一种新型单自由度可折叠柱状结构
阅读说明：本技术 一种新型单自由度可折叠柱状结构 (Novel single-degree-of-freedom foldable columnar structure ) 是由 李纪辉 邓子辰 安思奇 朱志韦 于 2021-07-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种新型单自由度可折叠柱状结构,包括折叠单元组和连接装置；折叠单元组包括多个沿直线排布的折叠单元,连接装置用于连接相邻的折叠单元；折叠单元包括正六边形面板、带扭簧的旋转副、标准旋转副和锁紧装置；当折叠单元处于完全展开状态时,折叠单元为类球体形状,未使用标准旋转副或带扭簧的旋转副连接的相邻正六边形面板通过锁紧装置锁定；多个折叠单元通过连接装置连接构成柱状结构。本发明有利于提升系统的收纳效率,简化控制系统的设计,提高系统展开过程的精度和可靠度。(The invention discloses a novel single-degree-of-freedom foldable columnar structure, which comprises a folding unit group and a connecting device; the folding unit group comprises a plurality of folding units which are arranged along a straight line, and the connecting device is used for connecting the adjacent folding units; the folding unit comprises a regular hexagon panel, a rotating pair with a torsion spring, a standard rotating pair and a locking device; when the folding unit is in a fully unfolded state, the folding unit is in a spheroid shape, and adjacent regular hexagon panels which are not connected by a standard revolute pair or a revolute pair with a torsion spring are locked by a locking device; the plurality of folding units are connected through the connecting device to form a columnar structure. The invention is beneficial to improving the storage efficiency of the system, simplifying the design of the control system and improving the precision and reliability of the system in the unfolding process.)
技术领域
本发明属于航天技术领域，具体涉及一种可折叠柱状结构。
背景技术
可折叠结构在航天结构领域具有重要应用，其在发射阶段处于折叠状态，到达预定轨道之后展开为工作状态。其中，柱状伸展臂具有质量轻、收纳比高等优点，在多个航天任务中扮演重要角色。例如，柱状伸展臂可以作为超大型太阳翼的承载结构并驱动太阳翼展开；柱状伸展臂可以作为连接卫星本体与载荷的桥梁使得载荷远离卫星本体，进而避免卫星本体电磁环境对载荷产生影响。目前，常用的柱状伸展臂包含套筒式伸展臂、盘压杆式伸展臂和铰接柱式伸展臂。
套筒式伸展臂通常由一系列同心的薄壁圆管嵌套在一起，该结构形式可靠性较高，但是收拢体积较大，展开长度也有限。盘压杆式伸展臂利用纵梁盘压收拢时储存的应变能驱动结构展开，该结构形式简单，可靠性高，但是可重复折叠展开的难度很大。铰接柱式伸展臂的纵梁由多个单元段铰接而成，每个单元段的纵梁通过横向框架连接在一起，其展开和折叠需要套筒的协助。但是套筒重量较大，增加了发射成本，而且单元段依次展开，结构本身自由度数量多，间接增加了驱动控制难度。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种新型单自由度可折叠柱状结构，包括折叠单元组和连接装置；折叠单元组包括多个沿直线排布的折叠单元，连接装置用于连接相邻的折叠单元；折叠单元包括正六边形面板、带扭簧的旋转副、标准旋转副和锁紧装置；当折叠单元处于完全展开状态时，折叠单元为类球体形状，未使用标准旋转副或带扭簧的旋转副连接的相邻正六边形面板通过锁紧装置锁定；多个折叠单元通过连接装置连接构成柱状结构。本发明有利于提升系统的收纳效率，简化控制系统的设计，提高系统展开过程的精度和可靠度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种新型单自由度可折叠柱状结构，包括折叠单元组和连接装置；所述折叠单元组包括多个沿直线排布的折叠单元，所述连接装置用于连接相邻的折叠单元；
所述折叠单元为折叠式伸缩结构，包括M个正六边形面板、Q个带扭簧的旋转副、L个标准旋转副和P个锁紧装置；
当折叠单元处于折叠状态时，折叠单元分为两个完全相同的第一折叠面和第二折叠面，第一折叠面和第二折叠面均为类U型形状，第一折叠面和第二折叠面对称；所述第一折叠面和第二折叠面通过Q个带扭簧的旋转副进行连接；第一折叠面内和第二折叠面内相邻的正六边形面板通过标准旋转副进行连接；
当折叠单元处于完全展开状态时，折叠单元为类球体形状，未使用标准旋转副或带扭簧的旋转副连接的相邻正六边形面板通过锁紧装置锁定；多个折叠单元通过连接装置连接构成柱状结构。
进一步地，所述折叠单元包括8个正六边形面板、4个带扭簧的旋转副、6个标准旋转副和2个锁紧装置。
进一步地，所述当折叠单元处于折叠状态时，第一折叠面和第二折叠面各有4个正六边形面板，4个正六边形面板之间有3个相邻边，使用3个标准旋转副122分别设置在3个相邻边连接相邻的正六边形面板；当折叠单元处于未完全展开状态时，第一折叠面和第二折叠面之间有4个相邻边，使用4个带扭簧的旋转副分别设置在4个相邻边连接相邻的正六边形面板；当折叠单元处于完全展开状态时，有2个未设置标准旋转副或带扭簧的旋转副的相邻边，使用2个锁紧装置分别设置在2个相邻边锁定相邻的正六边形面板。
进一步地，所述锁紧装置包括上锁紧块和下锁紧块；所述上锁紧块和下锁紧块分别用螺丝固定在对应的正六边形面板上；所述上锁紧块含有一个齿状倒钩，下锁紧块含有一个凹槽，且设有弧面；当上锁紧块与下锁紧块初始接触时，齿状倒钩在弧面上滑动，当齿状倒钩进入凹槽时，锁紧装置实现锁定，此时折叠单元处于完全展开状态。
进一步地，所述带扭簧的旋转副的转动角度范围为0～109.47°，标准旋转副的转动角度范围为109.47°～180°。
进一步地，所述当折叠单元处于完全展开状态时，折叠单元为截角八面体形状。
进一步地，所述连接装置为旋转副，两个相邻的折叠单元使用4个旋转副进行连接。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明的一种单自由度伸展臂展开机构，完全折叠状态时的长度仅与面板厚度相关，完全展开状态时结构外形轮廓变成一系列三维截角八面体串联组成的柱状结构，具有很高的收纳效率。
(2)本发明的一种单自由度伸展臂展开机构，从机构学角度来看只有一个运动自由度，给定一个输入就可以控制整个结构的展开或者折叠，有利于简化控制系统的设计，提高系统展开过程的精度和可靠度；
(3)本发明的一种单自由度伸展臂展开机构，通过在面板上附加锁紧装置，可以在完全展开状态下实现结构锁定，提高了伸展臂整体结构的承载能力和可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例的一种柱状伸展臂展开机构完全折叠状态下的结构示意图。
图2为本发明实施例的一种柱状伸展臂展开机构展开过程状态下的结构示意图。
图3为本发明实施例的一种柱状伸展臂展开机构完全展开状态下的结构示意图。
图4为本发明折叠单元展开过程中一种状态下的结构示意图。
图5为本发明折叠单元展开过程中另一种状态下的结构示意图。
图6为本发明折叠单元完全折叠状态下的结构示意图。
图7为本发明折叠单元完全打开状态下的结构示意图。
图8为图7在A处的局部放大图。
图中：1-折叠单元，11-正六边形面板、12-旋转副、121-带扭簧的旋转副、122-标准旋转副、13-带凹槽的锁紧装置、131-锁紧装置的上锁紧块、132-锁紧装置的下锁紧块、2-连接装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
为了解决现有伸展臂机构所存在的驱动复杂、收拢体积大、重量较大等问题，本发明提供一种单自由度的、可模块化组装的、高收纳效率的、高承载能力的伸展臂展开机构。
一种新型单自由度可折叠柱状结构，包括折叠单元组和连接装置2；所述折叠单元组包括多个沿直线排布的折叠单元1，所述连接装置2用于连接相邻的折叠单元1；
所述折叠单元1为折叠式伸缩结构，包括M个正六边形面板、Q个带扭簧的旋转副121、L个标准旋转副122和P个锁紧装置；
当折叠单元1处于折叠状态时，折叠单元1分为两个完全相同的第一折叠面和第二折叠面，第一折叠面和第二折叠面均为类U型形状，第一折叠面和第二折叠面对称；所述第一折叠面和第二折叠面通过Q个带扭簧的旋转副121进行连接；第一折叠面内和第二折叠面内相邻的正六边形面板通过标准旋转副122进行连接；
当折叠单元1处于完全展开状态时，折叠单元1为类球体形状，未使用标准旋转副122或带扭簧的旋转副121连接的相邻正六边形面板通过锁紧装置锁定；多个折叠单元1通过连接装置2连接构成柱状结构。
进一步地，所述折叠单元1包括8个正六边形面板、4个带扭簧的旋转副121、6 个标准旋转副122和2个锁紧装置。
进一步地，所述当折叠单元1处于折叠状态时，第一折叠面和第二折叠面各有4 个正六边形面板，4个正六边形面板之间有3个相邻边，使用3个标准旋转副122分别设置在3个相邻边连接相邻的正六边形面板；当折叠单元1处于未完全展开状态时，第一折叠面和第二折叠面之间有4个相邻边，使用4个带扭簧的旋转副121分别设置在4个相邻边连接相邻的正六边形面板；当折叠单元1处于完全展开状态时，有2个未设置标准旋转副122或带扭簧的旋转副121的相邻边，使用2个锁紧装置分别设置在2个相邻边锁定相邻的正六边形面板。
进一步地，所述锁紧装置13包括上锁紧块131和下锁紧块132；所述上锁紧块 131和下锁紧块132分别用螺丝固定在对应的正六边形面板上；所述上锁紧块131含有一个齿状倒钩，下锁紧块132含有一个凹槽，且设有弧面；当上锁紧块131与下锁紧块132初始接触时，齿状倒钩在弧面上滑动，当齿状倒钩进入凹槽时，锁紧装置13 实现锁定，此时折叠单元1处于完全展开状态。
进一步地，所述带扭簧的旋转副121的转动角度范围为0～109.47°，标准旋转副122的转动角度范围为109.47°～180°。
进一步地，所述当折叠单元1处于完全展开状态时，折叠单元1为截角八面体形状。
进一步地，所述连接装置2为旋转副21，两个相邻的折叠单元1使用4个旋转副 21进行连接。
具体实施例：
参见图1～图3，本发明的实施例公开了一种柱状伸展臂展开机构。该伸展臂展开机构由若干折叠单元1组成，每一组相邻的折叠单元1之间通过一组旋转副12连接。折叠单元1可以沿展开方向周期性阵列。
图1展示了由五个折叠单元1构成的伸展臂展开机构处于完全折叠状态时的构型，此时结构的外形轮廓近似于字母”U”。折叠单元1的数量可以根据使用需求任意选择，本实施例中仅以五个折叠单元1为例进行说明。
图2展示了伸展臂展开机构在某一展开瞬间的构型。如图2所示，整个结构是同步展开的，折叠单元1之间的运动协调一致。在展开过程中，原本贴合的面板逐渐分离，结构的长度不断伸长。
图3展示了伸展臂展开机构在完全展开状态下的构型。此时，折叠单元1中原本分离的两组边线完全重合，折叠单元1的外形轮廓变成截角八面体。整个伸展臂展开机构可以看作是由五个“截角八面体”串联而成的柱状结构。
由于该伸展臂展开机构由相同的折叠单元1组成，整个伸展臂展开机构的性质很大程度上取决于折叠单元1。
参见图4～图5，折叠单元1由八个正六边形面板11组装而成。具体的，八个正六边形面板按照图4所示的相对位置排列。任意两个相邻的正六边形面板11之间会有一条边线重合，该折叠单元1一共有十条重合的边线，并且这些重合的边线均位于折叠单元1中面板的内表面。为了将这八个离散的正六边形面板连接成一个整体，该实施例在每一条重合的边线位置布置一个旋转副12，一共需要布置十个旋转副12。由于旋转副12的位置恰好满足空间球铰机构组网的几何条件，因此折叠单元1的八个正六边形面板11是运动协调的，并且组装之后的折叠单元1只有一个自由度。
这十个旋转副12根据转动角度可以分为第一旋转副组和第二旋转副组。其中第一旋转副组含有四个旋转副12，这四个旋转副12的转动角度范围为0～109.47°。第二旋转副组含有六个旋转副12，这六个旋转副12的转动角度范围为109.47°～180°。
为了使折叠单元1具有自动展开的功能，可以把第一旋转副组设置为含有扭簧的旋转副121。优选的，图4中所示的四个连接位置布置含有扭簧的旋转副121，图5所示的六个位置布置标准旋转副122。
图6展示了折叠单元1处于完全折叠状态时的构型，此时含有扭簧的旋转副121 所连接的面板完全贴合在一起。图7展示了折叠单元1处于完全展开状态时的构型，此时折叠单元1的外形轮廓是截角八面体。折叠单元1在展开过程中，含有扭簧的旋转副121所连接的两块面板从完全贴合状态逐渐分离，达到完全展开状态时两块面板的二面角等于109.47°。标准旋转副122会随着带扭簧的旋转副121的转动而转动，整个结构的运动是协调一致的。
参见图7，折叠单元1处于完全展开状态时，有两组边线会重合在一起。为了提高结构的刚度，本实施例在这两组重合的边线位置设置了一种锁紧装置13。该锁紧装置13不会影响折叠单元1的展开过程，但是一旦结构达到完全展开状态，该锁紧装置实现锁定，此时，折叠单元1失去了折叠能力，结构的整体性和承载能力会大大增强。
图8展示了锁紧装置13的构造细节。锁紧装置13由上锁紧块131和下锁紧块132 组成。上锁紧块131和下锁紧块132分别用螺丝固定在对应的正六边形面板11上。上锁紧块131含有一个齿状倒钩，下锁紧块132含有一个凹槽，且左侧设有弧面。当上锁紧块131与下锁紧块132初始接触时，齿状倒钩可以较为容易的在弧面上滑动，当齿状倒钩进入凹槽时，锁紧装置13实现锁定，此时折叠单元1刚好处于完全展开状态。
两个折叠单元1可以通过一组旋转副12连接在一起。当两个折叠单元1连接在一起时，左侧折叠单元1的最右侧的四条边线会与右侧折叠单元1的最左侧的四条边线重合，这四条重合的边线均位于相应面板的外表面。为了将两个折叠单元1连接起来，需要在这四条重合的边线位置布置四个旋转副21。
值得注意的是，每一个“顶点”位置包含四个旋转副12，其中两个旋转副12分别位于折叠单元1面板的内表面，而另外两个连接装置的旋转副21位于连接位置面板的外表面，这四个旋转副并不交于一点。但是，由于两个相邻的旋转副之间相对转动角度相等，并且相邻两个旋转副的最短距离都相等，因此这四个旋转副满足Bennett 机构的几何条件。Bennett机构是一种单自由度的空间过约束机构，它保证了两个连接的折叠单元1之间是运动协调的，而且组装之后的结构仍然具有单自由度的特性。进一步的，任意数量的折叠单元1可以按这种方式连接在一起，而且得到的组装体仍然是一个单自由度的机构。
本实施例中面板均采用正六边形实心厚板，为了降低伸展臂展开机构的整体质量，可以把正六边形实心厚板进行一定范围的镂空处理，从而降低正六边形面板的质量，只要保证正六边形的轮廓不发生改变，就可以按照上述方法进行组装。