CN107933959B - 六杆机构及由其组成的可展模块、伸展臂、平面展开桁架 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于航天设备技术领域，提供了一种六杆机构、可展模块、伸展臂以及平面展开桁架。该六杆机构只需要一个驱动即可实现有确定路线的运动，所以该机构的自由度为1，由其构成的各类整体机构均能沿着两个方向展开或收拢，两个方向上的运动是耦合的，具有一定函数关系，并非是随意运动，所以由其构成的整体机构的自由度也为1。这样就可以减少约束部件的使用，降低了整体机构的质量和收拢体积，同时，由于空间机构的过约束特性，整体机构的刚度较高。此类整体机构还具有很好的结构对称性，容易实现平面内两个方向的扩展，能应用于航天领域的空间伸展臂、太阳能电池阵桁架以及大型卫星平面展开天线支撑桁架。
Description
技术领域
本发明属于航天设备技术领域，尤其涉及一种六杆机构及由其组成的可展模块、伸展臂、平面展开桁架。
背景技术
随着卫星通信、空间科学、深空探测以及对地观测等技术的快速发展，对大尺度、轻量化、高折叠比的空间展开机构的应用需求变得愈加迫切。随着空间结构尺寸的增大，目前航天运载工具的储藏空间已不能满足空间大型结构的要求，因此急需设计可以实现折叠和展开功能的大尺度空间机构，即在火箭的运输和发射阶段，大型宇航机构可以折叠在一起保持很小的尺寸，当航天器顺利进入太空后，再通过一系列控制措施将机构展开成大型宇航结构并实现刚化锁定。宇航空间展开机构的设计和研究是未来航天技术发展的关键基础性问题之一。
空间展开机构可以实现重复折叠和展开，结构形式多种多样，广泛应用于空间大型航天器上，例如空间站、通讯卫星、太空望远镜等，因此大型空间展开机构具有重要的研究价值，近年来已成为宇航科学与技术领域的热门研究课题。在国外，空间展开机构已经成功用于构建大型柔性太阳帆板支架，空间伸展臂、大口径展开天线等，并且在大容量通讯、地球观测等方面发挥了巨大作用，如美国使用60m伸展臂支撑雷达进行三维地形观测，国际空间站主太阳翼的支撑臂为大型伸展臂，俄罗斯“和平号”空间站上用于通讯测试的6m口径的EGS展开天线，美国Thuraya通信卫星上口径12m的环形桁架式金属网面天线，日本ETS-8卫星上口径17m的六棱柱构架式展开天线等。大型空间展开天线的应用提高了对地观测的分辨率水平，扩大了卫星通信的带宽、通信距离和信息容量，特别是在军事领域，大大提高了空间军事侦察水平和对敌精确打击能力，受到各个国家的高度重视。
根据国外航天器已付诸应用的空间可展机构的资料可知，可展开成平面的展开机构被大量应用于太阳能电池阵、卫星天线支撑架等领域，是目前应用最多的一类可展机构。根据展开机构的组成原理，可展机构又可以分为铰接式可展机构和柔性材料可展机构两大类，前者由运动副和连杆组成，此类机构的展开过程由铰链活动实现，可重复折叠展开性好、寿命长、抗震性好、精度高、刚度大，当前已经被广泛应用于空间展开桁架、空间伸展臂、卫星展开天线等领域，目前已作为成熟组件广泛的应用于各类航天器中。国内以往研制的折叠式太阳电池阵即属于铰接展开式机构。但是该类机构构造工艺复杂，铰接点较多。柔性材料可展机构由柔性材料的弹性变形实现折叠展开，构造工艺相对简单，但是可重复收拢性差，精度和刚度都相对较低。
目前，我国在大型空间展开机构的研究与应用方面，起步晚，技术积累薄弱，与国外先进水平相比差距较大，尚无大型展开天线的成功应用案例。现有的空间展开机构方案多采用平面机构模块构成，存在以下几个缺点：1.机构内杆件较多，折叠比不高；2.机构内部自由多较多，一般采用同步机构或者增加驱动个数的方法降低机构的自由度，但这样又造成机构质量和收拢体积的增大；3.平面机构组成的大型空间展开机构，刚度低，机构很难同时锁定。
发明内容
本发明的实施例可以减少同步齿轮机构或者其他附加约束的使用，降低整体机构的质量和收拢体积，同时可通过空间机构的过约束特性，使整体机构的刚度提高。
本实施例提供了一种六杆机构，包括两个长度相等的竖直杆、四个长度相等的短杆、第一转动关节以及第二转动关节；所述短杆长度小于或等于所述竖直杆长度的一半；两个所述短杆的一端部通过一个所述的第一转动关节铰接，两个所述短杆的另一端分别与一个所述的第二转动关节铰接，所述两个短杆、一个第一转动关节以及两个第二转动关节共同构成展开组件；所述竖直杆的顶端与另一竖直杆的顶端通过一组展开组件连接，所述竖直杆的底端与另一竖直杆的底端通过另一组展开组件连接；所有所述第二转动关节的轴线相互平行，所述第一转动关节的轴线与第二转动关节的轴线交错布置，并形成一固定的夹角。
进一步地，所述短杆以及竖直杆均为四棱柱，其中，所述短杆的横截面形状为直角梯形，所述竖直杆的横截面形状为矩形。
进一步地，所述第一转动关节内设置有用于驱动两个短杆相对展开的弹性件。
进一步地，所述弹性件为扭簧。
本发明为解决上述技术问题，还提供了一种可展模块，包括两个上述的六杆机构以及四组展开组件，所述两个六杆机构间隔相对设置，所述六杆机构中的两竖直杆的顶端分别通过一组展开组件与另一六杆机构中的两竖直杆的顶端连接，所述六杆机构中的两竖直杆的底端分别通过一组展开组件与另一六杆机构中的两竖直杆的底端连接，其中，各个竖直杆端部相邻两侧上的第二转动关节的轴线之间的夹角为90度。
本发明为解决上述技术问题，还再提供了一种大型空间伸展臂，包括若干个上述的可展模块以及若干组展开组件，所述若干可展模块沿同一方向间隔分布，其中，某个可展模块中的两竖直杆的顶端分别通过一组展开组件与另其相邻的可展模块中的两竖直杆的顶端连接；某个可展模块中的两竖直杆的底端分别通过一组展开组件与另其相邻的可展模块中的两竖直杆的底端连接。
本发明为解决上述技术问题，还再提供了一种大型空间平面展开桁架，包括若干个上述的大型空间伸展臂以及若干组展开组件，所述若干大型空间沿同一方向间隔分布，其中，某个大型空间伸展臂中的竖直杆的顶端与其相邻的大型空间伸展臂中的竖直杆的顶端通过一组所述展开组件连接，某个大型空间伸展臂中的竖直杆的底端与其相邻的大型空间伸展臂中的竖直杆的底端通过一组所述展开组件连接。
本实施例与现有技术相比，有益效果在于：本实施例提供了一种六杆机构，其只需要一个驱动即可实现机构的有确定路线的运动，所以该六杆机构的自由度为1，由其构成的可展模块、伸展臂、平面展开桁架的此类整体机构均能沿着两个方向展开或收拢，两个方向上的运动是耦合的，具有一定函数关系，并非是随意运动，所以可展模块、伸展臂、平面展开桁架的自由度也为1。这样就可以减少同步齿轮机构或者其他附加约束部件的使用，降低了整体机构的质量和收拢体积，折叠比大，同时，由于空间机构的过约束特性，整体机构的刚度较高。由于此类整体机构还具有很好的结构对称性，很容易实现平面内两个方向的扩展，所以，大型空间伸展臂以及大型空间平面展开桁架能应用于航天领域的空间伸展臂、太阳能电池阵桁架以及大型卫星平面展开天线支撑桁架，还可以用于地面上的一些平面天线的支撑桁架，以及建筑土木工程领域的可折展建筑等。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明实施例提供的一种六杆机构处于半展开状态时的示意图；
图2是图1所示六杆机构处于折叠状态时的示意图；
图3是图1所示六杆机构完全展开时的示意图；
图4是本发明实施例提供的一种可展模块半展开状态时的示意图；
图5是图4中A区域的放大图；
图6是图4所示可展模块处于折叠状态时的示意图；
图7是图4所示可展模块处于完全展开时的示意图；
图8是本发明实施例提供的一种大型空间伸展臂处于半展开时的示意图；
图9是图8所示大型空间伸展臂处于折叠状态时的示意图；
图10是图8所示大型空间伸展臂完全展开时的示意图；
图11是本发明实施例提供的一种大型空间平面展开桁架处于半展开状态时的示意图；
图12是图11所示大型空间平面展开桁架处于折叠状态时的示意图；
图13是图11所示大型空间平面展开桁架完全展开时的示意图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
请参见图1至图3，为本发明实施例提供的一种六杆机构，包括两个长度相等的竖直杆1、四个长度相等的短杆2、第一转动关节3以及第二转动关节4。
其中，所述短杆2长度小于或等于竖直杆1长度的一半；两个短杆2的一端部通过一个第一转动关节3铰接，两个短杆2的另一端分别与一个第二转动关节4铰接，所述两个短杆2、一个第一转动关节3以及两个第二转动关节4共同构成一组展开组件。所述竖直杆1的顶端与另一竖直杆1的顶端通过一组展开组件连接，所述竖直杆1的底端与另一竖直杆1的底端通过另一组展开组件连接。
所有第二转动关节3的轴线相互平行，第一转动关节3的轴线与第二转动关节4的轴线交错布置，并形成一固定的夹角，该夹角的角度可在0～90度的范围内，可以根据具体的几何设计要求进行选择。
所述短杆2以及竖直杆1均为四棱柱，其中，所述短杆2的横截面形状为直角梯形，所述竖直杆1的横截面形状为矩形。上述第一转动关节3安装于短杆2斜侧面的端部位置。在实际应用中，不限定短杆2以及竖直杆1的具体形状，上述第一转动关节3以及第二转动关节4可以直接与杆件连接，也可以于竖直杆1两端安装方形花盘与短杆2两端的关节接头通过销轴连接。
为了使六杆机构具有自动展形的功能，可以在第一转动关节3内设置有用于驱动两个短杆2相对展开的弹性件(图中未示出)。优选地，所述弹性件为扭簧。
满足以上杆长和转动关节夹角几何条件的六杆机构的自由度是1，且为空间过约束机构。该机构不同于传统的平面六杆机构，四个短杆2和两个竖直杆1不在同一个平面内，但可以折叠到一起，如图2所示，此时所有杆件相互平行；同时该机构可以完全展开成一个矩形，如图3所示，此时六个杆件处于同一平面内。该机构在展开运动过程中，两个竖直杆1之间发生平动和相对转动的耦合运动，且一直保持平行状态。
请参见图4至图7，本实施例还提供了一种可展模块，包括两个上述的六杆机构以及四组展开组件。即是，该可展模块包括四个竖直杆1以及十六个短杆2。
所述两个六杆机构间隔相对设置，所述六杆机构中的两竖直杆1的顶端分别通过一组展开组件与另一六杆机构中的两竖直杆1的顶端连接，所述六杆机构中的两竖直杆1的底端分别通过一组展开组件与另一六杆机构中的两竖直杆1的底端连接，其中，各个竖直杆1端部相邻两侧上的第二转动关节4的轴线之间的夹角为90度。
该可展模块为一个空间多环过约束机构，但是整体自由度为1。在运动过程中，相对的竖直杆1之间发生同一平面内的平移运动，而相邻的竖直杆1之间则既有相对转动，也有相对平动。该可展模块的折叠状态如图6所示，所有的短杆2都平行收拢于竖直杆1之间，外部轮廓为四棱柱形状。该可展模块的完全展开状态如图7所示，为正四棱柱，此时展开轮廓最大，且机构处于奇异位形，此时锁定的话，该模块有很大的刚度。
请参见图8至图10，本实施例还提供了一种大型空间伸展臂，包括若干个上述的可展模块以及若干组展开组件。所述若干可展模块沿同一方向间隔分布，其中，某个可展模块中的两竖直杆1的顶端分别通过一组展开组件与另其相邻的可展模块中的两竖直杆1的顶端连接；某个可展模块中的两竖直杆1的底端分别通过一组展开组件与另其相邻的可展模块中的两竖直杆1的底端连接。
上述大型空间伸展臂是由单自由度空间过约束可展模块构建的第一类大型空间展开机构，如图8所示。该伸展臂由多个四棱柱状的可展模块组成，除了两端的四个竖直杆1外，内部所有竖直杆1上下两端均通过第一转动关节3与三个短杆2相连，且相邻的第二转动关节4的轴线的夹角为90度。
该大型空间伸展臂整体自由度为1，可以通过短杆2之间的第一转动关节3处布置扭簧驱动该伸展臂展开，通过绳索控制伸展臂的收拢、展开速度。传统的伸展臂只能实现一个方向的收拢与展开，本实施例的伸展臂能够实现两个方向收拢与展开，折叠比提高了很多，可以节省更多的储存空间。通过改变基本可展模块的个数多少，可以改变伸展臂的伸展长度。图9、图10分别为该大型空间伸展臂的折叠和完全展开状态图，从图10中可以看到，该机构可展开成为一个四棱柱空间结构体，可用于空间站或者卫星上的深空探测仪器的支撑结构。
请参见图11至图13，本实施例还提供了一种大型空间平面展开桁架，包括若干个上述的大型空间伸展臂以及若干组展开组件，若干大型空间沿同一方向间隔分布，其中，某个大型空间伸展臂中的竖直杆1的顶端与其相邻的大型空间伸展臂中的竖直杆1的顶端通过一组展开组件连接，某个大型空间伸展臂中的竖直杆1的底端与其相邻的大型空间伸展臂中的竖直杆1的底端通过一组展开组件连接。
上述大型空间平面展开桁架是由单自由度空间过约束可展模块构建的第二类大型空间展开机构，如图11所示。该大型空间平面展开桁架由多个四棱柱可展模块组成，内部所有竖直杆1上下两端均通过第二转动关节4与四个短杆2相连，且相邻的第二转动关节4轴线之间的夹角均为90度。该大型平面展开桁架整体自由度为1，可以通过短杆2之间的第二转动关节4处布置扭簧驱动其展开，能够实现两个方向收拢与展开，折叠比高，可以节省更多的储存空间。通过改变基本可展模块的个数多少，可以改变平面展开桁架的展开面积。图12、图13分别为该大型空间平面展开桁架的折叠和完全展开状态图，从图13中可以看到，该机构可展开成为一个大型空间平面桁架，可用于空间站的大规模太阳能电池阵或者平面天线的支撑结构。
结合上述六杆机构的结构以及在其基础上改进的结构形式，可以看出，本实施例的六杆机构，其只需要一个驱动即可实现机构的有确定路线的运动，所以该六杆机构的自由度为1，由其构成的可展模块、伸展臂、平面展开桁架的此类整体机构均能沿着两个方向展开或收拢，两个方向上的运动是耦合的，具有一定函数关系，并非是随意运动，所以可展模块、伸展臂、平面展开桁架的自由度也为1。这样就可以减少同步齿轮机构或者其他附加约束部件的使用，降低了整体机构的质量和收拢体积，折叠比大，同时，由于空间机构的过约束特性，整体机构的刚度较高。
由于此类整体机构还具有很好的结构对称性，很容易实现平面内两个方向的扩展，所以，大型空间伸展臂以及大型空间平面展开桁架能应用于航天领域的空间伸展臂、太阳能电池阵桁架以及大型卫星平面展开天线支撑桁架，还可以用于地面上的一些平面天线的支撑桁架，以及建筑土木工程领域的可折展建筑等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种六杆机构，其特征在于，包括两个长度相等的竖直杆、四个长度相等的短杆、第一转动关节以及第二转动关节；所述短杆长度小于或等于所述竖直杆长度的一半；两个所述短杆的一端部通过一个所述的第一转动关节铰接，两个所述短杆的另一端分别与一个所述的第二转动关节铰接，所述两个短杆、一个第一转动关节以及两个第二转动关节共同构成展开组件；所述竖直杆的顶端与另一竖直杆的顶端通过一组展开组件连接，所述竖直杆的底端与另一竖直杆的底端通过另一组展开组件连接；所有所述第二转动关节的轴线相互平行，所述第一转动关节的轴线与第二转动关节的轴线交错布置，并形成一固定的夹角；
所述第一转动关节和所述第二转动关节均相对所述竖直杆上下转动，且所述六杆机构折叠时，各所述竖直杆和各所述短杆相互平行，所述六杆机构完全展开时形成一个矩形，各所述竖直杆和各所述短杆均位于同一平面内，且所述六杆机构折叠或者展开过程中，两所述竖直杆之间发生平动和相对转动的耦合运动。
2.如权利要求1所述的六杆机构，其特征在于，所述短杆以及竖直杆均为四棱柱，其中，所述短杆的横截面形状为直角梯形，所述竖直杆的横截面形状为矩形。
3.如权利要求1所述的六杆机构，其特征在于，所述第一转动关节内设置有用于驱动两个短杆相对展开的弹性件。
4.如权利要求3所述的六杆机构，其特征在于，所述弹性件为扭簧。
5.一种可展模块，其特征在于，包括两个如权利要求1至4中任意一项所述的六杆机构以及四组展开组件，所述两个六杆机构间隔相对设置，所述六杆机构中的两竖直杆的顶端分别通过一组展开组件与另一六杆机构中的两竖直杆的顶端连接，所述六杆机构中的两竖直杆的底端分别通过一组展开组件与另一六杆机构中的两竖直杆的底端连接，其中，各个竖直杆端部相邻两侧上的第二转动关节的轴线之间的夹角为90度。
6.一种大型空间伸展臂，其特征在于，包括若干个如权利要求5所述的可展模块以及若干组展开组件，所述若干可展模块沿同一方向间隔分布，其中，某个可展模块中的两竖直杆的顶端分别通过一组展开组件与另其相邻的可展模块中的两竖直杆的顶端连接；某个可展模块中的两竖直杆的底端分别通过一组展开组件与另其相邻的可展模块中的两竖直杆的底端连接。
7.一种大型空间平面展开桁架，其特征在于，包括若干个如权利要求6所述的大型空间伸展臂以及若干组展开组件，所述若干大型空间沿同一方向间隔分布，其中，某个大型空间伸展臂中的竖直杆的顶端与其相邻的大型空间伸展臂中的竖直杆的顶端通过一组所述展开组件连接，某个大型空间伸展臂中的竖直杆的底端与其相邻的大型空间伸展臂中的竖直杆的底端通过一组所述展开组件连接。
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