豆荚杆收纳与展开装置的制作方法

本发明属于豆荚杆技术领域，具体涉及一种豆荚杆收纳与展开装置。

背景技术

碳纤维复合材料豆荚杆，简称豆荚杆，是一种质量轻、刚度较大、收拢效率高、展开过程可靠的可展开管状杆结构，它通常采用碳纤维复合材料制作而成，是一种可以压平卷曲收拢的薄壁管状杆结构。收拢时，豆荚杆可以压扁平绕在滚筒上或自身卷成圆筒而形成收拢状态；而展开时，豆荚杆可以依靠自身弹性从平卷状态恢复为两侧对称的双“ω”形长管状。因此，豆荚杆有效解决了普通支撑结构收纳效率较低、收拢体积较大、结构复杂、展开稳定性和可靠性低等诸多问题，为大尺寸航天器可展开支撑结构的研制提供了新的技术手段，是一类具有广泛应用价值的基本空间展开折叠结构。

豆荚杆最先由德国宇航中心(dlr)开发，后来美国国家航空航天局(nasa)、俄罗斯、日本宇宙航空研究开发机构(jaxa)等也都研制过此类结构。这类豆荚杆结构在发射前盘卷收拢，入轨后展开成型，因而需要设计一套合适的收纳与展开装置，实现其高效收纳及顺利展开的功能。文献《gossamer-1:missionconceptandtechnologyforacontrolleddeploymentofgossamerspacecraft》(advancesinspaceresearch,2017,vol.59,pp.434–456,doi:10.1016/j.asr.2016.09.022)报道了一种由dlr研发的豆荚杆收纳与展开装置(称为boomandsaildeploymentunit，杆帆展开单元)，该装置的工作原理是：预先将一根0.03mm厚的不锈钢金属带与压扁后的豆荚杆一同卷曲收藏在装置内，通过驱动电机回收该金属带对豆荚杆形成摩擦牵引力，从而实现豆荚杆的展出。该装置结构较为复杂，在收纳豆荚杆时需要全程进行手动辅助，且要实现金属带与豆荚杆之间的良好配合卷曲较为困难，此外由于豆荚杆收藏卷筒与驱动电机不在同一位置，还存在高度方向上尺寸相对较大的不足。

文献cn106527499a(申请号：201611107560.2，发明名称：一种变刚度可展机构及其测控方法)也提出了一种豆荚展开机构，通过电机驱动滚筒转动，使缠绕在滚筒上的豆荚杆向前运动并展开，但在豆荚杆受到导向辊作用而被压缩变扁的地方，由于需要克服的摩擦力较大，而电机无法提供有效的牵引力，因而实际上豆荚杆的展出十分困难，容易出现卡死的情况。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提供一种豆荚杆收纳与展开装置，旨在解决现有的豆荚杆展开结构较为复杂、体积较大及展开困难容易发生卡死的问题。

为实现上述目的，本发明提出一种豆荚杆收纳与展开装置，包括：

框架组件；

卷筒，可旋转地架设于所述框架组件内，在该卷筒上固定所述豆荚杆的一端，用于对豆荚杆进行卷绕收纳和展开；

滚压轴，设于所述卷筒的外周侧，用于对将要卷回到卷筒上的豆荚杆进行压扁；

电机，具有电机输出轴；

第一动力传输机构，其设置在电机和滚压轴之间，以在电机输出轴反转时，将电机动力传输到所述滚压轴，使滚压轴拉动豆荚杆反向展开；

第二动力传输机构，其设置在电机和卷筒之间，以在电机输出轴正转时，将电机动力传输到所述卷筒，使豆荚杆正向收拢。

优选地，所述第一动力传输机构包括：

主动轮，其与所述电机输出轴联接，并随所述电机输出轴同步转动；

滚压轴齿轮，设于所述滚压轴的靠近所述主动轮的一端；

从动轮，其可旋转地设于所述框架组件上，并与所述主动轮和滚压轴齿轮啮合。

优选地，所述滚压轴包括由上滚压轴和下滚压轴构成的至少一对，所述豆荚杆穿过所述上滚压轴和下滚压轴之间；所述滚压轴齿轮包括设于所述上滚压轴一端的上滚压轴齿轮、设于所述下滚压轴一端的下滚压轴齿轮，所述从动轮与所述下滚压轴齿轮啮合。

优选地，所述主动轮通过第一轴承安装于所述电机输出轴上，

所述第一动力传输机构还包括：

第一棘轮，固定于所述电机输出轴上且靠近所述主动轮，所述第一棘轮具有多个逆向棘轮齿；

第一棘爪，其安装于所述主动轮上，且与所述逆向棘轮齿卡合；

第一弹簧，其一端固定于所述主动轮上、另一端固定于所述第一棘爪上，用于提供使所述第一棘爪与所述逆向棘轮齿卡合的力；

其中，所述第一棘爪和第一弹簧包括一组或绕所述第一棘轮轴线均匀布置的至少两组。

优选地，所述卷筒的靠近所述电机输出轴的一端固定有左端连接圆盘，左端连接圆盘的中心开有圆盘中心孔，所述电机输出轴能够旋转地插入所述圆盘中心孔中，

所述第二动力传输机构包括：

第二棘轮，固定于电机输出轴上且靠近所述左端连接圆盘，所述第二棘轮具有多个正向棘轮齿；

第二棘爪，其安装于所述左端连接圆盘上，且与所述正向棘轮齿卡合；

第二弹簧，其一端固定于所述左端连接圆盘上、另一端固定于所述第二棘爪上，用于提供使所述第二棘爪与所述正向棘轮齿卡合的力；

其中，所述第二棘爪和第二弹簧包括一组或绕所述第二棘轮轴线均匀布置的至少两组。

优选地，所述卷筒的背离所述左端连接圆盘的一端设有环形外凸接口，所述框架组件内设有圆柱形凸台，所述环形外凸接口可旋转地套接于所述圆柱形凸台上。

优选地，所述框架组件设有：

电机支架穿出口，开设于所述圆柱形凸台中间，

电机输出轴接口，开设于所述框架组件的与所述电机支架穿出口相对的一侧；

所述电机设有电机支架，所述电机支架设有：

法兰连接部，其突出形成于所述电机支架的背离所述左端连接圆盘的一端，所述法兰连接部为平板圆环状，且固定于所述框架组件上，

电机输出轴通孔，开设于所述电机支架的靠近所述左端连接圆盘的一端，所述电机输出轴穿过所述电机输出轴通孔后通过第二轴承安装于所述电机输出轴接口中；

其中，所述法兰连接部中间开有方形的电机安装口，所述电机支架的内部与所述电机输出轴通孔、电机安装口贯通，所述电机及其电机输出轴通过电机安装口装入所述电机支架内。

优选地，所述框架组件为长方体状，包括左立板、右立板、前立板、背立板、上顶板和下底板，所述左立板和右立板的四侧边缘形成有方形加强肋，所述前立板、背立板、上顶板和下底板通过螺丝固定于所述方形加强肋上，且所述前立板、背立板、上顶板和下底板中的两两之间的连接边缘还固定有条形加强肋。

优选地，所述框架组件内还可旋转地架设有导向滚轴，所述导向滚轴位于所述滚压轴的沿豆荚杆展出方向的上游侧；所述前立板上开有豆荚杆出口，所述豆荚杆出口和所述滚压轴之间设有一对导向滑轮，两所述导向滑轮分别固定于所述左立板和右立板上；所述前立板外表面安装有与所述豆荚杆出口位置对应的出口支架。

优选地，所述左立板上设有滚压轴左接口、导向滚轴左接口、从动轮接口，所述右立板上设有滚压轴右接口、导向滚轴右接口，所述滚压轴左接口和滚压轴右接口用于安装所述滚压轴，所述导向滚轴左接口和导向滚轴右接口用于安装所述导向滚轴，所述从动轮接口用于安装所述从动轮。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果：

一，传统的豆荚杆展开装置中滚压轴仅用于对豆荚杆进行压扁约束，电机的动力仅传输至卷筒仅用于驱动卷筒转动，豆荚杆仅依靠与卷筒表面的切向摩擦力被驱动，由于压扁约束处的阻力很大，豆荚杆的展开较为困难，而本发明通过在电机与滚压轴之间设置第一动力传输机构，能够使电机反转时将电机动力传输到滚压轴，由滚压轴拉动豆荚杆展出，来提供展开牵引力，能够有效避免豆荚杆卡死情况的发生；本发明还通过在电机与卷筒之间设置第二动力传输机构，来实现带动卷筒回转对豆荚杆进行收拢。

二，本发明所述第一动力传输机构采用逆向驱动棘轮机构结合展开传动组件实现，先通过逆向驱动棘轮机构将电机输出轴动力传输至主动轮，再通过逆向驱动机构将动力传输至滚压轴，所述第二动力传输机构采用一正向驱动棘轮机构实现，通过正向驱动棘轮机构将电机输出轴动力传输至卷筒，由此通过逆向驱动棘轮机构和正向驱动棘轮机构分别实现将同一个电机的扭矩输出到展开用的滚压轴上和收纳用的卷筒上，使得所设计的装置同时具备电动收纳与电动展开的功能。

三，本发明将所述电机组件设于所述卷筒组件内，并且由于采用了电机沿用于收纳豆荚杆的卷筒的中轴线进行布置的设计，装置的整体体积较小，尤其是降低了高度方向的尺寸，解决了传统豆荚杆展开装置体积尺寸过大的问题。

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，下面将对实施例或现有技术描述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示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提出的豆荚杆收纳与展开装置的外部结构图；

图2是图1提出的豆荚杆收纳与展开装置的内部结构图；

图3是框架组件的爆炸结构图；

图4图3中右立板的结构图；

图5是图1提出的豆荚杆收纳与展开装置中卷筒的爆炸结构图；

图6是电机组件的结构图；

图7是电机支架的立体图；

图8是图7在另一个角度的视图；

图9是电机支架的剖视图；

图10是电机通过电机支架安装在右立板上的结构示意图；

图11是展开传动组件和逆向驱动棘轮机构的结构示意图；

图12是图11在另一个角度的视图；

图13是正向驱动棘轮机构的结构示意图；

图14是本发明提出的豆荚杆收纳与展开装置对豆荚杆进行展开的展开原理示意图。

本发明的附图标号说明：

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的一部分实施例，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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种豆荚杆收纳与展开装置。

请参阅图1、图2，图1为一实施方式中的豆荚杆收纳与展开装置的结构图，图2为图1的内部结构示意图，为了便于描述，将豆荚杆的展开部分所在的一侧定义为前。本实施方式中的豆荚杆收纳与展开装置包括框架组件10、卷筒组件20、电机组件30、导向机构40、展开传动组件、逆向棘轮驱动机构、正向棘轮驱动机构。

1)框架组件10

请一并参阅图3至图4，框架组件10为长方体框架结构，包括左立板11、右立板12、上顶板13、下底板14、前立板15、背立板16六块面板和四根条形加强肋17。左立板11和右立板12相对设置，左立板11和右立板12的四边形成有“口”型的方形加强肋18，即方形加强肋18与面板一同加工成型，成为一体结构，这样增强了结构整体的刚度，也避免了螺纹连接方式可能带来的装配困难问题。上顶板13、下底板14、前立板15和背立板16通过螺钉方式分别固定于左立板11和右立板12的上下前后边缘。方形加强肋18每条边的横截面为矩形，条形加强肋17为横截面为矩形的长条柱状，固定于上顶板13、下底板14、前立板15和背立板16中每相邻的两面板之间，使得所述框架组件10组装成一个稳固的整体。

左立板11上部设有滚压轴左接口111、导向滚轴左接口112、从动轮接口113，下部设有电机输出轴接口114。右立板12上部设有滚压轴右接口121、导向滚轴右接口122，下部设有圆形的电机支架穿出口123，且右立板12内表面向内突出形成有圆柱形凸台124，所述电机支架穿出口123开于所述圆柱形凸台124中。电机输出轴接口114、电机支架穿出口123、圆柱形凸台124的轴线位于一条直线上，用于安装卷筒和电机组件。

2)卷筒组件20

请参阅图5，卷筒组件20包括卷筒21、左端连接圆盘22和豆荚杆末端压条23。

卷筒21的左端通过螺钉连接固定有左端连接圆盘22，左端连接圆盘22的中心开有圆盘中心孔221，用于使电机输出轴33穿过。卷筒21的右端形成有一环形外凸接口211，由于该环形外凸接口211的内径略大于所述右立板12上的圆柱形凸台124的外径，因而可将所述卷筒21的右端套在所述圆柱形凸台124上，通过环形外凸接口211与圆柱形凸台124的面配合，能够实现卷筒绕垂直于所述右立板12所在平面的轴进行自由转动。

卷筒21的周围面上设有豆荚杆末端压条23，豆荚杆末端压条23的布置方向与所述卷筒21轴线平行，豆荚杆末端压条23上开有三个通孔，卷筒21的外表面上相应开设有三个螺纹孔，在豆荚杆收纳卷盘前，通过螺丝可使豆荚杆的末端通过豆荚杆末端压条固定于所述卷筒上，这样可以防止豆荚杆展开时整个豆荚杆完全滑出本收纳与展开装置，当卷筒21正向转动时，豆荚杆即紧贴卷筒21表面被绕回收拢。

3)电机组件30

请一并参阅图6至图10，电机组件30包括电机31、电机支架32、电机输出轴33、联轴器34。

电机支架32为阶梯型圆柱体状，包括左部321和右部322。左部321为圆筒状，左部321的左端面中心开有电机输出轴通孔323，用于使电机输出轴穿过。右部322的中间挖有一长方体形的电机安装口324，正好与所述电机中减速箱的外形相同且尺寸略大。电机支架32的内部与所述电机输出轴通孔323、电机安装口324贯通，使得电机31及其电机输出轴33能够从电机支架32右端的电机安装口324进入并安装于电机支架32的空腔内。左部321的左端面还开有四个绕所述电机输出轴通孔均匀布置的电机固定孔325，用于穿过螺钉从而将电机31固定于所述电机支架32内。

右部322的直径大于所述左部321的直径，右部322的右端径向突出形成有一法兰连接部326，所述法兰连接部326为平板圆环状，用于与所述框架组件的右立板12固定连接。当将电机31固定于所述电机支架32内后，可以将电机支架32除法兰连接部326外的整体部分穿过所述右立板12的电机支架穿出口123装入框架组件内，通过螺钉使所述法兰连接部326的左端面固定于所述右立板12的外表面上，通过第二轴承使电机输出轴33安装于所述左立板11的电机输出轴接口114上，并且由于所述电机支架穿出口123位于安装卷筒的环形外凸接口211的中心，使得，电机组件30与卷筒21之间无干涉地安装于所述卷筒21的中心，并稳固地连接在框架组件10内。

具体在本实施方式中，所述电机31选用深圳汉德保电机公司生产的2相刹车步进电机，型号为1704hs20d5b，保持力矩0.53n·m，额定电流2.0a，驱动电压12～24v，在该款电机上还配有减速箱(减速比为20:1)以及刹车装置(工作电压12～24v)；电机上设有联轴器，联轴器采用梅花弹性联轴器，电机的电动机部分和刹车部分均呈圆柱体状，减速箱部分呈长方体状，以便于安装于电机支架32内。

4)导向机构40

请再次参阅图1至图2，导向机构40包括导向滚轴41、滚压轴42、导向滑轮43和出口支架44，主要用于展开过程中豆荚杆展出方向的导引，滚压轴42还用于将展开的豆荚杆进行压扁约束使其方便绕回收拢。

导向滚轴41包括设于所述卷筒21后上方的两个，导向滚轴41的左端通过轴承安装于所述左立板11的导向滚轴左接口112上，右端通过轴承安装于所述右立板12的导向滚轴右接口122上。滚压轴42包括由上滚压轴421和下滚压轴422构成的两对，滚压轴42的左侧通过轴承安装于所述左立板11的滚压轴左接口111上，右端通过轴承安装于所述右立板12的滚压轴右接口121上。前立板15的上部开有豆荚杆出口151，所述豆荚杆出口151为豆荚状，用于使豆荚杆伸出。导向滑轮43设于豆荚杆出口151与滚压轴42之间，固定于所述左立板11和右立板12上。所述出口支架44安装于前立板15的外表面，并与所述豆荚杆出口151位置对应。

所述导向滑轮43、两对所述滚压轴41均与所述豆荚杆出口151等高，由此使得，卷绕在卷筒21上的豆荚杆能够依次绕经所述导向滚轴41的外围、穿过所述上滚压轴421和下滚压轴422之间，并在导向滑轮43的进一步导向作用下，从豆荚杆出口151伸出展开。

5)展开传动组件50

请参阅图11至图12，在以下的描述中，正转、反转的方向均基于图11的方向，图11中的顺时针方向为正转方向、逆时针方向为反转方向。

展开传动组件50包括主动轮51、从动轮52和滚压齿轮53，用于在电机输出轴33反转时，将电机动力传输至所述滚压轴41，以为豆荚杆的展开提供牵引力。

主动轮51通过第一轴承安装于所述电机输出轴33上，且可绕所述电机输出轴33自由转动。所述从动轮52通过轴承固定于所述左立板11的从动轮接口113上。滚压齿轮53包括设于所述上滚压轴421上的上滚压齿轮531、设于所述下滚压轴422上的下滚压齿轮532。所述从动轮52与所述下滚压齿轮532和主动轮51啮合。

由此使得，当电机输出轴33反转带动所述主动轮51反转时，带动所述从动轮52顺时针转动，从动轮52再带动所述下滚压齿轮532逆时针转动，两个下滚压齿轮532均带动两个上滚压齿轮531顺时针旋转，豆荚杆在上滚压轴421和下滚压轴422的摩擦力的作用下被向左驱动输送，从而拉动豆荚杆，使豆荚杆逆时针旋转绕出，从而实现豆荚杆的伸出展开。

6)逆向棘轮驱动机构60

逆向棘轮驱动机构60设于所述主动轮51的左侧，包括第一棘轮61、第一棘爪62和第一弹簧63，用于在电机输出轴33反转时，将电机动力传输至展开传动组件50。

第一棘轮61通过键连接固定于所述电机输出轴33的伸出所述框架组件外的部分，第一棘轮61上设有多个逆向棘轮齿，两个第一棘爪62对称设于所述第一棘轮61的两侧，且第一棘爪61的一端可活动地连接在所述主动轮51上、另一端与所述逆向棘轮齿的齿背卡合，所述第一弹簧63一端固定在主动轮上、另一端与第一棘爪62连接，用于提供使所述第一棘爪62与所述逆向棘轮齿卡合的力。

当电机输出轴33反转(逆时钟方向转动)时，带动第一棘轮61逆时针转动，第一棘轮61在第一棘爪62的作用下带动所述主动轮51转动，从而可以带动展开传动组件50中的各个齿轮发生转动，再带动滚压轴42转动，进而实现为豆荚杆提供展开牵引力，而当电机输出轴33顺时钟方向转动时，展开传动组件50不会被逆向驱动棘轮机构60驱动。

7)正向棘轮驱动机构70

正向棘轮驱动机构70设于所述卷筒组件的左端连接圆盘22内侧(右侧)，包括第二棘轮71、第二棘爪72和第二弹簧73，用于在电机输出轴33正转时，将电机动力传输至卷筒组件20。

第二棘轮71固定于所述电机输出轴33上，第二棘轮71上设有多个正向棘轮齿，两个第二棘爪72对称设于所述第二棘轮71的两侧，且第二棘爪72的一端可活动地连接在所述左端连接圆盘22上、另一端与所述正向棘轮齿的齿背卡合，所述第二弹簧73一端固定在左端连接圆盘22上、另一端与第二棘爪72连接，用于提供使所述第二棘爪72与所述正向棘轮齿卡合的力。

当电机输出轴33反转(逆时钟方向)转动时，卷筒21不会被正向驱动棘轮机构驱动，而当电机输出轴33正转(顺时钟方向转动)时，正向驱动棘轮机构通过第二棘轮72传动的方式可以带动卷筒21发生顺时针转动，进而实现将豆荚杆收拢。

本发明所述豆荚杆收纳与展开装置的具体工作过程按照收纳和展开两个过程分别归纳如下：

1、收纳过程

事先将豆荚杆80的末端通过豆荚杆末端压条23固定在卷筒21上。接通工作电压，让电机31工作于正转模式，此时电机输出轴33沿顺时针方向转动。在这种情形下，展开传动组件50不会被逆向驱动棘轮机构60驱动，即滚压轴42不会主动驱动豆荚杆80展出；但电机输出轴33会通过正向驱动棘轮机构70中第二棘轮71的传动来带动卷筒21发生顺时针方向的转动，进而实现将豆荚杆80收纳在卷筒21上。

值得说明的是，在收纳过程中，随着卷筒21的主动转动，滚压轴42还实现将豆荚杆80压扁的功能，此过程中，滚压轴42也会发生被动的转动。

2、展开过程

接通工作电压，让电机31工作于反转模式，此时电机输出轴33沿逆时针方向转动。在这种情形下，卷筒21不会被正向驱动棘轮机构70驱动，即卷筒不会发生主动的转动，但逆向驱动棘轮机构可以通过带动主动轮转动，主动轮进而带动展开传动组件中的从动轮以及滚压轴齿轮发生转动，从而带动滚压轴转动。四根滚压轴的具体转动方向如图14所示，两个下滚压轴将沿顺时针方向转动，而两个上滚压轴将沿逆时针方向转动。通过四根滚压轴的转动配合为豆荚杆提供展开牵引力，从而实现将豆荚杆逐渐从卷筒上展出。

本发明由于采用了电机沿用于收纳豆荚杆的卷筒的中轴线进行布置的设计，装置的整体体积较小，尤其是降低了高度方向的尺寸；本发明还通过驱动同时可将豆荚杆压扁的滚压轴转动来带动豆荚杆展出，可为豆荚杆提供有效的展出牵引力，避免豆荚杆卡死情况的发生；此外，本发明通过设置两套棘轮机构分别实现将同一个电机的扭矩输出到展开用的滚压轴上和收纳用的卷筒上，使得所设计的装置同时具备电动收纳与电动展开的功能。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。