一种拉索驱动防奇异点铰链的制作方法

本发明属于航空航天技术领域，尤其是一种拉索驱动防奇异点铰链。

背景技术：

随着航天技术的发展，空间可展机构如太阳能帆板、大型可展开天线等在航空航天领域得到了广泛的应用。铰链作为可展机构的关节连接部件，直接影响着机构的展开性能，甚至决定着航天任务的成败。通过对结构、材料等的不断优化，空间可展机构逐渐向着大尺寸、轻量化的方向发展，进而在刚度、质量、可靠性等方面对铰链提出了更高的要求。

铰链作为可展机构的关节部件，一般通过拉索或者弹簧驱动来完成展开运动。为满足空间可展机构的高收纳率要求，机构收拢状态时铰链处所有杆件轴向平行。这将导致单纯由拉索驱动时，铰链只受轴向力而无径向力，使之无法展开，即铰链的奇异点(死点)问题。

目前克服铰链奇异点的方法是利用弹簧驱动和拉索驱动结合的方法，在铰链处附加扭簧结构，通过扭簧变形储存的弹性势能带动铰链展开来克服死点，然后再通过拉索来控制铰链的展开。此种方法可以有效地解决铰链的死点问题，完成铰链展开，但是增加了弹簧驱动结构，使铰链结构更加复杂、尺寸变大、质量增大、展开可靠性降低；扭簧的突然展开，对整体结构造成较大的冲击；针对存在多个铰链的可展结构，由于扭簧参数的差异，将引入展开误差。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种拉索驱动防奇异点铰链。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种拉索驱动防奇异点铰链，包括t形铰链、同步铰链、水平随动杆、竖直随动杆和伸缩杆，所述t形铰链连接水平随动杆、伸缩杆与竖直随动杆，所述同步铰链连接水平随动杆与竖直随动杆，在伸缩杆和t形铰链中设置有拉索；

所述t形铰链包括铰链架、拉锁换向结构、拉索张紧轮、伸缩杆连接件和水平随动杆连接件，铰链架为左右对称结构，在铰链架的中间位置设置有拉锁换向结构，在铰链架侧板上由中部至两侧分别对称设置有拉索张紧轮、伸缩杆连接件和水平随动杆；拉索张紧轮由竖直排布的上滑轮与下滑轮组成，供拉索在伸缩杆连接件与拉锁换向结构之间过渡并向下压紧拉索，伸缩杆连接件内设置有第一滑轮和第二滑轮；

而且，所述拉锁换向结构由支撑件和换向轴组成，换向轴安装在支撑件上，支撑件由螺钉固接于铰链架上，拉锁换向结构用于实现拉锁的换向，且可防止拉索换向时脱离铰链中间平面，影响拉索的通畅；

而且，所述伸缩杆连接件内，第一滑轮位于第二滑轮的上方，第一滑轮通过第一滑轮固定轴安装于伸缩杆连接件上，第二滑轮通过第二滑轮固定轴安装于铰链架侧板上；

而且，所述水平随动杆设置于铰链架侧板的最外侧，用于随动杆与t形铰链的连接，使随动杆可在伸缩杆的带动下展开。

克服铰链初始奇异点原理：在t形铰链中，拉索依次穿过伸缩杆连接件、拉索张紧轮、和拉锁换向结构，将拉索张紧轮、伸缩杆连接件中的第二滑轮设定为两个固定点，伸缩杆连接件中的第一滑轮设定为自由点。初始时刻，当拉索穿过t形铰链后，两个固定点和自由点将会形成一个锐角三角形。在自由点两侧拉索张力作用下，自由点处将产生转矩来带动其转动，即解决了初始奇异点问题。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)通过伸缩杆连接件与拉索张紧轮的作用形成了伸缩杆处的展开力矩，有效地解决了铰链在拉索驱动情况下的初始奇异点问题，提高了铰链的展开可靠度并降低了能耗；

(2)通过简化铰链结构，用拉索张紧轮和伸缩杆连接件中附加的滑轮代替了复杂的弹簧驱动结构，有效地减小了铰链的体积与质量；

(3)铰链无弹簧驱动，只采用拉索驱动提高了展开过程的可控性和平稳性。

附图说明

图1为本发明收拢状态整体结构示意图。

图2为本发明展开状态整体结构示意图。

图3为本发明收拢状态下单侧结构(包含两个相邻的展开单元)平面视角结构示意图。

图4为本发明展开状态下单侧结构(包含两个相邻的展开单元)平面视角结构示意图。

图5为本发明单个展开单元中同步铰链与t形铰链局部放大结构示意图。

图6为t形铰链结构示意图。

图7为伸缩杆连接件结构示意图。

图8为铰链克服奇异点展开力学分析示意图。

其中，1为t形铰链，2为拉索，3为同步铰链，4为水平随动杆，5为伸缩杆，6为竖直随动杆，7为铰链架，8为支撑件，9为换向轴，10为上滑轮，11为铰链架侧板，12为第一滑轮，13为水平随动杆连接件，14为第二滑轮，15为第二滑轮固定轴，16为伸缩杆连接件，17为下滑轮，18为第一滑轮固定轴。

具体实施方式

下面结合附图与具体的实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图中所示，一种拉索驱动防奇异点铰链，包括t形铰链1、同步铰链3、水平随动杆4、竖直随动杆6和伸缩杆5，所述t形铰链连接水平随动杆、伸缩杆与竖直随动杆，所述同步铰链连接水平随动杆与竖直随动杆，在伸缩杆和t形铰链中设置有拉索2；

所述t形铰链包括铰链架7、拉锁换向结构、拉索张紧轮、伸缩杆连接件16和水平随动杆连接件13，铰链架为左右对称结构，在铰链架的中间位置设置有拉锁换向结构，在铰链架侧板上由中部至两侧分别对称设置有拉索张紧轮、伸缩杆连接件和水平随动杆；拉索张紧轮由竖直排布的上滑轮与下滑轮组成，伸缩杆连接件内设置有第一滑轮12和第二滑轮14；

而且，所述拉锁换向结构由支撑件8和换向轴9组成，换向轴安装在支撑件上，支撑件由螺钉固接于铰链架上；

而且，所述伸缩杆连接件内，第一滑轮位于第二滑轮的上方，第一滑轮通过第一滑轮固定轴18安装于伸缩杆连接件上，第二滑轮通过第二滑轮固定轴15安装于铰链架侧板上。

在铰链初始收拢状态时，拉索通过伸缩杆连接件16中心孔后，经第二滑轮14、第一滑轮12和拉索张紧轮(上滑轮10、下滑轮17)进入换向结构，绕过换向轴9后，再由铰链架经过同样的方式从另一侧伸缩杆连接架穿出，即完成铰链的绕线；

如附图8所示，将第一滑轮12、第二滑轮14、拉索张紧轮(10、17)与拉索2抽象化，将第二滑轮14与拉索张紧轮(10、17)抽象为铰链架7上的固定点a和b，第一滑轮12抽象为铰链架7上的自由点c，在初始时当拉索2完成铰链处的绕线后，由点a、b、c形成以点c为顶点的三角形。当两侧拉索收缩时，第一滑轮12两侧拉力t将在点c形成合力为f的作用力，在f的作用下，自由点c处将产生绕固定点b的逆时针转矩m。故初始时刻拉索收缩时，在第一滑轮12处的作用力将会使滑轮按逆时针方向旋转，进而带动展开杆连接件逆时针转动，即铰链克服奇异点展开。

以上对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种拉索驱动防奇异点铰链，包括T形铰链、同步铰链、水平随动杆、竖直随动杆和伸缩杆，本发明通过伸缩杆连接件与拉索张紧轮的作用形成了伸缩杆处的展开力矩，有效地解决了铰链在拉索驱动情况下的初始奇异点问题，提高了铰链的展开可靠度并降低了能耗；通过简化铰链结构，用拉索张紧轮和伸缩杆连接件中附加的滑轮代替了复杂的弹簧驱动结构，有效地减小了铰链的体积与质量；铰链无弹簧驱动，只采用拉索驱动提高了展开过程的可控性和平稳性。

技术研发人员：何柏岩;彭浩
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2017.06.08
技术公布日：2017.10.24