CN104260900B - 弹性铰链驱动的桁架式可折展单元及可折展支撑臂 - Google Patents
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Abstract
弹性铰链驱动的桁架式可折展单元及可折展支撑臂，它涉及一种桁架式可折展单元及由该桁架式可折展单元组成的可折展支撑臂，以解决现有的铰接式支撑臂存在驱动机构复杂，折叠体积大、重复展开精度低，大大增加了结构重量以及展开可靠性较低的问题，它包括上边框、下边框、N根弹性铰链式折叠臂和N组拉索总成；上边框和下边框平行设置，且上边框的N个顶点与下边框的N个顶点上下对应设置，上边框和下边框之间相对应的每个顶角分别通过一根弹性铰链式折叠臂支撑并可转动连接，上边框、下边框和相邻两根弹性铰链式折叠臂之间所组成的矩形平面内对角处设有一组拉索总成。本发明用于卫星、空间站和空间探测器上。
Description
技术领域
本发明涉及一种桁架式可折展单元及由该桁架式可折展单元组成的可折展支撑臂，具体涉及一种弹性铰链驱动的桁架式可折展单元及由该桁架式可折展单元组成的可折展支撑臂，属于一维空间可重复展开机构。
背景技术
随着空间通信、对地观测、深空探测、载人航天等事业的迅猛发展，对大尺度、轻量化、高几何稳定性的宇航空间机构的需求变得非常迫切，但受火箭整流罩容积的限制，需要设计具有大折展比的空间折展式机构，在运输和发射阶段处于折叠状态，而在航天器入轨后展开成工作状态。
空间伸展臂在各种太空探测活动中主要是用来展开柔性太阳能帆板、支撑可展开天线、合成孔径雷达、太空望远镜等。卫星进入轨道后，卫星有效载荷在控制系统的指令下缓慢展开并借助支撑臂与卫星本体保持一定的距离，以防止有效载荷与卫星本体间产生信号的干扰及耦合振动，支撑臂的尺寸通常非常大，其长度达到数十米甚至上百米，这就要求支撑臂具有一定的折叠与展开或单向的展开功能，当卫星处于地面发射状态时，支撑臂成收拢状态，当卫星进入轨道后，支撑臂成展开状态，为卫星天线提供可靠的支撑。
可展开支撑臂发展至今，其结构形式多种多样，其中铰接式伸展臂具有高刚度、高承载能力，较高可靠性的特点，但现有的铰接式支撑臂机构采用电机作为动力源，依靠电机输出的扭矩带动整个机构展开，电机驱动虽然可以有效的控制展开速度，减少机构展开过程中的冲击振动，但复杂的驱动机构不但增加了结构的重量，也降低了结构的可靠性，容易引起支撑臂机构展开失败，导致空间探测任务无法实现，从而造成巨大的经济损失。
发明内容
本发明是为解决现有的铰接式支撑臂存在驱动机构复杂，折叠体积大、重复展开精度低，大大增加了结构重量以及展开可靠性较低的问题，进而提供一种弹性铰链驱动的桁架式可折展单元及可折展支撑臂。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种弹性铰链驱动的桁架式可折展单元包括上边框、下边框、N根弹性铰链式折叠臂和N组拉索总成；所述上边框和下边框均为N边形边框；
上边框和下边框平行设置，且上边框的N个顶点与下边框的N个顶点上下对应设置，上边框和下边框之间相对应的每个顶角通过一根弹性铰链式折叠臂支撑并可转动连接，上边框、下边框和相邻两根弹性铰链式折叠臂之间所组成的矩形平面内对角处设有一组拉索总成，其中N为正整数，且3≤N≤6；
每根所述弹性铰链式折叠臂包括单元上折臂、单元下折臂和单元连接弹性铰链组件，所述单元连接弹性铰链组件包括两个弹性铰链连接接头、两个弹性铰链弹簧片和四个弹性铰链连接压块，单元上折臂和单元下折臂的相邻端分别与弹性铰链连接接头固接，两个弹性铰链弹簧片并列对称分布，两个弹性铰链弹簧片的两端各自与相对应的弹性铰链连接接头胶接，四个弹性铰链连接压块分为上下对称布置的两对，每个弹性铰链弹簧片的两端分别布置有一个弹性铰链连接压块，弹性铰链连接压块与弹性铰链连接接头固接。
本发明的弹性铰链驱动的桁架式可折展单元组成的可折展支撑臂包括多个弹性铰链驱动的桁架式可折展单元和多个过渡折展组件，每相邻两个弹性铰链驱动的桁架式可折展单元之间通过一个过渡折展组件转动连接，所述过渡折展组件包括N根弹性铰链式过渡折叠臂和多个过渡拉索组件，N根弹性铰链式过渡折叠臂分别支撑并转动设置在上边框和下边框之间的顶角处，上边框与下边框以及相邻两根弹性铰链式过渡折叠臂之间所组成的矩形平面内对角处交叉设有两个过渡拉索组件；
每根所述弹性铰链式过渡折叠臂包括过渡上折臂、过渡下折臂和过渡单元连接弹性铰链组件，所述过渡单元连接弹性铰链组件包括两个弹性铰链连接接头、两个弹性铰链弹簧片和四个弹性铰链连接压块，过渡上折臂和过渡下折臂的相邻端分别与弹性铰链连接接头固接，两个弹性铰链弹簧片并列对称分布，两个弹性铰链弹簧片的两端各自与相对应的弹性铰链连接接头胶接，四个弹性铰链连接压块分为上下对称布置的两对，每个弹性铰链弹簧片的两端分别贴置有一个弹性铰链连接压块，弹性铰链连接压块与弹性铰链连接接头固接，所述的过渡上折臂和过渡下折臂均由碳纤维复合材料或航空铝合金材料制成。
本发明与现有技术相比具有以下效果：1.本发明的整体结构对称，单元模块数量可以为若干个，单元模块数量可以根据天线口径的需求而扩展，模块扩展性强，可实现模块化生产，降低制造成本和难度；2.本发明收拢后体积小，重量轻，收纳率高达30％；3.本发明中加入了拉索组件，拉索组件克服了对角拉索缠绕及运动不规律的问题，同时加强了支撑臂的整体刚度和重复展开精度；4.本发明的可展开支撑臂依靠弹性铰链实现动力驱动，不需要增加额外的驱动机构，减轻了结构的重量；5.本发明展开运动简单、可靠性高，随着模块化拓展以后不需要刻意增加另外的驱动组件，此外本发明展开控制简单，稳定性好；6.本发明的可折展支撑臂其展开过程通过释放弹性铰链的弹性势能实现，弹性铰链展开后恢复立直状态，该状态为稳定状态，需要较大的力矩使其弯曲变形，因此折叠臂展开后不需要锁定装置，实施方式简单、工作稳定可靠；7.本发明所有结构都是由航天常用材料加工制造，材料资源丰富，加工工艺成熟，便于机构的顺利实施。
附图说明
图1是三棱柱桁架式可折展单元的立体结构示意图，图2是三棱柱桁架式可折展单元组成的可折展支撑臂收拢结构示意图，图3是图2的三棱柱桁架式可折展单元组成的可折展臂展开结构示意图，图4是四棱柱桁架式可折展单元的立体结构示意图，图5是四棱柱桁架式可折展单元组成的可折展支撑臂展开结构示意图，图6是图5的四棱柱桁架式可折展单元组成的可折展支撑臂收拢结构示意图，图7是弹性铰链式折叠臂收拢结构示意图，图8是弹性铰链式折叠臂展开结构示意图，图9是拉索组件的结构示意图，图10是图9的A处局部放大图，图11是具体实施方式十的展开控制组件与折展支撑臂连接结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图10说明，本实施方式的一种弹性铰链驱动的桁架式可折展单元包括上边框1、下边框4、N根弹性铰链式折叠臂3和N组拉索总成2；所述上边框1和下边框4均为N边形边框；
上边框1和下边框4平行设置，且上边框1的N个顶点与下边框4的N个顶点上下对应设置，上边框1和下边框4之间相对应的每个顶角通过一根弹性铰链式折叠臂3支撑并可转动连接，上边框1、下边框4和相邻两根弹性铰链式折叠臂3之间所组成的矩形平面内对角处设有一组拉索总成2，其中N为正整数，且3≤N≤6。
本实施方式的弹性铰链驱动的桁架式可折展单元通过弹性铰链式折叠臂组件向内折叠实现收拢。拉索总成起到起刚化作用和提高桁架刚度的作用。
具体实施方式二：结合图1和图4说明，本实施方式所述上边框1和下边框4均为三角形或四边形边框。如此设置，结构简单，设计合理，便于使用。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1-图3、图5、图6说明，本实施方式的每根所述弹性铰链式折叠臂3包括单元上折臂6、单元下折臂7和单元连接弹性铰链组件8，所述单元连接弹性铰链组件8包括两个弹性铰链连接接头10、两个弹性铰链弹簧片11和四个弹性铰链连接压块9，单元上折臂6和单元下折臂7的相邻端分别与弹性铰链连接接头10固接，两个弹性铰链弹簧片11并列对称分布，两个弹性铰链弹簧片11的两端各自与相对应的弹性铰链连接接头10胶接，四个弹性铰链连接压块9分为上下对称布置的两对，每个弹性铰链弹簧片11的两端分别布置有一个弹性铰链连接压块9，弹性铰链连接压块9与弹性铰链连接接头10固接。本实施方式通过弹性铰链的弯曲变形，单元上折臂6和单元下折臂7之间可以实现转动运动。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1、图4和图9说明，本实施方式的每组拉索总成2包括两个拉索组件，两个拉索组件相互交叉并转动设置在上边框1和下边框4的对角线上，每个拉索组件均包括单元第一管套13、单元第二管套15、单元拉索14和两个单元铰接头12，单元第一管套13的一端与一个单元铰接头12连接，单元第二管套15的一端与另一个单元铰接头12连接，单元拉索14的两端穿设在单元第一管套13和单元第二管套15的内腔中，单元拉锁14的两端分别通过一个单元铰接头12固接。如此设置，克服了对角拉索缠绕及运动不规律的问题，同时加强了支撑臂的整体刚度和重复展开精度。其它与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图9说明，本实施方式的单元拉索14为凯夫拉绳或碳纤维绳。如此设置，凯夫拉绳具有耐高温，防火阻燃，重量轻，强度高，模量高，尺寸稳定，收缩率低，耐刺破，耐磨耗，耐热性，耐化学腐蚀，机械性能好，介电性好等优点；碳纤维绳具有强度大，导电性优良的特点，便于保证重复展开精度。其它与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图9说明，本实施方式的每根所述弹性铰链式折叠臂3中的单元上折臂6、单元下折臂7均由碳纤维复合材料或航空铝合金材料制成。如此设置，航空铝合金材料具有高强度高韧耐抗疲劳凹综合性能的特点，碳纤维复合材料具有耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀的特点，弹性铰链驱动的桁架式可折展单元依靠弹性铰链实现动力驱动，不需要增加额外的驱动机构，减轻了结构的重量。其它与具体实施方式四或五相同。
具体实施方式七：结合图9说明，本实施方式的弹性铰链弹簧片11由弹簧钢、铍青铜或记忆合金材料制成。如此设置，弹性铰链展开后恢复立直状态，该状态为稳定状态，需要较大的力矩使其弯曲变形，因此折叠臂展开后不需要锁定装置，使用方便、展开可靠性高，可选用高弹性的弹簧钢、铍青铜或记忆合金等材料。其它与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：结合图3和图5说明，本实施方式由弹性铰链驱动的桁架式可折展单元组成的可折展支撑臂包括多个弹性铰链驱动的桁架式可折展单元和多个过渡折展组件5，每相邻两个弹性铰链驱动的桁架式可折展单元之间通过一个过渡折展组件5转动连接，所述过渡折展组件5包括N根弹性铰链式过渡折叠臂20和多个过渡拉索组件21，N根弹性铰链式过渡折叠臂20分别支撑并转动设置在上边框1和下边框4之间的顶角处，上边框1与下边框以及相邻两根弹性铰链式过渡折叠臂20之间所组成的矩形平面内对角处交叉设有两个过渡拉索组件21。本实施方式过渡拉索组件21的组成和连接关系与具体实施方式四相同。其它与具体实施方式一、二、四、五或七相同。
具体实施方式九：结合图3、图5和图8说明，本实施方式的每根所述弹性铰链式过渡折叠臂20包括过渡上折臂22、过渡下折臂23和过渡单元连接弹性铰链组件24，所述过渡单元连接弹性铰链组件24包括两个弹性铰链连接接头10、两个弹性铰链弹簧片11和四个弹性铰链连接压块9，过渡上折臂22和过渡下折臂23的相邻端分别与弹性铰链连接接头10固接，两个弹性铰链弹簧片11并列对称分布，两个弹性铰链弹簧片11的两端各自与相对应的弹性铰链连接接头10胶接，四个弹性铰链连接压块9分为上下对称布置的两对，每个弹性铰链弹簧片11的两端分别贴置有一个弹性铰链连接压块9，弹性铰链连接压块9与弹性铰链连接接头10固接，所述的过渡上折臂22和过渡下折臂23均由碳纤维复合材料或航空铝合金材料制成。如此设置，航空铝合金材料具有高强度高韧耐抗疲劳凹综合性能的特点，碳纤维复合材料具有耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀的特点，弹性铰链驱动的桁架式可折展臂依靠弹性铰链实现动力驱动，不需要增加额外的驱动机构，减轻了结构的重量。
本实施方式过渡单元连接弹性铰链组件24的组成和连接关系与具体实施方式三相同。其它与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：结合图11说明，本实施方式所述弹性铰链驱动的桁架式可折展单元组成的可折展支撑臂还包括展开控制组件，所述展开控制组件包括放绳滚筒16、电机17、控速索18、支撑臂前端支架19和底座支架25，支撑臂前端支架19与第一个桁架式可折展单元的上边框1连接，底座支架25与最后一个桁架式可折展单元的下边框4铰接，电机17安装在底座支架25上，放绳滚筒16转动安装在底座支架25上，放绳滚筒16的轴向与电机17的轴向平行，电机17的输出端与放绳滚筒16连接，控速索18的一端与支撑臂前端支架19固接，控速索18的另一端缠绕在放绳滚筒16上。本实施方式整个可折展支撑臂由若干个单元连接弹性铰链组件8和若干个过渡单元连接弹性铰链组件24中的弹性铰链弯曲后产生的变性能实现驱动展开，通过电机17作为动力源带动放绳滚筒16旋转，控制控速索18的释放速度，使整个可折展支撑臂可控平稳展开，减少展开时的冲击效应。如此便于保证平稳展开与减少展开冲击。其它与具体实施方式九相同。
工作过程
结合图1-图11说明，本发明的多棱柱桁架式可折展单元通过弹性铰链式折叠臂3向内折叠实现收拢，依靠弹性铰链弹簧片11的弹性势能实现动力驱动，单元上折臂6与单元下折臂7实现展开，当单元上折臂6与单元下折臂7展开呈竖直状态时，单元展开到位锁定刚化。整个展开过程依靠弹性铰链弹簧片实现动力驱动，不需要增加额外的驱动机构。每个多棱柱可折展单元上安装有多组弹性铰链式折叠臂3，保证了多棱柱可折展单元的刚度及重复展开精度。为防止单元拉索14在展开收拢过程中发生缠绕，将单元拉索14置于单元第一管套13和单元第二管套15中。整个可折展支撑臂由若干个单元连接弹性铰链组件8和若干个过渡单元连接弹性铰链组件24中的弹性铰链弯曲后产生的变性能实现驱动展开，通过电机17作为动力源带动放绳滚筒16旋转，控制控速索18的释放速度，使整个可折展支撑臂可控平稳展开，减少展开时的冲击效应。如此便于保证平稳展开与减少展开冲击。
Claims (8)
1.一种弹性铰链驱动的桁架式可折展单元，其特征在于：它包括上边框(1)、下边框(4)、N根弹性铰链式折叠臂(3)和N组拉索总成(2)；所述上边框(1)和下边框(4)均为N边形边框；
上边框(1)和下边框(4)平行设置，且上边框(1)的N个顶点与下边框(4)的N个顶点上下对应设置，上边框(1)和下边框(4)之间相对应的每个顶角通过一根弹性铰链式折叠臂(3)支撑并可转动连接，上边框(1)、下边框(4)和相邻两根弹性铰链式折叠臂(3)之间所组成的矩形平面内对角处设有一组拉索总成(2)，其中N为正整数，且3≤N≤6；
每根所述弹性铰链式折叠臂(3)包括单元上折臂(6)、单元下折臂(7)和单元连接弹性铰链组件(8)，所述单元连接弹性铰链组件(8)包括两个弹性铰链连接接头(10)、两个弹性铰链弹簧片(11)和四个弹性铰链连接压块(9)，单元上折臂(6)和单元下折臂(7)的相邻端分别与弹性铰链连接接头(10)固接，两个弹性铰链弹簧片(11)并列对称分布，两个弹性铰链弹簧片(11)的两端各自与相对应的弹性铰链连接接头(10)胶接，四个弹性铰链连接压块(9)分为上下对称布置的两对，每个弹性铰链弹簧片(11)的两端分别布置有一个弹性铰链连接压块(9)，弹性铰链连接压块(9)与弹性铰链连接接头(10)固接。
2.根据权利要求1所述的弹性铰链驱动的桁架式可折展单元，其特征在于：所述上边框(1)和下边框(4)均为三角形或四边形边框。
3.根据权利要求1或2所述的弹性铰链驱动的桁架式可折展单元，其特征在于：每组拉索总成(2)包括两个拉索组件，两个拉索组件相互交叉并转动设置在上边框(1)和下边框(4)的对角线上，每个拉索组件均包括单元第一管套(13)、单元第二管套(15)、单元拉索(14)和两个单元铰接头(12)，单元第一管套(13)的一端与一个单元铰接头(12)连接，单元第二管套(15)的一端与另一个单元铰接头(12)连接，单元拉索(14)的两端穿设在单元第一管套(13)和单元第二管套(15)的内腔中，单元拉索(14)的两端分别通过一个单元铰接头(12)固接。
4.根据权利要求3所述的弹性铰链驱动的桁架式可折展单元，其特征在于：所述单元拉索(14)为凯夫拉绳或碳纤维绳。
5.根据权利要求4所述的弹性铰链驱动的桁架式可折展单元，其特征在于：每根所述弹性铰链式折叠臂(3)中的单元上折臂(6)、单元下折臂(7)均由碳纤维复合材料或航空铝合金材料制成。
6.根据权利要求5所述的弹性铰链驱动的桁架式可折展单元，其特征在于：弹性铰链弹簧片(11)由弹簧钢、铍青铜或记忆合金材料制成。
7.一种利用权利要求1、2、4、5或6所述的弹性铰链驱动的桁架式可折展单元组成的可折展支撑臂，其特征在于：它包括多个弹性铰链驱动的桁架式可折展单元和多个过渡折展组件(5)，每相邻两个弹性铰链驱动的桁架式可折展单元之间通过一个过渡折展组件(5)转动连接，所述过渡折展组件(5)包括N根弹性铰链式过渡折叠臂(20)和多个过渡拉索组件(21)，N根弹性铰链式过渡折叠臂(20)分别支撑并转动设置在上边框(1)和下边框(4)之间的顶角处，上边框(1)与下边框(4)以及相邻两根弹性铰链式过渡折叠臂(20)之间所组成的矩形平面内对角处交叉设有两个过渡拉索组件(21)；
每根所述弹性铰链式过渡折叠臂(20)包括过渡上折臂(22)、过渡下折臂(23)和过渡单元连接弹性铰链组件(24)，所述过渡单元连接弹性铰链组件(24)包括两个弹性铰链连接接头(10)、两个弹性铰链弹簧片(11)和四个弹性铰链连接压块(9)，过渡上折臂(22)和过渡下折臂(23)的相邻端分别与弹性铰链连接接头(10)固接，两个弹性铰链弹簧片(11)并列对称分布，两个弹性铰链弹簧片(11)的两端各自与相对应的弹性铰链连接接头(10)胶接，四个弹性铰链连接压块(9)分为上下对称布置的两对，每个弹性铰链弹簧片(11)的两端分别贴置有一个弹性铰链连接压块(9)，弹性铰链连接压块(9)与弹性铰链连接接头(10)固接，所述的过渡上折臂(22)和过渡下折臂(23)均由碳纤维复合材料或航空铝合金材料制成。
8.根据权利要求7所述的弹性铰链驱动的桁架式可折展单元组成的可折展支撑臂，其特征在于：所述弹性铰链驱动的桁架式可折展单元组成的可折展支撑臂还包括展开控制组件，所述展开控制组件包括放绳滚筒(16)、电机(17)、控速索(18)、支撑臂前端支架(19)和底座支架(25)，支撑臂前端支架(19)与第一个桁架式可折展单元的上边框(1)连接，底座支架(25)与最后一个桁架式可折展单元的下边框(4)铰接，电机(17)安装在底座支架(25)上，放绳滚筒(16)转动安装在底座支架(25)上，放绳滚筒(16)的轴向与电机(17)的轴向平行，电机(17)的输出端与放绳滚筒(16)连接，控速索(18)的一端与支撑臂前端支架(19)固接，控速索(18)的另一端缠绕在放绳滚筒(16)上。
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