CN115009541B - 一种绳索联动的折铰式展开机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种绳索联动的折铰式展开机构，包括臂间铰链、根部铰链、臂杆、压紧释放装置、顶部铰链和联动绳索。其中各臂杆平行设置通过压紧释放装置定位。上下两根臂杆同侧端部安装顶部铰链与根部铰链，用来连接载荷及基座。同时各相邻臂杆同侧端部间通过臂间铰链铰接。上述各铰链中通过涡卷簧实现公母铰间打开。联动绳索用于连接左右相邻的两铰链，通过铰链上设计的绳轮连接联动绳索。同时在各铰链上设计有锁定结构，实现各铰链打开后的锁定。由此通过压紧释放装置释放各个臂杆，通过涡卷簧作用，打开各个铰链，进一步由锁定机构实现锁定；释放过程中通过联动绳索保证各个臂杆间的同步展开本发明能够实现展开机构的联动展开，使展开轨迹可控。

Description

一种绳索联动的折铰式展开机构

技术领域

本发明涉及宇航伸杆展开机构领域，特别涉及一种绳索联动的折铰式展开机构。

背景技术

许多空间探测任务要求探测仪器能够实现空间远距离定位和支撑，折铰式展开机构由于其简单可靠，质量轻，收拢率小，展开长度大等优点，被广泛的应用于各类探测仪器的定位与支撑，如杆状天线、磁力计、重力梯度杆、太阳帆等。利用弹簧驱动的刚性铰链由于结构简单，质量轻，安装方便，可靠性高等优点被广泛的应用于折铰式展开机构这类一次性展开锁定的情形。但由于弹簧驱动的不可控性，导致折铰式展开机构在展开过程轨迹和展开速度的难以控制。而空间可展机构，尤其是多刚体系统，在展开过程中一定要避免构件与构件之间的干涉现象，以防止构件间相互碰撞导致整体结构失效；或者造成展开过程中，结构与航天器碰撞，影响航天器姿态稳定。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种绳索联动的折铰式展开机构，能够实现展开机构的联动展开，使展开轨迹可控。

本发明绳索联动的折铰式展开机构，具有安装于压紧释放装置上的多根平行的臂杆；位于最上方与最下方臂杆同侧端部分别通过顶部铰链与根部铰链连接载荷及基座；相邻臂杆同侧端部通过臂间铰链相连。

所述臂间铰链包括端部铰接的公铰与母铰，公铰与母铰末端用于连接臂杆；两者间通过涡卷簧作用打开。打开后通过公铰铰接端两侧面间安装的锁钩与母铰铰接端两侧面上设计的锁定凸起配合实现公铰与母铰打开后的锁定。

所述根部铰链与顶部铰链结构相同，均与臂间铰链结构类似，区别为：根部铰链的母铰与顶部铰链中的公铰末端设计有连接法兰，分别用于连接基座与载荷。

上述顶部铰链与根部铰链上安装有一个绳轮，与公铰固定；臂间铰链的铰接轴上安装有两个绳轮分别与公铰及母铰固定。

上述每根臂杆内穿有两根绳索，每根臂杆内的两根联动绳索两端分别连接该臂杆左右两端处的绳轮，具体为：臂杆内两根绳索一端缠绕于一端铰链的一个绳轮上，随后由公铰上安装的导向轮导向后穿过臂杆内部，进一步由另一端铰链中母铰上安装的导向轮导向后缠绕于另一端一个绳轮上。

展开过程中，根部铰链、臂间铰链以及顶部铰链中的涡卷簧产生扭力带动各自所连接的公铰转动，此时公铰带动与其相连的臂杆绕主轴轴线转动，与母铰间打开；且在展开过程中，由各个臂杆内的两根联动绳索实现各个臂杆间的同步展开；展开后通过锁钩与锁定凸起配合，实现各个臂杆间的锁定。

本发明的优点在于：

1、本发明绳索联动的折铰式展开机构，通过绳传动实现展开机构的联动展开，使展开轨迹可控。

2、本发明绳索联动的折铰式展开机构，通过将绳传动系统布置于展开机构臂杆内部使结构更加紧凑，避免展开过程中机构与其他零部件的钩挂。

3、本发明绳索联动的折铰式展开机构，通过臂杆内部走绳的方式使联动绳轮置于铰链内侧，使得预紧力对铰链的影响远小于外部走绳的方式，从而提高铰链的运动精度、结构刚度和连接的强度。

附图说明

图1为本发明绳索联动的折铰式展开机构结构示意图。

图2为本发明绳索联动的折铰式展开机构中臂间铰链结构示意图。

图3为本发明绳索联动的折铰式展开机构中公铰组件结构示意图。

图4为本发明绳索联动的折铰式展开机构中母铰组件结构示意图。

图5为本发明绳索联动的折铰式展开机构中根部铰链结构示意图。

图6为本发明绳索联动的折铰式展开机构中小绳轮结构示意图。

图7为本发明绳索联动的折铰式展开机构中大绳轮结构示意图。

图8为本发明绳索联动的折铰式展开机构中绳索连接方式示意图。

图9为本发明绳索联动的折铰式展开机构中公铰母铰展开状态示意图。

图10为本发明绳索联动的折铰式展开机构整体展开后示意图。

图中：

1-臂间铰链 2-根部铰链 3-臂杆

4-顶部铰链 5-压紧释放装置 101-主轴

102-涡卷簧 103-涡卷簧预紧座 110-公铰组件

111-公铰 112-锁钩 113-锁钩轴

114-扭转弹簧 115-摆臂挡 116-公铰导向轮

117-公铰导向轮轴 120-母铰组件 121-母铰

122-涡卷簧固定轴 123-微调螺钉 124-锁紧螺母

125-母铰导向轮轴 126-母铰导向轮 127-锁定凸起

128-锁槽 130-绳轮组件 131-绳轮

132-绳头 133-绳头调节螺母 134-固定压片

210-连接法兰

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明绳索联动的折铰式展开机构，如图1所示，主要包括臂间铰链1、根部铰链2、臂杆3、顶部铰链4、压紧释放装置5与联动绳索。

所述臂杆3为n个，n为大于等于4的偶数。n个臂杆3沿x轴方向平行，且沿z轴方向平行排列，两端分别通过压紧衬套安装于左右两个压紧释放装置5(航天器机构常用组件)中相对的压紧单元上，压紧释放装置5通过底部法兰与基座固定。通过左右两个压紧释放装置5实现各个臂杆3间的连接。

将上述n个臂杆3中，由下至上每两根臂杆3作分为一组，共n/2个臂杆组A，每个臂杆组A中两臂杆3右端间通过一套臂间铰链1连接。n个臂杆3中，最下方臂杆3左端安装有根部铰链，最上方臂杆3左端安装有顶部铰链4，同时将剩余臂杆3由下至上每两根臂杆3分为一组，共(n-2)/2各臂杆组B，每个臂杆组B的左端间通过一套壁间铰链1连接。

所述臂间铰链1包括公铰组件110、母铰组件120、绳轮组件130、主轴101、涡卷簧102与涡卷簧预紧座103，如图2所示。

其中，公铰组件110包括公铰111、锁钩112、锁钩轴113、扭转弹簧114、摆臂挡115、公铰导向轮116与公铰导向轮轴117，如图3所示。

公铰111后部设计为筒状接头，用于连接臂杆3。公铰111前部左右两侧设计有对称的连接面；两侧连接面前部下方对应位置设计有母铰连接孔，用于连接母铰组件120。公铰111两侧连接面上方中部对应位置设计有锁钩安装孔，通过轴孔配合固定安装沿y轴方向设置的锁钩轴113；同时公铰111前部与后部相接位置设计有沿z轴方向的纵梁，纵梁中部通过沿y轴方向设置的公铰导向轮轴117安装有公铰导向轮116。

锁钩112为杆状结构，末端套接于锁钩轴113上，前端设计有轴线沿y轴方向的柱状接头；通过锁钩112与母铰组件120间的配合，实现臂间铰链1展开后的锁定。

摆臂挡115为杆状结构，沿y轴方向设置，位于锁钩轴113下方，两端分别与公铰111两侧连接面间固定；通过摆臂挡115限制锁钩112向下的转动区域。

扭转弹簧114一端压在锁钩112上，另一端固定在摆臂挡115上，通过扭转弹簧114的力约束锁钩112向上的转动。

母铰组件120包括母铰121、涡卷簧固定轴122、微调螺钉123、锁紧螺母124、母铰导向轮轴125与母铰导向轮126，如图4所示。

其中，母铰121的结构与公铰111结构类似，前部左右两侧同样设计有对称的连接面；两侧连接面前部下方对应位置设计有公铰连接孔，用于连接公铰组件110；且母铰121两侧连接面外壁间距小于公铰111后部两侧连接面间距，使母铰121前端可置于公铰111前端内部，以实现母铰121与公铰111间的铰接。

母铰121前部两侧连接面相对位置设计有锁定凸起127，锁定凸起127截面为凸轮形，两个锁定凸起127相对侧面间具有一定间隙，作为锁定通道；且在两个锁定凸起127与母铰121后部之间形成锁槽128，与公铰111中锁钩112前端柱状接头配合，使柱状接头卡入锁槽128，并与锁定凸起127间配合，实现臂间铰链1展开到位时的锁定。母铰121前部与后部相接位置同样设计有沿z轴方向纵梁，且纵梁中部通过沿y轴方向设置的母铰导向轮轴125安装有母铰导向轮126。母铰121两侧连接面前端对应位置设计螺纹孔，螺纹孔轴线沿x轴方向，螺纹孔内安装有微调螺钉123，通过调整螺钉123的螺纹长度可实现公铰111与母铰121间的展开角度微调，且微调螺钉123上螺纹安装有锁紧螺母124，实现微调螺钉123的锁紧。

上述结构的公铰组件110与母铰组件120间通过主轴101连接。主轴101穿过公铰组件110前部两侧的母铰连接孔与母铰组件120前部两侧的公铰连接孔，实现公铰组件110与母铰组件120间的连接；且设计公铰组件110前侧的一个公铰连接孔为矩形孔，与主轴101上设计的矩形段配合定位，实现公铰组件110与主轴101间的周向定位，使公铰组件110与母铰组件120在展开时，公铰组件110与主轴101一同绕主轴101轴线转动。

所述涡卷簧102为两个，套于主轴101两端，内圈通过涡卷簧预紧座103分别与公铰组件110两侧连接面相连，外圈端部与母铰组件120两侧连接面上安装的沿y轴方向设置的涡卷簧固定轴122搭接。

所述根部铰链2与顶部铰链4结构相同，均与臂间铰链结构类似，区别在于：根部铰链2的母铰121与顶部铰链4中的公铰111末端设计有连接法兰210，分别用于连接基座与载荷，如图5所示。

所述绳轮组件130包括以绳轮半径划分为小绳轮、中绳轮与大绳轮。其中，小绳轮与中绳轮结构相同，包括绳轮131，可调绳头132，绳头调节螺母133与固定压片134，如图6所示。绳轮131为圆盘结构，中心开有安装孔，周向上开有绕绳槽，且侧部设计有一个缺口。缺口一侧开有轴孔，用于连接可调绳头132。其中，可调绳头132末端设计有六边螺帽，前端设计螺纹结构与缺口侧部轴孔配合螺纹连接，且轴向开有穿绳孔，穿绳孔与绕绳槽连通。同时可调绳头132前端还安装有调节螺母，通过转动调节螺母实现调整绳头132的位置调节。在缺口另一侧位置的绳轮131侧壁上安装有固定压片134，用来压紧固定联动绳索6。大绳轮与小绳轮及中绳轮结构类似，不具有固定压片134，而是在缺口另一侧安装有可调绳头132，即大绳轮在缺口相对两侧各具有一个可调绳头132，如图7所示。

上述大绳轮安装于根部铰链2与顶部铰链4的主轴101上，并与公铰111一侧连接面间固定。各个臂间铰链1中，与根部铰链2及顶部铰链4通过联动绳索相连的臂间铰链1(即臂杆组A中最下方臂间铰链1)主轴101上安装有小绳轮与中绳轮，中绳轮与一侧母铰121的连接面间固定，小绳轮与另一侧公铰111的连接面固定。其余臂间铰链1的主轴101上安装两个中绳轮，两个中绳轮分别与公铰111及母铰121与公铰111相对一侧连接面固定；同时设计大绳轮与小绳轮间的传动比为2：1。

基于前述臂间铰链1、根部铰链2与顶部铰链4的安装位置，各铰链安装方式为：臂间铰链1中公铰111与母铰121后部筒状接头分别套于上方与下方的臂杆3端部，并胶接固定。顶部铰链4中母铰121后部筒状接头套于臂杆3端部，并胶接固定；公铰111端部连接法兰与载荷相连。根部铰链2中公铰111后部筒状接头套于臂杆3端部，母铰121端部连接法兰与基座相连。

所述联动绳索用于实现各个臂杆3间的联动。每根臂杆3内穿有两根联动绳索，每根臂杆3内的两根联动绳索两端分别连接该臂杆3左右两端处的绳轮组件130，具体方式如下：

A、位于最下方臂杆3内两根联动绳索的连接方式为：

如图8所示，两根联动绳索6的一端缠绕于根部铰链2中的大绳轮上，端部分别固定于大绳轮的两个可调绳头132上；随后交叉由根部铰链2上的公铰导向轮116两侧通过，经公铰导向轮116导向后平行于臂杆3由臂杆3内部穿过，另一端穿出臂杆3后，由臂间铰链1中母铰导向轮126两侧通过后交叉，缠绕于臂间铰链1中小绳轮上；最后一端固定于小绳轮上的可调绳头132上，另一端通过小绳轮上的固定压片134压紧固定。

B、位于最上方臂杆3内两根联动绳索的连接方式与前述A中相同，为：

两根联动绳索6的一端缠绕于臂间铰链1中的小绳轮上，端部分别固定于大绳轮的两个可调绳头132上；随后交叉由臂间铰链1上的公铰导向轮116两侧通过，经公铰导向轮116导向后平行于臂杆3由臂杆3内部穿过，另一端穿出臂杆3后，由顶部铰链4中母铰导向轮126两侧通过后交叉，缠绕于顶部铰链4中大绳轮上，最后两端分别固定于大绳轮上的两个可调绳头132上。

C、其余臂杆3内两根联动绳索的连接方式与前述A中连接方式相同为：

两根联动绳索6的一端缠绕于一侧臂间铰链1中的中绳轮上，端部分别固定于中绳轮的可调绳头132及固定压片134上；随后交叉由臂间铰链1上的公铰导向轮116两侧通过，经公铰导向轮116导向后平行于臂杆3由臂杆3内部穿过，另一端穿出臂杆3后，由另一侧臂间铰链1中母铰导向轮126两侧通过后交叉，缠绕于另一侧臂间铰链1上的中绳轮上固定，最后一端固定于小绳轮上的可调绳头132上，另一端通过中绳轮上的固定压片134压紧固定。

上述结构的绳索联动的折铰式展开机构，如图1所示，在处于收拢状态下，左右两侧压紧释放装置5处于压紧状态，各压紧单元间通过销轴相对固定，各个臂杆3间平行，进而根部铰链2、臂间铰链1以及顶部铰链4中的公铰111与母铰121处于闭合状态，如图2所示；且根部铰链2、臂间铰链1以及顶部铰链4中的涡卷簧102处于储能状态。通过解锁左右两侧压紧释放装置5中各个压紧单元间的销轴，实现绳索联动的折铰式展开机构的展开。

展开过程中，根部铰链2、臂间铰链1以及顶部铰链4中的涡卷簧102产生扭力带动各自所连接的公铰111及与公铰111周向固定的主轴101转动，此时公铰111带动与其相连的臂杆绕主轴101轴线转动，与母铰121间打开，包括臂杆3左侧根部铰链2、臂间铰链1以及顶部铰链4中公铰111与母铰121间的逆时针打开，以及臂杆3右侧根部铰链2、臂间铰链1以及顶部铰链4中公铰111与母铰121间的顺时针打开；且在展开过程中，通过各个臂杆3内的两根联动绳索6可实现各个臂杆3间的同步展开。

上述公铰111与母铰121间打开过程中，公铰111上的锁钩112前端柱状接头与母铰121上的两个锁定凸起127接触；进一步受锁定凸起127引导进入到锁槽128内，与锁定凸起127配合实现公铰111与母铰121间的锁定；同时母铰121前部两侧连接面前端微调螺钉123端部与公铰111前部两侧连接面前端间接触，通过微调螺钉可对公铰111与母铰121间打开角度进行微调。至此整个绳索联动的折铰式展开机构处于完全展开状态，各个臂杆3间呈一条直线，如图10所示。

Claims (6)

1.一种绳索联动的折铰式展开机构，其特征在于：具有安装于压紧释放装置上的多根平行的臂杆；位于最上方与最下方臂杆同侧端部分别通过顶部铰链与根部铰链连接载荷及基座；相邻臂杆同侧端部通过臂间铰链相连；

所述臂间铰链包括公铰与母铰，公铰与母铰末端用于连接臂杆；两者间通过涡卷簧作用打开；打开后通过公铰铰接端两侧面间安装的锁钩与母铰铰接端两侧面上设计的锁定凸起配合实现公铰与母铰打开后的锁定；

所述根部铰链与顶部铰链结构相同，均与臂间铰链结构类似，区别为：根部铰链的母铰与顶部铰链中的公铰末端设计有连接法兰，分别用于连接基座与载荷；

上述顶部铰链与根部铰链上安装有一个绳轮，与公铰固定；臂间铰链的铰接轴上安装有两个绳轮分别与公铰及母铰固定；

上述每根臂杆内穿有两根联动绳索，每根臂杆内的两根联动绳索两端分别连接该臂杆左右两端处的绳轮，具体为：臂杆内两根联动绳索一端缠绕于一端铰链的一个绳轮上，随后由公铰上安装的导向轮导向后穿过臂杆内部，进一步由另一端铰链中母铰上安装的导向轮导向后缠绕于另一端一个绳轮上，具体为：

以绳轮半径将前述绳轮划分为小绳轮、中绳轮与大绳轮；其中，小绳轮与中绳轮结构相同，包括绳轮，可调绳头，绳头调节螺母与固定压片；绳轮为圆盘结构，中心开有安装孔，周向上开有绕绳槽，且侧部设计有一个缺口；缺口一侧开有轴孔，用于连接可调绳头；其中，可调绳头末端设计有六边螺帽，前端设计螺纹结构与缺口侧部轴孔配合螺纹连接，且轴向开有穿绳孔，穿绳孔与绕绳槽连通；同时可调绳头前端还安装有调节螺母，通过转动调节螺母实现调整绳头的位置调节；在缺口另一侧位置的绳轮侧壁上安装有固定压片，用来压紧固定联动绳索；大绳轮与小绳轮及中绳轮结构类似，不具有固定压片，而是在缺口另一侧安装有可调绳头，即大绳轮在缺口相对两侧各具有一个可调绳头；

上述大绳轮安装于根部铰链与顶部铰链的主轴上，并与公铰一侧连接面间固定；各个臂间铰链中，与根部铰链及顶部铰链通过联动绳索相连的臂间铰链主轴上安装有小绳轮与中绳轮，中绳轮与一侧母铰的连接面间固定，小绳轮与另一侧公铰的连接面固定；其余臂间铰链的主轴上安装两个中绳轮，两个中绳轮分别与公铰及母铰与公铰相对一侧连接面固定；同时设计大绳轮与小绳轮间的传动比为2：1；

A、位于最下方臂杆内两根联动绳索的连接方式为：

两根绳索的一端缠绕于根部铰链中的大绳轮上，端部分别固定于大绳轮的两个可调绳头上；随后交叉由根部铰链上的公铰导向轮两侧通过，经公铰导向轮导向后平行于臂杆由臂杆内部穿过，另一端穿出臂杆后，由臂间铰链中母铰导向轮两侧通过后交叉，缠绕于臂间铰链中小绳轮上；最后一端固定于小绳轮上的可调绳头上，另一端通过小绳轮上的固定压片压紧固定；

B、位于最上方臂杆内两根联动绳索的连接方式与前述A中相同，为：

两根联动绳索的一端缠绕于臂间铰链中的小绳轮上，端部分别固定于大绳轮的两个可调绳头上；随后交叉由臂间铰链上的公铰导向轮两侧通过，经公铰导向轮导向后平行于臂杆3由臂杆内部穿过，另一端穿出臂杆后，由顶部铰链中母铰导向轮两侧通过后交叉，缠绕于顶部铰链中大绳轮上，最后两端分别固定于大绳轮上的两个可调绳头上；

C、其余臂杆内两根联动绳索的连接方式与前述A中连接方式相同为：

两根联动绳索的一端缠绕于一侧臂间铰链中的中绳轮上，端部分别固定于中绳轮的可调绳头及固定压片上；随后交叉由臂间铰链上的公铰导向轮两侧通过，经公铰导向轮导向后平行于臂杆由臂杆内部穿过，另一端穿出臂杆后，由另一侧臂间铰链中母铰导向轮两侧通过后交叉，缠绕于另一侧臂间铰链上的中绳轮上固定，最后一端固定于小绳轮上的可调绳头上，另一端通过中绳轮上的固定压片压紧固定。

2.如权利要求1所述一种绳索联动的折铰式展开机构，其特征在于：锁钩为杆状结构，末端套接于锁钩轴上，前端设计有柱状接头；锁定凸起截面为凸轮形，设计于母铰铰接端两侧面相对位置；在公铰上的锁钩前端柱状接头与母铰上的两个锁定凸起接触；进一步受锁定凸起引导进入到锁槽内，与锁定凸起配合实现公铰与母铰间的锁定。

3.如权利要求1所述一种绳索联动的折铰式展开机构，其特征在于：锁钩的转动通过扭簧及杆状结构摆臂挡定位。

4.如权利要求1所述一种绳索联动的折铰式展开机构，其特征在于：母铰铰接端两侧端面上安装有微调螺钉，微调螺钉与公铰铰接端两侧端面配合，实现公铰与母铰打开角度微调。

5.如权利要求1所述一种绳索联动的折铰式展开机构，其特征在于：涡卷簧内圈通过涡卷簧座与公铰相连，外圈端部与母铰两侧面上安装的涡卷簧固定轴搭接。

6.如权利要求1所述一种绳索联动的折铰式展开机构，其特征在于：处于收拢状态下，压紧释放装置处于压紧状态；根部铰链、臂间铰链以及顶部铰链中的公铰与母铰处于闭合状态；且根部铰链、臂间铰链以及顶部铰链中的涡卷簧处于储能状态；通过解锁左右两侧压紧释放装置中各个压紧单元间的销轴，实现绳索联动的折铰式展开机构的展开；

展开过程中，根部铰链、臂间铰链以及顶部铰链中的涡卷簧产生扭力带动各自所连接的公铰转动，此时公铰带动与其相连的臂杆绕主轴轴线转动，与母铰间打开；且在展开过程中，由各个臂杆内的两根联动绳索实现各个臂杆间的同步展开。