CN114476149B - 一种基于球面5r机构的空间可展开暴露实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于球面5R机构的空间可展开暴露实验平台，包括中心模块、丝杠螺母传动机构、连杆组件、球面5R机构、驱动机构和展开块，所述中心模块的周侧边缘铰接有多个展开块，相邻两个展开块之间铰接有球面5R机构，每个展开块的内侧面上均连接有至少一组连杆组件，驱动机构连接并驱动丝杠螺母传动机构带动各组连杆组件运动，并利用连杆组件带动各个展开块以及各个球面5R机构同步折展。本发明的暴露实验平台，利用丝杠螺母传动机构和连杆组件配合使展开块和球面5R机构折叠展开，使暴露实验平台在折叠时向中心收拢，占用更少的发射空间，在展开时有效增加可供进行暴露实验的表面积，增加了可开展暴露实验的数量，实现较大的折展比。

Description

一种基于球面5R机构的空间可展开暴露实验平台

技术领域

本发明涉及空间暴露相关技术领域，具体涉及一种基于球面5R机构的空间可展开暴露实验平台。

背景技术

航天任务的需求逐渐提高，相应航天器的结构尺寸越来越大，但这与火箭的运载空间和能力相矛盾，可展开机构能够在指令的控制下完成从折叠状态到展开状态的变换，且展开后具有较大的包络尺寸和一定的刚度，能够搭载指定的载荷的机构，因此可以选择具有折展功能的可展开机构有望解决这一问题。

空间暴露实验是探索空间科学的重要途径，进行舱外暴露实验的前提是航天器必须提供一个安装试样的暴露实验平台。各国在开展空间飞行任务时都进行了多种多样的空间暴露实验，搭建了不同种类的暴露实验平台。目前的暴露实验平台几乎不具备折展功能，大多是桁架结构或舱段外表面，受载荷挂点位置、面积和火箭发射包络等因素的限制。大型暴露实验平台多是刚性的盒型结构，体积大，不便于运输，需要多次发射进行在轨模块化组装方可使用，需要较高的发射成本。

现有的一些可折展的空间暴露平台，采用记忆合金或凸轮进行驱动折展，结构强度低，而且不能形成有效的约束支撑，对于长时间暴露试验来说，容易造成结构失效而失去支撑，造成试验失败等。

综上所述，研究具有高折展比、高刚度性能的可展开暴露实验平台有着良好的发展前景。

发明内容

本发明为了解决现有技术的不足，提供了一种一种基于球面5R机构的空间可展开暴露实验平台。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于球面5R机构的空间可展开暴露实验平台，包括中心模块、丝杠螺母传动机构、连杆组件、球面5R机构、驱动机构和展开块，所述中心模块的周侧边缘铰接有多个展开块，相邻两个展开块之间铰接有球面5R机构，每个所述展开块的内侧面上均连接有至少一组所述连杆组件，所述驱动机构连接并驱动丝杠螺母传动机构带动各组连杆组件运动，并利用连杆组件带动各个展开块以及各个球面5R机构同步折展；所述球面5R机构包括两个厚度渐变且相互铰接的三角板，两个三角板的厚边的外侧面相互铰接形成折痕边，两个三角板的薄边分别与对应的展开块铰接形成折痕边，当所述连杆组件展开状态时，两个三角板的厚边抵接。

本发明的有益效果是：本发明的暴露实验平台，利用丝杠螺母传动机构和连杆组件配合使展开块和球面5R机构折叠展开，使暴露实验平台在折叠时向中心收拢，占用更少的发射空间，在展开时有效增加可供进行暴露实验的表面积，增加了可以开展暴露实验的数量，实现较大的折展比。本发明的暴露实验平台可以在驱动机构的控制下，根据实际需求进行折叠展开变换，可重复使用。本发明的暴露实验平台，采用连杆组件驱动展开块的折展，具有结构简单，动作可靠，承载能力强，方便润滑的特点。连杆组件还属于过约束机构，能够获得更大的结构刚度。球面5R机构使两个三角板的厚边抵接，有利于形成结构支撑，提高结构刚度。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，还包括中空结构的对接模块，所述对接模块安装在所述中心模块的内侧面上，所述丝杠螺母传动机构装配在所述对接模块内，所述驱动机构安装在所述对接模块背离所述中心模块的一端；所述对接模块的周侧壁上开设有多个用于连杆组件对应穿出的驱动通道。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用中空结构的对接模块，可以为丝杠螺母传动机构进行有效的结构支撑，还能够使连杆组件从对接模块的驱动通道伸出或收入到对接模块的中空结构内。

进一步，所述连杆组件包括驱动杆、第一铰接杆和第二铰接杆，所述驱动杆的一端与所述丝杠螺母传动机构铰接，所述驱动杆的另一端与第一铰接杆的中部铰接；所述第一铰接杆的一端与对接模块背离所述中心模块的一端周侧壁铰接，所述第一铰接杆的另一端与第二铰接杆一端铰接，所述第二铰接杆的另一端与对应的展开块内侧面铰接。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用驱动杆、第一铰接杆和第二铰接杆配合的连杆结构，驱动杆、第一铰接杆、第二铰接杆和展开块形成平面四连杆机构，而且配合球面5R机构这种过约束机构，当运动死点位置，能够为展开块的折展提供稳定的结构支撑，有利于提高结构刚度，获得更大的结构刚度。

进一步，所述第一铰接杆的长度大于所述第二铰接杆的2倍长度，所述第一铰接杆的长度大于所述驱动杆的长度。

采用上述进一步方案的有益效果是：有利于驱动过程的稳定运行以及确保折展到位后的刚度。

进一步，所述连杆组件折叠状态时，所述第一铰接杆与第二铰接杆之间的铰接点位于中心模块与第二铰接杆的另一端之间，所述驱动杆与第一铰接杆之间的铰接点位于所述第一铰接杆的一端与所述第二铰接杆的另一端之间，所述第一铰接杆和第二铰接杆均位于所述对接模块内部；所述连杆组件展开状态时，所述第一铰接杆和第二铰接杆处于同一条直线上。

采用上述进一步方案的有益效果是：使第一铰接杆和第二铰接杆配合形成过约束机构，能够获得更大的结构刚度，对展开块形成有效的结构支撑。

进一步，所述球面5R机构与相邻两个展开块的铰接线分别为第一铰接线和第二铰接线，相邻两个展开块与中心模块的铰接线分别为第三铰接线和第四铰接线，所述球面5R机构自身的铰接线、所述第一铰接线、第二铰接线、第三铰接线和第四铰接线均相交于同一点。

采用上述进一步方案的有益效果是：有利于结构的稳定和结构强度。

进一步，所述中心模块为正多边形，所述正多边形的内侧面各个边上分别切削形成有相同的第一等腰梯形斜面；所述展开块的内侧面一端切削形成第二等腰梯形斜面，所述第一等腰梯形斜面的长边与所述第二等腰梯形斜面的长边铰接，当所述连杆组件折叠状态时，所述第一等腰梯形斜面与所述第二等腰梯形斜面适配接触。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用第一等腰梯形斜面与第二等腰梯形斜面配合，便于折叠合拢后，形成结构死点，提高结构的刚度和稳定性。

进一步，所述展开块的内侧面相对两侧边分别切削形成相同的直角梯形斜面，当所述连杆组件折叠状态时，所述直角梯形斜面与对应三角板的内侧斜面抵接。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用直角梯形斜面与对应三角板的内侧斜面配合，便于折叠合拢后，形成结构死点，提高结构的刚度和稳定性。

进一步，所述三角板为直角三角板，所述直角三角板的斜边与对应的展开块铰接，所述直角三角板的两个直角边为厚边。

采用上述进一步方案的有益效果是：有利于合拢后实现大的折展比。

进一步，所述空间可展开暴露实验平台完全展开后为正多边形结构。

附图说明

图1为本发明一种基于球面5R机构的空间可展开暴露实验平台折叠状态示意图；

图2为本发明一种基于球面5R机构的空间可展开暴露实验平台折叠状态仰视图；

图3为本发明一种基于球面5R机构的空间可展开暴露实验平台展开过程示意图；

图4为本发明一种基于球面5R机构的空间可展开暴露实验平台完全展开后状态示意图；

图5为本发明一种基于球面5R机构的空间可展开暴露实验平台完全展开后仰视图；

图6为本发明一种基于球面5R机构的空间可展开暴露实验平台折叠状态剖视图；

图7为本发明一种基于球面5R机构的空间可展开暴露实验平台中对接模块示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、中心模块；2、对接模块；3、丝杠螺母传动机构；4、驱动杆；5、连杆组件；6、球面5R机构；7、驱动机构；8、驱动通道；11、丝杠；12、螺母；21、展开块；22、三角板；31、第一铰接杆；32、第二铰接杆。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1～图7所示，本实施例的一种基于球面5R机构的空间可展开暴露实验平台，包括中心模块1、丝杠螺母传动机构3、连杆组件5、球面5R机构6、驱动机构7和展开块21，所述中心模块1的周侧边缘铰接有多个展开块21，相邻两个展开块21之间铰接有球面5R机构6，每个所述展开块21的内侧面上均连接有至少一组所述连杆组件5，所述驱动机构7连接并驱动丝杠螺母传动机构3带动各组连杆组件5运动，并利用连杆组件5带动各个展开块21以及各个球面5R机构6同步折展。

本实施例的暴露实验平台，利用丝杠螺母传动机构和连杆组件配合使展开块和球面5R机构折叠展开，使暴露实验平台在折叠时向中心收拢，占用更少的发射空间，在展开时有效增加可供进行暴露实验的表面积，增加了可以开展暴露实验的数量，实现较大的折展比。本实施例的暴露实验平台可以在驱动机构的控制下，根据实际需求进行折叠展开变换，可重复使用。本实施例的暴露实验平台，采用连杆组件驱动展开块的折展，具有结构简单，动作可靠，承载能力强，方便润滑的特点。连杆组件还属于过约束机构，能够获得更大的结构刚度。

如图2、图5～图7所示，为了对丝杠螺母传动机构3进行有效的结构支撑，本实施例的一种基于球面5R机构的空间可展开暴露实验平台还包括中空结构的对接模块2，所述对接模块2安装在所述中心模块1的内侧面上，所述丝杠螺母传动机构3装配在所述对接模块2内，所述驱动机构7安装在所述对接模块2背离所述中心模块1的一端；所述对接模块2的周侧壁上开设有多个用于连杆组件5对应穿出的驱动通道8。采用中空结构的对接模块，可以为丝杠螺母传动机构进行有效的结构支撑，还能够使连杆组件从对接模块的驱动通道伸出或收入到对接模块的中空结构内。

具体的，如图6所示，本实施例的丝杠螺母传动机构3包括丝杠11和螺母12，可将驱动机构7的驱动端与丝杠11的一端固定连接，将丝杠11的另一端转动连接在中心模块1的内侧面中心位置处，螺母12螺纹连接在丝杠11上，各组连杆组件5的驱动杆4一端分别铰接在螺母12上。

为了使丝杠螺母传动机构3的稳定传动，还可以在对接模块2内设置滑轨，将滑轨沿对接模块2的轴向布置，使螺母的外侧壁滑动连接在滑轨上。滑轨错开连杆组件布置，避免发生干涉。

本实施例的驱动机构7可采用步进电机。

如图5和图6所示，本实施例的所述连杆组件5包括驱动杆4、第一铰接杆31和第二铰接杆32，所述驱动杆4的一端与所述丝杠螺母传动机构3铰接，所述驱动杆4的另一端与第一铰接杆31的中部铰接；所述第一铰接杆31的一端与对接模块2背离所述中心模块1的一端周侧壁铰接，所述第一铰接杆31的另一端与第二铰接杆32一端铰接，所述第二铰接杆32的另一端与对应的展开块21内侧面铰接。采用驱动杆、第一铰接杆和第二铰接杆配合的连杆结构，驱动杆、第一铰接杆、第二铰接杆和展开块形成平面四连杆机构，而且配合球面5R机构这种过约束机构，当运动死点位置，能够为展开块的折展提供稳定的结构支撑，有利于提高结构刚度，获得更大的结构刚度。

如图5和图6所示，本实施例的所述第一铰接杆31的长度大于所述第二铰接杆32的2倍长度，所述第一铰接杆31的长度大于所述驱动杆4的长度。有利于驱动过程的稳定运行以及确保折展到位后的刚度。

如图6所示，本实施例的所述连杆组件5折叠状态时，所述第一铰接杆31与第二铰接杆32之间的铰接点位于中心模块1与第二铰接杆32的另一端之间，所述驱动杆4与第一铰接杆31之间的铰接点位于所述第一铰接杆31的一端与所述第二铰接杆32的另一端之间，所述第一铰接杆31和第二铰接杆32均位于所述对接模块2内部；所述连杆组件5展开状态时，所述第一铰接杆31和第二铰接杆32处于同一条直线上。使第一铰接杆和第二铰接杆配合形成过约束机构，能够获得更大的结构刚度，对展开块形成有效的结构支撑。

如图3所示，本实施例的所述球面5R机构6与相邻两个展开块21的铰接线分别为第一铰接线和第二铰接线，相邻两个展开块21与中心模块1的铰接线分别为第三铰接线和第四铰接线，所述球面5R机构6自身的铰接线、所述第一铰接线、第二铰接线、第三铰接线和第四铰接线均相交于同一点。有利于结构的稳定和结构强度。

如图1～图5所示，本实施例的所述中心模块1为正多边形，所述正多边形的内侧面各个边上分别切削形成有相同的第一等腰梯形斜面；所述展开块21的内侧面一端切削形成第二等腰梯形斜面，所述第一等腰梯形斜面的长边与所述第二等腰梯形斜面的长边铰接，当所述连杆组件5折叠状态时，所述第一等腰梯形斜面与所述第二等腰梯形斜面适配接触。所述空间可展开暴露实验平台完全展开后为正多边形结构。采用第一等腰梯形斜面与第二等腰梯形斜面配合，便于折叠合拢后，形成结构死点，提高结构的刚度和稳定性。

如图5和图6所示，本实施例的所述球面5R机构6包括两个厚度渐变且相互铰接的三角板22，两个三角板22的厚边的外侧面相互铰接形成折痕边，两个三角板22的薄边分别与对应的展开块21铰接形成折痕边，当所述连杆组件5展开状态时，两个三角板22的厚边抵接。使两个三角板的厚边抵接，有利于形成结构支撑，提高结构刚度。

如图5所示，本实施例的所述展开块21的内侧面相对两侧边分别切削形成相同的直角梯形斜面，当所述连杆组件5折叠状态时，所述直角梯形斜面与对应三角板22的内侧斜面抵接。采用直角梯形斜面与对应三角板的内侧斜面配合，便于折叠合拢后，形成结构死点，提高结构的刚度和稳定性。

如图5所示，本实施例的所述三角板22为直角三角板，所述直角三角板的斜边与对应的展开块21铰接，所述直角三角板的两个直角边为厚边，所述直角三角板的斜边为薄边，有利于合拢后实现大的折展比。

本实施例的一种基于球面5R机构的空间可展开暴露实验平台的工作过程为，空间可展开暴露实验平台由折叠状态变为展开状态，即由图1-图5的过程为，丝杠螺母传动机构驱动驱动杆以及连杆组件，使平面四杆机构的第一铰接杆带动第二铰接杆运动，第二铰接杆带动展开块和球面5R机构展开，并由原来的多边形柱体型结构逐渐变成正六边形表面，图3为暴露平台展开过程状态图，图4为暴露实验平台完全展开后外表面的结构图，图5为暴露实验平台完全展开后内表面的结构图。暴露实验平台完全展开后，平面四杆机构处于死点状态，保证平台的结构刚度。可以根据指令控制暴露实验平台的折叠展开状态变换。如图4和图5所示，暴露实验平台展开后，可以得到正六边形的光整表面。暴露平台由展开状态变为折叠状态，即由图5到图1的过程为，利用步进电机反转驱动丝杠螺母传动机构反向运动，驱动杆和连杆组件随之运动，使平面四杆机构第一铰接杆带动第二铰接杆向中心收拢，拉动展开块和球面5R机构收回，并围成一多边形柱体型结构，能够减小暴露实验平台在折叠情况下所占空间，降低发射和回收成本。

本实施例的暴露实验平台能够接收地面发射的控制信号，暴露实验平台接收指令后，配合步进电机和丝杠螺母传动机构，将展开块和球面5R机构驱动到展开状态，便可投入使用；本实施例的暴露实验平台能够支持多项科学样本的暴露实验，在暴露实验平台展开后，可以通过人工或使用机械臂的方式将暴露实验载荷悬挂在平台暴露平台外表面的挂点位置上。暴露实验平台折叠后呈多边形柱体型结构，可将其进行回收带回地面。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种基于球面5R机构的空间可展开暴露实验平台，其特征在于，包括中心模块、丝杠螺母传动机构、连杆组件、球面5R机构、驱动机构和展开块，所述中心模块的周侧边缘铰接有多个展开块，相邻两个展开块之间铰接有球面5R机构，每个所述展开块的内侧面上均连接有至少一组所述连杆组件，所述驱动机构连接并驱动丝杠螺母传动机构带动各组连杆组件运动，并利用连杆组件带动各个展开块以及各个球面5R机构同步折展；

所述球面5R机构包括两个厚度渐变且相互铰接的三角板，两个三角板的厚边的外侧面相互铰接形成折痕边，两个三角板的薄边分别与对应的展开块铰接形成折痕边，当所述连杆组件展开状态时，两个三角板的厚边抵接；

所述展开块的内侧面相对两侧边分别切削形成相同的直角梯形斜面，当所述连杆组件折叠状态时，所述直角梯形斜面与对应三角板的内侧斜面抵接；所述三角板为直角三角板，所述直角三角板的斜边与对应的展开块铰接，所述直角三角板的两个直角边为厚边。

2.根据权利要求1所述一种基于球面5R机构的空间可展开暴露实验平台，其特征在于，还包括中空结构的对接模块，所述对接模块安装在所述中心模块的内侧面上，所述丝杠螺母传动机构装配在所述对接模块内，所述驱动机构安装在所述对接模块背离所述中心模块的一端；所述对接模块的周侧壁上开设有多个用于连杆组件对应穿出的驱动通道。

3.根据权利要求2所述一种基于球面5R机构的空间可展开暴露实验平台，其特征在于，所述连杆组件包括驱动杆、第一铰接杆和第二铰接杆，所述驱动杆的一端与所述丝杠螺母传动机构铰接，所述驱动杆的另一端与第一铰接杆的中部铰接；所述第一铰接杆的一端与对接模块背离所述中心模块的一端周侧壁铰接，所述第一铰接杆的另一端与第二铰接杆一端铰接，所述第二铰接杆的另一端与对应的展开块内侧面铰接。

4.根据权利要求3所述一种基于球面5R机构的空间可展开暴露实验平台，其特征在于，所述第一铰接杆的长度大于所述第二铰接杆的2倍长度，所述第一铰接杆的长度大于所述驱动杆的长度。

5.根据权利要求3所述一种基于球面5R机构的空间可展开暴露实验平台，其特征在于，所述连杆组件折叠状态时，所述第一铰接杆与第二铰接杆之间的铰接点位于中心模块与第二铰接杆的另一端之间，所述驱动杆与第一铰接杆之间的铰接点位于所述第一铰接杆的一端与所述第二铰接杆的另一端之间，所述第一铰接杆和第二铰接杆均位于所述对接模块内部；所述连杆组件展开状态时，所述第一铰接杆和第二铰接杆处于同一条直线上。

6.根据权利要求1所述一种基于球面5R机构的空间可展开暴露实验平台，其特征在于，所述球面5R机构与相邻两个展开块的铰接线分别为第一铰接线和第二铰接线，相邻两个展开块与中心模块的铰接线分别为第三铰接线和第四铰接线，所述球面5R机构自身的铰接线、所述第一铰接线、第二铰接线、第三铰接线和第四铰接线均相交于同一点。

7.根据权利要求1所述一种基于球面5R机构的空间可展开暴露实验平台，其特征在于，所述中心模块为正多边形，所述正多边形的内侧面各个边上分别切削形成有相同的第一等腰梯形斜面；所述展开块的内侧面一端切削形成第二等腰梯形斜面，所述第一等腰梯形斜面的长边与所述第二等腰梯形斜面的长边铰接，当所述连杆组件折叠状态时，所述第一等腰梯形斜面与所述第二等腰梯形斜面适配接触。

8.根据权利要求1所述一种基于球面5R机构的空间可展开暴露实验平台，其特征在于，所述空间可展开暴露实验平台完全展开后为正多边形结构。

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