阅读说明：本技术 一种大型体状可展桁架机构 (Large-scale form can expand truss mechanism ) 是由 郭宏伟 史创 陶磊 肖洪 刘荣强 于 2019-11-11 设计创作，主要内容包括：一种大型体状可展桁架机构,它涉及一种桁架机构。本发明为了解决传统的中心承力筒结构构型确定,灵活性差；整体包络体积较大,尺寸受运载火箭约束,限制航天器整体的布局的问题。本发明的每个三接头铰链的左右两接头分别与一根横杆转动连接并组成第一折展单元,每个三接头铰链的第三接头与竖杆的一端转动连接,相邻两根横杆之间通过横向驱动铰链连接,并且相邻两个第一折展单元之间通过一个径向驱动铰链转动连接；每个四接头铰链的左右两接头分别与一根横杆转动连接并组成第二折展单元,每个四接头铰链的上下两个接头分别与竖杆的另一端转动连接,相邻两个第二折展单元之间通过一个驱动铰链转动连接。本发明用于航天航空领域中。(A large-scale truss mechanism capable of being unfolded relates to a truss mechanism. The invention aims to solve the problems of the traditional central bearing cylinder structure configuration determination and poor flexibility; the overall envelope volume is large, the size is restricted by a carrier rocket, and the overall layout of the spacecraft is limited. The left joint and the right joint of each three-joint hinge are respectively rotatably connected with a cross rod to form a first folding and unfolding unit, the third joint of each three-joint hinge is rotatably connected with one end of a vertical rod, two adjacent cross rods are connected through a transverse driving hinge, and two adjacent first folding and unfolding units are rotatably connected through a radial driving hinge; the left joint and the right joint of each four-joint hinge are respectively rotatably connected with a cross rod to form a second folding unit, the upper joint and the lower joint of each four-joint hinge are respectively rotatably connected with the other end of a vertical rod, and two adjacent second folding units are rotatably connected through a driving hinge. The invention is used in the field of aerospace.)

一种大型体状可展桁架机构

技术领域

本发明涉及一种桁架机构，具体涉及一种大型体状可展桁架机构。属于航天航空技术领域

背景技术

空间太阳能电站是在空间中将太阳能收集、转换为电能，以无线能量方式传输至地面，再经地面整流装置变换为直流。发展空间太阳能电站，实现能流密度大、连续稳定工作，在地球同步轨道，99％的时间内可以稳定接收太阳辐射，向地面固定区域进行稳定的能量传输。但要实现太阳能电站GW级的发电，其系统尺度要在百米量级。

空间太阳能电站中心承力结构尺度直径达23m，长达数百米，必须通过多次发射和空间组装完成构建。但传统的中心承力筒结构构型确定，灵活性差；整体包络体积较大，尺寸受运载火箭约束，限制航天器整体的布局。因而空间太阳能电站无法采用常规的承力结构，需设计一个可展开的中心承力结构，以减小发射时的包络体积，降低发射成本，同时降低运载火箭对航天器尺寸的限制。

随着空间科学及空间探测技术的快速发展，现今对于大尺度、轻量化、高折叠比的空间展开机构的发展需求变得日益迫切。随着折展机构展开最大口径的增大，现存的航天运载工具的储藏空间暂时不能满足空间大型折展机构的要求，因此急需设计可以实现折叠和展开功能的空间大尺度机构。宇航空间折展机构的设计和分析是未来航天技术发展的关键基础性问题之一。

综上所述，现有的展开机构存在中心承力结构构型确定，灵活性差；整体包络体积较大，尺寸受运载火箭约束，限制航天器整体的布局的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的展开机构存在中心承力结构构型确定，灵活性差；整体包络体积较大，尺寸受运载火箭约束，限制航天器整体的布局的问题。进而提供一种体状可展开桁架机构。

本发明的技术方案是：一种体状可展开桁架机构包括四个八边形固定环和多根竖杆，四个八边形固定环中的第一八边形固定环与第四八边形固定环结构相同，第二八边形固定环与第三八边形固定环结构相同；第一八边形固定环、第二八边形固定环、第三八边形固定环和第四八边形固定环由上至下均通过多根竖杆转动连接；第一八边形固定环包括多个三接头铰链、多根横杆和多个驱动铰链，每个三接头铰链的左右两接头分别与一根横杆转动连接并组成第一折展单元，每个三接头铰链的第三接头与竖杆的一端转动连接，相邻两个第一折展单元之间通过一个驱动铰链转动连接；第三八边形固定环包括多个四接头铰链、多根横杆和多个驱动铰链，每个四接头铰链的左右两接头分别与一根横杆转动连接并组成第二折展单元，每个四接头铰链的上下两个接头分别与竖杆的另一端转动连接，相邻两个第二折展单元之间通过一个驱动铰链转动连接。

进一步地，三接头铰链包括三接头旋转铰链、第一滑动铰链接头、三接头弹簧、同步滑块、两个滑动斜杆组件和恒力弹簧，三接头弹簧套装在三接头旋转铰链的第三接头上，第一滑动铰链接头套装在三接头弹簧下端的三接头旋转铰链的第三接头上，竖杆安装在第一滑动铰链接头和三接头弹簧内，同步滑块套装在竖杆上并随第一滑动铰链接头在竖杆上滑动，两个滑动斜杆组件的一端分别与安装在三接头旋转铰链左右两接头上的横杆滑动连接，两个滑动斜杆组件的另一端分别与第一滑动铰链接头的两端转动连接，其中恒力弹簧安装在两个滑动斜杆组件的另一端与第一滑动铰链接头的两端之间。

进一步地，滑动斜杆组件包括横杆固定环、同步斜杆和转动接头，横杆固定环滑动套装在横杆上，转动接头转动安装在第一滑动铰链接头的一端上，横杆固定环与转动接头之间通过同步斜杆连接。

进一步地，驱动铰链包括第一连接件、第二连接件、转轴和外驱动滑轮，第一连接件和第二连接件通过转轴转动连接，外驱动滑轮安装在转轴的一侧。

进一步地，驱动铰链包括公铰、母铰、限位部件、锁定摆件、轴套、储能芯轴和两个恒力弹簧，限位部件和锁定摆件通过储能芯轴转动连接，公铰固定安装在限位部件的外侧，母铰固定安装在锁定摆件的外侧，轴套安装在锁定摆件的左右两侧，每个恒力弹簧的一端均与轴套连接并缠绕在储能芯轴上，每个恒力弹簧的另一端均与轴套连接。

进一步地，限位部件的上端面上设有限位凹槽，锁定摆件与限位部件的配合面上部设有限位凸起，限位部件和锁定摆件绕储能芯轴转动后通过限位凸起卡装在限位凹槽内进行限位。

进一步地，四接头铰链包括第四旋转铰链组件和三接头铰链，第四旋转铰链组件转动安装在三接头铰链中与第三接头相对的三接头旋转铰链上。

进一步地，第四旋转铰链组件包括四头固定座、四头活动座和四头转轴，四头固定座安装在三接头旋转铰链上，四头活动座通过四头转轴与四头固定座转动连接。

进一步地，第四旋转铰链组件包括四头公铰、四头母铰、铰支座、支座轴、四头锁定摆件和弹簧组件，四头母铰通过铰支座安装在四头公铰上，铰支座的上下支座之间通过支座轴转动连接，四头锁定摆件通过弹簧组件安装在铰支座上。

进一步地，它还包括多个内滑轮，每个三接头铰链的内部转动安装有一个内滑轮。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明采用恒力矩弹簧作为驱动源输出力矩为恒定值，使构型展开过程的受力及运动更加合理。

2、本发明采用了四个八边形固定环，第一八边形固定环2和第二八边形固定环3为外侧上环八棱柱，第三八边形固定环4和第四八边形固定环5向内收缩为内侧下环八棱柱。外侧上环八棱柱机构先展开，内侧下环八棱柱结构先向下移动，再展开，整个展开过程各桁架杆与铰链无干涉，顺滑无卡顿，可有效保证机构同步展开。

3、本发明实现空间大型可展开桁架机构更大的折展比，同时避免构型间的结构干涉；展开可靠性更高；实现了轻量化。根据折展比的定义即展开后的体积与收拢后的体积之比可以得出本发明的折展比为148.5422，而采用十棱柱的构型得出的折展比为131.2463，采用相比目前的空间大型可展开桁架机构具有了更大的折展比。

4、本发明具有良好的力学性能，整体结构刚度高，通用性、组合性好，形式简单，传力路径合理，滑动斜杆组件14能够传递集中载荷，沿载荷的主要传力路径布置杆件，可减小结构的质量，提高结构的性能，本发明每一个八棱柱均采用相同的结构，因此易于实现模块化且可扩展，模块数量可以根据天线口径的需求而扩展，适用于大型航天器的主要承力结构。

5、本发明为确保展开可控及减小展开到位时驱动力造成的冲击，使展开过程更加平稳可靠，设计滑轮总成作为桁架展开的缓释机构。当桁架展开到位旋转关节锁定刚化后，通过控制系统反转电机，使绳索预加预紧力，使整个桁架结构刚度提高。

6、本发明可展开桁架的桁架杆采用强度高、密度低的碳纤维管制成，实现了轻量化。

7、本发明为空间太阳能电站中可展开心承力结构积累了技术基础。

附图说明

图1是本发明处于展开状态下的整体结构示意图；图2是本发明处于半展开状态下的结构示意图；图3是本发明处于收缩状态下的结构示意图；图4是本发明采用绳索缠绕在滑轮上的缠绕示意图；图5是驱动铰链的局部放大图；图6是第二折展单元B的局部放大图；图7是第四旋转铰链组件C的结构示意图；图8是驱动铰链的另外一种优选的实施方式示意图；图9是三接头铰链的结构示意图；图10是单环收拢滑轮布置示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式的一种体状可展开桁架机构包括四个八边形固定环和多根竖杆1，四个八边形固定环中的第一八边形固定环2与第四八边形固定环5结构相同，第二八边形固定环3与第三八边形固定环4结构相同；第一八边形固定环2、第二八边形固定环3、第三八边形固定环4和第四八边形固定环5由上至下均通过多根竖杆1转动连接；第一八边形固定环2包括多个三接头铰链6、多根横杆7和多个驱动铰链8，每个三接头铰链6的左右两接头分别与一根横杆7转动连接并组成第一折展单元A，每个三接头铰链6的第三接头与竖杆1的一端转动连接，相邻两个第一折展单元A之间通过一个驱动铰链8转动连接；第三八边形固定环4包括多个四接头铰链9、多根横杆7和多个驱动铰链8，每个四接头铰链9的左右两接头分别与一根横杆7转动连接并组成第二折展单元B，每个四接头铰链9的上下两个接头分别与竖杆1的另一端转动连接，相邻两个第二折展单元B之间通过一个驱动铰链8转动连接。

具体实施方式二：结合图1和图9说明本实施方式，本实施方式的三接头铰链6包括三接头旋转铰链10、第一滑动铰链接头11、三接头弹簧12、同步滑块13和两个滑动斜杆组件14，三接头弹簧12套装在三接头旋转铰链10的第三接头上，第一滑动铰链接头11套装在三接头弹簧12下端的三接头旋转铰链10的第三接头上，竖杆1安装在第一滑动铰链接头11和三接头弹簧12内，同步滑块13套装在竖杆1上并随第一滑动铰链接头11在竖杆1上滑动，两个滑动斜杆组件14的一端分别与安装在三接头旋转铰链10左右两接头上的横杆7滑动连接，两个滑动斜杆组件14的另一端分别与第一滑动铰链接头11的两端转动连接。如此设置，保证了同时具有铰链和平台的功能，实现了铰链旋转功能的同时能够提供连接径向杆及竖杆的平台功能。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图9说明本实施方式，本实施方式的滑动斜杆组件14包括横杆固定环15、同步斜杆16和转动接头17，横杆固定环15滑动套装在横杆7上，转动接头17转动安装在第一滑动铰链接头11的一端上，横杆固定环15与转动接头17之间通过同步斜杆16连接。如此设置，保证了空间大型可展开桁架的自由度较少。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1和图5说明本实施方式，本实施方式的横向驱动铰链8包括第一连接件8-1、第二连接件8-2、转轴8-3和外驱动滑轮8-4，第一连接件8-1和第二连接件8-2通过转轴8-3转动连接，外驱动滑轮8-4安装在转轴8-3的一侧。如此设置，保证了横向驱动铰链为空间大型可展开桁架提供驱动力矩。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1和图8说明本实施方式，本实施方式的径向驱动铰链8包括公铰18、母铰19、限位部件20、锁定摆件21、轴套22、储能芯轴23和两个恒力弹簧24，限位部件20和锁定摆件21通过储能芯轴23转动连接，公铰18固定安装在限位部件20的外侧，母铰19固定安装在锁定摆件21的外侧，轴套22安装在锁定摆件21的左右两侧，本发明两个恒力矩弹簧24在铰链两侧对称布置，保证展开过程中母铰19受力均匀平稳。每个恒力弹簧24的一端均与轴套22连接并缠绕在储能芯轴23上，每个恒力弹簧24的另一端均与轴套22连接。如此设置，驱动铰链在桁架展开阶段能够通提供克服桁架机构转动副及滑动副的摩擦力并在到位时驱动锁紧机构完成锁定。恒力矩弹簧作为驱动源输出力矩为恒定值，使构型展开过程的受力及运动更加合理。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图1和图8说明本实施方式，本实施方式的限位部件20的上端面上设有限位凹槽20-1，锁定摆件21与限位部件20的配合面上部设有限位凸起21-1，限位部件20和锁定摆件21绕储能芯轴23转动后通过限位凸起21-1卡装在限位凹槽20-1内进行限位。如此设置，可阻止桁架展开到位后越位转动，造成对桁架杆的破坏。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图1和图7说明本实施方式，本实施方式的四接头铰链9包括第四旋转铰链组件C和三接头铰链6，第四旋转铰链组件C转动安装在三接头铰链6中与第三接头相对的三接头旋转铰链10上。如此设置，保证了同时具有铰链和平台的功能，实现了铰链旋转功能的同时能够提供连接径向杆及竖杆的平台功能。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图1和图6说明本实施方式，本实施方式的第四旋转铰链组件C包括四头固定座C-1、四头活动座C-2和四头转轴C-3，四头固定座C-1安装在三接头旋转铰链10上，四头活动座C-2通过四头转轴C-3与四头固定座C-1转动连接。如此设置，保证了同时具有铰链和平台的功能，实现了铰链旋转功能的同时能够提供连接径向杆及竖杆的平台功能。其它组成和连接关系与具体实施方式一至七中任意一项相同。

具体实施方式九：结合图1和图6说明本实施方式，本实施方式的第四旋转铰链组件C包括四头公铰25、四头母铰26、铰支座27、支座轴28、四头锁定摆件29和弹簧组件30，

四头母铰26通过铰支座27安装在四头公铰25上，铰支座27的上下支座之间通过支座轴28转动连接，四头锁定摆件29通过弹簧组件30安装在铰支座27上。如此设置，保证了下环八棱柱在展开后到位锁定。其它组成和连接关系与具体实施方式一至八中任意一项相同。

具体实施方式十：结合图1和图10说明本实施方式，本实施方式还包括多个内滑轮51，每个三接头铰链6的内部转动安装有一个内滑轮51。如此设置，通过设计滑轮总成作为桁架展开的缓释机构，确保展开可控及减小展开到位时驱动力造成的冲击，使展开过程更加平稳可靠。其它组成和连接关系与具体实施方式一至九中任意一项相同。

本发明的一种大型体状可展桁架机构，三接头铰链6起桁架的支撑作用，同时还能减小展开到位时驱动力造成的冲击，使展开过程更加平稳可靠。由于同步机构原理为曲柄滑块机构，且同步机构对称布置，保证机构在展开的时候滑块向上滑动带动横杆展开。所以滑动斜杆组件14用于控制可展机构的展开和翻转。根据《机械原理》中转动轴颈的摩擦力计算公式可以得到，构型整体的摩擦力相比于驱动力矩极小；同时考虑到到位时的力冲击不易过大，避免对桁架结构造成破坏取驱动铰链的驱动力矩10Nm。因此驱动铰链8能够克服桁架机构转动副及滑动副的摩擦力并在到位时驱动锁紧机构完成锁定。由于可展开桁架机构展开时无外力作用，因而驱动源仅需克服自身摩擦力矩且能克服锁定机构到位限制完成自锁。由于四接头的母铰与公铰绕着旋转轴旋转并且通过接头连接着竖杆与横杆，因此第四旋转铰链组件C能够实现旋转功能的同时能够提供连接径向杆及竖杆的平台功能。

其中有16根横杆7通过8个三接头铰链6相连接组成8边形固定环，杆件与接头铰接。有16根横杆7与8个四接头铰链9铰接组成8边形固定环。横杆与横杆之间采用径向驱动铰链连接。整个桁架机构共有4个8边形固定环，分别是有两个三接头铰链6组成的8边形固定环，有两个四接头铰链9组成的8边形固定环。三接头铰链6组成的8边形固定环与四接头铰链9组成的8边形固定环通过竖杆1连接，竖杆与接头铰接在一起。

当桁架展开到位旋转关节锁定刚化后，通过控制外置的电机，使绳索预加预紧力，使整个桁架结构刚度提高。其中绳索的释放速度即为桁架展开速率。

本发明的进一步技术方案，当整个桁架机构展开时，安装在四头锁定摆件29上的锁定轴52嵌入四头公铰25的凹槽中，保持锁定状态。

本发明的进一步技术方案，其中滑轮主要装在径向驱动铰链的一端，与径向铰链共用同一个轴。滑轮通过螺母进行轴向的限位，将下环八棱柱的滑轮系统安放在内侧，上环八棱柱的滑轮系统安放在外侧，避免了构型间的结构干涉。

本发明的进一步技术方案，可展开桁架的桁架杆及同步机构杆均采用强度高、轻量化、密度低的碳纤维管制成，桁架机构的铰链为钛合金打印而成，其余零件为铝合金材料

本发明的进一步技术方案，滑轮安装在在上环接头的外侧及下环接头的内侧，在上环接头的外侧及下环接头的内侧留孔，并且滑轮与径向铰链共用同一根轴。

绳索具体安装在第一个八棱柱以及第三个八棱柱上，结合图4,以第一个八棱柱举例，第一根线从八棱柱下面的四接头滑轮开始绕过横向驱动铰链的滑轮，接着绕过八棱柱上面的三接头滑轮，如此循环绕线。第二根线从八棱柱上面的三接头滑轮开始绕过横向驱动铰链的滑轮，接着绕过八棱柱下面的四接头滑轮，如此循环绕线。两根线均绕在电机轴上，通过控制电机转速来控制展开速度。下环八棱柱与上环八棱柱的绕线不同的是下环八棱柱的滑轮系统安放在内侧，上环八棱柱的滑轮系统安放在外侧，避免了构型间的结构干涉。

本发明的工作原理：

本发明中，以收拢率作为设计目标，以可展开桁架机构能够实现在轨三维展开，其展开后径向包络直径为23m左右作为设计原则。本发明收拢时驱动铰链存储弹性势能。当展开时驱动铰链驱动八棱柱机构展开。本发明整体结构由收拢到完全展开大致分为八棱柱的横向展开及翻转两个运动过程，两个过程中机构的展开及驱动方式大致如下：

机构处于收拢姿态，在收拢状态下，四接头铰链9、驱动铰链8均处于收拢状态，在该状态下恒力弹簧24储存弹性势能；所有的横杆7都处于竖直状态，整个装置用连接包带锁紧。

机构横向展开过程，经电信号控制的包带首先解锁，由于储存能量的恒力矩恒力弹簧24需要释放能量，横杆7与横杆7连接的驱动铰链8带动横杆7展开，从而带动整个八棱柱机构顺利展开。当最***一层八棱柱即上环八棱柱完全展开时，驱动铰链8组件中锁定摆件21通过摆件导轨滑入凹槽中，实现锁定。其中限位螺钉和限位螺母都起到限制锁紧摆件行程的作用。四接头铰链9通过滑块的上下移动以及对称布置的横杆固定环和同步斜杆使展开单元展开过程中保持上下对称且左右对称。中环八棱柱和下环八棱柱均处于未完全展开状态，该八棱柱的驱动铰链8还未锁定。

机构翻转过程，当最外面一层八棱柱完全展开并自动实现锁定后，四接头铰链9储存的弹性势能释放，驱动竖杆1实现180度转动。当竖杆1在转动的过程中，下环八棱柱收拢，其中四接头铰链9、驱动铰链8、旋转铰链组件折叠，恒力矩恒力弹簧24储存弹性势能。直至竖杆1转到90度时，下环八棱柱收拢体积最小。当竖杆1继续转动直至180度时，下环八棱柱开始展开，此时的驱动源有驱动铰链8提供的弹性势能以及驱动铰链8提供的弹性势能。当竖杆1达到180度时，驱动铰链8中锁定摆件21通过摆件导轨滑入凹槽中，实现横杆7与横杆7之间的锁定。其中限位螺钉和限位螺母都起到限制锁定摆件21行程的作用。驱动铰链8中锁定摆件21通过摆件导轨滑入凹槽中，实现竖杆1与竖杆1之间的锁定。其中限位螺钉和限位螺母都起到限制锁定摆件21行程的作用。当桁架展开到位旋转关节锁定刚化后，通过控制系统反转电机，使绳索预加预紧力，使整个桁架结构刚度提高。整套机构完全展开并锁定。