CN113071711A - 一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构,属于空间折展机构领域。机构具有呈镜面对称的两个等腰梯形单元,以及两侧共用两个等腰梯形同侧斜边的矩形单元;同时等腰梯形单元与矩形单元采用连杆连接而成,各连杆间通过连接件连接形成转动副;同时整个机构顶面与底面四根连杆采用可折叠杆。机构自由度为1,展开后外形为等腰梯形截面直四棱柱,等腰梯形角度可在一定范围内变化,折叠后外形为束状。本发明运动控制简单,生产加工方便,可实现束状折叠,展开后工作空间大且外形丰富,在建筑、航空、航天等领域中有重要意义和广泛应用前景。
Description
技术领域
本发明属于空间折展机构领域,具体涉及一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构。
背景技术
随着航天事业的发展,航天器结构越来越趋向于大型化。然而,由于运载火箭容积的限制,能够发射到太空的非折展结构的尺寸无法满足任务需求。由于可折展机构具有折叠和展开两种形态,折叠时占用体积小,刚度和强度高,便于运输;展开时,能够形成预定的结构形式;因此,各种类型的空间可折展机构得到了快速发展和应用,如折展太阳能电池板、空间站基础骨架、空间机械臂、空间伸展臂、大口径折展天线、大型柔性太阳帆板支撑背架等。
可折展机构一般采用模块化设计,即由若干个相同折展模块连接组成,每一个折展模块称为基本折展单元,把一系列基本折展单元按照一定的机构学原理连接在一起,可构成大尺度可折展机构。例如,AEC-Able公司研制的索杆铰接式伸展臂,四根横杆刚性连接构成刚性框架,纵杆两端通过球铰与相邻的刚性框架铰接构成伸展臂桁架单元;ETS-VIII卫星采用六边形模块单元进行天线背架的组网。
相对于平面机构,Bennett、Myard和Bricard等空间过约束机构具有单自由度、折展比大等优点,以此类单元为基本折展单元构成可折展机构,将能很好地满足航天器结构的需求。已有学者进行了此方面的研究,在此仅列出与本发明同属空间折展机构领域的技术方案。
2013年发表于Journal of Mechanical Design第135卷的Virtual ChainApproach for Mobility Analysis of Multiloop Deployable Mechanisms公开了一种可束状折叠的正四棱柱单元,该单元是由4个相同的面对称Bricard单元以共用杆件的方式连接构成闭环机构,以该机构为基本折展单元可组网成一维伸展臂和二维空间平面桁架,该机构的缺点是外形单一,不能通过改变杆件参数使机构形成除矩形外的其他截面,从而限制了其应用范围。一种可折展四棱柱框架结构(申请号:201610493049.4)公开了一种可束状折叠的四棱柱框架结构,该结构是由4个与前者不同的面对称Bricard单元以共用杆件的方式连接构成闭环机构,但是该机构与前者有相同的缺点。
发明内容
针对上述问题,本发明提出一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构,以克服现有技术中机构外形单一、应用范围窄的不足。
本发明一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构,具有两个呈镜面对称设置的等腰梯形单元。等腰梯形单元由四根连杆两两端部相连构成,各连杆间由转动副连接。两个等腰梯形单元同侧倾斜连杆上下端间通过连杆相连形成转动副,在两个等腰梯形两侧形成呈镜面对称的两个矩形单元。上述等腰梯形单元以及矩形单元的顶边连杆与底边连杆均为可折叠杆。
折叠过程中所有连杆同步运动,其中两个等腰梯形单元中上侧可折叠杆中两段直杆向上相对转动,同时向机构内部或外部移动;下侧可折叠杆中两段直杆向下相对转动,同时与上侧可折叠杆中两段直杆移动方向相同;进而带动两侧倾斜连杆相对运动。同时两个矩形单元中上侧可折叠杆中两段直杆向上相对转动,且与等腰梯形单元中可折叠杆中两段直杆移动方向相反;下侧可折叠杆中两段直杆向下相对转动,且与上侧两段直杆移动方向相同;进而带动矩形单元左右两侧直杆相对运动,最终使两个等腰梯形单元的倾斜连杆向整个机构竖直中轴线靠拢,实现折叠。
本发明的优点在于:
1、本发明可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构,机构自由度为1,仅依靠单个动力源即可驱动机构折展,运动控制简单,生产加工方便。
2、本发明可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构,可实现束状折叠,方便储存和运输;展开后工作空间大且外形丰富,在建筑、航空、航天等领域中有重要意义和广泛应用前景。
附图说明
图1为本发明可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构展开状态结构示意图。
图2为本发明可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构中等腰梯形单元结构示意图。
图3为本发明可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构中矩形单元结构示意图。
图4为本发明可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构中连杆间转动副空间方位示意图。
图5为本发明可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构中折叠方式示意图。
图6为本发明可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构折叠后结构示意图。
图中:
1-左侧等腰梯形单元 2-右侧等腰梯形单元 3-前侧矩形单元
4-后侧矩形单元
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构,由杆件构成的等腰梯形截面直四棱柱结构,如图1所示,具有左侧等腰梯形单元1,以及与左侧等腰梯形单元1呈镜面对称的右侧等腰梯形单元2;两个等腰梯形单元间相对的夹角位置通过连杆连接,则在等腰梯形截面直四棱柱结构前后侧分别形成前侧矩形单元3与后侧矩形单元4,且前侧矩形单元3与后侧矩形单元4呈镜面对称。
如图2所示,在等腰梯形单元中,上下两侧连杆为由两段直杆构成的可折叠杆;前后两侧倾斜连杆均为直杆。令下侧可折叠杆中两个直杆长度分别为LT1与LT6,上侧可折叠杆中两个直杆长度分别为LT3与LT4;前后两侧倾斜连杆长度分别为LT2与LT5,则有:
LT1=LT6、LT2=LT5、LT3=LT4
LT1=LT3+LT2sin(θ/2)
LT6=LT4+LT5sin(θ/2)
且前后两侧倾斜连杆夹角0∈0,π。
上述等腰梯形单元中,上侧可折叠杆中两个直杆间通过连接件相连形成转动副A;下侧可折叠杆中两个直杆间通过连接件相连形成转动副B;上侧可折叠杆的两端分别通过连接件与前侧和后侧倾斜连杆上端安装的转接头相连形成转动副C;下侧可折叠杆的两端分别通过连接件与前侧和后侧倾斜连杆下端安装的转接头相连形成转动副D。其中,转动副C与转动副D转动轴线平行,均垂直于等腰梯形单元;而转动副A与转动副B的转动轴线相交,且转动副A与转动副C的转动轴线在其公垂线的法平面内投影夹角为α,转动副B与转动副D的转动轴线在其公垂线的法平面内投影的夹角为α,此时,单个等腰梯形单元形成一种可束状折叠的面对称Bricard机构,其自由度为1,即驱动任何一根连杆即可带动其余连杆同步运动,最终折叠成束状。
如图3所示,在矩形单元中,上下两侧连杆为可折叠杆,与前述可折叠杆相同,由两段直杆构成,上侧两段直杆端部间通过连接件相连形成转动副E;下侧两段直杆端部间通过连接件相连形成转动副F;而第一矩形单元3左右两侧连杆即为两个等腰梯形单元前侧连杆;第二矩形单元4左右两侧连杆即为两个等腰梯形单元后侧连杆。令第一矩形单元3与第二矩形单元4中,下侧两段直杆长度分别为LR1与LR2,上侧两段直杆长度分别为LR3与LR4,则有:
LR1=LR2=LR3=LR4。
上述矩形单元3中,上侧可折叠杆两端分别与两个等腰梯形单元倾斜连杆上端转接件连接形成转动副G;下侧可折叠杆两端分别与两个等腰梯形单元倾斜连杆下端转接件连接形成转动副H;其中,转动副G与转动副H的转动轴线垂直于矩形单元;转动副E与转动副F的转动轴线相交;转动副E与转动副G的转动轴线在其公垂线的法平面内投影夹角为α;转动副F与转动副H的转动轴线在其公垂线的法平面内投影夹角为α,此时,单个矩形单元形成一种可束状折叠的面对称Bricard机构,其自由度为1,即驱动任何一根连杆运动时,将带动其余连杆同步运动,最终折叠成束状。
上述机构中,两个等腰梯形单元中转动副A与转动副B的转动轴线交点均位于机构内侧或外侧;同时两个矩形单元中转动副E与转动副F的转动轴线交点的位置与两个等腰梯形单元相反;且当两个等腰梯形单元中转动副A与转动副B的转动轴线交点均位于机构内侧或外侧时,两个矩形单元中的转动副E与转动副F的转动轴线交点均位于机构外侧或内侧;按照此方式构成的等腰梯形截面直四棱柱机构,其自由度为1,即驱动任意一根连杆运动即可带动其余连杆同步运动。同时,仅当等腰梯形单元中的夹角α与矩形单元中的夹角α相等,且α∈(0,π/2),等腰梯形截面直四棱柱机构方可实现束状折叠。
下面通过实施例对本发明可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构具体折叠方式进行说明:
如图5所示,为θ=π/3、α=π/3,且两个等腰梯形单元中转动副A与转动副B的转动轴线交点均位于机构外侧,两个矩形单元中的转动副E与转动副F的转动轴线交点均位于机构内侧。在折叠过程中所有连杆同步运动,其中两个梯形单元中上侧可折叠杆的两段直杆分别绕转动副A向上相对转动,同时向机构内部移动;下侧可折叠杆的两段直杆绕转动副B向下相对转动,同时向机构内部移动;进而带动两侧倾斜连杆相对运动。同时两个矩形单元中上侧可折叠杆的两段直杆绕转动副E向上相对转动,同时向机构外部移动;下侧可折叠杆的两段直杆绕转动副F向下相对转动,同时向机构外部移动;进而带动矩形单元左右两侧直杆(即两个等腰梯形单元同侧倾斜连杆)相对运动,最终使两个等腰梯形单元的倾斜连杆向整个机构竖直中轴线靠拢,实现折叠,折叠后结构如图6所示。
Claims (10)
1.一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构,其特征在于:具有两个呈镜面对称设置的等腰梯形单元;等腰梯形单元由四根连杆两两端部相连构成,各连杆间由转动副连接;两个等腰梯形单元同侧倾斜连杆上下端间通过连杆相连形成转动副,在两个等腰梯形两侧形成呈镜面对称的两个矩形单元;上述等腰梯形单元以及矩形单元的顶边连杆与底边连杆均为可折叠杆。
2.如权利要求1所述一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构,其特征在于:等腰梯形单元中,下侧可折叠杆中两个直杆长度分别为LT1与LT6,上侧可折叠杆中两个直杆长度分别为LT3与LT4;两侧倾斜连杆长度分别为LT2与LT5,则有:
LT1=LT6、LT2=LT5、LT3=LT4
LT1=LT3+LT2sinθ/2
LT6=LT4+LT5sinθ/2。
3.如权利要求1所述一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构,其特征在于:等腰梯形单元中,两侧倾斜连杆夹角θ∈0,π。
4.如权利要求1所述一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构,其特征在于:等腰梯形单元中,四角处转动副轴线平行,均垂直于等腰梯形单元;上侧与下侧可折叠杆转动副轴线相交。
5.如权利要求1所述一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构,其特征在于:矩形单元中,上侧与下侧可折叠杆中两段直杆长度相等。
6.如权利要求1所述一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构,其特征在于:矩形单元中,上侧与下侧可折叠杆转动副轴线相交;矩形单元上侧连杆和下侧连杆与两个等腰梯形单元倾斜连杆间的转动副轴线均垂直于矩形单元。
7.如权利要求1所述一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构,其特征在于:下述8个夹角角度相等,分别为:
a、两个等腰梯形单元中,上侧可折叠杆转动副与等腰梯形单元两个顶角处转动副轴线在其公垂线的法平面内投影的夹角α;
b、两个等腰梯形单元中,下侧可折叠杆转动副与等腰梯形单元两个底角处转动副轴线在其公垂线的法平面内投影的夹角α;
c、两个矩形单元中,上侧可折叠杆转动副与上侧可折叠杆同两个等腰梯形单元倾斜连杆上端间的转动副轴线在其公垂线的法平面内投影的夹角α;
d、两个矩形单元中,下侧可折叠杆转动副与下侧可折叠杆同两个等腰梯形单元倾斜连杆下端间的转动副轴线在其公垂线的法平面内投影的夹角α。
8.如权利要求7所述一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构,其特征在于:夹角α∈(0,π/2)。
9.如权利要求1所述一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构,其特征在于:两个等腰梯形单元中上侧与下侧可折叠杆的转动副轴线交点均位于机构内侧或外侧;同时两个矩形单元中上侧与下侧可折叠杆的转动副轴线交点的位置与两个等腰梯形单元相反。
10.如权利要求1所述一种可束状折叠的等腰梯形截面直四棱柱机构,其特征在于:折叠过程中所有连杆同步运动,其中两个等腰梯形单元中上侧可折叠杆中两段直杆向上相对转动,同时向机构内部或外部移动;下侧可折叠杆中两段直杆向下相对转动,并与上侧可折叠杆中两段直杆移动方向相同;进而带动两侧倾斜连杆相对运动;同时两个矩形单元中上侧可折叠杆中两段直杆向上相对转动,且与等腰梯形单元中可折叠杆中两段直杆移动方向相反;下侧可折叠杆中两段直杆向下相对转动,且与上侧两段直杆移动方向相同;进而带动矩形单元左右两侧直杆相对运动,最终使两个等腰梯形单元的倾斜连杆向整个机构竖直中轴线靠拢,实现折叠。
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