单自由度过约束剪式可展单元及其组成的空间可展机构制造技术

一种单自由度过约束剪式可展单元及其组成的空间可展机构，其单自由度过约束剪式可展单元包括含有八个花盘、四组剪叉折叠杆和八组折叠连杆，其中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，剩余七组折叠连杆均为过约束折叠连杆，过约束折叠连杆可有效提高基本可展单元的刚度，本发明专利技术的多个基本可展单元顺序依次排列，且相邻可展单元通过共用四个花盘和一组剪叉折叠杆可组成第一空间可展机构和第二空间可展机构，通过改变基本可展单元的数量，可以改变第一空间可展机构的长度和第二空间可展机构的大小。本发明专利技术结构简单，具有高度的结构对称性，适合于构造空间伸展臂、太阳能电池阵支架和卫星平面反射天线。

【技术实现步骤摘要】
单自由度过约束剪式可展单元及其组成的空间可展机构
本专利技术涉及一种可展机构，特别是一种空间可展机构。
技术介绍
随着航天事业的发展，航天工程中需要的空间机构尺寸越来越大，以满足不同航天任务的需求，但由于受到航天运载工具的空间限制，要求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。在空间站、通信卫星平台、太空望远镜、对地观测、星球探测等航天任务中，各种类型的空间折展机构得到了快速发展和应用，如折展太阳能电池板、空间站基础骨架、空间机械臂、空间伸展臂、大口径折展天线、大型柔性太阳帆板支撑架等。可展机构一般有两种稳定状态：完全收拢状态和完全展开状态(工作状态)，依据不同的机构展开收拢原理，国内外航天科研院所提出了多种可展机构。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，同时此类机构也存在着铰接点多、自由度较多、构造工艺复杂、控制复杂等缺点。变性材料可展机构采用具有大弹性变形的材料作为可展机构的主体材料，在折叠收拢状态下材料发生变形而储存弹性变形能，释放后依靠弹性变性能驱动机构转化为展开状态，构造工艺相对简单，但是可重复收拢展开性差，精度较低。充气展开式可展机构原理为用柔性材料制成密闭结构，入轨后靠填充气体将密闭结构展开的一类可展机构，具有质量小、折叠比大的优点，但是形面精度较低，结构热稳定性差，刚度较低，技术尚不成熟。目前，在轨运行的空间伸展臂、折展天线等结构较多的采用铰接桁架式可展机构形式，如俄罗斯“联盟号”飞船上的四面体构架天线、日本菊8号卫星上的六面体可展单元桁架式抛物面天线、日本JAXA为工程实验卫星ETS-VIII研制的由14个六棱柱钢化结构单元组成的桁架式天线反射器、美国用于三维地形观测的60m可折展雷达支撑臂、美国Thuraya卫星上口径为12.25m的AstroMesh环形桁架折展天线等。随着航天事业的快速发展，航天工程中所需要的铰接桁架空间可展机构不断向着大尺度、大折叠比、高精度、高刚度、易于控制方向发展，因此，需要在现有可展机构相关研究基础上提出自由度少、制造工艺性好、刚度高、折叠比大等性能优良的可展机构。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种自由度少、结构简单、折叠比大、刚度高、展开性能好、可靠性高、易于控制的单自由度过约束剪式可展单元及其组成的空间可展机构。本专利技术的单自由度过约束剪式可展单元为单自由度多闭环六面体基本可展单元，其包括八个剪叉杆、十六个连杆和八个花盘；所述八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，八个剪叉杆共组成四组剪叉折叠杆，四组剪叉折叠杆对称分布在基本可展单元的四个侧面上，处于对侧位置的剪叉折叠杆折展方向相同；所述十六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，十六个连杆共组成八组折叠连杆，八组折叠连杆对称分布在基本可展单元的上下两个面上，上下两个面均有四组折叠连杆，且处于对侧位置的折叠连杆折展方向相同；所述八个花盘结构完全相同，均为正方形花盘，花盘的每条边上均开有三个槽口，中间槽口用于插入剪叉折叠杆并通过转动副连接，两侧槽口用于插入折叠连杆并通过转动副连接，三个槽口处的转动副轴线重合，八个花盘对称分布在基本可展单元的八个顶点上；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中间槽口，通过四个转动副与四个花盘连接，四个转动副轴线与连接两个剪叉杆组成的剪叉折叠杆的转动副轴线平行，每组剪叉折叠杆中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侧槽口，通过两个转动副与两个花盘连接，两个转动副轴线与连接两个连杆组成的折叠连杆的转动副轴线平行，每组折叠连杆共连接有三个转动副，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杆上的各转动副轴线以及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。所述基本可展开单元中，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，八组折叠连杆中的任意七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。本专利技术的单自由度过约束剪式可展单元组成的第一空间可展机构，它包括多个基本可展单元，多个基本可展单元按顺序横向排列，相邻的基本可展单元共用四个花盘和一组剪叉折叠杆，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中间槽口，通过转动副与花盘连接，相邻的两组折叠连杆的两端分别插入上述四个共用花盘的左侧槽口，通过转动副与花盘连接，相邻的另外两组折叠连杆的两端分别插入上述四个共用花盘的右侧槽口，通过转动副与花盘连接；通过改变基本可展单元的数量，能够改变第一空间可展机构的长度。本专利技术的单自由度过约束剪式可展单元组成的第二空间可展机构，它包括多个基本可展单元，多个基本可展单元按顺序横向和纵向排列，相邻基本可展单元通过共用四个花盘和一组剪叉折叠杆，其连接方式与第一空间可展机构相同；通过改变基本可展单元的数量，能够改变第二空间可展机构的大小。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、本专利技术为六面体空间可展单元，折叠比大，含有多个过约束折叠连杆，刚度高，抗震性能好。2、本专利技术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。3、结构简单，运动副均为转动副，易于实现工程制造。4、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，适合于构造空间伸展臂、太阳能电池阵支架和卫星平面反射天线。附图说明图1是本专利技术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是本专利技术实施例2完全展开状态的立体示意简图；图5是图4半展开状态的立体示意简图；图6是图4完全收拢状态的立体示意简图；图7是本专利技术实施例3完全展开状态的立体示意简图；图8是图7半展开状态的立体示意简图；图9是图7完全收拢状态的立体示意简图。图中：1：第一花盘、2：第一连杆、3：第二连杆、4：第二花盘、5：第一剪叉杆、6：第二剪叉杆、7：第三剪叉杆、8：第三花盘、9：第四连杆、10：第四花盘、11：第三剪叉杆、12：第五连杆、13：第六连杆、14：第七连杆、15：第八连杆、16：第四剪叉杆、17：第五花盘、18：第九连杆、19：第六花盘、20：第十连杆、21：第五剪叉杆、22：第六剪叉杆、23：第十一连杆、24：第十本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单自由度过约束剪式可展单元及其组成的空间可展机构，其特征在于：单自由度过约束剪式可展单元为单自由度多闭环六面体基本可展单元，其包括八个剪叉杆、十六个连杆和八个花盘；所述八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，组成四组剪叉折叠杆，四组剪叉折叠杆对称分布在基本可展单元的四个侧面上，处于对侧位置的剪叉折叠杆折展方向相同；所述十六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，组成八组折叠连杆，八组折叠连杆对称分布在基本可展单元的上下两个面上，上下两个面均有四组折叠连杆，且处于对侧位置的折叠连杆折展方向相同；所述八个花盘结构完全相同，均为正方形花盘，花盘的每条边上均开有三个槽口，中间槽口用于插入剪叉折叠杆通过转动副连接，两侧槽口用于插入折叠连杆通过转动副连接，三个槽口处的转动副轴线重合，八个花盘对称分布在基本可展单元的八个顶点上；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中间槽口，通过四个转动副与四个花盘连接，四个转动副轴线与连接两个剪叉杆组成的剪叉折叠杆的转动副轴线平行，每组剪叉折叠杆中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侧槽口，通过两个转动副与两个花盘连接，两个转动副轴线与连接两个连杆组成的折叠连杆的转动副轴线平行，每组折叠连杆共连接有三个转动副，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杆上的各转动副轴线以及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。...

【技术特征摘要】
1.一种单自由度过约束剪式可展单元，其特征在于：单自由度过约束剪式可展单元为单自由度多闭环六面体基本可展单元，其包括八个剪叉杆、十六个连杆和八个花盘；所述八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，组成四组剪叉折叠杆，四组剪叉折叠杆对称分布在基本可展单元的四个侧面上，处于对侧位置的剪叉折叠杆折展方向相同；所述十六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，组成八组折叠连杆，八组折叠连杆对称分布在基本可展单元的上下两个面上，上下两个面均有四组折叠连杆，且处于对侧位置的折叠连杆折展方向相同；所述八个花盘结构完全相同，均为正方形花盘，花盘的每条边上均开有三个槽口，中间槽口用于插入剪叉折叠杆通过转动副连接，两侧槽口用于插入折叠连杆通过转动副连接，三个槽口处的转动副轴线重合，八个花盘对称分布在基本可展单元的八个顶点上；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中间槽口，通过四个转动副与四个花盘连接，四个转动副轴线与连接两个剪叉杆组成的剪叉折叠杆的转动副轴线平行，每组剪叉折叠杆中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侧槽口，通过两个转动副与两个花盘连接，两个转动副轴线与连接两个连杆组成的折叠连杆的转动副轴线平行，每组折叠连杆共连接有三个转动副，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杆上的各转动副轴线以及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。2.权利要求1所述的单自由度过约束剪式可展单元所组成的空间可展机构，其特征在于：所述单自由度过约束剪式可展单元的第一剪叉杆和第二剪叉杆中间通过转动副连接组成第一剪叉折叠杆，第三剪叉杆和第四剪叉杆中间通过转动副连接组成第二剪叉折叠杆，第五剪叉杆和第六剪叉杆中间通过转动副连接组成第三剪叉折叠杆，第七剪叉杆和第八剪叉杆中间通过转动副连接组成第四剪叉折叠杆，第一剪叉折叠杆的四端分别插入第一花盘、第二花盘、第三花盘、第四花盘的中间槽口，并通过四个转动副与四个花盘连接，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二花盘、第四花盘、第五花盘、第七花盘的中间槽口，并通过四个转动副与四个花盘连接，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、第六花盘、第七花盘、第八花盘的中间槽口，并通过四个转动副与四个花盘连接，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一花盘、第三花盘、第六花盘、第八花盘的中间槽口，并通过四个转动副与四个花盘连接，第四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三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四剪叉折叠杆对应位置处的转动副轴线重合；第三连杆和第四连杆的一端通过转动副连接组成第一折叠连杆，第五连杆和第八连杆的一端通过转动副连接组成第二折叠连杆，第九连杆和第十连杆的一端通过转动副连接组成第三折叠连杆，第六连杆和第七连杆的一端通过转动副连接组成第四折叠连杆，第一连杆和第二连杆的一端通过转动副连接组成第五折叠连杆，第十六连杆和第十三连杆的一端通过转动副连接组成第六折叠连杆，第十一连杆和第十二连杆的一端通过转动副连接组成第七折叠连杆，第十四连杆和第十五连杆的一端通过转动副连接组成第八折叠连杆；第一折叠连杆的两端分别插入平行的第三花盘和第四花盘的侧槽口，并通过两个转动副与两个花盘连接，第一折叠连杆上的三个转动副轴线均平行；第二折...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵永生，韩博，许允斗，姚建涛，刘文兰，张东胜，陈亮亮，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13