CN103794842B - 一种环形桁架式大型空间可展机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种环形桁架式大型空间可展机构，其由若干相同的6R机构可展单元首尾相接组成环形；其中，6R机构可展单元上下对称且左右对称，其包括：两根相同的支撑杆，该两根支撑杆纵向平行设置；四根相同的弦杆，其包括两根上弦杆、两根下弦杆；两根上弦杆的始端通过转动副分别连接于两根支撑杆的上端；两根上弦杆的末端通过转动副互相连接；两根下弦杆的始端通过转动副分别连接于两根支撑杆的下端；两根下弦杆的末端通过转动副互相连接；其中，每个弦杆均通过滑块曲柄机构与相邻的支撑杆可动连接，滑块套设于支撑杆；曲柄的一端通过转动副连接于弦杆，另一端通过转动副连接于滑块；支撑杆的长度大于弦杆长度的两倍。本发明的环形桁架式大型空间可展机构具有高折叠比。

Description

一种环形桁架式大型空间可展机构

技术领域

本发明属于航天器材与设备技术领域，涉及一种环形桁架式单自由度机构，其可用于卫星抛物面天线、大型空间反射器支撑桁架。

背景技术

随着卫星通信、深空探测、地球观测技术的迅猛发展，对宇航空间机构的应用需求变得愈加迫切。实际需要的宇航空间机构的尺寸越来越大，精度越来越高，但由于受到航天运载工具的运载空间的限制，要求宇航空间机构在发射阶段必须折叠起来收拢于整流罩内，待航天器进入轨道后，再靠自带的动力源将其展开至工作状态。宇航空间可展机构具有可重复展收功能，因此其具有广阔的应用前景和重要的研究价值。该类机构在空间站、通讯卫星平台、太空望远镜、航天飞机、星球探测器等航天器上被广泛采用，如美国用于三维地形观测的60m可折展雷达支撑臂、国际空间站主太阳翼支撑龙骨、俄罗斯“联盟号”飞船上的四面体构架天线、日本ETS-8卫星上的13m口径构架型天线等。

中国专利申请201110057519.X公开了一种大型空间组装式天线反射器模块单元及其组装方法，模块单元包括六边形可展开柑架、反射绳网以及联绳装置；六边形可展开桁架包括顶铰链、同步动力铰链、环向杆、中间斜杆；长度相同的两个环向杆通过同步动力铰链组成同步折叠杆，一根同步折叠杆与两根中间斜杆通过二个顶铰链连接组成一个平面二角形结构单元，12个平面二角形结构单元通过共用中间斜杆及顶铰链相互连接，组成一个环状即形成天线反射器模块单元柑架，连接时相邻两个二角形结构单元的同步折叠杆在空间上相互错开，在空间上形成两层大小不同、顶点位置交错的六边形；反射绳网包括反射电磁波用的金属网与调整金属网形面的调整绳，金属网缝合在调整绳上，调整绳与上述模块单元桁架通过顶铰链固定，联绳装置主要用于将反射绳网和六边形可展开桁架连接、固定。

中国专利03117075.7公开了一种高刚性同步展开折叠空间伸展臂，由可重复扩展的可展开折叠桁架单元、驱动***，电源***及支承空间平台组成，可展开折叠桁架单元是组成一个伸展臂的最基本单元，单元之间可通过标准三角形接点连接，驱动***位于伸展臂底端三角形空间内，与支承空间平台连接，同时与电源***通过传动轴连接。

含柔性索网的大型环形桁架天线是一种比较成熟的大型网状展开天线，其展开口径可达百米，同时***质量不会随天线展开覆盖面积成比例增大，所以其越来越受到科学界的重视。环形桁架式展开机构为该类天线的主要支撑桁架，由单一多边形或者多个多边形组合，通过张拉联系索施加预拉力，使布置于环形桁架两侧的反射面索网形成所需的抛物面。美国TRW Astro Aerospace公司根据平行四边形对角可伸缩的特点，研制出一种基于平行四边形单元的环形桁架式可展机构，现成功应用于太空通信任务。该方案展开简单，驱动源单一，但由于存在多组圆锥齿轮啮合，导致加工装配的成本较高，同时该方案的折叠比还有待提高。我国相关科研机构对空间可展机构开展了一系列前瞻性的研究工作，并取得一定成果，但是目前尚无大型复杂的空间可展机构付诸应用。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种高折叠比的空间可展机构。

为了实现上述目的，本发明提供了一种环形桁架式大型空间可展机构，其由若干相同的6R机构可展单元首尾相接组成环形；其中，6R机构可展单元上下对称且左右对称，其包括：

两根相同的支撑杆，该两根支撑杆纵向平行设置；

四根相同的弦杆，其包括两根上弦杆、两根下弦杆；两根上弦杆的始端通过转动副分别连接于两根支撑杆的上端；两根上弦杆的末端通过转动副互相连接；两根下弦杆的始端通过转动副分别连接于两根支撑杆的下端；两根下弦杆的末端通过转动副互相连接；

其中，每个弦杆均通过滑块曲柄机构与相邻的支撑杆可动连接，滑块套设于支撑杆；曲柄的一端通过转动副连接于弦杆，另一端通过转动副连接于滑块；

支撑杆的长度大于弦杆长度的两倍。

本发明中，6R机构是指该机构的支撑杆和弦杆通过6个转动副（revolving pair）连接。

本发明中，四根弦杆可以折叠在两根支撑杆内侧。两根上弦杆形成V型杆，两根下弦杆形成V型杆。

本发明中，多个相同参数的6R机构可展单元，可以组成一个环形，构造一个大型空间可展机构。通过改变相邻单元所在展开平面的夹角的大小，可以构造圆形或者椭圆形桁架，用来支撑不同参数的大型空间展开天线金属索网。

本发明提出了一种基于6R机构可展单元，通过双滑块曲柄机构对模块单元进行连接，而构造的环形桁架式大型空间可展机构。该机构由平面对称6R机构组成，特点是利用双滑块曲柄机构将相邻的多个6R可展单元连接成一个环形机构且运动自由度为1，通过电机驱动绳索或者利用内置扭簧实现机构的展开。由于单个6R机构的运动自由度为3，本发明利用绳索同步机构实现了6R机构内上下V型杆的同步运动，使得机构单元自由度为1。同时，利用双滑块曲柄机构实现基本组成单元间的联动，从而实现大型空间可展机构的同步展开。该机构折叠比高，展开性能良好，可靠性高，适用于大型空间可展天线的构造。

根据本发明另一具体实施方式，6R机构可展单元的展开状态为：两条上弦杆与两条下弦杆横向拉直，与支撑杆垂直，构成长方形桁架，滑块曲柄机构的曲柄为腹杆。

根据本发明另一具体实施方式，6R机构可展单元的折叠状态为：两条上弦杆与两条下弦杆纵向排布，与所述支撑杆平行。

根据本发明另一具体实施方式，相邻的两个6R机构可展单元共用一根支撑杆以及该支撑杆上的滑块。

根据本发明另一具体实施方式，通过绳索同步***，将两个6R机构可展单元组装在一起，实现两个6R机构可展单元的同步展开运动。

根据本发明另一具体实施方式，通过绳索驱动或扭簧驱动，实现所有6R机构可展单元的同步展开。

根据本发明另一具体实施方式，6R机构可展单元的支撑杆的上端和下端具有向内垂直弯折形成的弯折部，弦杆通过转动副连接于弯折部的末端。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的环形桁架式大型空间可展机构由多个平面6R机构可展单元组成，与平行四边形的基本可展单元相比，折叠比提高很多，相同收拢体积的条件下，可以构造更大展开面积的环形桁架。同时本发明的环形桁架式大型空间可展机构整体运动自由度为1，可以实现多个单元的同步展开运动，展开性能更高，易于实现单电机驱动。其内部只包含移动副和转动副，避免了同步圆锥齿轮的出现，降低了加工制造的成本。

附图说明

图1为实施例1中，6R机构可展单元的机构简图；

图2为由2个6R机构可展单元组成的可展机构的折叠状态；

图3为由2个6R机构可展单元组成的可展机构的展开中间状态；

图4为由2个6R机构可展单元组成的可展机构的完全展开状态；

图5为一个支撑杆上的滑块同步运动绳索的布置示意图；

图6为绳索驱动方式的布置示意图；

图7为由12个6R机构可展单元组成的环形桁架式可展机构的折叠状态；

图8为由12个6R机构可展单元组成的环形桁架式可展机构的展开中间状态一；

图9为由12个6R机构可展单元组成的环形桁架式可展机构的展开中间状态二；

图10为由12个6R机构可展单元组成的环形桁架式可展机构的完全展开状态；

图11为扭簧驱动方式的布置示意图。

具体实施方式

实施例1

如图7-图10所示，本实施例的环形桁架式大型空间可展机构由若干（12个）相同的6R机构可展单元首尾相接组成环形。

如图1所示，6R机构可展单元上下对称且左右对称，其包括：

两根相同的支撑杆101、102，该两根支撑杆101、102纵向平行设置；支撑杆的上端和下端具有向内垂直弯折形成的弯折部，弦杆通过转动副连接于弯折部的末端。

四根相同的弦杆，其包括两根上弦杆201、202，两根下弦杆301、302；两根上弦杆201、202的始端通过转动副分别连接于两根支撑杆101、102的上端；两根上弦杆201、202的末端通过转动副互相连接；两根下弦杆301、302的始端通过转动副分别连接于两根支撑杆101、102的下端；两根下弦杆301、302的末端通过转动副互相连接；

其中，每个弦杆均通过滑块曲柄机构4与相邻的支撑杆可动连接，滑块401套设于支撑杆；曲柄402的一端通过转动副连接于弦杆，另一端通过转动副连接于滑块401；

支撑杆的长度大于弦杆长度的两倍。

如图2所示，6R机构可展单元的折叠状态为：两条上弦杆与两条下弦杆纵向排布，与所述支撑杆平行。

图3所示为由2个6R机构可展单元组成的可展机构的展开中间状态，此时，两根上弦杆形成V型杆，两根下弦杆形成V型杆。另外，从图3中可看出，相邻的两个6R机构可展单元共用一根支撑杆以及该支撑杆上的滑块。

如图4所示，6R机构可展单元的展开状态为：两条上弦杆与两条下弦杆横向拉直，与支撑杆垂直，构成长方形桁架，滑块曲柄机构的曲柄为腹杆。

图5为一个支撑杆上的滑块同步运动绳索布置示意图。支撑杆101上面的两个滑块401通过两根绕过支撑杆101两端的滑轮502的绳索502连接在一起，可以实现两个滑块401同时向内或者同时向外的运动。通过支撑杆上的滑块同步***，可以将单个展开单元的运动自由度变为1，实现机构的稳定展开。

本实施例中，通过绳索驱动，实现所有6R机构可展单元的同步展开。图6为绳索驱动方式的布置示意图。该绳索驱动***包括电机、驱动索605、固结于杆上的定滑轮601、固结于滑块上的动滑轮602、绳索位移补偿弹簧603、滑块压紧弹簧604等组成。如图6所示，通过电机带动驱动索605沿图中所示方向拉紧，可使得支撑杆101上的两个滑块同时向两端运动，通过短连杆（曲柄）作用于上下弦杆，使其平稳展开。由于双滑块曲柄机构和滑块同步绳索的作用，保证了空间展开机构各单元杆件运动的同步性。图中滑块压紧弹簧604提供了部分驱动展开阻力，避免了展开过程中绳索出现松弛现象。绳索位移补偿弹簧603在机构完全展开瞬间时，避免绳索拉力的忽然增大，起到保护电机的作用，在机构完全展开锁定后，避免绳索松弛，补偿绳索伸长的位移。当机构完全展开后，上下弦杆之间的关节锁定，同时电机对绳索施加一定的张紧力，然后锁定。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于:通过扭簧驱动，实现所有6R机构可展单元的同步展开。图11为扭簧驱动方式的布置示意图。如图11所示，在机构弦杆之间的转动关节A、B、C、D处分别安装大转矩扭簧，扭簧与转动关节同轴，两端分别固定于关节两侧的杆件上。两条绳索如图中所示交错布置，一端与位移补偿弹簧相连，另一端与电机驱动端相连。当机构处于收拢状态时，扭簧处于压紧状态，输出力矩最大。当机构解锁后，上下弦杆在扭簧力矩的作用下开始展开，同时通过控制两条释放索的释放速度，来避免扭簧力矩过大造成的冲击碰撞现象的出现，实现机构的平稳、均匀展开。当机构完全展开、转动关节锁死后，通过控制电机来拉紧释放索，以增加机构的内部张力，提高桁架的整体刚度。

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)

1.一种环形桁架式大型空间可展机构，其由多个相同的6R机构可展单元首尾相接组成环形；其中，所述6R机构可展单元上下对称且左右对称，其包括：

两根相同的支撑杆，所述两根支撑杆纵向平行设置；

四根相同的弦杆，其包括两根上弦杆、两根下弦杆；所述两根上弦杆的始端通过转动副分别连接于所述两根支撑杆的上端；所述两根上弦杆的末端通过转动副互相连接；所述两根下弦杆的始端通过转动副分别连接于所述两根支撑杆的下端；所述两根下弦杆的末端通过转动副互相连接；

其中，每个所述弦杆均通过滑块曲柄机构与相邻的支撑杆可动连接，所述滑块套设于所述支撑杆；所述曲柄的一端通过转动副连接于所述弦杆，另一端通过转动副连接于所述滑块；

所述支撑杆的长度大于所述弦杆长度的两倍。

2.如权利要求1所述的大型空间可展机构，其中，所述6R机构可展单元的展开状态为：两条上弦杆与两条下弦杆横向拉直，与支撑杆垂直，构成长方形桁架，所述滑块曲柄机构的曲柄为腹杆。

3.如权利要求1所述的大型空间可展机构，其中，所述6R机构可展单元的折叠状态为：两条上弦杆与两条下弦杆纵向排布，与所述支撑杆平行。

4.如权利要求1所述的大型空间可展机构，其中，相邻的两个所述6R机构可展单元共用一根支撑杆以及该支撑杆上的滑块。

5.如权利要求4所述的大型空间可展机构，其中，通过绳索同步***，将两个所述6R机构可展单元组装在一起，实现两个6R机构可展单元的同步展开运动。

6.如权利要求1所述的大型空间可展机构，其中，通过绳索驱动或扭簧驱动，实现所有所述6R机构可展单元的同步展开。

7.如权利要求1-6之一所述的大型空间可展机构，其中，所述6R机构可展单元的支撑杆的上端和下端具有向内垂直弯折形成的弯折部，所述弦杆通过转动副连接于所述弯折部的末端。