动转动副，连接厚板单元以实现折展运动，所述驱动弹簧(1-2)安装在合页铰链的转轴处，通过连接销轴(1-3)安装在合页铰链(1-1)上，由弹簧自身展开弹性提供展开过程所需驱动力，所述合页铰链(1-1)在安装了驱动弹簧(1-2)和连接销轴(1-3)之后通过固定螺栓(1-4)安装在可展阵列的厚板单元折痕连接处，充当转动运动副；所述可展阵列(2)具有单个自由度，仅需要一个驱动力即可实现阵列的折叠运动，所述弹簧驱动铰链(1)能够为可展阵列关键驱动位置提供驱动力，其余位置提供辅助展开力，帮助可展阵列实现折叠运动。
本发明的具体工作过程如下：
将该可展固面天线工作面向上放置在水平面上，对收拢状态下的可展固面天线人为去除约束，使得合页铰链(1-1)在驱动弹簧(1-2)自身的弹力作用下驱动可展固面天线实现展开运动，如图6和图7所示，展开到预期的工作位置后厚板结构在折痕位置产生干涉碰撞而自锁，在弹簧弹力和厚板板面接触力的作用下保持在预期工作型面位置。
本实施例中，对阵列厚板单元进行上表面材料去除处理，使其形成预期型面工作表面，采用3D打印进行制作，加工材料为PLA，选用这种加工方法及材料，使得阵列复杂板面加工较为简单，结构稳固，重量较轻，成本较低。
该可展固面天线的弹簧驱动铰链为金属制作，安装在可展阵列折痕位置，具有强度高，质量轻的优点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种单自由度全对称可展结构，其特征在于，由弹簧驱动铰链和可展阵列构成，所述可展阵列是基于刚性厚板剪纸折叠方式设计的具有单自由度的全对称可展阵列，由多个基本可展单元通过折痕位置的弹簧驱动铰链连接形成；所述弹簧驱动铰链安装在所述基本可展单元的折痕位置充当运动转动副，以使形成所述基本可展单元的相邻板体能实现折展运动；所述可展阵列在所述弹簧驱动铰链的弹簧弹力和板体板面接触力的作用下保持在预期工作型面位置；
每个基本可展单元相邻角度为梯度变换，相对角度相等，每个基本可展单元内角度与板厚度关系满足空间过约束机构运动学关系以确保每个基本可展单元的可动性，单元相对顶点缩进以避免折叠后的缝隙。
2.根据权利要求1所述单自由度全对称可展结构，其特征在于，每个所述基本可展单元是由旋转对称的六折痕的可展单元通过缩进两个相对顶点而构成的全对称扇形角的可展单元，按顺时针方向开始，依次设置有展开时底面位于同一平面上的第一板体、第二板体、第三板体、第四板体、第五板体以及第六板体，其中，所述第一板体与第四板体旋转对称，第二板体与第五板体旋转对称，第三板体与第六板体旋转对称，所述第一板体与第二板体间的第一折叠线与所述六板体与第五板体间的第二折叠线相交呈V形。
3.根据权利要求2所述单自由度全对称可展结构，其特征在于，所述第二板体由厚度不同的两块板连接形成，两块板的底面位于同一平面，顶面存在高度差，其中，所述第一板体及第四板体的厚度相同，第三板体及第六板体的厚度相同；
其相应的角度关系满足：α1+α2+α3+α4＝α5+α6+α7+α8＝π，α1＝α7，α2＝α8，α3＝α5，α4＝α6，相应的板厚关系满足t1sinα4＝t4sinα1，t6sinα7＝t7sinα6，t3＝t4＝t5＝t6，t7＝t8＝t1＝t2；
a1是第一板体与第六板体及第二板体的厚板的两个邻边间的夹角，a2是第二板体的厚板与第一板体及第五体的薄板的两个邻边间的夹角，a3是第五板体的薄板与第六板体及第二体的厚板的两个邻边间的夹角，a4是第六板体与第一板体及第五体的薄板的两个邻边间的夹角；
a5是第二板体的薄板与第三板体及第五板体的厚板的两个邻边间的夹角，a6是第三板体与第四板体及第二体的薄板的两个邻边间的夹角，a7是第四板体与第三板体及第五体的厚板的两个邻边间的夹角，a8是第五板体的厚板与第四板体及第一体的薄板的两个邻边间的夹角；
其中，第一板体的厚度为t1、第二板体厚板的厚度为t2、第二板体厚板的薄度为t5，第三板体厚度为t6、第四板体厚度为t7、第五板体的薄板的厚度为t3，第五板体的厚板的厚度为t8，第六板体的厚度为t4。
4.根据权利要求3所述单自由度全对称可展结构，其特征在于，每个基本可展单元具有全对称角度，其板厚与角度关系满足空间过约束Waldron hybrid过约束机构运动约束条件以实现单个自由度的可动性，相邻基本可展单元共用板面与折痕，使得所构成的整个可展阵列具有单个自由度，单元内相对顶点之间缩进避免了剪纸折叠方式遗留的裁开缝隙以实现紧密折叠；
每块板面都进行表面形貌处理，使得该可展阵列在展开到工作位置时能够达到预期的工作型面并自锁，并实现折叠后板面之间无干涉。
5.根据权利要求1或4所述单自由度全对称可展结构，其特征在于，所述弹簧驱动铰链由合页铰链、驱动弹簧、连接销轴和固定螺栓组成，所述驱动弹簧安装在合页铰链的转轴处，通过连接销轴安装在合页铰链上；所述合页铰链在安装了驱动弹簧和连接销轴之后通过固定螺栓安装在单自由度全对称可展阵列的全对称的基本可展单元的折痕位置处。
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