CN109616737B - 单自由度剪铰联动式双环桁架可展开天线机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单自由度剪铰联动式双环桁架可展开天线机构，涉及可展开天线机构技术领域，包括N个单自由度可展开机构单元和2N组连接杆组件；单自由度可展开机构单元主要包括四个外节点花盘、四个内节点花盘、两个内层剪式杆、四个中间剪式杆以及四个外连杆；连接杆组件主要包括两个连接杆；N个单自由度可展开机构单元呈圆周阵列布置，相邻单自由度可展开机构单元之间通过两组连接杆组件以及共用的两个外节点花盘连接，共同组成多面式双环桁架机构。本发明整体结构对称性较高，通过改变单自由度可展开机构单元的数量以及杆件的长度，可以形成不同尺度的双环桁架式空间可展开机构，可较好应用于星载大口径可展开天线中。

Description

单自由度剪铰联动式双环桁架可展开天线机构

技术领域

本发明涉及可展开天线机构技术领域，特别是涉及一种单自由度剪铰联动式双环桁架可展开天线机构。

背景技术

随着载人航天、对地观测、深空探测以及空间通信等事业的迅速发展，各类航天工程中需要的空间机构的尺寸越来越大，以满足不同航天任务的需求，受到航天运载工具有效空间容舱的限制，需要设计具有大折叠比的空间可展开机构，在发射和运输阶段处于折叠状态并收拢于整流罩内，待航天器进入轨道后再展开至工作状态。

根据可展机构展开与收拢方式，可展机构可以分为铰接桁架式可展机构、变形材料可展机构以及充气展开式可展机构，铰接桁架式可展机构主要由连杆和运动副组成，此类机构具有收拢折叠比较大、精度高、可重复收拢展开性好和寿命长的优点，目前已经被广泛应用于空间站基础骨架、空间伸展臂以及大口径可展开天线等领域。

现有的星载可展开天线多采用铰接桁架式可展机构，环形桁架机构是应用较为广泛的一种，但是现有的环形桁架机构类型较少，并且随着天线口径的增大，天线刚度下降较为严重，为提高环形桁架机构的整体结构刚度，相关科研人员提出了双环桁架机构，但是其一般都具有多个自由度，需要大量的同步铰链来保证其能顺利展开，造成结构比较复杂，装配制造较为麻烦，且目前双环桁架机构的构型较少，因此，亟需提出整体自由度少、制造工艺性好、刚度高、折叠比大等性能优良的可展机构，以满足不同航天任务的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种单自由度剪铰联动式双环桁架可展开天线机构，以解决现有技术所存在的上述问题，自由度少、结构简单、刚度较高而且折叠比较大。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种单自由度剪铰联动式双环桁架可展开天线机构，包括N个单自由度可展开机构单元和2N组连接杆组件；N个所述单自由度可展开机构单元呈圆周阵列布置，相邻的所述单自由度可展开机构单元之间通过两组所述连接杆组件连接，共同组成多面式双环桁架机构。

优选的，所述单自由度可展开机构单元包括四个外节点花盘、四个内节点花盘、两个内层剪式杆、四个中间剪式杆和四个外连杆；

四个所述外连杆设置为两两一组，每组的两个所述的外连杆的端部通过转动副连接，另外两端分别通过转动副连接一个所述外节点花盘，相邻的两个所述单自由度可展开机构单元共用两个所述外节点花盘；

四个所述中间剪式杆设置为两两一组，每组的两个所述中间剪式杆交叉设置并通过转动副进行连接，所述转动副将所述中间剪式杆分为两段；每组的两个所述中间剪式杆的一端分别通过转动副连接一个所述外节点花盘，另一端分别通过转动副连接一个所述内节点花盘；

两个所述内层剪式杆的中间通过转动副连接，四个自由端分别通过转动副连接一个所述内节点花盘，四个所述内节点花盘对称分布在两个所述内层剪式杆所在平面的四个顶点上。

优选的，每组所述连接杆组件包括两个连接杆，两个所述连接杆的端部通过转动副连接，另外两端分别与相邻两个单自由度可展开机构单元的内节点花盘通过转动副连接。

优选的，每个所述外节点花盘设置有四个支叉，整体为面对称结构，中间对称平面左右两侧各设置有两个支叉，每个所述支叉上均开有一个槽口；外侧的两个支叉分别用来***相邻两个单自由度可展开机构单元的所述外连杆并通过转动副连接，靠近中间对称平面的两个支叉分别用来***相邻两个单自由度可展开机构单元的所述中间剪式杆并通过转动副连接；每个支叉槽口上转动副轴线与所述外节点花盘的中心轴线距离均相同，外侧两个支叉的槽口对称面之间的夹角为(180-360/N)°，外侧支叉的槽口对称面与内侧支叉的槽口对称面之间的夹角α为锐角。

优选的，每个所述内节点花盘均设置有三个支叉，各支叉上均开有一个槽口，其中两个支叉的槽口对称面的夹角为(180-180/N)°，所述两个支叉用来分别用来***内层剪式杆的一端以及连接杆的一端并通过转动副连接；所述内节点花盘的另外一个支叉的槽口对称面与用于***所述内层剪式杆的支叉的槽口对称面的夹角为(180°-α)，所述支叉用来***所述中间剪式杆并通过转动副连接，所述内节点花盘上各个转动副轴线与所述内节点花盘中心轴线的距离均相同。

优选的，所述内节点花盘中各支叉槽口上转动副轴线到所述内节点花盘中心轴线的距离与所述外节点花盘中各支叉槽口上转动副轴线到所述外节点花盘中心轴线的距离之比为(1-cosα)/(1+cosα)；所述中间剪式杆上与所述内节点花盘相连的一段和所述内层剪式杆的长度的一半相同，并且与另一段长度之比为(1-cosα)/(1+cosα)；所述外连杆的长度小于与其通过同一所述外节点花盘连接的所述中间剪式杆上靠近所述外节点花盘的一段的长度；所述连接杆的长度与所述外连杆的长度之比为2cos(180/N+α)/(1+cosα)。

优选的，每个所述单自由度可展开机构单元中的两个所述内层剪式杆和四个所述外连杆上所连接的各个转动副的轴线均平行；同组所述中间剪式杆上所连接的转动副轴线均平行；位于同一平面上的两组所述连接杆组件上所连接的转动副轴线均平行。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、本发明结构简单，整体只有一个自由度，仅需要一个驱动便可以完全展开；

2、本发明所含运动副均为转动副，装配制造工艺性较好且可靠性较高；

3、本发明运动灵活且整体折叠比较大；

4、本发明结构对称性较高，通过改变整体机构中单自由度可展开机构单元的数量以及其中杆件的长度，可以形成不同尺度的双环桁架式空间可展开机构，可以较好的应用于星载大口径可展开天线中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明单自由度剪铰联动式双环桁架可展开天线机构的完全展开立体示意简图；

图2是本发明单自由度剪铰联动式双环桁架可展开天线机构的完全展开俯视图；

图3是本发明单自由度剪铰联动式双环桁架可展开天线机构的半展开立体示意简图；

图4是本发明单自由度剪铰联动式双环桁架可展开天线机构的完全收拢立体示意简图；

图5是本发明的单自由度可展开机构单元完全展开立体示意简图；

图6是本发明的单自由度可展开机构单元半展开立体示意简图；

图7是本发明的一组连接杆组件及其所连接的内节点花盘立体示意简图；

图8是本发明的一组中间剪式及其所连接的内、外节点花盘立体示意简图；

图9是本发明的外节点花盘立体示意简图；

图10是本发明的内节点花盘立体示意简图。

图中：A：单自由度可展开机构单元、B：连接杆组件；1：外节点花盘、2：中间剪式杆、3：内层剪式杆、4：内节点花盘、5：外连杆、6：连接杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种单自由度剪铰联动式双环桁架可展开天线机构，以解决现有技术所存在的上述问题，自由度少、结构简单、刚度较高而且折叠比较大。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图4所示，本实施例中提供的单自由度剪铰联动式双环桁架可展开天线机构，包括12个(N＝12)单自由度可展开机构单元A以及24组连接杆组件B，12个单自由度可展开机构单元A呈圆周阵列布置，相邻单自由度可展开机构单元A之间通过两组连接杆组件B以及共用的两个外节点花盘1连接，共同组成多面式双环桁架机构。

如图5和图6所示，在本实施例中，每个单自由度可展开机构单元A，主要包括四个外节点花盘1、四个内节点花盘4、两个内层剪式杆3、四个中间剪式杆2以及四个外连杆5。

如图7所示，在本实施例中，连接杆组件B主要包括两个连接杆6，两个连接杆6结构完全相同，端部通过转动副连接，另外两端分别***内节点花盘4的支叉中并通过转动副连接。

具体地，在本实施例中，每个单自由度可展开机构单元A中的四个外节点花盘1结构完全相同；如图9所示，每个外节点花盘均有四个支叉，外节点花盘1整体为面对称结构，中间对称平面左右两侧各有两个支叉，各个支叉上均开有一个槽口。其中，外侧的两个支叉用来***外连杆5并通过转动副连接，靠近中间对称平面的两个支叉用来***中间剪式杆2并通过转动副连接；各支叉槽口上转动副轴线与外节点花盘中心轴线距离均相同，外侧两个支叉的槽口对称面之间的夹角为150°(180°-360°/12＝150°)，外侧支叉的槽口对称面与内侧支叉的槽口对称面之间的夹角可以根据需要人为设定，其夹角为锐角，本实施例中优选设其夹角为60°(α＝60°)。

进一步地，在本实施例中，每个单自由度可展开机构单元A中的四个内节点花盘4结构完全相同；如图10所示，每个内节点花盘均有三个支叉，各支叉上均开有一个槽口。其中，两个支叉的槽口对称面的夹角为165°(180°-180°/12＝165°)，这两个支叉用来分别用来***内层剪式杆3的一端以及连接杆6的一端并通过转动副连接，内节点花盘4的另外一个支叉的槽口对称面与前述***内层剪式杆3的支叉的槽口对称面的夹角为120°(180°-60°＝120°)，这个支叉用来***中间剪式杆2并通过转动副连接，内节点花盘4上各个转动副轴线与内节点花盘中心轴线距离均相同。

两个内层剪式杆3结构完全相同，中间通过转动副连接，连接后的四个自由端分别***四个内节点花盘4的支叉中并通过转动副连接，使得四个内节点花盘4对称的分布在内层剪式杆3所在平面的四个顶点上；四个中间剪式杆2结构完全相同，两两一组通过转动副连接，连接两个中间剪式杆2的转动副将中间剪式杆分为两段，其中四端***四个内节点花盘4的支叉中并通过转动副连接，另外四端***四个外节点花盘1的靠近中间对称平面的支叉中并通过转动副连接；四个外连杆5结构完全相同，两两一组，端部通过转动副连接，另外四端分别***外节点花盘1上外侧的支叉中并通过转动副连接。

如图5-图10所示，在本实施例中，内节点花盘4中各支叉槽口上转动副轴线与内节点花盘中心轴线的距离与外节点花盘1中各支叉槽口上转动副轴线与外节点花盘中心轴线的距离之比为m/n＝0.33((1-cos60)/(1+cos60)＝0.33)；中间剪式杆2上被转动副分开的两段中与内节点花盘4相连的一段和内层剪式杆3的长度的一半相同，中间剪式杆2上与内层剪式杆3的长度的一半相同的这段长度与另一段长度之比为l/L＝0.33((1-cos60)/(1+cos60)＝0.33)；外连杆5的长度可以人为设定，但是要小于与其通过同一个外节点花盘1连接的中间剪式杆2上靠近外节点花盘1的一段的长度；连接杆6的长度与外连杆5的长度之比为p/q＝0.35(2cos(180/12+60)/(1+cos60)＝0.35)。

在图1-图4所示的单自由度剪铰联动式双环桁架可展开天线机构立体示意简图中，同一单自由度可展开机构单元A中两个内层剪式杆3和四个外连杆5上所连接的各个转动副轴线均平行；同一组中间剪式杆2上所连接的转动副轴线均平行；位于同一平面上的两组连接杆组件B上所连接的转动副轴线均平行。

在本实施例中，通过改变整体机构中单自由度可展开机构单元A的数量以及其中杆件的长度，可以改变整体单自由度剪铰联动式双环桁架可展开天线机构完全展开后口径的大小；当通过转动副相连的两个连接杆6以及两个外连杆5共线时，整体机构达到完全展开状态，此时其处于边界奇异位形状态，机构退化为自由度为0的结构，可依靠结构中的杆件自身抵消外力的作用，而不需要提供额外的驱动力矩，整体具有较好的结构刚度和力学性能。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种单自由度剪铰联动式双环桁架可展开天线机构，其特征在于：包括N个单自由度可展开机构单元和2N组连接杆组件；N个所述单自由度可展开机构单元呈圆周阵列布置，相邻的所述单自由度可展开机构单元之间通过两组所述连接杆组件连接，共同组成多面式双环桁架机构；

所述单自由度可展开机构单元包括四个外节点花盘、四个内节点花盘、两个内层剪式杆、四个中间剪式杆和四个外连杆；

四个所述外连杆设置为两两一组，每组的两个所述的外连杆的端部通过转动副连接，另外两端分别通过转动副连接一个所述外节点花盘，相邻的两个所述单自由度可展开机构单元共用两个所述外节点花盘；

四个所述中间剪式杆设置为两两一组，每组的两个所述中间剪式杆交叉设置并通过转动副进行连接，所述转动副将所述中间剪式杆分为两段；每组的两个所述中间剪式杆的一端分别通过转动副连接一个所述外节点花盘，另一端分别通过转动副连接一个所述内节点花盘；

两个所述内层剪式杆的中间通过转动副连接，四个自由端分别通过转动副连接一个所述内节点花盘，四个所述内节点花盘对称分布在两个所述内层剪式杆所在平面的四个顶点上。

2.根据权利要求1所述的单自由度剪铰联动式双环桁架可展开天线机构，其特征在于：每组所述连接杆组件包括两个连接杆，两个所述连接杆的端部通过转动副连接，另外两端分别与相邻两个单自由度可展开机构单元的内节点花盘通过转动副连接。

3.根据权利要求2所述的单自由度剪铰联动式双环桁架可展开天线机构，其特征在于：每个所述外节点花盘设置有四个支叉，整体为面对称结构，中间对称平面左右两侧各设置有两个支叉，每个所述支叉上均开有一个槽口；外侧的两个支叉分别用来***相邻两个单自由度可展开机构单元的所述外连杆并通过转动副连接，靠近中间对称平面的两个支叉分别用来***相邻两个单自由度可展开机构单元的所述中间剪式杆并通过转动副连接；每个支叉槽口上转动副轴线与所述外节点花盘的中心轴线距离均相同，外侧两个支叉的槽口对称面之间的夹角为(180-360/N)°，外侧支叉的槽口对称面与内侧支叉的槽口对称面之间的夹角α为锐角。

4.根据权利要求3所述的单自由度剪铰联动式双环桁架可展开天线机构，其特征在于：每个所述内节点花盘均设置有三个支叉，各支叉上均开有一个槽口，其中两个支叉的槽口对称面的夹角为(180-180/N)°，所述两个支叉用来分别用来***内层剪式杆的一端以及连接杆的一端并通过转动副连接；所述内节点花盘的另外一个支叉的槽口对称面与用于***所述内层剪式杆的支叉的槽口对称面的夹角为(180°-α)，所述支叉用来***所述中间剪式杆并通过转动副连接，所述内节点花盘上各个转动副轴线与所述内节点花盘中心轴线的距离均相同。

5.根据权利要求4所述的单自由度剪铰联动式双环桁架可展开天线机构，其特征在于：所述内节点花盘中各支叉槽口上转动副轴线到所述内节点花盘中心轴线的距离与所述外节点花盘中各支叉槽口上转动副轴线到所述外节点花盘中心轴线的距离之比为(1-cosα)/(1+cosα)；所述中间剪式杆上与所述内节点花盘相连的一段和所述内层剪式杆的长度的一半相同，并且与另一段长度之比为(1-cosα)/(1+cosα)；所述外连杆的长度小于与其通过同一所述外节点花盘连接的所述中间剪式杆上靠近所述外节点花盘的一段的长度；所述连接杆的长度与所述外连杆的长度之比为2cos(180/N+α)/(1+cosα)。

6.根据权利要求5所述的单自由度剪铰联动式双环桁架可展开天线机构，其特征在于：每个所述单自由度可展开机构单元中的两个所述内层剪式杆和四个所述外连杆上所连接的各个转动副的轴线均平行；同组所述中间剪式杆上所连接的转动副轴线均平行；位于同一平面上的两组所述连接杆组件上所连接的转动副轴线均平行。