单自由度平面二维可展开基本单元及大尺度可展开装置

1.本发明涉及一种单自由度平面二维可展开基本单元及大尺度可展开装置。


背景技术：

2.空间可展开机构是近年来研究的热点，尤其是具有高折展比、高精度、高刚度、轻量化的大尺度可展开机构。现有的可展开机构主要用于铰接式伸展臂、固体反射面式展开天线、构架式展开天线、环形桁架式展开天线、空间抓捕装置等，尚无将大型空间可展开机构应用于大型在轨服务空间站的航天平台的设计。构建立体化空间服务的大型多功能在轨服务站，对服务星进行在轨升级、故障模块更换、补给、装配等维护任务，离不开大尺度可展开航天平台的支撑与固定。大型空间操作平台由多模块可展开机构单元通过组网方式连接而成，需具备高刚度、大负载、轻质量、高折展比、高精度等方面性能。
3.现有大尺度展开机构主要通过剪叉及其类剪叉机构、平行四边形机构、sarrus机构、bennett机构、bricard机构等可展开机构组网得到。剪叉及其类剪叉机构、平行四边形机构、sarrus机构的组网能力较好，但是垂直与端面机构的负载能力与刚度较小。bennett机构、bricard机构等过约束机构，由于过约束的存在使得机构具有较好的折展比和负载能力，但是过约束的存在，机构需要具备较为严格的机构特性，会使得机构加工制造变的困难，也不利于大尺度组网设计，容易使得整个机构出现卡死现象。现有的大尺度可展开机构是多自由度多输出构建的多耦合机构，杆件的数量巨大、杆件的连接关系错综复杂、存在着大量运动学冗余，容易卡死、变形及失效。大部分部件都是刚性的，容易发生碰撞损伤与震荡。基本单元机构的结构和运动不对称性，会导致展开过程中整个机构的位型关系很难保证。任意一个问题(驱动器故障、杆件干涉及机构奇异等)都会导致航天机构无法完成收拢和展开动作。
4.中国专利文献202111392173.9公开了一类空间可展开基本单元及其构造的空间多棱柱可展开机构。其基本单元由两个空间对称的7r机构和一个平面连接机构构成；平面连接机构为4个转动轴线平行的转动副构成的平行四边形机构；由该基本单元组成了空间多棱柱可展开机构，具有简单的运动学和好的互换性。
5.中国专利文献202111393184.9公开了一种桁架式伸缩机构和平面式可展开桁架阵列，其空间可展开基本单元由两个空间对称的7r机构和一个平面连接机构构成；由多个模块单元连接组成单自由度的桁架式伸缩臂机构和平面式可展开桁架阵列。
6.中国专利文献202111393233.9公开了一环形桁架式空间可展开机构。该机构由多个空间可展开基本单元组成，空间可展开基本单元由两个空间对称的7r机构和一个平面连接机构构成；该环形桁架式空间可展开机构具有良好的运动对称性，展开性能，刚度性能及抗弯抗扭转性能。
7.现有的应用于空间大尺度可展开机构结构的主要不足体现在以下几个方面：第一个问题是驱动副的设计，驱动副的设计对于大尺度可展开机构来说至关重要，驱动副的类型与布置位置是保证大尺度机构顺利展开的关键，合理的驱动副设计是驱动力传递效率和
均匀分布的基石；上述现有技术并未对驱动副进行相关设计。第二是组网方法的设计，上述现有技术并未利用机构的结构特性进行组网，而合理有效的组网设计才能保证模块间几何协调条件和同步展开条件。


技术实现要素：

8.针对现有技术所存在的诸多不足，本发明的主要目的是提供一种单自由度平面二维可展开基本单元及大尺度可展开装置。
9.为了实现上述主要目的，本发明第一方面提供了一种单自由度平面二维可展开基本单元，可展开基本单元为对称的四棱柱多闭环机构，其包括平行设置的两个平台，两个平台之间连接有驱动支链；在两个平台所在端面分别设有一组平面连杆机构，在两个平台的四个相对侧面分别设有一组连接机构；
10.驱动支链位于可展开基本单元的中心轴线上，驱动支链具有圆柱副，以使得两个所述平台能够产生相对移动和转动；
11.平面连杆机构具有四个相同的平面连杆，平面连杆的一端与平台相铰接，且四个平面连杆均位于平台所在平面内；
12.连接机构分别与两个平面连接机构中相邻的两个平面连杆相连接；两个平台对向靠近时，连接机构同步折叠，平面连杆机构中的四个平面连杆旋转展开，两个平台产生围绕第一方向的相对转动；两个平台背向分离时，连接机构同步展开，平面连杆机构中的四个平面连杆旋转折叠，两个平台产生围绕第一方向的反方向的相对转动。
13.作为本发明的一种具体实施方式，还包括驱动机构；圆柱副具有移动自由度和转动自由度，驱动机构用于驱使驱动支链进行移动或转动。
14.进一步地，驱动支链具有第一圆形杆和第二圆形杆，第一圆形杆和第二圆形杆之间互相嵌套并形成圆柱副。
15.作为本发明的一种具体实施方式，四个平面连杆以平台为中心呈放射状排列。
16.作为本发明的一种具体实施方式，连接机构为剪叉机构，剪叉机构为5r机构，其具有两个相同的剪叉杆，两个剪叉杆的中部相铰接。
17.进一步地，剪叉杆的端部设有连接座，剪叉杆与连接座通过转动副r1相铰接，平面连杆与连接座通过转动副r2相铰接；其中，转动副r1和转动副r2的轴线相垂直；相邻的连接机构中的转动副r1相垂直。
18.本发明第二方面提供了一种采用如上所述的单自由度平面二维可展开基本单元组网连接形成的大尺度可展开装置。
19.作为本发明的一种具体实施方式，相邻的单自由度平面二维可展开基本单元共用一组连接机构。
20.本发明具备以下有益效果：
21.本发明中的可展开基本单元是多闭环机构，提高结构整体的刚度和负载能力；可展开基本单元采用对称结构，驱动副布置在可展开基本单元的中心位置，有利于提高结构整体的驱动力传递的均匀性；每个可展开基本单元都是单自由度展开运动，使得驱动控制更加简单、高效。本发明中的大尺度可展开装置也是完全对称的并且只有一个自由度；组网连接的多个可展开基本单元可以平面内实现同步展开和折叠运动，因此无需设计同步机构
系统，有利于提高大尺度可展开装置展开和折叠运动的可靠性，同时保证了大尺度可展开装置运动学、动力学和控制更加简单，也使得大尺度可展开装置具有更大的刚度和承载能力。
22.本发明具有良好的对称性，同时具有高刚度、轻量化、结构可靠性高、单自由度、驱动系统简单等诸多优点，可在大型空间服务站中作为航天平台，为待服务星提供支撑、定位及固定作用。
23.为了更清楚地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
24.图1是本发明可展开基本单元的结构图；
25.图2是本发明可展开基本单元的展开过程图；
26.图3是本发明大尺度可展开装置组网的原理图；
27.图4是本发明大尺度可展开装置展开状态下的结构图；
28.图5是本发明中连接座的一种结构图；
29.图6是本发明中连接座的另一种结构图；
30.图7是本发明大尺度可展开装置折叠状态下的结构图。
具体实施方式
31.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
32.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。
33.本发明实施例提供了一种单自由度平面二维可展开基本单元，可展开基本单元具体为对称的四棱柱多闭环机构，如图1-2所示，其具有上下两个端面和前后左右四个相对侧面；其中，可展开基本单元包括平行设置的两个平台10、驱动支链20、平面连杆机构30和连接机构40。
34.驱动支链20连接在两个平台10之间；具体的，驱动支链20位于可展开基本单元的中心轴线上，驱动支链20具有圆柱副c，即驱动支链20能够进行转动和移动，以使得两个所述平台能够产生相对移动和转动；较佳地，请继续参阅图1，驱动支链20具有第一圆形杆21和第二圆形杆22，第一圆形杆21和第二圆形杆22分别与两个平台10固定连接；其中，第一圆形杆21和第二圆形杆22之间互相嵌套并形成圆柱副c。
35.请继续参阅图1，平面连杆机构30具有四个相同的平面连杆31，平台10具有周向均匀分布的四个铰接部11，平面连杆31的一端与平台10的铰接部11相铰接，且四个平面连杆31均位于平台10所在平面内；具体的，四个平面连杆31与四个铰接部11相铰接的四个铰接点(o1、o2、o3、o4、)的转动轴线互相平行，使得平面连杆机构30具有优良的可折展性和单自由度特性，相比于空间过约束可展开单环机构，该平面连杆机构30不会出现卡死现象，可以
实现顺利展开；而其他的空间可折展机构则由于难以驱动很难被实际应用。
36.进一步地，四个平面连杆31以平台10为中心呈放射状排列，并且能够围绕平台10进行转动展开和折叠。
37.连接机构40分别与两个平面连接机构40中相邻的两个平面连杆31相连接；其中连接机构40的数目有四个，四个连接机构40分别位于前后左右四个相对侧面；连接机构40具体为剪叉机构，剪叉机构为5r机构，请再次参阅图1，连接机构40具有两个相同的剪叉杆41，两个剪叉杆41的中部相铰接。
38.剪叉杆41的端部设有连接座42a，剪叉杆41与连接座42a通过转动副r1相铰接，平面连杆31与连接座42a通过转动副r2相铰接；其中，转动副r1和转动副r2的轴线相垂直；相邻的连接机构40中的转动副r1相垂直。
39.如图2所示，两个平台10对向靠近时，剪叉机构中的两个剪叉杆41产生折叠，平面连杆机构30中的四个平面连杆31旋转展开，两个平台10产生围绕第一方向的相对转动(即围绕上下方向所进行的顺时针旋转)；两个平台10背向分离时，剪叉机构中的两个剪叉杆41产生展开，平面连杆机构30中的四个平面连杆31旋转折叠，两个平台10产生围绕第一方向的反方向的相对转动(即围绕上下方向所进行的逆时针旋转)。
40.本发明实施例中的可展开基本单元是由转动轴线平行的转动副构成的多闭环机构，剪叉机构中转动副的转动轴线均互相平行，平面连接机构40中转动副的转动轴线均互相平行，因此，可展开基本单元提供的是力偶约束；相较于提供力约束的支链结构来说，因为力偶是偶量，提供力偶约束的机构不需要像力约束那样严格保证力轴线的位置和方向，这是有利于加工制造和装配，从而间接提高可展开基本单元的可展开能力。同时，整个可展开基本单元是多闭环机构，有利于提高刚度和负载能力。
41.本发明实施例还包括驱动机构(图中未示出)，圆柱副具有移动副和转动副，驱动机构用于驱使驱动支链20进行移动，即以移动副为驱动副进行驱动可展开基本单元的展开和折叠；在其他实施例中，也可以以转动副为驱动副进行驱动可展开基本单元的展开和折叠。其中，整个可展开基本单元本身是完全对称机构，驱动副为移动副，驱动副布置在整个可展开基本单元的中心轴线位置，有利于提高整个可展开基本单元的驱动力传递的均匀性，使驱动力被均匀分布到各个机构上，有利于单自由度展开和折叠运动，使得控制结构非常简单，并且展开和折叠过程更加稳定可靠。
42.如图3-4、7所示，本发明实施例中的多个可展开基本单元作为模块单元a进行组网连接，形成大尺度可展开装置；其中，相邻的单自由度平面二维可展开基本单元共用一组连接机构40，以将各可展开基本单元具有相同运动的连接机构40进行去除，从而减少整体结构，使得质量达到轻量化要求；同时，这种组网形式保证可展开基本单元之间的几何协调条件和同步展开条件。
43.进一步地，位于大尺度可展开装置内部的可展开基本单元组网连接时，采用如图5所示的连接座42b，图5所示的连接座42b具体是采用图1中示出四个连接座42a预制为一体；位于大尺度可展开装置外部的可展开基本单元组网连接时，采用如图6所示的连接座42c；位于大尺度可展开装置角部的可展开基本单元则继续采用图1中示出连接座42a的结构。
44.本发明实施例中通过将多个可展开基本单元进行组网连接，形成整个大尺度可展开装置，组网形成的大尺度可展开装置也是完全对称的并且只有一个自由度，可以在平面
内实现同步展开和折叠运动，如图4、图7所示；因此，本发明实施例中的大尺度可展开装置无需设计同步机构系统，有利于提高整体结构展开和折叠运动的可靠性，并且整体结构的运动学、动力学和控制是非常简单的。同时，由于大尺度可展开装置同样是是多闭环网络结构，从而具有更大的刚度和承载能力。
45.本发明实施例中的大尺度可展开装置可用于航天平台，无需严格保证过约束的几何关系和复杂性，从而降低了加工制造和装配的难度，间接使得整体结构进行大尺度组网后可实现可靠的展开和折叠运动。
46.虽然本发明以具体实施例揭露如上，但这些具体实施例并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的变化/修改，即凡是依照本发明所做的同等变化/修改，应为本发明的保护范围所涵盖。

技术特征：
1.一种单自由度平面二维可展开基本单元，其特征在于，所述可展开基本单元为对称的四棱柱多闭环机构，其包括平行设置的两个平台，两个所述平台之间连接有驱动支链；在两个所述平台所在端面分别设有一组平面连杆机构，在两个所述平台的四个相对侧面分别设有一组连接机构；所述驱动支链位于所述可展开基本单元的中心轴线上，所述驱动支链具有圆柱副，以使得两个所述平台能够产生相对移动和转动；所述平面连杆机构具有四个相同的平面连杆，所述平面连杆的一端与所述平台相铰接，且四个所述平面连杆均位于所述平台所在平面内；所述连接机构分别与两个所述平面连接机构中相邻的两个平面连杆相连接；两个所述平台对向靠近时，所述连接机构同步折叠，所述平面连杆机构中的四个所述平面连杆旋转展开，两个所述平台产生围绕第一方向的相对转动；两个所述平台背向分离时，所述连接机构同步展开，所述平面连杆机构中的四个所述平面连杆旋转折叠，两个所述平台产生围绕第一方向的反方向的相对转动。2.如权利要求1所述的单自由度平面二维可展开基本单元，其特征在于：还包括驱动机构；所述圆柱副具有移动自由度和转动自由度，所述驱动机构用于驱使所述驱动支链进行移动或转动。3.如权利要求2所述的单自由度平面二维可展开基本单元，其特征在于：所述驱动支链具有第一圆形杆和第二圆形杆，所述第一圆形杆和所述第二圆形杆之间互相嵌套并形成所述圆柱副。4.如权利要求1所述的单自由度平面二维可展开基本单元，其特征在于：四个所述平面连杆以所述平台为中心呈放射状排列。5.如权利要求1所述的单自由度平面二维可展开基本单元，其特征在于：所述连接机构为剪叉机构，所述剪叉机构为5r机构，其具有两个相同的剪叉杆，两个所述剪叉杆的中部相铰接。6.如权利要求5所述的单自由度平面二维可展开基本单元，其特征在于：所述剪叉杆的端部设有连接座，所述剪叉杆与所述连接座通过转动副r1相铰接，所述平面连杆与所述连接座通过转动副r2相铰接；其中，转动副r1和转动副r2的轴线相垂直；相邻的所述连接机构中的转动副r1相垂直。7.一种采用多个权利要求1-6任一项所述的单自由度平面二维可展开基本单元组网连接形成的大尺度可展开装置。8.如权利要求7所述的大尺度可展开装置，其特征在于：相邻的所述单自由度平面二维可展开基本单元共用一组所述连接机构。

技术总结
本发明公开了一种单自由度平面二维可展开基本单元及大尺度可展开装置。可展开基本单元为对称的四棱柱多闭环机构，其包括平行设置的两个平台，两个平台之间连接有驱动支链；在两个平台所在端面分别设有一组平面连杆机构，在两个平台的四个相对侧面分别设有一组连接机构；驱动支链位于可展开基本单元的中心轴线上，驱动支链具有圆柱副；平面连杆机构具有四个相同的平面连杆，平面连杆的一端与平台相铰接，且四个平面连杆均位于平台所在平面内；连接机构分别与两个平面连接机构中相邻的两个平面连杆相连接。本发明具有良好的对称性，同时具有高刚度、轻量化、结构可靠性高、单自由度和驱动系统简单诸多优点。和驱动系统简单诸多优点。和驱动系统简单诸多优点。


技术研发人员：李兵 张阳 高长青 徐鹏
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）
技术研发日：2023.01.14
技术公布日：2023/5/4