CN109110156A - 一种基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构 - Google Patents
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Abstract
一种基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构,包括刚性铰链和三棱柱可展单元,由三棱柱可展单元的不同剪叉构件相邻角度变换和展开可变换成不同的棱柱可展单元,三棱柱可展单元可变换成四棱柱可展单元和五棱柱可展单元,相对应的构成三棱柱空间可展机、四棱柱空间可展机构和五棱柱空间可展机构。本发明构建的不同棱柱空间可展机构具有刚度强度大、承载能力高、机构展开和折叠稳定、空间折叠比大、收拢体积小的特点,可通过刚性铰链阵列成不同的空间拓扑结构,适用于航空航天器支撑架领域。
Description
技术领域
本发明涉及空间可展机构领域,特别是一种基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构。
背景技术
随着航天事业的蓬勃发展,对外太空的探索也逐渐深入,一些大型的航天器支撑架比如雷达天线支撑架、大口径空间天线支撑架等需要不同类型的支撑架,以满足不同的航天需求;目前许多空间折展机构和航天器的支撑架均可通过折展单元的阵列或者拓扑来构成一种展开稳定、折叠比大的空间折展机构。
中国专利201210464544.1公开了一种三棱柱可折展单元及由该可折展单元组成的可折展支撑臂,该机构以三棱柱为可折展单元来组成机构的折展,展开和收拢稳定,但折叠比相对较小,可展单元单一;中国专利201210310520.3公开了一种基于正方形单元平面阵列可展机构,该机构具有正方形单元构态,折叠比小,且为平面折叠,可展单元单一。
目前尚未见到一种具有可阵列组成不同空间拓扑结构、同时兼具刚度强度大、承载能力高、机构展开和折叠稳定、空间折叠比大、收拢体积小的特点的一种基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构的创新发明设计。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构,它具有刚度强度大、承载能力高、机构展开和折叠稳定、空间折叠比大、收拢体积小的特点,可通过刚性铰链阵列成不同的空间拓扑结构,适用于航空航天器支撑架领域。
本发明的技术方案是:一种基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构,包括刚性铰链和三棱柱可展单元,所述刚性铰链包括五转动副铰链和八转动副铰链;所述三棱柱可展单元包括剪叉构件、机座、两转动副铰链和三转动副铰链,所述剪叉构件分为外层剪叉构件和内层剪叉构件,内层剪叉构件通过三转动副铰链与外层剪叉构件连接;所述外层剪叉构件包括第一组外层剪叉构件、第二组外层剪叉构件、第三组外层剪叉构件、第四组外层剪叉构件和第五组外层剪叉构件,第一组外层剪叉构件包括滑杆和滑杆槽,滑杆一端通过移动副与滑杆槽连接,另一端通过铰链与三转动副铰链的第一铰链座连接,其余四组外层剪叉构件与第一组外层剪叉构件的结构及连接关系完全相同;所述内层剪叉构件包括第一组内层剪叉构件、第二组内层剪叉构件、第三组内层剪叉构件、第四组内层剪叉构件和第五组内层剪叉构件,第一组内层剪叉构件包括第一连杆和第二连杆,第一连杆一端通过两转动副铰链与第二机座连接,另一端通过铰链与三转动副铰链的第二铰链座连接,第二连杆一端通过两转动副铰链与第一机座连接,另一端通过铰链与三转动副铰链的第二铰链座连接,其余四组内层剪叉构件与第一组内层剪叉构件的结构及连接关系完全相同;所述机座为梅花机座,包括第一机座和第二机座,第一机座上均匀分布有五个大小相同的铰链座并自带限位结构,铰链座通过铰链与两自由度铰链连接,第二机座与第一机座的结构和连接关系完全相同。
所述三棱柱可展单元的第一组外层剪叉构件、第二组外层剪叉构件和第四组剪叉构件处于完全展开状态,第三组外层剪叉构件和第五组外层剪叉构件处于压缩状态,五组内层剪叉构件处于展开状态;当第三组外层剪叉构件处于展开状态时,三棱柱可展单元变换成四棱柱可展单元;当第五组外层剪叉构件也处于展开状态时,四棱柱可展单元变换成五棱柱可展单元。
所述五转动副铰链连接四组三棱柱可展单元,由可转动铰链座和固定铰链座组成,固定铰链座通过铰链与三棱柱可展单元的内层剪叉构件连接,可转动铰链座通过铰链与外层剪叉构件连接;所述八转动副铰链连接四组四棱柱可展单元、四组五棱柱可展单元,分为上下层共八个铰链座。
所述内层剪叉构件的第一连杆和第二连杆的结构完全相同,第一连杆和第二连杆通过铰链相互连接,且内层剪叉构件组成棱柱可展单元骨架,外层剪叉构件组成棱柱面。
所述两转动副铰链上的两个铰链座的轴线异面垂直,三转动副铰链包括三个铰链座,分别是第一铰链座、第二铰链座和第三铰链座。
所述外层剪叉构件均由四根滑杆和两个滑杆槽组成,两个滑杆槽通过铰链相互连接。
本发明的突出优点在于:
1.机构能够实现从三棱柱可展单元变换成四棱柱可展单元和五棱柱可展单元,通过刚性铰链连接时组成不同的空间可展机构,机构具有较高的刚度和强度,能承受一定的载荷冲击。
2.机构展开和构态变换均为单自由度,结构展开和折叠稳定、空间折叠比大、收拢体积小,能够应用于航空航天器支撑架领域。
附图说明
图1为本发明所述的基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构的三棱柱可展单元结构示意图。
图2为本发明所述的基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构的三棱柱空间可展机构俯视图。
图3为本发明所述的基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构的三棱柱空间可展机构收拢示意图。
图4为本发明所述的基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构的四棱柱可展单元结构示意图。
图5为本发明所述的基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构的四棱柱空间可展机构俯视图。
图6为本发明所述的基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构的四棱柱空间可展机构收拢示意图。
图7为本发明所述的基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构的五棱柱可展单元结构示意图。
图8为本发明所述的基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构的五棱柱空间可展机构俯视图。
图9为本发明所述的基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构的五棱柱空间可展机构收拢示意图。
图10为本发明所述的基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构的内层剪叉构件结构示意图。
图11为本发明所述的基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构的外层剪叉构件结构示意图。
图12为本发明所述的基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构的机座结构示意图。
图13为本发明所述的基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构的滑杆结构示意图。
图14为本发明所述的基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构的两转动副铰链结构示意图。
图15为本发明所述的基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构的三转动副铰链结构示意图。
图16为本发明所述的基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构的五转动副
铰链结构示意图。
图17为本发明所述的基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构的八转动副铰链结构示意图。
图中标记为:1.第一机座、2.第二机座、3.两转动副铰链、4.三转动副铰链、4-1.第一铰链座、4-2.第二铰链座、4-3.第三销轴铰链座、5.第一连杆、6.第二连杆、7.滑杆、8.滑杆槽、10.五转动副铰链、10-1.可转动铰链座、10-2.固定铰链座、11.八转动副铰链、101.第一组外层剪叉构件、102.第二组外层剪叉构件、103.第三组外层剪叉构件、104.第四组外层剪叉构件、105.第五组外层剪叉构件、201.第一组内层剪叉构件、202.第二组内层剪叉构件、203.第三组内层剪叉构件、204.第四组内层剪叉构件、205.第五组内层剪叉构件。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行进一步描述。
如图1至图17所示,本发明所述的基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构,包括刚性铰链和三棱柱可展单元,所述刚性铰链包括五转动副铰链10和八转动副铰链11;所述三棱柱可展单元包括剪叉构件、机座、两转动副铰链3和三转动副铰链4,所述剪叉构件分为外层剪叉构件和内层剪叉构件,内层剪叉构件通过三转动副铰链4与外层剪叉构件连接;所述外层剪叉构件包括第一组外层剪叉构件101、第二组外层剪叉构件102、第三组外层剪叉构件103、第四组外层剪叉构件104和第五组外层剪叉构件105,第一组外层剪叉构件101包括滑杆7和滑杆槽8,滑杆7一端通过移动副与滑杆槽8连接,另一端通过铰链与三转动副铰链4的第一铰链座4-1连接,其余四组外层剪叉构件与第一组外层剪叉构件101的结构及连接关系完全相同;所述内层剪叉构件包括第一组内层剪叉构件201、第二组内层剪叉构件202、第三组内层剪叉构件203、第四组内层剪叉构件204和第五组内层剪叉构件205,第一组内层剪叉构件201包括第一连杆5和第二连杆6,第一连杆5一端通过两转动副铰链3与第二机座2连接,另一端通过铰链与三转动副铰链4的第二铰链座4-2连接,第二连杆6一端通过两转动副铰链3与第一机座1连接,另一端通过铰链与三转动副铰链4的第二铰链座4-2连接,其余四组内层剪叉构件与第一组内层剪叉构件201的结构及连接关系完全相同;所述机座为梅花机座,包括第一机座1和第二机座2,第一机座1上均匀分布有五个大小相同的铰链座并自带限位结构,铰链座通过铰链与两自由度铰链3连接,第二机座2与第一机座1的结构和连接关系完全相同。
所述三棱柱可展单元的第一组外层剪叉构件101、第二组外层剪叉构件102和第四组剪叉构件104处于完全展开状态,第三组外层剪叉构件103和第五组外层剪叉构件105处于压缩状态,五组内层剪叉构件处于展开状态;当第三组外层剪叉构件103处于展开状态时,三棱柱可展单元变换成四棱柱可展单元;当第五组外层剪叉构件105也处于展开状态时,四棱柱可展单元变换成五棱柱可展单元。
所述五转动副铰链10连接四组三棱柱可展单元,由可转动铰链座10-1和固定铰链座10-2组成,固定铰链座10-2通过铰链与三棱柱可展单元的内层剪叉构件连接,可转动铰链座10-1通过铰链与外层剪叉构件连接;所述八转动副铰链11连接四组四棱柱可展单元、四组五棱柱可展单元,分为上下层共八个铰链座。
所述内层剪叉构件的第一连杆5和第二连杆6的结构完全相同,第一连杆5和第二连杆6通过铰链相互连接,且内层剪叉构件组成棱柱可展单元骨架,外层剪叉构件组成棱柱面。
所述两转动副铰链3上的两个铰链座的轴线异面垂直,三转动副铰链4包括三个铰链座,分别是第一铰链座4-1、第二铰链座4-2和第三铰链座4-3。
所述外层剪叉构件均由四根滑杆7和两个滑杆槽8组成,两个滑杆槽8通过铰链相互连接。
工作原理及过程:
具体实施方式一:如图1至图3所示为三棱柱空间可展机构构态,三棱柱空间可展机构的展开或收拢通过三棱柱可展单元实现。第一组外层剪叉构件101、第二组外层剪叉构件102和第四组外层剪叉构件104为展开状态,此时第三组外层剪叉构件103被第二组内层剪叉构件202与第三组内层剪叉构件203压缩并处于蓄积能量状态、第五组外层剪叉构件105被第四组内层剪叉构件204与第五组内层剪叉构件205压缩并处于蓄积能量状态,如图1所示为三棱柱可展单元;通过五转动副铰链10连接四组三棱柱可展单元组成三棱柱空间可展机构,此时机构为完全展开状态,如图2所示;当驱动一组内层剪叉构件作收拢运动时,由于内层剪叉构件通过三转动副铰链4与外层剪叉构件连接,故此时由内层剪叉构件的收拢运动带动外层剪叉构件作同步收拢运动,带动整个机构作收拢运动,直至收拢成完全折叠状态,如图3所示。
具体实施方式二:如图4至图6所示为四棱柱空间可展机构构态,四棱柱空间可展机构的展开或收拢通过四棱柱可展单元实现。在三棱柱可展单元的基础上释放第二组内层剪叉构件202与第三组内层剪叉构件203压缩的第三组外层剪叉构件103蓄积的能量,此时第三组外层剪叉构件103的滑杆7在滑杆槽8内向外作被拉伸移动,整个第三组外层剪叉构件103作展开运动,此时五组内层剪叉构件作同步展开运动,整个机构从三棱柱可展单元向四棱柱可展单元转变,如图4所示;通过八转动副铰链11连接四组四棱柱可展单元组成四棱柱空间可展机构,此时机构处于完全展开状态,如图5所示;当驱动一组内层剪叉构件作收拢运动时,由于内层剪叉构件通过三转动副铰链4与外层剪叉构件连接,故此时由内层剪叉构件的收拢运动带动外层剪叉构件作同步收拢运动,带动整个机构作收拢运动,直至收拢成完全折叠状态,如图6所示。
具体实施方式三:如图7至图9所示为五棱柱空间可展机构构态,五棱柱空间可展机构的展开或收拢通过五棱柱可展单元实现。在四棱柱可展单元的基础上释放第四组内层剪叉构件204与第五组内层剪叉构件205压缩的第五组外层剪叉构件105蓄积的能量,此时第五组外层剪叉构件105的滑杆7在滑杆槽8内向外作被拉伸移动,整个第五组外层剪叉构件105作展开运动,此时五组内层剪叉构件作同步展开运动,整个机构从四棱柱可展单元向五棱柱可展单元转变,如图7所示;通过八转动副铰链11连接四组五棱柱可展单元组成五棱柱空间可展机构,此时机构处于完全展开状态,如图8所示;当驱动一组内层剪叉构件作收拢运动时,由于内层剪叉构件通过三转动副铰链4与外层剪叉构件连接,故此时由内层剪叉构件的收拢运动带动外层剪叉构件作同步收拢运动,带动整个机构作收拢运动,直至收拢成完全折叠状态,如图9所示。
Claims (6)
1.一种基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构,包括刚性铰链和三棱柱可展单元,其特征在于:所述刚性铰链包括五转动副铰链和八转动副铰链;所述三棱柱可展单元包括剪叉构件、机座、两转动副铰链和三转动副铰链,所述剪叉构件分为外层剪叉构件和内层剪叉构件,内层剪叉构件通过三转动副铰链与外层剪叉构件连接;所述外层剪叉构件包括第一组外层剪叉构件、第二组外层剪叉构件、第三组外层剪叉构件、第四组外层剪叉构件和第五组外层剪叉构件,第一组外层剪叉构件包括滑杆和滑杆槽,滑杆一端通过移动副与滑杆槽连接,另一端通过铰链与三转动副铰链的第一铰链座连接,其余四组外层剪叉构件与第一组外层剪叉构件的结构及连接关系完全相同;所述内层剪叉构件包括第一组内层剪叉构件、第二组内层剪叉构件、第三组内层剪叉构件、第四组内层剪叉构件和第五组内层剪叉构件,第一组内层剪叉构件包括第一连杆和第二连杆,第一连杆一端通过两转动副铰链与第二机座连接,另一端通过铰链与三转动副铰链的第二铰链座连接,第二连杆一端通过两转动副铰链与第一机座连接,另一端通过铰链与三转动副铰链的第二铰链座连接,其余四组内层剪叉构件与第一组内层剪叉构件的结构及连接关系完全相同;所述机座为梅花机座,包括第一机座和第二机座,第一机座上均匀分布有五个大小相同的铰链座并自带限位结构,铰链座通过铰链与两自由度铰链连接,第二机座与第一机座的结构和连接关系完全相同。
2.根据权利要求1所述的一种基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构,其特征在于:所述三棱柱可展单元的第一组外层剪叉构件、第二组外层剪叉构件和第四组剪叉构件处于完全展开状态,第三组外层剪叉构件和第五组外层剪叉构件处于压缩状态,五组内层剪叉构件处于展开状态;当第三组外层剪叉构件处于展开状态时,三棱柱可展单元变换成四棱柱可展单元;当第五组外层剪叉构件也处于展开状态时,四棱柱可展单元变换成五棱柱可展单元。
3.根据权利要求1所述的一种基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构,其特征在于:所述五转动副铰链连接四组三棱柱可展单元,由可转动铰链座和固定铰链座组成,固定铰链座通过铰链与三棱柱可展单元的内层剪叉构件连接,可转动铰链座通过铰链与外层剪叉构件连接;所述八转动副铰链连接四组四棱柱可展单元、四组五棱柱可展单元,分为上下层共八个铰链座。
4.根据权利要求1所述的一种基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构,其特征在于:所述内层剪叉构件的第一连杆和第二连杆的结构完全相同,第一连杆和第二连杆通过铰链相互连接,且内层剪叉构件组成棱柱可展单元骨架,外层剪叉构件组成棱柱面。
5.根据权利要求1所述的一种基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构,其特征在于:所述两转动副铰链上的两个铰链座的轴线异面垂直,三转动副铰链包括三个铰链座,分别是第一铰链座、第二铰链座和第三铰链座。
6.根据权利要求1所述的一种基于三棱柱可展单元变换刚性铰链连接空间可展机构,其特征在于:所述外层剪叉构件均由四根滑杆和两个滑杆槽组成,两个滑杆槽通过铰链相互连接。
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