剪叉式六棱柱可展单元及其组成的空间可展机构的制作方法

本发明涉及一种可展机构，特别是一种空间可展机构。

背景技术：

可展机构起源于二十世纪六十年代，近年来，随着航天事业的快速发展，各种航天器的功能也日益复杂，由于航天器能源的需求，各种航天器上的太阳能电池阵的面积不断增长，同时在星载天线领域，为满足电子侦察、数据中继、对地导航等航天关键技术对星载天线的高增益要求，星载天线反射器口径也不断增大，但是由于受到航天运载工具的空间限制，宇航空间机构在发射阶段必须折叠起来并收拢于整流罩内，待航天器进入轨道后，再依靠自带的动力源将其展开至工作状态，因此，可展机构伴随着各种航天任务的增加而得到了快速发展和应用。如空间站基础骨架、可展开/收拢的空间机械臂、大口径可展开天线、大型柔性太阳帆板支架等。

根据可展机构的空间几何形状，可以分为线状可展机构、面状可展机构和体状可展机构，其中应用最多的是面状可展机构，此类机构可以展开成平面，被大量应用于空间伸展臂、太阳能电池阵、卫星天线支撑架等领域。根据可展机构展开与收拢方式，可展机构又可以分为铰接桁架式可展机构、变形材料可展机构以及充气展开式可展机构，铰接桁架式可展机构主要由连杆和运动副组成，此类机构具有收拢折叠比较大、精度高、可重复收拢展开性好和寿命长的优点，目前已经被广泛应用于空间站基础骨架、空间伸展臂以及大口径折展天线等领域。

目前，国外已经成功研制了多种类型的铰接桁架式可展机构，如俄罗斯“联盟号”飞船上的四面体构架天线、国际空间站主太阳翼支撑龙骨、日本菊8号卫星上的六面体可展单元桁架式抛物面天线、美国thuraya卫星上口径为12.25m的astromesh环形桁架折展天线等。未来星球探测、太空作业等任务，都需要空间可展机构来完成，然而现有的新型可展机构单元类型较少，主要采用复杂的连接节点或单元方式，无法获得较为理想的收拢率，或不能保证单元展开收拢过程中始终具有单一运动自由度，使机构展开可靠性降低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有单一自由度、结构简单、刚度高、展开性能好、可靠性高的剪叉式六棱柱可展单元及其组成的空间可展机构。

本发明的剪叉式六棱柱可展单元为单自由度过约束六棱柱基本可展单元，其包括十二个剪叉杆、二十四个连杆和十二个花盘；所述十二个剪叉杆结构完全相同，两个剪叉杆为一组，其两剪叉杆中间通过转动副连接，十二个剪叉杆共组成六组剪叉折叠杆，六组剪叉折叠杆对称分布在基本可展单元的六个侧面上，处于对侧位置的剪叉折叠杆折展方向相同；所述二十四个连杆结构完全相同，两个连杆为一组，其两个连杆的一端通过转动副连接，二十四个连杆共组成十二组折叠连杆，十二组折叠连杆对称分布在基本可展单元的上下两个面上，上下两个面均有六组折叠连杆，且处于对侧位置的折叠连杆折展方向相同；所述十二个花盘结构完全相同，每个花盘均有三个支叉，每个支叉上设有一个两侧对称的开口槽，开口槽用于插入剪叉折叠杆和连杆，每个开口槽均设有两个轴线平行的圆柱孔，内侧的圆柱孔用于和插入的剪叉折叠杆通过转动副连接，外侧的圆柱孔用于和插入的折叠连杆通过转动副连接，开口槽中心线间夹角为120°，十二个花盘对称分布在基本可展单元的十二个顶点上；每组剪叉折叠杆的四端分别插入与它处于同一平面顶点上的四个花盘的开口槽，通过四个转动副与四个花盘开口槽内侧的圆柱孔相连，四个转动副轴线与连接两个剪叉杆组成剪叉折叠杆的转动副轴线平行，每组剪叉折叠杆共连接有五个转动副，五个转动副轴线分别和对侧剪叉折叠杆上位置相对的转动副轴线重合；每组折叠连杆的两端分别插入平行的两个花盘的开口槽，通过两个转动副与两个花盘开口槽外侧的圆柱孔相连，两个转动副轴线与连接两个连杆组成折叠连杆的转动副轴线平行，每组折叠连杆共有三个转动副，三个转动副轴线分别和处于同一平面对侧折叠连杆上位置相对的转动副轴线重合，分布在基本可展单元的上下两个面上折展方向相同的折叠连杆上的各转动副轴线以及对应的两个侧面上具有相同折展方向的剪叉折叠杆上的转动副轴线均平行。

所述基本可展单元中，折叠连杆的长度限制基本可展单元的展开程度，当折叠连杆完全伸直即折叠连杆上三个转动副轴线共面时，基本可展单元便处于完全展开状态，十二组折叠连杆中的任意十一组折叠连杆均为过约束连杆，起到提高基本可展单元刚度的作用，另外一组折叠连杆依靠连杆长度限制基本可展单元的展开程度。

本发明的剪叉式六棱柱可展单元组成的空间可展机构，它包括多个基本可展单元，多个基本可展单元紧密排列，相邻的基本可展单元共用四个花盘、一组剪叉折叠杆和两组折叠连杆，其中，共用的一组剪叉折叠杆的四端分别插入共用的四个花盘的开口槽中，通过四个转动副与四个花盘开口槽内侧的圆柱孔相连，共用的两组折叠连杆的两端分别插入共用的四个花盘的开口槽中，通过四个转动副和四个花盘开口槽外侧的圆柱孔相连；通过改变基本可展单元的数量，能够改变空间可展机构的大小。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明为六棱柱空间可展单元，具有较大的收拢率，含有多个过约束折叠连杆，整体刚度较高。

2、本发明结构简单，运动副均为转动副，易于实现工程制造。

3、本发明为单自由度空间基本可展单元，即只需一个驱动就能实现单元的展开与收拢运动，展开性能好，可靠性高。

4、本发明具有高度的结构对称性，通过对多个可展单元的组装，可以形成不同的大尺度的空间可展机构，适用于构造空间太阳能电池阵支架和卫星平面反射天线。

附图说明

图1是本发明基本可展单元的立体示意简图；

图2是图1完全展开状态的立体示意简图；

图3是图1完全收拢状态的立体示意简图；

图4是图1中花盘连接部分放大示意简图；

图5是本发明实施例2半展开状态的立体示意简图；

图6是图5完全展开状态的立体示意简图；

图7是图5完全收拢状态的立体示意简图。

图中：1：第一花盘、2：第二花盘、3：第一剪叉杆、4：第二剪叉杆、5：第三花盘、6：第四花盘、7：第三剪叉杆、8：第四剪叉杆、9：第五花盘、10：第六花盘、11：第五剪叉杆、12：第六剪叉杆、13：第七花盘、14：第八花盘、15：第七剪叉杆、16：第八剪叉杆、17：第九花盘、18：第九剪叉杆、19：第十花盘、20：第十剪叉杆、21：第十一花盘、22：第十二花盘、23：第十一剪叉杆、24：第十二剪叉杆、25：第一连杆、26：第二连杆、27：第三连杆、28：第四连杆、29：第五连杆、30：第六连杆、31：第七连杆、32：第八连杆、33：第九连杆、34：第十连杆、35：第十一连杆、36：第十二连杆、37：第十三连杆、38：第十四连杆、39：第十五连杆、40：第十六连杆、41：第十七连杆、42：第十八连杆、43：第十九连杆、44：第二十连杆、45：第二十一连杆、46：第二十二连杆、47：第二十三连杆、48：第二十四连杆。

具体实施方式

实施例1

在图1所示的剪叉式六棱柱可展单元示意图中，十二个剪叉杆结构完全相同，两个剪叉杆为一组，其两剪叉杆中间通过转动副连接，十二个剪叉杆共组成六组剪叉折叠杆，六组剪叉折叠杆对称分布在基本可展单元的六个侧面上，处于对侧位置的剪叉折叠杆折展方向相同；二十四个连杆结构完全相同，两个连杆为一组，其两个连杆的一端通过转动副连接，二十四个连杆共组成十二组折叠连杆，十二组折叠连杆对称分布在基本可展单元的上下两个面上，上下两个面均有六组折叠连杆，且处于对侧位置的折叠连杆折展方向相同；十二个花盘结构完全相同，每个花盘均有三个支叉，每个支叉上设有一个两侧对称的开口槽，用于插入剪叉折叠杆和连杆，每个开口槽均开有两个轴线平行的圆柱孔，内侧的圆柱孔用于和插入的剪叉折叠杆通过转动副连接，外侧的圆柱孔用于和插入的折叠连杆通过转动副连接，开口槽中心线间夹角为120°，十二个花盘对称分布在基本可展单元的十二个顶点上；每组剪叉折叠杆的四端分别插入与它处于同一平面顶点上的四个花盘的开口槽，通过四个转动副与四个花盘开口槽内侧的圆柱孔相连，每组折叠连杆的两端分别插入平行的两个花盘的开口槽，通过两个转动副与两个花盘开口槽外侧的圆柱孔相连。

第一剪叉杆3和第二剪叉杆4中间通过转动副连接组成第一剪叉折叠杆，第三剪叉杆7和第四剪叉杆8中间通过转动副连接组成第二剪叉折叠杆，第五剪叉杆11和第六剪叉杆12中间通过转动副连接组成第三剪叉折叠杆，第七剪叉杆15和第八剪叉杆16中间通过转动副连接组成第四剪叉折叠杆，第九剪叉杆18和第十剪叉杆20中间通过转动副连接组成第五剪叉折叠杆，第十一剪叉杆23和第十二剪叉杆24中间通过转动副连接组成第六剪叉折叠杆；第一剪叉折叠杆的四端分别插入第一花盘1、第二花盘2、第三花盘5、第四花盘6的开口槽中，并通过四个转动副与四个花盘开口槽内侧圆柱孔连接，第一剪叉折叠杆上的五个转动副轴线均平行；第二剪叉折叠杆的四端分别插入第三花盘5、第四花盘6、第五花盘9、第六花盘10的开口槽中，并通过四个转动副与四个花盘开口槽内侧圆柱孔连接，第二剪叉折叠杆上的五个转动副轴线均平行；第三剪叉折叠杆的四端分别插入第五花盘9、第六花盘10、第七花盘13、第八花盘14的开口槽中，并通过四个转动副与四个花盘开口槽内侧圆柱孔连接，第三剪叉折叠杆上的五个转动副轴线均平行；第四剪叉折叠杆的四端分别插入第七花盘13、第八花盘14、第九花盘17、第十花盘19的开口槽中，并通过四个转动副与四个花盘开口槽内侧圆柱孔连接，第四剪叉折叠杆上的五个转动副轴线均平行；第五剪叉折叠杆的四端分别插入第九花盘17、第十花盘19、第十一花盘21、第十二花盘22的开口槽中，并通过四个转动副与四个花盘开口槽内侧圆柱孔连接，第五剪叉折叠杆上的五个转动副轴线均平行；第六剪叉折叠杆的四端分别插入第十一花盘21、第十二花盘22、第一花盘1、第二花盘2的开口槽中，并通过四个转动副与四个花盘开口槽内侧圆柱孔连接，第六剪叉折叠杆上的五个转动副轴线均平行；第一剪叉折叠杆和第四剪叉折叠杆对应位置处的转动副轴线重合，第二剪叉折叠杆和第五剪叉折叠杆对应位置处的转动副轴线重合，第三剪叉折叠杆和第六剪叉折叠杆对应位置处的转动副轴线重合。

如图2所示，第一连杆25和第二连杆26的一端通过转动副连接组成第一折叠连杆，第三连杆27和第四连杆28的一端通过转动副连接组成第二折叠连杆，第五连杆29和第六连杆30的一端通过转动副连接组成第三折叠连杆，第七连杆31和第八连杆32的一端通过转动副连接组成第四折叠连杆，第九连杆33和第十二连杆36的一端通过转动副连接组成第五折叠连杆，第十连杆34和第十一连杆35的一端通过转动副连接组成第六折叠连杆，第十三连杆37和第十五连杆39的一端通过转动副连接组成第七折叠连杆，第十四连杆38和第十六连杆40的一端通过转动副连接组成第八折叠连杆，第十七连杆41和第十八连杆42的一端通过转动副连接组成第九折叠连杆，第十九连杆43和第二十连杆44的一端通过转动副连接组成第十折叠连杆，第二十一连杆45和第二十四连杆48的一端通过转动副连接组成第十一折叠连杆，第二十二连杆46和第二十三连杆47的一端通过转动副连接组成第十二折叠连杆；第一折叠连杆的两端分别插入平行的第一花盘1和第三花盘5的开口槽中，通过两个转动副与两个花盘开口槽外侧圆柱孔连接，第一折叠连杆上的三个转动副轴线均平行；第二折叠连杆的两端分别插入平行的第二花盘2和第四花盘6的开口槽中，通过两个转动副与两个花盘开口槽外侧圆柱孔连接，第二折叠连杆上的三个转动副轴线均平行；第三折叠连杆的两端分别插入平行的第三花盘5和第五花盘9的开口槽中，通过两个转动副与两个花盘开口槽外侧圆柱孔连接，第三折叠连杆上的三个转动副轴线均平行；第四折叠连杆的两端分别插入平行的第四花盘6和第六花盘10的开口槽中，通过两个转动副与两个花盘开口槽外侧圆柱孔连接，第四折叠连杆上的三个转动副轴线均平行；第五折叠连杆的两端分别插入平行的第五花盘9和第八花盘14的开口槽中，通过两个转动副与两个花盘开口槽外侧圆柱孔连接，第五折叠连杆上的三个转动副轴线均平行；第六折叠连杆的两端分别插入平行的第六花盘10和第七花盘13的开口槽中，通过两个转动副与两个花盘开口槽外侧圆柱孔连接，第六折叠连杆上的三个转动副轴线均平行；第七折叠连杆的两端分别插入平行的第七花盘13和第九花盘17的开口槽中，通过两个转动副与两个花盘开口槽外侧圆柱孔连接，第七折叠连杆上的三个转动副轴线均平行；第八折叠连杆的两端分别插入平行的第八花盘14和第十花盘19的开口槽中，通过两个转动副与两个花盘开口槽外侧圆柱孔连接，第八折叠连杆上的三个转动副轴线均平行；第九折叠连杆的两端分别插入平行的第九花盘17和第十一花盘21的开口槽中，通过两个转动副与两个花盘开口槽外侧圆柱孔连接，第九折叠连杆上的三个转动副轴线均平行；第十折叠连杆的两端分别插入平行的第十花盘19和第十二花盘22的开口槽中，通过两个转动副与两个花盘开口槽外侧圆柱孔连接，第十折叠连杆上的三个转动副轴线均平行；第十一折叠连杆的两端分别插入平行的第二花盘2和第十一花盘21的开口槽中，通过两个转动副与两个花盘开口槽外侧圆柱孔连接，第十一折叠连杆上的三个转动副轴线均平行；第十二折叠连杆的两端分别插入平行的第一花盘1和第十二花盘22的开口槽中，通过两个转动副与两个花盘开口槽外侧圆柱孔连接，第十二折叠连杆上的三个转动副轴线均平行；第一折叠连杆和第八折叠连杆上对应的转动副轴线重合，第二折叠连杆和第七折叠连杆上对应的转动副轴线重合，第三折叠连杆和第十折叠连杆上对应的转动副轴线重合，第四折叠连杆和第九折叠连杆上对应的转动副轴线重合，第五折叠连杆和第十二折叠连杆上对应的转动副轴线重合，第六折叠连杆和第十一折叠连杆上对应的转动副轴线重合。

第一折叠连杆、第二折叠连杆、第七折叠连杆、第八折叠连杆、第一剪叉折叠杆以及第四剪叉折叠杆上的转动副轴线均平行，第三折叠连杆、第四折叠连杆、第九折叠连杆、第十折叠连杆、第二剪叉折叠杆以及第五剪叉折叠杆上的转动副轴线均平行，第五折叠连杆、第六折叠连杆、第十一折叠连杆、第十二折叠连杆、第三剪叉折叠杆以及第六剪叉折叠杆上的转动副轴线均平行。

如图1-图3所示，折叠连杆的长度可限制基本可展单元的展开程度，当折叠连杆完全伸直即折叠连杆上三个转动副轴线共面时，基本可展单元便处于完全展开状态，当折叠连杆完全收拢时,基本可展单元便处于完全收拢状态，十二组折叠连杆中的任意十一组折叠连杆均为过约束连杆，可有效的提高基本单元的整体刚度，另外一组折叠连杆依靠连杆长度限制基本可展单元的展开程度。

实施例2

如图5-图7所示，剪叉式六棱柱可展单元组成的空间可展机构包括多个基本可展单元，每个基本可展单元的部件和连接方式与实施例1相同，多个基本可展单元紧密排列，相邻的基本可展单元共用四个花盘、一组剪叉折叠杆和两组折叠连杆，其中共用的一组剪叉折叠杆的四端分别插入共用的四个花盘的开口槽中，通过四个转动副与四个花盘开口槽内侧圆柱孔连接，共用的两组折叠连杆的两端分别插入上述四个共用花盘的开口槽中，通过转动副与花盘开口槽外侧圆柱孔连接；图5-图7中a和b为两个相邻的基本可展单元，以基本可展单元a和b为例，两个基本可展单元通过共用由剪叉杆23′和剪叉杆24′组成的剪叉折叠杆、四个花盘1′、2′、21′、22′以及由连杆45′、46′、47′、48′组成的两组折叠连杆连接；此空间可展机构中的其他基本可展单元间的连接方式与基本可展单元a和基本可展单元b的连接方式相同，通过改变基本可展单元的数量，可以改变空间可展机构的大小。

图5为剪叉式六棱柱可展单元组成的空间可展机构半展开状态，图6为其完全展开状态，图7为其完全收拢状态。