基于空间5R机构的可展单元及单自由度环形桁架式可展机构的制作方法

本发明属于航天器材与设备技术领域，尤其涉及一种基于空间5r机构的可展单元及单自由度环形桁架式可展机构。

背景技术：

随着各国广泛开展空间科学、深空探测以及空间站建设等重大航天科技工程，大型航天器向轻型化方向发展，国外航天器的主承力结构已经有很多采用了桁架机构，桁架机构具有质量轻、工艺性好、更高的刚度、更好的效率等众多优点，因此对大尺度的空间展开机构的应用需求变得愈加迫切。由于火箭有效载荷舱空间的限制，可展机构在发射阶段需要进行折叠而成收拢状态，卫星进入预定轨道后再展开并锁定，因此急需设计可以实现折叠和展开功能的大尺度空间机构。宇航空间展开机构的设计和研究是未来航天技术发展的关键基础性问题之一。

空间环形展开桁架因为其高强度比、高刚度比、低热胀系数以及高几何稳定性且结构形式多种多样等优点，迅速发展成为一种空间宇航机构，广泛应用于空间大型航天器上，各个国家开始越来越重视大型空间折展机构的发展，投入大量的人力物力财力进行研究和探索，近年已经成为航天领域的热门研究课题。在国外，空间展开机构已经成功用于构建大型柔性太阳帆板支架，大口径展开天线等，并且在大容量通讯、地球观测等方面发挥了巨大作用，如俄罗斯“和平号”空间站上用于通讯测试的6m口径的egs展开天线，美国thuraya通信卫星上口径12m的环形桁架式金属网面天线，日本ets-8卫星上口径17m的六棱柱构架式展开天线等。大型空间展开天线的应用提高了对地观测的分辨率水平，扩大了卫星通信的带宽、通信距离和信息容量，特别是在军事领域，大大提高了空间军事侦察水平和对敌精确打击能力，受到各个国家的高度重视。

中国申请号为201810166759.5的专利公开了一种基于bennett机构的基本可展单元及由该单元组成的展开机构，在该方案中，第一连杆与第二连杆可转动连接，第三连杆与第四连杆可转动连接，第二连杆与第三连杆可转动连接，第一连杆与第四连杆可转动连接，其中第一转动副及第三转动副的中轴线位于第一平面，第二转动副及第四转动副的中轴线位于第二平面，所述第一平面及第二平面相互垂直设置，滑块沿导杆长度方向作往复运动，第一转动副的中轴线与第五转动副的中轴线相互垂直设置，第三转动副的中轴线与第六转动副的中轴线相互垂直设置，基本可展单元在展开状态下呈x形，在半收拢状态下呈伞形，在完全收拢状态下呈i字形。

中国申请号为201810203617.1的专利公开了一种混合剪叉式双层环形桁架可展天线机构，其主要包括内层环形桁架组件、外层环形桁架组件、中心固定剪式连接组件以及中心移动剪式连接组件；内层环形桁架组件包括n个内层折展单元，外层环形桁架组件包括2n个外层折展单元，中心固定剪式连接组件包括n个中心固定剪式折展单元和n/2个中心移动剪式折展单元；内层折展单元两侧的上下四个内层花盘通过两个中心固定剪式折展单元以及一个中心移动剪式折展单元和与相对应的两个外层折展单元的上下六个外层花盘相连组成双层环形桁架机构。

然而，现有的空间展开机构方案多采用平面机构模块构成，存在以下几个缺点：1.机构内杆件较多，折叠比不高；2.机构内部自由度较多，一般采用同步机构或者增加驱动个数的方法降低机构的自由度，但这样又造成机构质量和收拢体积的增大；3.平面机构组成的大型空间展开机构，刚度低，机构很难同时锁定。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于空间5r机构的可展单元及单自由度环形桁架式可展机构，旨在解决现有技术中的空间展开机构结构复杂，自由度多且刚度低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于空间5r机构的可展单元，包括竖杆和两个空间5r机构，两个所述空间5r机构呈对称设置于所述竖杆的上下两端，且两个所述空间5r机构均包括第一短杆、第二短杆、第三短杆、第四短杆、第一转动关节、第二转动关节、第三转动关节、第四转动关节和第五转动关节；

所述第一短杆与所述第二短杆的长度相等且均小于或等于所述竖杆的长度的一半，所述第三短杆与所述第四短杆的长度相等且均小于所述第一短杆或所述第二短杆的长度；

所述第一短杆的第一端和所述第二短杆的第一端分别通过所述第一转动关节和所述第二转动关节与所述竖杆的同一端连接，所述第一转动关节的轴线与所述第二转动关节的轴线共面相交于点a并形成夹角α；

所述第三短杆的第一端通过所述第三转动关节与所述第一短杆靠近其第二端的杆身连接，所述第四短杆的第一端通过所述第四转动关节与所述第二短杆靠近其第二端的杆身连接，所述第三转动关节的轴线与所述第四转动关节的轴线共面相交于点b并形成夹角β；

所述夹角α的角平分线与所述夹角β的角平分线共面相交于点p，所述第三短杆的第二端与所述第四短杆的第二端通过所述第五转动关节连接，所述第五转动关节的轴线经过所述点p。

优选地，所述空间5r机构完全折叠后，所述第一短杆、所述第二短杆、所述第三短杆和所述第四短杆均与所述竖杆平行；所述空间5r机构完全展开后，所述第一短杆、所述第二短杆、所述第三短杆和所述第四短杆均与所述竖杆垂直。

优选地，所述竖杆、所述第一短杆、所述第二短杆、所述第三短杆和所述第四短杆均为棱形杆或者圆形杆。

本发明的有益效果：本发明的基于空间5r机构的可展单元，整个单元可以折叠成一捆，同时也可以完全展开，其中竖杆的上下两端的空间5r机构对称设置，由于每个空间5r机构为闭环结构，那么其自由度均为1，整个可展单元自由度则为2，那么当多个可展模块沿环路组成一个闭环环形桁架的时候，由于过约束的关系，整个环形桁架的自由度也为1，这样就减少了同步齿轮机构或者其他附加约束的使用，降低了整体机构的质量和收拢体积，同时由于空间机构的过约束特性，不但自由度少，整体机构的刚度较高。另外，该可展单元具有很好的轴向对称性，结构简单，很容易实现沿着环路方向的拓展，可以构造单自由度空间过约束环形展开桁架，适用于太阳能电池阵桁架以及大型卫星环形展开天线支撑桁架。

本发明采用的另一技术方案是：一种单自由度环形桁架式可展机构，包括n个上述的基于空间5r机构的可展单元，任一个所述基于空间5r机构的可展单元的第一短杆的第二端与相邻的一个所述基于空间5r机构的可展单元的第二短杆的第二端通过第六转动关节连接，且任一个所述基于空间5r机构的可展单元的第一转动关节的轴线与其第二转动关节的轴线共面相交形成的所述夹角α满足：n×α＝360°，n≥2。

优选地，各所述第六转动关节的轴线与其相邻的所述第一转动关节的轴线和所述第二转动关节的轴线异面；与各所述第六转动关节相邻的所述第一转动关节的轴线和所述第二转动关节的轴线共面，且其角平分线与该第六转动关节的轴线共面。

优选地，所述第六转动关节上连接有用于驱动相邻的两个所述基于空间5r机构的可展单元展开或折叠的扭簧。

优选地，所述单自由度环形桁架式可展机构还包括用于控制所述基于空间5r机构的可展单元的展开或折叠速度的第一绳索和第二绳索，所述第一绳索依序连接所述竖杆的第一端、相邻于该竖杆的第二端的所述第六转动关节和相邻于该竖杆的另一竖杆的第一端，所述第二绳索依序连接所述竖杆的第二端、相邻于该竖杆的第一端的所述第六转动关节和相邻于该竖杆的另一竖杆的第二端。

优选地，各所述基于空间5r机构的可展单元展开或折叠时，相邻的两个所述竖杆始终呈直线平移运动。

优选地，相邻的两个所述第六转动关节的轴线在空间中的倾斜方向相反。

优选地，相邻的两个所述第六转动关节所连接的所述第一短杆和所述第二短杆之间形成的夹角朝向相反。

本发明的单自由度环形桁架式可展机构，由上述的n个基于空间5r机构的可展单元连接形成闭环结构，那么可展机构的自由度为1，这样就减少了同步齿轮机构或者其他附加约束的使用，降低了整体机构的质量和收拢体积，同时由于空间机构的过约束特性，不但自由度少，整体机构的刚度较高，适用于太阳能电池阵桁架以及大型卫星环形展开天线支撑桁架。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的可展单元折叠中的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的可展单元完全展开时的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的可展单元完全折叠时的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的三个可展单元相连接的结构示意图。

图5为本发明实施例提供的两个可展单元中的第一短杆与第二短杆通过第六转动关节相连接的结构示意图。

图6为本发明实施例提供的六个可展单元组成一个单自由度环形桁架式可展机构折叠中的结构示意图。

图7为本发明实施例提供的六个可展单元组成一个单自由度环形桁架式可展机构完全折叠后的结构示意图。

图8为本发明实施例提供的六个可展单元组成一个单自由度环形桁架式可展机构完全展开后的结构示意图。

图9为本发明实施例提供的十二个可展单元组成一个单自由度环形桁架式可展机构折叠中的结构示意图。

图10为本发明实施例提供的十二个可展单元组成一个单自由度环形桁架式可展机构完全折叠后的结构示意图。

图11为本发明实施例提供的十二个可展单元组成一个单自由度环形桁架式可展机构完全展开后的结构示意图。

其中，图中各附图标记：

10-第一短杆20-第二短杆30-第三短杆

40-第四短杆50-第一转动关节60-第二转动关节

70-第三转动关节80-第四转动关节90-第五转动关节

100-竖杆200-空间5r机构300-可展单元

400—第六转动关节。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图1～11描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，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“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，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。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。

如图1～3所示，本发明实施例提供的一种基于空间5r机构200的可展单元300。具体地，可展单元300包括竖杆100和两个空间5r机构200，两个所述空间5r机构200呈对称设置于所述竖杆100的上下两端，且两个所述空间5r机构200均包括第一短杆10、第二短杆20、第三短杆30、第四短杆40、第一转动关节50、第二转动关节60、第三转动关节70、第四转动关节80和第五转动关节90。其中，每个空间5r机构200的第一短杆10、第二短杆20、第三短杆30和第四短杆40连接后形成闭环结构，其中，在竖杆100的同一端上设置的第一转动关节50与第二转动关节60之间也形成一个短距离的杆件，如此使得每个空间5r机构200的自由度为1。

如图2所示，本实施例中的四个第一短杆10、第二短杆20、第三短杆30和第四短杆40均为相对于竖杆100而言更短的杆件。

进一步地，所述第一短杆10的第一端和所述第二短杆20的第一端分别通过所述第一转动关节50和所述第二转动关节60与所述竖杆100的同一端连接，即其中一个空间5r机构200的第一短杆10和第二短杆20均连接在竖杆100的第一端，而另外一个空间5r机构200的第一短杆10和第二短杆20则均连接在竖杆100的第二端，如此在竖杆100的上下两端形成对称布置。

其中，第一短杆10与竖杆100通过第一转动关节50连接，第一短杆10与竖杆100连接后可以相对转动，并且转动过程中形成一个的轴线(也即是第一转动关节50的轴线)，同理，第二短杆20与竖杆100连接后也可以相对转动，并且转动过程中形成一个的轴线(也即是第二转动关节60的轴线)。其中，所述第一转动关节50的轴线与所述第二转动关节60的轴线共面相交于点a并形成夹角α。

进一步地，如图1～3所示，所述第三短杆30的第一端通过所述第三转动关节70与所述第一短杆10靠近第一短杆10的第二端的杆身连接，第三短杆30与第一短杆10通过第三转动关节70连接，第三短杆30与第一短杆10连接后可以相对转动，并且转动过程中形成一个的轴线(也即是第三转动关节70的轴线)；同理，所述第四短杆40的第一端通过所述第四转动关节80与所述第二短杆20靠近第二短杆20的第二端的杆身连接，第四短杆40与第二短杆20通过第四转动关节80连接，第四短杆40与第二短杆20连接后可以相对转动，并且转动过程中形成一个的轴线(也即是第四转动关节80的轴线)。其中，所述第三转动关节70的轴线与所述第四转动关节80的轴线共面相交于点b并形成夹角β。

进一步地，如图1所示，所述夹角α的角平分线与所述夹角β的角平分线共面相交于点p。夹角α和夹角β的大小可以根据实际需求而设定。例如，根据需要的可展单元300的数量制造环形桁架时，可以将每个可展单元300中的夹角α和夹角β设定成符合要求的角度。

进一步地，如图1所示，所述第三短杆30的第二端与所述第四短杆40的第二端通过所述第五转动关节90连接，第三短杆30与第四短杆40通过第五转动关节90连接，第三短杆30与第四短杆40连接后可以相对转动，并且转动过程中形成一个的轴线(也即是第五转动关节90的轴线)，其中，所述第五转动关节90的轴线经过所述点p。

这样，如图1所示，整个可展单元300在竖杆100上下两端的空间5r机构200上共形成两个p点，在可展单元300展开或者折叠的运动过程中，两个p点的连线始终在两个空间5r机构200中的夹角α的角平分线所组成的平面上。整个可展单元300的自由度为2个，即使两个空间5r机构200共八个短杆和一个竖杆100均不在统一平面，但可以折叠在一起，使得所有杆件形成平行。

本发明实施例的基于空间5r机构200的可展单元300，整个单元可以折叠成一捆，同时也可以完全展开，其中竖杆100的上下两端的空间5r机构200对称设置，由于每个空间5r机构200为闭环结构，那么其自由度均为1，整个可展单元300自由度则为2，那么当多个可展模块沿环路组成一个闭环环形桁架的时候，由于过约束的关系，整个环形桁架的自由度也为1，这样就减少了同步齿轮机构或者其他附加约束的使用，降低了整体机构的质量和收拢体积，同时由于空间机构的过约束特性，不但自由度少，整体机构的刚度较高。另外，该可展单元300具有很好的轴向对称性，结构简单，很容易实现沿着环路方向的拓展，可以构造单自由度空间过约束环形展开桁架，适用于太阳能电池阵桁架以及大型卫星环形展开天线支撑桁架。

进一步地，如图1～3所示，所述第一短杆10与所述第二短杆20的长度相等且均小于或等于所述竖杆100的长度的一半，这样，折叠后的可展单元300中，两个空间5r机构200的第一短杆10与第一短杆10之间不会干涉，同理，两个空间5r机构200的第二短杆20与第二短杆20之间也不会干涉。

另外，如图1～3所示，所述第三短杆30与所述第四短杆40的长度相等且均小于所述第一短杆10或所述第二短杆20的长度。如此设计可以确保第三短杆30和第四短杆40不会干涉第一短杆10和第二短杆20的正常运动，设计巧妙且合理。

本实施例中，如图3所示，当所述空间5r机构200完全折叠后，所述第一短杆10、所述第二短杆20、所述第三短杆30和所述第四短杆40均与所述竖杆100平行；即使，第一短杆10、第二短杆20、第三短杆30和第四短杆40均与竖杆100不在同一平面，但折叠后可以使得第一短杆10、第二短杆20、第三短杆30和第四短杆40均与竖杆100平行，这样可以使得整个可展单元300收拢在一起，结构紧凑，体积小。如图2所示，而当所述空间5r机构200完全展开后，所述第一短杆10、所述第二短杆20、所述第三短杆30和所述第四短杆40均与所述竖杆100垂直，如此，使得可展单元300形成桁架结构，让整个结构的稳定性更佳，刚度更高。。

本实施例中，所述竖杆100、所述第一短杆10、所述第二短杆20、所述第三短杆30和所述第四短杆40均为棱形杆或者圆形杆。

当然，在其他实施例中，所述竖杆100、所述第一短杆10、所述第二短杆20、所述第三短杆30和所述第四短杆40还可以是其他不规则形状的杆件。

如图4～11所示，本发明实施例还提供一种单自由度环形桁架式可展机构，包括n个上述的基于空间5r机构200的可展单元300，任一个所述基于空间5r机构200的可展单元300的第一短杆10的第二端与相邻的一个所述基于空间5r机构200的可展单元300的第二短杆20的第二端通过第六转动关节400连接，且任一个所述基于空间5r机构200的可展单元300的第一转动关节50的轴线与其第二转动关节60的轴线共面相交形成的所述夹角α满足：n×α＝360°，n≥2。具体地，n可以为2、4、6、8、10、12、24等。如此，可以将多个可展单元300沿着环路按照上述要求组装到一起形成一个闭环桁架系统，由于过约束的关系，形成一个闭环的单自由度环形桁架式可展机构桁架，即整体结构的自由度为1。

本发明实施例的单自由度环形桁架式可展机构，由上述的n个基于空间5r机构200的可展单元300连接形成闭环结构，那么可展机构的自由度为1，这样就减少了同步齿轮机构或者其他附加约束的使用，降低了整体机构的质量和收拢体积，同时由于空间机构的过约束特性，不但自由度少，整体机构的刚度较高，适用于太阳能电池阵桁架以及大型卫星环形展开天线支撑桁架。

本实施例中，各所述第六转动关节400的轴线与其相邻的所述第一转动关节50的轴线和所述第二转动关节60的轴线异面；与各所述第六转动关节400相邻的所述第一转动关节50的轴线和所述第二转动关节60的轴线共面，且其角平分线与该第六转动关节400的轴线共面。例如图4所示，将两个基于空间5r机构200的可展单元300之间的相邻的第二短杆20的第二端通过第六转动关节400连接，第一转动关节50的轴线与第二转动关节60的轴线共面，第六转动关节400的轴线与相邻的第一转动关节50的轴线和第二转动关节60的轴线均不共面，而第六转动关节40020的轴线与第一转动关节50的轴线与第二转动关节60的轴线所成的夹角的角平分线共面，第六转动关节400的轴线与第一转动关节50的轴线或第二转动关节60的轴线之间的夹角根据设计要求可自由确定，可展机构中的上下结构对称设置，满足以上条件即可保证在可展机构的展开过程中，相邻的可展单元300的连接部分一个向内一个向外，即图4中，相邻的两个第六转动关节400的轴线倾斜在空间中的朝向不一样，使得相邻的两个可展单元300的第一短杆10与第二短杆20连接后形成向内结构或者向外结构。进一步地，如图5所示，从而保证相邻的竖杆100与竖杆100是严格的直线平移运动，不包含任何的相对转动。

即，如图4所示，相邻的两个所述第六转动关节400的轴线在空间中的倾斜方向相反。并且，相邻的两个所述第六转动关节400所连接的所述第一短杆10和所述第二短杆20之间形成的夹角朝向相反。

本实施例中，所述第六转动关节400上连接有用于驱动相邻的两个所述基于空间5r机构200的可展单元300展开或折叠的扭簧(图未示)。例如，将6个可展单元300组成一个六边形空间的过约束的单自由度环形桁架式可展机构，如图6所示，每个竖杆100的上端或者下端的第一转动关节50的轴线和第二转动关节60的轴线之间的夹角为60°，该单自由度环形桁架式可展机构的整体自由度为1，可以通过在可展单元300之间的连接的第六转动关节400处布置扭簧以驱动可展单元300之间的展开，如图7、图8为该单自由度环形桁架式可展机构的折叠和完全展开状态图，从图7中可以看出，该可展机构的折叠比很大，在折叠状态下该机构近似为一个圆柱，可以节省更多空间；从图8可以看出，该可展机构可以展开成为一个空间过约束环形桁架系统。

又例如图9、图10、图11所示为十二边形的单自由度环形桁架式可展机构，该可展机构由12个可展单元300组装而成，每个竖杆100的上端或者下端的第一转动关节50的轴线与第二转动关节60的轴线之间的夹角为30°，在可展机构完全展开后锁定各转动关节，则可展机构具有很大刚度，可以用于空间站的大规模太阳能电池阵列或者环形天线的支撑结构。

本实施例中，所述单自由度环形桁架式可展机构还包括用于控制所述基于空间5r机构200的可展单元300的展开或折叠的速度的第一绳索(图未示)和第二绳索(图未示)，所述第一绳索依序连接所述竖杆100的第一端、相邻于该竖杆100的第二端的所述第六转动关节400和相邻于该竖杆100的另一竖杆100的第一端，所述第二绳索依序连接所述竖杆100的第二端、相邻于该竖杆100的第一端的所述第六转动关节400和相邻于该竖杆100的另一竖杆100的第二端。通过第一绳索和第二绳索控制可展机构的展开或者收拢速度，这样可以灵活控制可展机构的使用。使得该可展机构可以收缩成一捆，所有杆件均处于平行状态，近似于圆柱形，可以节省储存空间；也可以完全展开为正多边形环形桁架系统，此时所有短杆均与竖杆100保持垂直状态。

本实施例提供的该基于空间5r机构200的可展单元300及由n各可展单元300组成的单自由度环形桁架式可展机构，其形成的环形桁架的整体自由度为1，这样就减少了同步齿轮机构或者其他附加约束的使用，降低了整体机构的质量和收拢体积，同时由于空间机构的过约束特性，整体机构的刚度较高。由于该可展机构具有很好的结构对称性，很容易实内沿环路方向的扩展，适用于航天领域的太阳能电池阵桁架以及大型卫星环形展开天线支撑桁架。

本实施例中的所有杆件与转动关节可以直接连接，竖杆100的上下两端可以安装花盘与短杆两端的转动关节通过销轴连接。本实施例中可展机构除了用于航天领域的太阳能帆板、卫星天线等的支撑桁架，还可以用于地面上的一些环形天线的支撑桁架，以及建筑土木工程领域的可折展建筑等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。