本发明涉及一种可展组合单元及由该可展组合单元衍生的大型空间曲面可展机构。
背景技术：
随着航天事业的快速发展，航天工程中正在实施的通信卫星平台、星球探测计划和电子侦察等重大航天科技工程对航天器的要求日益提高，大口径、轻质量、高精度的空间可展开机构成为了航天领域的重要发展趋势。为了执行不同的航天任务，需要的空间机构尺寸越来越大，但由于受到航天器运载工具的空间限制，在发射阶段要求宇航空间机构必须完全同步起来并收拢于整流罩内，待航天器进入轨道定位后再由其自身的动力源释放，实现机构完全展开至工作状态。因此，各种类型的空间可展开机构得到了广泛应用和快速发展。
空间可展结构的研究已成为当今国际上的研究热点。美国、日本、德国、俄罗斯等国的研究机构先后提出了多种大口径星载天线反射器的可展机构形式。如，美国的trwsunflower可展开天线，俄罗斯的egs天线等。国内空间技术研究院、哈尔滨工业大学、天津大学等研究机构也投入到可展机构的研究中。由于空间机构的高度非线性和耦合性，在设计时很难保证组合机构在展开收拢时的自由度和运动状态，因此大都选用平面机构单元(如剪式单元或四边形单元等)组合成空间大型可展机构，而很少直接利用空间机构单元(如四面体单元、四棱锥单元、六面体单元、六棱柱单元等)进行组合。剪式单元是最常见的基本可展单元，有平面式和非平面式两种，已成功应用于可展开/同步的魔术花球、可同步变胞月球车。四边形单元由于其对角可伸缩的特点主要应用在环形桁架式天线中。
目前，对于可展机构的研究主要集中在运动学、动力学及几何构型上，而对可展机构基本单元本身的设计尤其是空间可展机构单元的设计研究较少。为了适应复杂空间科学任务不断增长的需求，设计一种新型的空间可展机构具有重要的研究价值。现有技术中大型曲面可展开空间天线机构在收拢末态不具有调姿运动，主要依靠杆件弹性变形和铰链间隙达到理想收拢状态。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明公开了一种可展组合单元及其组成的大型空间可展机构，具有大折叠比、依靠机构自身运动即可得到理想的收拢构型、展开运动可靠性高等优点，且单元具有可拓展性；多个单元可通过组合形成曲面可展空间天线机构，解决了现有曲面可展天线机构必须依靠杆件弹性变形以及铰链间隙达到理想收拢末态且由此带来的展开运动可靠性不高的问题，为大型构架式可展天线提供了一种新型支撑机构，并且可以拓展至其他可展开结构领域。
本发明所采用的技术方案是：一种可展组合单元，包括底花盘、顶花盘、第一腹杆、第二腹杆和同步折叠杆；底花盘包括中心底花盘、周边底花盘；各周边底花盘分别通过同步折叠杆与中心底花盘连接，分别通过第一腹杆与顶花盘连接，相邻两个周边底花盘之间通过同步折叠杆相连，相邻的两个顶花盘之间通过同步折叠杆相连，顶花盘与中心底花盘之间通过第二腹杆连接；各同步折叠杆在中部能够折叠，与周边底花盘、中心底花盘、顶花盘为转动连接；各第一腹杆与周边底花盘、顶花盘为转动连接；各第二腹杆与中心底花盘、顶花盘为转动连接。
每根同步折叠杆包括两根等长的连杆，两根等长的连杆通过转动副连接，各同步折叠杆两端通过虎克铰与中心底花盘、周边底花盘或顶花盘连接。
所述第二腹杆两端均为虎克铰。
所述第一腹杆与周边底花盘连接的一端为虎克铰，与顶花盘连接的一端为转动副。
所述第一腹杆与第二腹杆等长。
所述中心底花盘的数量为个，周边底花盘的数量为个，顶花盘的数量为个，第一腹杆有根，第二腹杆有根，同步折叠杆有根。
所述中心底花盘或周边底花盘均为六边形框架结构，六边形边框每条边上均有向外伸出的成对的平行耳片用于与同步折叠杆相连；六边形边框内嵌套三角形框，六边形边框与三角形框之间相互平行的边通过转轴与第二腹杆或第一腹杆的虎克铰配合形成转动连接。
所述顶花盘均为六边形框架结构，六边形边框每条边上均有向外伸出的成对的平行耳片用于与同步折叠杆相连；六边形边框内嵌套三角连接块，三角连接块上的安装槽与第一腹杆通过转动副配合或者与第二腹杆通过虎克铰配合形成转动连接。
所述同步折叠杆的展开角度范围为0°～180°。
一种大型空间曲面可展机构，包括n个可展组合单元，其中，n为大于等于2的正整数；其中，相邻的两个可展组合单元共用一个周边底花盘作为新的中心底花盘；相邻的两个可展组合单元之间增加一个顶花盘，增加的顶花盘与新的中心底花盘之间通过第二腹杆连接；增加的顶花盘与以新的中心底花盘为中心、与新的中心底花盘相邻的底花盘中未与顶花盘连接的底花盘相连；各顶花盘之间通过同步折叠杆连接，展开时，各顶花盘与相邻的顶花盘形成以顶花盘为顶点的等边三角形；各底花盘之间通过同步折叠杆连接，展开时，各底花盘与相邻的底花盘形成以底花盘为顶点的等边三角形，位于展开网面边缘的各底花盘为周边底花盘，其余底花盘均为中心底花盘，周边底花盘和顶花盘之间通过第一腹杆连接，中心底花盘和顶花盘之间通过第二腹杆连接。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明与国内外已提出的同类型可展开结构所含构件形式复杂、运动副种类繁多相比，本发明提出的可展组合单元及由其组成的大型曲面可展机构仅含连杆和连接花盘两种构件，花盘与连杆之间均通过转动副连接(虎克铰可由两个轴线相交的转动副代替)，因此构件与运动副形式单一、结构简单，便于加工制造。
(2)本发明提出的单元本身除具有收拢/展开功能外，还具有可扩展性，通过单元的组合可形成更大口径的大型可展机构，且形成的机构同样具有收拢/展开功能，并且可根据需要通过调整花盘角度、杆件长度即可得到抛物面、球面等不同形状的大型空间可展机构。
(3)本发明提出的可展组合单元及其组成的大型空间可展机构通过花盘与连杆之间特殊的虎克铰、转动副连接设计，使得机构可完全依靠机构自身运动实现花盘的同步收拢运动以及机构收拢末态花盘的调姿运动，机构展开/收拢性能更加优化，避免了现有技术中机构主要依靠铰链间隙和连杆弹性变形达到理想折叠比与收拢构型的问题。
(4)本发明与现有的同类型可展机构无法通过机构运动实现机构的完全收拢与展开相比，本发明提出的可展组合单元及其组成的大型空间曲面可展机构可以在理想铰链约束下实现机构的收拢与展开，运动可靠性高，避免了传统同类型结构主要依靠杆件弹性变形和铰链间隙完成收拢/展开的问题。
(5)本发明解决了现有曲面可展天线机构必须依靠杆件弹性变形以及铰链间隙达到理想收拢末态且由此带来的展开运动可靠性不高的问题，为大型构架式可展天线提供了一种新型支撑机构，并且可以拓展至其他可展开结构领域。
附图说明
图1是本发明可展组合单元的结构示意简图；
图2(a)是本发明可展组合单元的底花盘与同步折叠杆、第二腹杆的连接方式示意图；
图2(b)是本发明底花盘的结构图；
图3(a)是本发明可展组合单元的顶花盘与同步折叠杆、第一腹杆、第二腹杆的连接方式示意图；
图3(b)是本发明顶花盘的结构图；
图4(a)是本发明可展组合单元的第一腹杆或第二腹杆与底花盘连接的接头结构图；
图4(b)是本发明可展组合单元的第一腹杆与顶花盘连接的接头结构图；
图4(c)是本发明可展组合单元的第二腹杆与顶花盘连接的接头结构图；
图5是本发明可展组合单元的同步折叠杆与底花盘、顶花盘连接的接头结构图；
图6是本发明可展组合单元的同步折叠杆的两根连杆连接的接头结构图；
图7是本发明可展组合单元的组合方式示意图；
图8是本发明可展组合单元收拢末态的结构示意图；
图9(a)和图9(b)是本发明大型空间曲面可展机构简图，图9(c)是本发明大型空间曲面可展机构收拢末态的侧视图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行进一步说明。
如图1所示，本实施例中的一种可展组合单元，包括1个中心底花盘1、6个周边底花盘2、3个顶花盘3、6根第一腹杆5、3根第二腹杆6和15根同步折叠杆4。6个周边底花盘2均通过同步折叠杆4与中心底花盘1连接、通过第一腹杆5与顶花盘3连接，相邻2个周边底花盘2之间通过同步折叠杆4相连，顶花盘3两两之间通过同步折叠杆4相连，顶花盘3与中心底花盘1之间通过第二腹杆6连接；每根折叠杆4由两根等长的连杆通过转动副连接而成，折叠杆4两端通过虎克铰与中心底花盘1、周边底花盘2或顶花盘3连接，连接中心底花盘1和顶花盘3的第二腹杆6两端均为虎克铰，连接周边底花盘2和顶花盘3的第一腹杆5靠近周边底花盘2的一端为虎克铰、靠近顶花盘3的一端为转动副。6根第一腹杆5和3根第二腹杆6等长且其长度决定了可展组合单元收拢后的高度。
如图1～图5所示，同步折叠杆4中间的转动副轴线垂直于其连接的两根连杆的轴线，连接同步折叠杆4和中心底花盘1、周边底花盘2、顶花盘3的虎克铰靠近同步折叠杆4的转轴沿同步折叠杆4连杆轴线方向、靠近花盘的转轴与相应同步折叠杆4中间的转动副轴线平行，连接腹杆和中心底花盘1周边底花盘2的虎克铰靠近腹杆的转轴沿腹杆轴线方向、靠近底花盘的转轴垂直于相应腹杆的轴线，连接第一腹杆5和顶花盘3的转动副轴线平行于该腹杆另一端与周边底花盘2连接的虎克铰靠近底花盘的转轴，连接第二腹杆6和顶花盘3的虎克铰靠近顶花盘3的转轴平行于该腹杆另一端与中心底花盘1连接的虎克铰靠近中心底花盘1的转轴、靠近腹杆的转轴与该腹杆另一端与中心底花盘1连接的虎克铰的两个转轴均垂直。
如图2(a)、图2(b)、图4(a)、图4(b)、图5所示，底花盘包括中心底花盘1、周边底花盘2，中心底花盘1、周边底花盘2的结构相同，中心底花盘1、周边底花盘2均为六边形框架结构，六边形边框每条边上均有向外伸出的成对的平行耳片用于与同步折叠杆4相连；六边形边框内嵌套三角形框，六边形边框与三角形框之间相互平行的边通过转轴与第二腹杆6或第一腹杆5的虎克铰配合形成转动连接。
如图4(a)所示，是第一腹杆5或第二腹杆6与底花盘连接的接头的结构图，图中轴a、b分别为第一腹杆5或第二腹杆6与底花盘连接的端部的虎克铰转轴；
如图4(b)所示，是第一腹杆5与顶花盘3连接的接头结构图，图中轴c为第一腹杆5端部转动副的转轴；
如图3(a)、图3(b)、图4(c)、图5所示，顶花盘2均为六边形框架结构，六边形边框每条边上均有向外伸出的成对的平行耳片用于与同步折叠杆4相连；六边形边框内嵌套三角连接块，三角连接块上的安装槽与第一腹杆5的球形铰链配合形成转动连接。
如图4(c)所示，是第二腹杆6与顶花盘3连接的接头结构图，图中轴d、e为第二腹杆6端部虎克铰的转轴；
如图5所示，是同步折叠杆4与底花盘、顶花盘3连接的接头结构图，图中轴f、g为同步折叠杆4两端虎克铰的转轴；
如图6所示，为保证可展组合单元收拢过程中同步折叠杆4的两根连杆在连接处不干涉，同步折叠杆4中间的转动副设计为由同步运动装置连接的两个转动副，且这两个转动副处设有弹性元件8作为驱动源；为保证可展组合单元完全展开后的稳定性，在同步折叠杆4中间的转动副处设有限位挡块9使两个同步折叠杆展开后角度保持180°。
如图7和图9所示，本发明的可展组合单元可衍生为大型空间曲面可展机构，相邻的两个可展组合单元之间共用1个底花盘，可展组合单元组成大型空间可展机构的过程中会产生多个三角形闭环链，在连续的三个三角形闭环链中间的那个三角形底花盘上需要添加第一腹杆5或第二腹杆6和顶花盘3构成1个三棱锥单元，该顶花盘3通过同步折叠杆4与相邻的可展组合单元的顶花盘3相连，添加原则应该满足：取两个可展组合单元共用的底花盘作为中心底花盘1，以该中心底花盘1为中心，能组建新的可展组合单元；大型空间可展机构的周边底花盘2和顶花盘3之间通过第一腹杆5连接，其余底花盘和顶花盘3之间通过第二腹杆6连接。
大型空间曲面可展机构，包括n个可展组合单元，其中，n为大于等于2的正整数；其中，相邻的两个可展组合单元共用一个周边底花盘2作为新的中心底花盘1；相邻的两个可展组合单元之间增加一个顶花盘3，增加的顶花盘3与新的中心底花盘1之间通过第二腹杆6连接；增加的顶花盘3与以新的中心底花盘1为中心、与新的中心底花盘1相邻的底花盘中未与顶花盘3连接的底花盘相连；各顶花盘3之间通过同步折叠杆4连接，展开时，各顶花盘3与相邻的顶花盘3形成以顶花盘3为顶点的等边三角形；各底花盘之间通过同步折叠杆4连接，展开时，各底花盘与相邻的底花盘形成以底花盘为顶点的等边三角形，位于展开网面边缘的各底花盘为周边底花盘2，其余底花盘均为中心底花盘1，周边底花盘2和顶花盘3之间通过第一腹杆5连接，中心底花盘1和顶花盘3之间通过第二腹杆6连接。
如图8和图9(a)、图9(b)、图9(c)所示，本实施例的大型空间曲面可展机构的完全展开状态，所有底花盘中心位于曲面上；在完全收拢状态，所有腹杆轴线平行、所有底花盘中心位于同一平面，所有顶花盘3中心位于同一平面，该两平面相互平行并垂直于腹杆轴线，且所有花盘姿态一致。
同步折叠杆4为uru结构(u和r分别代表虎克铰和转动副)，第一腹杆5为ru结构，第二腹杆6为uu结构；该可展组合单元衍生成的大型空间曲面可展机构，其既能实现所有花盘的同步收拢运动又能实现收拢末态花盘的调姿运动。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。