CN109659659A - 基于3r-rrp机构单元的环形桁架式可展开天线机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于3R‑RRP机构单元的环形桁架式可展开天线机构，包含2N个3R‑RRP机构单元，2N个3R‑RRP机构单元两两一组，通过共用一根支撑杆、一个固定节点连接件和一个运动节点连接件连接，组成N个组合机构单元；N个组合机构单元结构完全相同，相邻组合机构单元间通过共用一根支撑杆和两个固定节点连接件连接，共同组成多面式环形桁架机构；3R‑RRP机构单元主要包括两根支撑杆、一根长连杆、两根短连杆、三个固定节点连接件和一个运动节点连接件；其中短连杆长度为长连杆长度的一半，支撑杆长度大于短连杆长度的三倍。本发明的整体机构结构简单，运动灵活，加工制造成本较低，可以作为支撑机构较好的应用于大口径星载天线领域。

Description

基于3R-RRP机构单元的环形桁架式可展开天线机构

技术领域

本发明属于天线机械领域，具体涉及一种基于3R-RRP机构单元的环形桁架式可展开天线机构。

背景技术

随着卫星通信、对地观测以及其他空间科学事业的迅猛发展，空间机构的需求愈加迫切。由于运载火箭空间的限制，要求空间机构在发射阶段折叠起来，在步入轨道后要求空间机构又能展开到工作状态，并保持一定的刚度和精度。因此，宇航空间机构多为可展开机构，目前空间可展开机构已经广泛应用于太阳翼的展开机构、空间对接机构、空间站骨架、月球车悬架以及大口径空间可展开天线等领域，如美国用于三维地形观测的60米可展开雷达支撑臂、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式可展开天线以及日本ETS-8卫星上的13米口径的构架式可展开天线等。

空间大口径天线的应用可以大大地提高对地观测分辨率水平、空间侦查和精确打击能力等，大口径空间可展开天线是可展开机构应用的一个重要领域，其主要包括构架式可展开天线、折叠肋式可展开天线、环-柱形可展开天线以及环形桁架式可展开天线等。在众多类型的空间可展开天线中，含柔性索网的大型环形桁架式可展开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***的质量不会随着天线展开覆盖面积的增大而成比例增大，所以其越来越受到相关科研人员的重视。环形桁架式可展开天线一般是由环形可展开支撑桁架和索网***组成，环形桁架支撑机构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，使得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开天线机构，现在已成功应用于太空通信任务。该方案展开过程简单，驱动源单一，但是由于存在多组圆锥齿轮啮合，导致整体机构加工装配的成本比较高，同时该方案的折叠比也有待提高。我国相关科研机构对环形桁架式空间可展开天线机构开展了大量研究工作，取得了较为显著的成果，但是目前在轨运行的环形桁架式可展开天线仍然较少，其构型也较为单一，因此，需要提出一些结构简单、折叠比较大以及刚度较高等综合性能优良的环形桁架式可展开天线机构，以满足不同航天任务的需求。

发明内容

针对以上情况，本发明提供一种基于3R-RRP机构单元的环形桁架式可展开天线机构，克服现有技术的不足，不仅结构简单，整体机构加工装配的成本较低，而且可展开天线机构的折叠比较高。

本发明所采用的技术方案是提供一种基于3R-RRP机构单元的环形桁架式可展开天线机构，包括2N个3R-RRP机构单元(R代表转动副，P代表移动副)，其中，N为大于等于2的整数，2N个3R-RRP机构单元两两一组，通过共用一根支撑杆、一个固定节点连接件和一个运动节点连接件连接，组成N个组合机构单元；N个组合机构单元结构完全相同，相邻的组合机构单元间通过共用一根支撑杆和两个固定节点连接件连接，共同组成多面式环形桁架机构；所述3R-RRP机构单元包括两根支撑杆、一根长连杆、两根短连杆、三个固定节点连接件和一个运动节点连接件，两根所述支撑杆结构完全相同，对称布置于3R-RRP机构单元的两侧位置；三个所述固定节点连接件的结构完全相同，且设置为曲拐形状，曲拐两侧各设一个开口槽，所述开口槽的开口端设在曲拐的两自由端，曲拐两侧对称于过折弯处的平面，且两侧开口槽的中心平面之间的夹角为(180-180/N)°，固定节点连接件中心位置处开有孔洞，所述孔洞穿套在支撑杆的两端并与支撑杆固连在一起，同一所述支撑杆上固连的两个所述固定节点连接件的开口槽的中心面之间互相重合；所述运动节点连接件穿套于所述支撑杆之上，其中间孔洞与支撑杆形成移动副连接，使其可以在支撑杆上滑动，同一所述支撑杆上固连的固定节点连接件与通过移动副连接的运动节点连接件的开口槽的中心平面间互相重合；以及所述长连杆的一端***固连于支撑杆一端的固定节点连接件的一侧的开口槽中并通过转动副连接，另一端***连接于另一侧支撑杆上的运动节点连接件一侧的开口槽中并通过转动副连接；两根所述短连杆的一端通过转动副互相连接，另外两端分别***固结于两侧支撑杆上的固定节点连接件一侧的开口槽中并通过转动副连接。

优选地，同一所述3R-RRP机构单元中的长连杆和短连杆上所连接的所有转动副轴线互相平行。

优选地，所述短连杆的长度为长连杆长度的一半，所述支撑杆的长度大于短连杆长度的三倍。

进一步地，所述运动节点连接件与所述固定节点连接件的结构相同。

优选地，所述短连杆的结构均相同，所述长连杆的结构也均相同。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明结构简单，所含运动副只有转动副和移动副，无圆锥齿轮或其他类型的同步铰链装置，加工制造成本较低；

2、本发明具有运动灵活、折叠比较大的特点，且整体结构刚度较高；

3、本发明具有高度的结构对称性，通过改变3R-RRP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环形桁架式可展开天线机构，可以作为支撑机构较好地应用于大口径星载天线领域。

附图说明

图1为本发明的完全展开立体结构示意图；

图2为本发明的半展开立体结构示意图；

图3为本发明的完全收拢立体结构示意图；

图4为本发明的组合机构单元完全展开立体结构示意图；

图5为本发明的组合机构单元半展开立体结构示意图；

图6为本发明的组合机构单元完全收拢立体结构示意图；以及

图7为本发明的固定节点连接件立体结构示意图。

主要的附图标记如下：

3R-RRP机构单元10、组合机构单元100、固定节点连接件1、短连杆2、长连杆3、支撑杆4、运动节点连接件5、开口槽11、孔洞12、第一转孔13、第二转孔14。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

本发明提供一种基于3R-RRP机构单元的环形桁架式可展开天线机构，如图1～7所示，包括2N个3R-RRP机构单元10(R代表转动副，P代表移动副)，其中，N为大于等于2的整数，2N个3R-RRP机构单元10两两一组，通过共用一根支撑杆4、一个固定节点连接件1和一个运动节点连接件5连接，组成N个组合机构单元100；N个组合机构单元100结构完全相同，相邻的组合机构单元100间通过共用一根支撑杆4和两个固定节点连接件1连接，共同组成多面式环形桁架机构；3R-RRP机构单元10包括两根支撑杆4、一根长连杆3、两根短连杆2、三个固定节点连接件1和一个运动节点连接件5，两根支撑杆4结构完全相同，对称布置于3R-RRP机构单元10的两侧位置；三个固定节点连接件1的结构完全相同，且设置为曲拐形状，曲拐两侧各设一个开口槽11，开口槽11的开口端设在曲拐的两自由端，曲拐两侧对称于过折弯处的平面，且两侧开口槽11的中心平面之间的夹角为(180-180/N)°，固定节点连接件1中心位置处开有孔洞12，孔洞12穿套在支撑杆4的两端并与支撑杆4固连在一起，同一支撑杆4上固连的两个固定节点连接件1的开口槽11的中心面之间互相重合；运动节点连接件5穿套于支撑杆4之上，其中间孔洞12与支撑杆4形成移动副连接，使其可以在支撑杆4上滑动，同一支撑杆4上固连的固定节点连接件1与通过移动副连接的运动节点连接件5的开口槽11的中心平面间互相重合；长连杆3的第一端***固连于支撑杆4第一端的固定节点连接件1的一侧的开口槽11中并通过转动副连接于第一转孔13，第二端***连接于另一侧支撑杆4上的运动节点连接件5另一侧的开口槽11中并通过转动副连接于第二转孔14；两根短连杆2的一端通过转动副互相连接，另外两端分别***固结于两侧支撑杆4上的固定节点连接件1一侧的开口槽11中并通过转动副连接。

同一3R-RRP机构单元10中的长连杆3和短连杆2上所连接的所有转动副轴线互相平行；短连杆2的长度为长连杆3长度的一半，支撑杆4的长度大于短连杆2长度的三倍；运动节点连接件5与固定节点连接件1的结构相同；所有短连杆2的结构均完全相同；所有长连杆3的结构也均完全相同。

实施例1，本发明的基于3R-RRP机构单元的环形桁架式可展开天线机构的操作过程可如下，取12个3R-RRP机构单元10，且12个3R-RRP机构单元10两两一组，通过共用一根支撑杆4、一个固定节点连接件1和一个运动节点连接件5连接，组成6个组合机构单元100；6个组合机构单元100的结构完全相同，相邻组合机构单元100之间通过共用一根支撑杆4和两个固定节点连接件1连接，共同组成多面式环形桁架机构。

3R-RRP机构单元10，主要包括两根支撑杆4、一根长连杆3、两根短连杆2、三个固定节点连接件1和一个运动节点连接件5。两根支撑杆4结构完全相同，对称的布置在3R-RRP机构单元10的两侧位置；三个固定节点连接件1结构完全相同，其为上下呈平面的曲拐，曲拐两侧各设一个开口槽11，开口槽11的开口端设在曲拐的两自由端，曲拐两侧以过折弯处的平面为对称，两侧开口槽11中心面之间的夹角为150°，固定节点连接件1中心位置开有孔洞12，穿套在支撑杆4的两端并与支撑杆4固结在一起，同一支撑杆4上固结的两个固定节点连接件1的开口槽11的中心面重合；运动节点连接件5的结构与固定节点连接件1结构相同，其区别在于穿套在支撑杆4上后并不与支撑杆4固结，而是利用其中间孔洞12与支撑杆4形成移动副连接，使其可以在支撑杆4上滑动，同一支撑杆4上固结的固定节点连接件1与通过移动副连接的运动节点连接件5的开口槽11的中心面重合；长连杆3一端***固结于支撑杆4一端的固定节点连接件1的一侧的开口槽11中并通过转动副连接，另一端***连接于另一侧支撑杆4上的运动节点连接件5一侧的开口槽11中并通过转动副连接；两根短连杆2结构完全相同，两根短连杆2一端通过转动副连接，另外两端分别***固结于两侧支撑杆4上的固定节点连接件1的一侧的开口槽11中并通过转动副连接。

进一步地，在安装过程中保证同一3R-RRP机构单元10中的长连杆3以及短连杆2上所连接的所有转动副轴线均平行；短连杆2的长度为长连杆3长度的一半，支撑杆4的长度大于短连杆2长度的三倍；当相互连接的两个短连杆2共线时，3R-RRP机构单元10到达完全展开位置，此时其处于边界奇异位形状态，机构退化为自由度为零的结构，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。

在实际使用过程中，将短连杆2每两个一组通过转动副连接起来；取一根支撑杆4，两个固定节点连接件1，将两个固定节点连接件1分别固连在支撑杆4的第一端和第二端，并且保证两个固定节点连接件1的开口槽11的中心对称平面互相重合；取一根支撑杆4，一个固定节点连接件1和一个运动节点连接件5，将固定节点连接件1固连于支撑杆4的第一端，将运动节点连接件5从支撑杆4的第二端穿套其上，并由此形成一个移动副连接。

根据需要取上述安装好的单元件若干个，通过转动副将支撑杆4第一端的固定节点连接件1与两个一组连接好的短连杆2顺次连接起来，并且安装有两个固定节点连接件1的支撑杆4与安装有一个固定节点连接件1和一个运动节点连接件5的支撑杆4相互隔开。依然根据需要，取长连杆3若干个，将长连杆3的第一端通过转动副连接在安装于支撑杆4第二端的固定节点连接件1一侧的开口槽11内，再将长连杆3的第二端通过转动副连接在安装于支撑杆4第二端的运动节点连接件5一侧的开口槽11内，总之，长连杆3的一端通过转动副与固定节点连接件1的开口槽11连接，另一端通过转动副与运动节点连接件5的开口槽11连接。

如上文所述，通过这种连接安装方式便可得到2N个3R-RRP机构单元10，2N个3R-RRP机构单元10，两两一组，通过共用一根支撑杆4、一个固定节点连接件1和一个运动节点连接件5连接，组成N个组合机构单元100；N个组合机构单元100结构完全相同，相邻的组合机构单元100间通过共用一根支撑杆4和两个固定节点连接件1连接，共同组成多面式环形桁架机构。

以上所述是本申请的优选实施方式，不以此限定本发明的保护范围，应当指出，对于该技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于3R-RRP机构单元的环形桁架式可展开天线机构，其特征在于，包括2N个3R-RRP机构单元，其中，N为大于等于2的整数，

2N个3R-RRP机构单元两两一组，通过共用一根支撑杆、一个固定节点连接件和一个运动节点连接件连接，组成N个组合机构单元；N个组合机构单元结构完全相同，相邻的组合机构单元间通过共用一根支撑杆和两个固定节点连接件连接，共同组成多面式环形桁架机构；

所述3R-RRP机构单元包括两根支撑杆、一根长连杆、两根短连杆、三个固定节点连接件和一个运动节点连接件，两根所述支撑杆结构完全相同，对称布置于3R-RRP机构单元的两侧位置；三个所述固定节点连接件的结构完全相同，且设置为曲拐形状，曲拐两侧各设一个开口槽，所述开口槽的开口端设在曲拐的两自由端，曲拐两侧对称于过折弯处的平面，且两侧开口槽的中心平面之间的夹角为(180-180/N)°，固定节点连接件中心位置处开有孔洞，所述孔洞穿套在支撑杆的两端并与支撑杆固连在一起，同一所述支撑杆上固连的两个所述固定节点连接件的开口槽的中心面之间互相重合；所述运动节点连接件穿套于所述支撑杆之上，其中间孔洞与支撑杆形成移动副连接，使其可以在支撑杆上滑动，同一所述支撑杆上固连的固定节点连接件与通过移动副连接的运动节点连接件的开口槽的中心平面间互相重合；以及

所述长连杆的一端***固连于支撑杆一端的固定节点连接件一侧的开口槽中并通过转动副连接，另一端***连接于另一侧支撑杆上的运动节点连接件一侧的开口槽中并通过转动副连接；两根所述短连杆的一端通过转动副互相连接，另外两端分别***固结于两侧支撑杆上的固定节点连接件一侧的开口槽中并通过转动副连接。

2.根据权利要求1所述的基于3R-RRP机构单元的环形桁架式可展开天线机构，其特征在于，同一所述3R-RRP机构单元中的长连杆和短连杆上所连接的所有转动副轴线互相平行。

3.根据权利要求1所述的基于3R-RRP机构单元的环形桁架式可展开天线机构，其特征在于，所述短连杆的长度为长连杆长度的一半，所述支撑杆的长度大于短连杆长度的三倍。

4.根据权利要求1所述的基于3R-RRP机构单元的环形桁架式可展开天线机构，其特征在于，所述运动节点连接件与所述固定节点连接件的结构相同。

5.根据权利要求1所述的基于3R-RRP机构单元的环形桁架式可展开天线机构，其特征在于，所述短连杆的结构均相同，所述长连杆的结构也均相同。