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制造技术

本发明专利技术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。基于空间5R机构的可展单元包括竖杆和两个空间5R机构，两个空间5R机构呈对称，且两个空间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；第一短杆和第二短杆分别通过第一转动关节和第二转动关节与竖杆连接；第三短杆通过第三转动关节与第一短杆连接，第四短杆通过第四转动关节与第二短杆连接；第三短杆与第四短杆通过第五转动关节连接。由基于空间5R机构的可展单元连接形成的单自由度环形桁架式可展机构具有结构简单、自由度少且刚度高的优点。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于航天器材与设备
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用的技术方案是：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。本专利技术的有益效果：本专利技术的基于空间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。本专利技术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，相邻的两个所述竖本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于空间5R机构的可展单元，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一种基于空间5R机构的可展单元，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的基于空间5R机构的可展单元，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的基于空间5R机构的可展单元，其特征在于：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。4.一种单自由度环形桁架式可展机构，其特征在于：包括n个权利要求1～3任一项所述的基于空间5R机构的可展单元，任一个...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐晓志，鲁少林，黄海林，徐艳雯，李兵，胡颖，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：广东,44