一種環(huán)形桁架式大型空間可展機(jī)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種環(huán)形桁架式大型空間可展機(jī)構(gòu)，其由若干相同的6R機(jī)構(gòu)可展單元首尾相接組成環(huán)形；其中，6R機(jī)構(gòu)可展單元上下對稱且左右對稱，其包括：兩根相同的支撐桿，該兩根支撐桿縱向平行設(shè)置；四根相同的弦桿，其包括兩根上弦桿、兩根下弦桿；兩根上弦桿的始端通過轉(zhuǎn)動副分別連接于兩根支撐桿的上端；兩根上弦桿的末端通過轉(zhuǎn)動副互相連接；兩根下弦桿的始端通過轉(zhuǎn)動副分別連接于兩根支撐桿的下端；兩根下弦桿的末端通過轉(zhuǎn)動副互相連接；其中，每個弦桿均通過滑塊曲柄機(jī)構(gòu)與相鄰的支撐桿可動連接，滑塊套設(shè)于支撐桿；曲柄的一端通過轉(zhuǎn)動副連接于弦桿，另一端通過轉(zhuǎn)動副連接于滑塊；支撐桿的長度大于弦桿長度的兩倍。本發(fā)明的環(huán)形桁架式大型空間可展機(jī)構(gòu)具有高折疊比。
【專利說明】一種環(huán)形桁架式大型空間可展機(jī)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航天器材與設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種環(huán)形桁架式單自由度機(jī)構(gòu)，其可用于衛(wèi)星拋物面天線、大型空間反射器支撐桁架。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著衛(wèi)星通信、深空探測、地球觀測技術(shù)的迅猛發(fā)展，對宇航空間機(jī)構(gòu)的應(yīng)用需求變得愈加迫切。實際需要的宇航空間機(jī)構(gòu)的尺寸越來越大，精度越來越高，但由于受到航天運(yùn)載工具的運(yùn)載空間的限制，要求宇航空間機(jī)構(gòu)在發(fā)射階段必須折疊起來收攏于整流罩內(nèi)，待航天器進(jìn)入軌道后，再靠自帶的動力源將其展開至工作狀態(tài)。宇航空間可展機(jī)構(gòu)具有可重復(fù)展收功能，因此其具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的研究價值。該類機(jī)構(gòu)在空間站、通訊衛(wèi)星平臺、太空望遠(yuǎn)鏡、航天飛機(jī)、星球探測器等航天器上被廣泛采用，如美國用于三維地形觀測的60m可折展雷達(dá)支撐臂、國際空間站主太陽翼支撐龍骨、俄羅斯“聯(lián)盟號”飛船上的四面體構(gòu)架天線、日本ETS-8衛(wèi)星上的13m 口徑構(gòu)架型天線等。
[0003]中國專利申請201110057519.X公開了一種大型空間組裝式天線反射器模塊單元及其組裝方法，模塊單元包括六邊形可展開柑架、反射繩網(wǎng)以及聯(lián)繩裝置；六邊形可展開桁架包括頂鉸鏈、同步動力鉸鏈、環(huán)向桿、中間斜桿；長度相同的兩個環(huán)向桿通過同步動力鉸鏈組成同步折疊桿，一根同步折疊桿與兩根中間斜桿通過二個頂鉸鏈連接組成一個平面二角形結(jié)構(gòu)單元，12個平面二角形結(jié)構(gòu)單元通過共用中間斜桿及頂鉸鏈相互連接，組成一個環(huán)狀即形成天線反射器模塊單元柑架，連接時相鄰兩個二角形結(jié)構(gòu)單元的同步折疊桿在空間上相互錯開，在空間上形成兩層大小不同、頂點(diǎn)位置交錯的六邊形；反射繩網(wǎng)包括反射電磁波用的金屬網(wǎng)與調(diào)整金屬網(wǎng)形面的調(diào)整繩，金屬網(wǎng)縫合在調(diào)整繩上，調(diào)整繩與上述模塊單元桁架通過頂鉸鏈固定，聯(lián)繩裝置主要用于將反射繩網(wǎng)和六邊形可展開桁架連接、固定。
[0004]中國專利03117075.7公開了一種高剛性同步展開折疊空間伸展臂，由可重復(fù)擴(kuò)展的可展開折疊桁架單元、驅(qū)動系統(tǒng)，電源系統(tǒng)及支承空間平臺組成，可展開折疊桁架單元是組成一個伸展臂的最基本單元，單元之間可通過標(biāo)準(zhǔn)三角形接點(diǎn)連接，驅(qū)動系統(tǒng)位于伸展臂底端三角形空間內(nèi)，與支承空間平臺連接，同時與電源系統(tǒng)通過傳動軸連接。
[0005]含柔性索網(wǎng)的大型環(huán)形桁架天線是一種比較成熟的大型網(wǎng)狀展開天線，其展開口徑可達(dá)百米，同時系統(tǒng)質(zhì)量不會隨天線展開覆蓋面積成比例增大，所以其越來越受到科學(xué)界的重視。環(huán)形桁架式展開機(jī)構(gòu)為該類天線的主要支撐桁架，由單一多邊形或者多個多邊形組合，通過張拉聯(lián)系索施加預(yù)拉力，使布置于環(huán)形桁架兩側(cè)的反射面索網(wǎng)形成所需的拋物面。美國TRW Astro Aerospace公司根據(jù)平行四邊形對角可伸縮的特點(diǎn),研制出一種基于平行四邊形單元的環(huán)形桁架式可展機(jī)構(gòu)，現(xiàn)成功應(yīng)用于太空通信任務(wù)。該方案展開簡單，驅(qū)動源單一，但由于存在多組圓錐齒輪嚙合，導(dǎo)致加工裝配的成本較高，同時該方案的折疊比還有待提高。我國相關(guān)科研機(jī)構(gòu)對空間可展機(jī)構(gòu)開展了一系列前瞻性的研究工作，并取得一定成果，但是目前尚無大型復(fù)雜的空間可展機(jī)構(gòu)付諸應(yīng)用。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種高折疊比的空間可展機(jī)構(gòu)。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種環(huán)形桁架式大型空間可展機(jī)構(gòu)，其由若干相同的6R機(jī)構(gòu)可展單元首尾相接組成環(huán)形；其中，6R機(jī)構(gòu)可展單元上下對稱且左右對稱，其包括:
[0008]兩根相同的支撐桿，該兩根支撐桿縱向平行設(shè)置；
[0009]四根相同的弦桿，其包括兩根上弦桿、兩根下弦桿；兩根上弦桿的始端通過轉(zhuǎn)動副分別連接于兩根支撐桿的上端；兩根上弦桿的末端通過轉(zhuǎn)動副互相連接；兩根下弦桿的始端通過轉(zhuǎn)動副分別連接于兩根支撐桿的下端；兩根下弦桿的末端通過轉(zhuǎn)動副互相連接；
[0010]其中，每個弦桿均通過滑塊曲柄機(jī)構(gòu)與相鄰的支撐桿可動連接，滑塊套設(shè)于支撐桿；曲柄的一端通過轉(zhuǎn)動副連接于弦桿，另一端通過轉(zhuǎn)動副連接于滑塊；
[0011]支撐桿的長度大于弦桿長度的兩倍。
[0012]本發(fā)明中，6R機(jī)構(gòu)是指該機(jī)構(gòu)的支撐桿和弦桿通過6個轉(zhuǎn)動副(revolving pair)連接。
[0013]本發(fā)明中，四根弦桿可以折疊在兩根支撐桿內(nèi)側(cè)。兩根上弦桿形成V型桿，兩根下弦桿形成V型桿。
[0014]本發(fā)明中，多個相同參數(shù)的6R機(jī)構(gòu)可展單元，可以組成一個環(huán)形，構(gòu)造一個大型空間可展機(jī)構(gòu)。通過改變相鄰單元所在展開平面的夾角的大小，可以構(gòu)造圓形或者橢圓形桁架，用來支撐不同參數(shù)的大型空間展開天線金屬索網(wǎng)。
[0015]本發(fā)明提出了一種基于6R機(jī)構(gòu)可展單元，通過雙滑塊曲柄機(jī)構(gòu)對模塊單元進(jìn)行連接，而構(gòu)造的環(huán)形桁架式大型空間可展機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由平面對稱6R機(jī)構(gòu)組成，特點(diǎn)是利用雙滑塊曲柄機(jī)構(gòu)將相鄰的多個6R可展單元連接成一個環(huán)形機(jī)構(gòu)且運(yùn)動自由度為1，通過電機(jī)驅(qū)動繩索或者利用內(nèi)置扭簧實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的展開。由于單個6R機(jī)構(gòu)的運(yùn)動自由度為3，本發(fā)明利用繩索同步機(jī)構(gòu)實現(xiàn)了 6R機(jī)構(gòu)內(nèi)上下V型桿的同步運(yùn)動，使得機(jī)構(gòu)單元自由度為
I。同時，利用雙滑塊曲柄機(jī)構(gòu)實現(xiàn)基本組成單元間的聯(lián)動，從而實現(xiàn)大型空間可展機(jī)構(gòu)的同步展開。該機(jī)構(gòu)折疊比高，展開性能良好，可靠性高，適用于大型空間可展天線的構(gòu)造。
[0016]根據(jù)本發(fā)明另一【具體實施方式】，6R機(jī)構(gòu)可展單元的展開狀態(tài)為:兩條上弦桿與兩條下弦桿橫向拉直，與支撐桿垂直，構(gòu)成長方形桁架，滑塊曲柄機(jī)構(gòu)的曲柄為腹桿。
[0017]根據(jù)本發(fā)明另一【具體實施方式】，6R機(jī)構(gòu)可展單元的折疊狀態(tài)為:兩條上弦桿與兩條下弦桿縱向排布，與所述支撐桿平行。
[0018]根據(jù)本發(fā)明另一【具體實施方式】，相鄰的兩個6R機(jī)構(gòu)可展單元共用一根支撐桿以及該支撐桿上的滑塊。
[0019]根據(jù)本發(fā)明另一【具體實施方式】，通過繩索同步系統(tǒng)，將兩個6R機(jī)構(gòu)可展單元組裝在一起，實現(xiàn)兩個6R機(jī)構(gòu)可展單元的同步展開運(yùn)動。
[0020]根據(jù)本發(fā)明另一【具體實施方式】，通過繩索驅(qū)動或扭簧驅(qū)動，實現(xiàn)所有6R機(jī)構(gòu)可展單元的同步展開。
[0021]根據(jù)本發(fā)明另一【具體實施方式】，6R機(jī)構(gòu)可展單元的支撐桿的上端和下端具有向內(nèi)垂直彎折形成的彎折部，弦桿通過轉(zhuǎn)動副連接于彎折部的末端。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):[0023]本發(fā)明的環(huán)形桁架式大型空間可展機(jī)構(gòu)由多個平面6R機(jī)構(gòu)可展單元組成，與平行四邊形的基本可展單元相比，折疊比提高很多，相同收攏體積的條件下，可以構(gòu)造更大展開面積的環(huán)形桁架。同時本發(fā)明的環(huán)形桁架式大型空間可展機(jī)構(gòu)整體運(yùn)動自由度為1，可以實現(xiàn)多個單元的同步展開運(yùn)動，展開性能更高，易于實現(xiàn)單電機(jī)驅(qū)動。其內(nèi)部只包含移動副和轉(zhuǎn)動副，避免了同步圓錐齒輪的出現(xiàn)，降低了加工制造的成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為實施例1中，6R機(jī)構(gòu)可展單元的機(jī)構(gòu)簡圖；
[0025]圖2為由2個6R機(jī)構(gòu)可展單元組成的可展機(jī)構(gòu)的折疊狀態(tài)；
[0026]圖3為由2個6R機(jī)構(gòu)可展單元組成的可展機(jī)構(gòu)的展開中間狀態(tài)；
[0027]圖4為由2個6R機(jī)構(gòu)可展單元組成的可展機(jī)構(gòu)的完全展開狀態(tài)；
[0028]圖5為一個支撐桿上的滑塊同步運(yùn)動繩索的布置示意圖；
[0029]圖6為繩索驅(qū)動方式的布置示意圖；
[0030]圖7為由12個6R機(jī)構(gòu)可展單元組成的環(huán)形桁架式可展機(jī)構(gòu)的折疊狀態(tài)；
[0031]圖8為由12個6R機(jī)構(gòu)可展單元組成的環(huán)形桁架式可展機(jī)構(gòu)的展開中間狀態(tài)一；
[0032]圖9為由12個6R機(jī)構(gòu)可展單元組成的環(huán)形桁架式可展機(jī)構(gòu)的展開中間狀態(tài)二 ；
[0033]圖10為由12個6R機(jī)構(gòu)可展單元組成的環(huán)形桁架式可展機(jī)構(gòu)的完全展開狀態(tài)；
[0034]圖11為扭簧驅(qū)動方式的布置示意圖。
【具體實施方式】
[0035]實施例1
[0036]如圖7-圖10所示，本實施例的環(huán)形桁架式大型空間可展機(jī)構(gòu)由若干(12個)相同的6R機(jī)構(gòu)可展單元首尾相接組成環(huán)形。
[0037]如圖1所示，6R機(jī)構(gòu)可展單元上下對稱且左右對稱，其包括:
[0038]兩根相同的支撐桿101、102，該兩根支撐桿101、102縱向平行設(shè)置；支撐桿的上端和下端具有向內(nèi)垂直彎折形成的彎折部，弦桿通過轉(zhuǎn)動副連接于彎折部的末端。
[0039]四根相同的弦桿，其包括兩根上弦桿201、202，兩根下弦桿301、302 ;兩根上弦桿201,202的始端通過轉(zhuǎn)動副分別連接于兩根支撐桿101、102的上端；兩根上弦桿201、202的末端通過轉(zhuǎn)動副互相連接；兩根下弦桿301、302的始端通過轉(zhuǎn)動副分別連接于兩根支撐桿101、102的下端；兩根下弦桿301、302的末端通過轉(zhuǎn)動副互相連接；
[0040]其中，每個弦桿均通過滑塊曲柄機(jī)構(gòu)4與相鄰的支撐桿可動連接，滑塊401套設(shè)于支撐桿；曲柄402的一端通過轉(zhuǎn)動副連接于弦桿，另一端通過轉(zhuǎn)動副連接于滑塊401 ；
[0041]支撐桿的長度大于弦桿長度的兩倍。
[0042]如圖2所示，6R機(jī)構(gòu)可展單元的折疊狀態(tài)為:兩條上弦桿與兩條下弦桿縱向排布，與所述支撐桿平行。
[0043]圖3所示為由2個6R機(jī)構(gòu)可展單元組成的可展機(jī)構(gòu)的展開中間狀態(tài)，此時，兩根上弦桿形成V型桿，兩根下弦桿形成V型桿。另外，從圖3中可看出，相鄰的兩個6R機(jī)構(gòu)可展單元共用一根支撐桿以及該支撐桿上的滑塊。
[0044]如圖4所示，6R機(jī)構(gòu)可展單元的展開狀態(tài)為:兩條上弦桿與兩條下弦桿橫向拉直，與支撐桿垂直，構(gòu)成長方形桁架，滑塊曲柄機(jī)構(gòu)的曲柄為腹桿。
[0045]圖5為一個支撐桿上的滑塊同步運(yùn)動繩索布置示意圖。支撐桿101上面的兩個滑塊401通過兩根繞過支撐桿101兩端的滑輪502的繩索502連接在一起，可以實現(xiàn)兩個滑塊401同時向內(nèi)或者同時向外的運(yùn)動。通過支撐桿上的滑塊同步系統(tǒng)，可以將單個展開單元的運(yùn)動自由度變?yōu)?，實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定展開。
[0046]本實施例中，通過繩索驅(qū)動，實現(xiàn)所有6R機(jī)構(gòu)可展單元的同步展開。圖6為繩索驅(qū)動方式的布置不意圖。該繩索驅(qū)動系統(tǒng)包括電機(jī)、驅(qū)動索605、固結(jié)于桿上的定滑輪601、固結(jié)于滑塊上的動滑輪602、繩索位移補(bǔ)償彈簧603、滑塊壓緊彈簧604等組成。如圖6所示，通過電機(jī)帶動驅(qū)動索605沿圖中所示方向拉緊，可使得支撐桿101上的兩個滑塊同時向兩端運(yùn)動，通過短連桿(曲柄)作用于上下弦桿，使其平穩(wěn)展開。由于雙滑塊曲柄機(jī)構(gòu)和滑塊同步繩索的作用，保證了空間展開機(jī)構(gòu)各單元桿件運(yùn)動的同步性。圖中滑塊壓緊彈簧604提供了部分驅(qū)動展開阻力，避免了展開過程中繩索出現(xiàn)松弛現(xiàn)象。繩索位移補(bǔ)償彈簧603在機(jī)構(gòu)完全展開瞬間時，避免繩索拉力的忽然增大，起到保護(hù)電機(jī)的作用，在機(jī)構(gòu)完全展開鎖定后，避免繩索松弛，補(bǔ)償繩索伸長的位移。當(dāng)機(jī)構(gòu)完全展開后，上下弦桿之間的關(guān)節(jié)鎖定，同時電機(jī)對繩索施加一定的張緊力，然后鎖定。
[0047]實施例2
[0048]本實施例與實施例1的區(qū)別在于:通過扭簧驅(qū)動，實現(xiàn)所有6R機(jī)構(gòu)可展單元的同步展開。圖11為扭簧驅(qū)動方式的布置示意圖。如圖11所示，在機(jī)構(gòu)弦桿之間的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)A、B、C、D處分別安裝大轉(zhuǎn)矩扭簧，扭簧與轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)同軸，兩端分別固定于關(guān)節(jié)兩側(cè)的桿件上。兩條繩索如圖中所示交錯布置，一端與位移補(bǔ)償彈簧相連，另一端與電機(jī)驅(qū)動端相連。當(dāng)機(jī)構(gòu)處于收攏狀態(tài)時，扭簧處于壓緊狀態(tài)，輸出力矩最大。當(dāng)機(jī)構(gòu)解鎖后，上下弦桿在扭簧力矩的作用下開始展開，同時通過控制兩條釋放索的釋放速度，來避免扭簧力矩過大造成的沖擊碰撞現(xiàn)象的出現(xiàn)，實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)、均勻展開。當(dāng)機(jī)構(gòu)完全展開、轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)鎖死后，通過控制電機(jī)來拉緊釋放索，以增加機(jī)構(gòu)的內(nèi)部張力，提高桁架的整體剛度。
[0049]雖然本發(fā)明以較佳實施例揭露如上，但并非用以限定本發(fā)明實施的范圍。任何本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的發(fā)明范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的改進(jìn)，即凡是依照本發(fā)明所做的同等改進(jìn)，應(yīng)為本發(fā)明的范圍所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種環(huán)形桁架式大型空間可展機(jī)構(gòu)，其由若干相同的6R機(jī)構(gòu)可展單元首尾相接組成環(huán)形；其中，所述6R機(jī)構(gòu)可展單元上下對稱且左右對稱，其包括: 兩根相同的支撐桿，所述兩根支撐桿縱向平行設(shè)置； 四根相同的弦桿，其包括兩根上弦桿、兩根下弦桿；所述兩根上弦桿的始端通過轉(zhuǎn)動副分別連接于所述兩根支撐桿的上端；所述兩根上弦桿的末端通過轉(zhuǎn)動副互相連接；所述兩根下弦桿的始端通過轉(zhuǎn)動副分別連接于所述兩根支撐桿的下端；所述兩根下弦桿的末端通過轉(zhuǎn)動副互相連接； 其中，每個所述弦桿均通過滑塊曲柄機(jī)構(gòu)與相鄰的支撐桿可動連接，所述滑塊套設(shè)于所述支撐桿；所述曲柄的一端通過轉(zhuǎn)動副連接于所述弦桿，另一端通過轉(zhuǎn)動副連接于所述滑塊； 所述支撐桿的長度大于所述弦桿長度的兩倍。
2.如權(quán)利要求1所述的大型空間可展機(jī)構(gòu)，其中，所述6R機(jī)構(gòu)可展單元的展開狀態(tài)為:兩條上弦桿與兩條下弦桿橫向拉直，與支撐桿垂直，構(gòu)成長方形桁架，所述滑塊曲柄機(jī)構(gòu)的曲柄為腹桿。
3.如權(quán)利要求1所述的大型空間可展機(jī)構(gòu)，其中，所述6R機(jī)構(gòu)可展單元的折疊狀態(tài)為:兩條上弦桿與兩條下弦桿縱向排布，與所述支撐桿平行。
4.如權(quán)利要求1所述的大型空間可展機(jī)構(gòu)，其中，相鄰的兩個所述6R機(jī)構(gòu)可展單元共用一根支撐桿以及該支撐桿上的滑塊。
5.如權(quán)利要求4所述的大型空間可展機(jī)構(gòu)，其中，通過繩索同步系統(tǒng)，將兩個所述6R機(jī)構(gòu)可展單元組裝在一起，實現(xiàn)兩個6R機(jī)構(gòu)可展單元的同步展開運(yùn)動。
6.如權(quán)利要求1所述的大型空間可展機(jī)構(gòu)，其中，通過繩索驅(qū)動或扭簧驅(qū)動，實現(xiàn)所有所述6R機(jī)構(gòu)可展單元的同步展開。
7.如權(quán)利要求1-6之一所述的大型空間可展機(jī)構(gòu)，其中，所述6R機(jī)構(gòu)可展單元的支撐桿的上端和下端具有向內(nèi)垂直彎折形成的彎折部，所述弦桿通過轉(zhuǎn)動副連接于所述彎折部的末端。
【文檔編號】H01Q1/08GK103794842SQ201410055607
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月18日
【發(fā)明者】李兵, 齊曉志, 黃海林, 鄧宗全 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院