CN115036668B - 一种空间大尺度可展开装置、天线和抓取设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空间大尺度可展开装置、天线和抓取设备。空间大尺度可展开装置，其包括环状可展开机构和用于驱动环状可展开机构在收拢状态和展开状态之间切换的驱动机构；环状可展开机构包括多个平面可展开单元，相邻的平面可展开单元通过转角连接单元相连接以形成环状结构；平面可展开单元包括两个相同的剪叉杆，两个剪叉杆的中部互相铰接形成剪叉结构；驱动机构包括基座、驱动盘和多个长度可调的传动杆，驱动盘沿剪叉杆的折展方向滑动设置于基座上，传动杆呈伞状布置，并且传动杆与平面可展开单元一一对应。本发明具有良好的负载能力、刚度性能和极大的折展比。

Description

一种空间大尺度可展开装置、天线和抓取设备

技术领域

本发明涉及一种空间大尺度可展开装置、天线和抓取设备。

背景技术

空间大型可展开机构是空间各类飞行器的基础机构，例如空间大型星载可展开天线、空间大型可展开伸展臂、星载空间大型可展开太阳翼等等，这些航天飞行器都是由一些航天机构完成在轨支撑的。

航天器的运输通常受制于运载火箭或航天飞机的运载能力，很难将具有固定姿态的飞行器直接发送进入太空环境，而是首先将这些航天器进行收拢，以一个紧凑的收拢状态发射进入太空环境，再通过驱动装置完成其展开，形成其在轨状态，这就要求设计各种各样的可折展机构。

随着空间飞行器对尺度规模的要求不断增大而运载技术并没有太大提高的情况下，对大尺度可折展机构的要求也越来越高。因此非常有必要设计具有较大折展比的可展开机构；然而实际上，当前的多种大尺度可折展机构虽然实现了展开尺度上的要求，其收拢状态依然有着较大的尺度，同时其结构过于冗余复杂，对于空间环境下的展开驱动控制技术提出了很高的要求，过多的驱动装置快速提升了可展开机构的质量，这显然是没有实践意义的。

现有应用于空间大尺度周边桁架式可展开天线的大型可展开机构结构的主要不足体现在以下几个方面：第一是驱动设计与驱动方式不够明确，大部分所设计的大尺度可展开机构仅仅从可折展性能上进行了进行，并没有明确的指出其驱动特性，比如单驱动或者多驱动、驱动的位置布置、驱动的方法等等，然而这确是一个非常重要的点，多驱动的可展开机构由于其复杂的驱控系统质量过高，会引起可展开机构整体质量的上升，对于太空运输来说，这是非常不利的，进一步加剧了空间控制的难度，弱化了其实用性价值；第二是大多可展开机构仅仅关注了展开后的尺度规模，并没有将收拢状态的尺度规模纳入考虑，因此这是不符合航天可展开机构的实际需求的，应以实际折展比为指标对可展开属性进行考量，单纯的以展开维度去衡量具有较大的不完整性；第三是空间机构的一机多用问题，实现空间可展开机构的一机多用是减少发射次数，提高空间飞行器利用效率的重要方法，有效的节约了研发成本，在经济性指标上具有重要的实践意义。

因此，需要对现有技术进行改进。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种空间大尺度可展开装置、天线和抓取设备，具有良好的负载能力、刚度性能和极大的折展比。

为了实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种空间大尺度可展开装置，其包括环状可展开机构和用于驱动环状可展开机构在收拢状态和展开状态之间切换的驱动机构；

环状可展开机构包括多个平面可展开单元，相邻的平面可展开单元通过转角连接单元相连接以形成环状结构；

其中平面可展开单元包括两个相同的剪叉杆，两个剪叉杆的中部互相铰接形成剪叉结构；

驱动机构包括基座、驱动盘和多个长度可调的传动杆，驱动盘沿剪叉杆的折展方向滑动设置于基座上，传动杆呈伞状布置，并且传动杆与平面可展开单元一一对应；

其中传动杆包括第一杆和第二杆，第一杆的首端通过转动副R1铰接于驱动盘上，第一杆的末端与第二杆的首端滑动配合连接，第二杆的首端通过转动副R2铰接于基座上，第二杆的末端通过转动副R3铰接于平面可展开单元中的剪叉杆上；

其中转动副R1、转动副R2和转动副R3之间互相平行；

驱动盘在朝向环状可展开机构滑动时，传动杆围绕转动副R2转动的同时其自身长度缩短，相邻传动杆中的第二杆的末端之间的距离增大，从而驱动多个平面可展开单元中的剪叉杆同步展开。

根据本发明的另一种具体实施方式，平面可展开单元进一步包括对剪叉结构进行交叉组网的四个相同的连杆，四个连杆依次首尾连接形成以两个剪叉杆的铰接点为对称中心的菱形结构，其中连杆的中点铰接于剪叉杆上。

根据本发明的另一种具体实施方式，剪叉杆的长度是连杆长度的两倍。

根据本发明的另一种具体实施方式，多个转动副R1所在圆周的直径为Φ1，多个转动副R2所在圆周的直径为Φ2，多个转动副R3所在圆周的直径为Φ3，其中Φ1＜Φ2＜Φ3。

根据本发明的另一种具体实施方式，传动杆为伸缩套杆，第一杆的末端伸入第二杆的首端以形成滑动配合。

根据本发明的另一种具体实施方式，第一杆的长度小于第二杆的长度。

根据本发明的另一种具体实施方式，转角连接单元包括驱动连接座和从动连接座，相邻剪叉结构中的剪叉杆的首端通过驱动连接座进行连接，相邻剪叉结构中的剪叉杆的末端通过从动连接座进行连接，其中第二杆的末端通过转动副R3铰接于驱动连接座上。

根据本发明的另一种具体实施方式，驱动机构还包括用于驱动该驱动盘滑动的丝杠驱动器。

本发明的第二方面是提供一种星载空间大型可展开天线，其包括前述的空间大尺度可展开装置。

本发明的第二方面是提供一种进行空间非合作目标抓取的抓取设备，其包括前述的空间大尺度可展开装置。

本发明具备以下有益效果：

本发明中，可展开装置采用了剪叉机构为基本单元，通过平面组网技术和空间组网技术，形成了大尺度可展开环状结构，具有极大的折展比，这对于满足越来越大口径的空间望远镜具有重要的应用价值。

本发明中，可展开装置采用了桁架式结构，使得该可展开装置具有良好的负载能力与刚度性能，能适应于大口径索网天线的周边桁架的应用要求以及空间未知大质量非合作目标的抓取。

本发明中，可展开装置自由度少，仅包含一个自由度，通过特殊的驱动设计，仅需要一个驱动器即可实现所述大尺度可展开机构的多点驱动，驱动过程更加稳定，极大的解决了应力集中等各种问题，提高了使用寿命。

本发明中，可展开装置形成了一种类似于空间飞网装置，该装置可用于空间目标的抓取于在轨维护，实现了空间可展开机构的一机多用，具有重要的经济价值。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例1可展开装置的收拢状态示意图；

图2是本发明实施例1可展开装置的展开状态示意图；

图3是本发明实施例1环状可展开机构的结构示意图；

图4是本发明实施例1平面可展开单元组网设计的结构示意图；

图5是本发明实施例1平面可展开单元中剪叉机构的结构示意图；

图6是本发明实施例1驱动机构的结构示意图；

图7是本发明实施例1驱动机构与环状可展开机构的连接示意图；

图8是本发明实施例1在星载空间大型可展开天线中的应用示意图；

图9是本发明实施例1在抓取设备中的应用示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。

实施例1

本实施例提供了一种空间大尺度可展开装置，如图1-2所示，其包括环状可展开机构100和用于驱动环状可展开机构100在收拢状态和展开状态之间切换的驱动机构200。

环状可展开机构100包括多个平面可展开单元110，如图3所示，具体例如有12个平面可展开单元110，相邻的平面可展开单元110通过转角连接单元120相连接以形成环状结构。

平面可展开单元110包括：

两个相同的剪叉杆111，两个剪叉杆111的中部互相铰接形成剪叉结构，如图4所示；

对剪叉结构进行交叉组网的四个相同的连杆112，四个连杆112依次首尾连接形成以两个剪叉杆111的铰接点为对称中心的菱形结构，其中连杆112的中点铰接于剪叉杆111上，如图5所示。

具体的，剪叉杆111的长度是连杆112长度的两倍。

驱动机构200包括基座210、驱动盘220和多个长度可调的传动杆230，如图6-7所示，驱动盘220沿剪叉杆111的折展方向滑动设置于基座210上，传动杆230呈伞状布置，并且传动杆230与平面可展开单元110一一对应；

其中传动杆230包括第一杆231和第二杆232，第一杆231的长度小于第二杆232的长度，第一杆231的首端通过转动副R1铰接于驱动盘220上，第一杆231的末端与第二杆232的首端滑动配合连接，第二杆232的首端通过转动副R2铰接于基座210上，第二杆232的末端通过转动副R3铰接于平面可展开单元中的剪叉杆111上；

优选的，传动杆230为伸缩套杆，第一杆231的末端伸入第二杆232的首端以形成滑动配合。

其中，转动副R1、转动副R2和转动副R3之间互相平行。

进一步的，多个转动副R1所在圆周的直径为Φ1，多个转动副R2所在圆周的直径为Φ2，多个转动副R3所在圆周的直径为Φ3，其中Φ1＜Φ2＜Φ3。

转角连接单元120包括驱动连接座121和从动连接座122，如图5所示，相邻剪叉结构中的剪叉杆111的首端通过驱动连接座121进行连接，相邻剪叉结构中的剪叉杆111的末端通过从动连接座122进行连接，其中第二杆232的末端通过转动副R3铰接于驱动连接座121上。

再进一步的，转角连接单元120还包括辅助连接座123，相邻菱形结构中位于两侧的两个铰接点通过辅助连接座123互相连接，以将相邻的平面可展开单元110中的菱形结构连接在一起。

其中驱动连接座121、从动连接座122和辅助连接座123均具有折弯的两部分以分别连接两个平面可展开单元，相应的，该折弯的两部分的圆形角为360°/n，n＝12，即30°，如图3所示。

驱动盘220在朝向环状可展开机构100滑动时，传动杆230围绕转动副R2转动的同时其自身长度缩短，相邻传动杆230中的第二杆232的末端之间的距离增大，从而驱动多个平面可展开单元110中的剪叉杆111同步展开。

本实施例中驱动机构200还包括用于驱动该驱动盘220滑动的丝杠驱动器，通过伺服电机及螺母丝杠等简单可靠的驱动方式提供驱动力，即通过一个单自由度驱动机构200对环状可展开机构100进行多点驱动，以避免单点驱动引起的可展开机构应力集中或损坏，有效减小了环状可展开机构100展开过程中的阻尼激增问题，使构件与关节上的力与扭矩专传递更为流畅，进而使整个展开过程更加稳定可靠。

本实施例中的环状可展开机构100采用多边形来逼近环形，进而将平面可展开机构连接成正多变形，随着多边形边数目的增加，即可接近于环形机构。基于这一设计使得该环状可展开机构100可收拢为一个极为紧凑的状态，同时亦可展开为大型的环状，具有极大的折展比，而整个展开过程都是可以被利用的，在驱动机构200的作用下，环状可展开机构100呈网状缓缓展开，形成口径可调的星载大型周边桁架式可展开索网天线的周边支撑桁架，整体形成了一个开口可调的漏斗状机构，如图8所示。

此外，本实施例中空间大尺度可展开装置的可用于空间非合作目标的抓取在轨维护，如图9所示，其开口可调的状态使其可应用于空间非合作目标的抓取，针对不同质量、几何特性的非合作目标，可调节环状可展开机构100开口的大小目标形成多点夹持的状态，这种抓取方法显然相比于空间机械臂的两点夹持更为有效，具有更好的刚度条件和更好的性状适应性。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (7)

1.一种空间大尺度可展开装置，其特征在于，包括环状可展开机构和用于驱动所述环状可展开机构在收拢状态和展开状态之间切换的驱动机构；

所述环状可展开机构包括多个平面可展开单元，相邻的所述平面可展开单元通过转角连接单元相连接以形成环状结构；

其中所述平面可展开单元包括两个相同的剪叉杆，两个所述剪叉杆的中部互相铰接形成剪叉结构；

所述驱动机构包括基座、驱动盘和多个长度可调的传动杆，所述驱动盘沿所述剪叉杆的折展方向滑动设置于所述基座上，所述传动杆呈伞状布置，并且所述传动杆与所述平面可展开单元一一对应；

其中所述传动杆包括第一杆和第二杆，所述第一杆的首端通过转动副R1铰接于所述驱动盘上，所述第一杆的末端与所述第二杆的首端滑动配合连接，所述第二杆的首端通过转动副R2铰接于所述基座上，所述第二杆的末端通过转动副R3铰接于所述平面可展开单元中的所述剪叉杆上；

所述平面可展开单元进一步包括对所述剪叉结构进行交叉组网的四个相同的连杆，四个所述连杆依次首尾连接形成以两个所述剪叉杆的铰接点为对称中心的菱形结构，其中所述连杆的中点铰接于所述剪叉杆上；

其中转动副R1、转动副R2和转动副R3之间互相平行；多个转动副R1所在圆周的直径为Φ1，多个转动副R2所在圆周的直径为Φ2，多个转动副R3所在圆周的直径为Φ3，其中Φ1＜Φ2＜Φ3；

其中所述转角连接单元包括驱动连接座和从动连接座，相邻所述剪叉结构中的所述剪叉杆的首端通过所述驱动连接座进行连接，相邻所述剪叉结构中的所述剪叉杆的末端通过所述从动连接座进行连接，其中所述第二杆的末端通过转动副R3铰接于所述驱动连接座上；

所述驱动盘在朝向所述环状可展开机构滑动时，所述传动杆围绕转动副R2转动的同时其自身长度缩短，相邻所述传动杆中的所述第二杆的末端之间的距离增大，从而驱动多个所述平面可展开单元中的所述剪叉杆同步展开。

2.如权利要求1所述的空间大尺度可展开装置，其特征在于，所述剪叉杆的长度是所述连杆长度的两倍。

3.如权利要求1所述的空间大尺度可展开装置，其特征在于，所述传动杆为伸缩套杆，所述第一杆的末端伸入所述第二杆的首端以形成滑动配合。

4.如权利要求3所述的空间大尺度可展开装置，其特征在于，所述第一杆的长度小于所述第二杆的长度。

5.如权利要求1所述的空间大尺度可展开装置，其特征在于，所述驱动机构还包括用于驱动所述驱动盘滑动的丝杠驱动器。

6.一种星载空间大型可展开天线，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的空间大尺度可展开装置。

7.一种进行空间非合作目标抓取的抓取设备，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的空间大尺度可展开装置。

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