一种刚性铰链式变拓扑空间多面体折展机构

技术领域

本发明涉及一种折展机构，特别是一种刚性铰链式变拓扑空间多面体折展机构。

背景技术

随着我国航天事业的蓬勃发展，空间折展机构已演变成当今航天领域的研究的重点内容，各类型的空间折展机构都得到了快速发展和应用，如大型太阳帆板支架、空间站基础骨架、大面积折展太阳能电池板、大口径折展天线、空间伸展臂等。因航天运载装置的空间限制，航天大型结构都要做成可折展的结构，以便占据最少的空间，待航天器进入轨道后在展开至工作状态；返回时，可折展结构折叠收拢进入船体。目前现有的空间折展机构还较少，结构多数是通过折展单元的拓扑或阵列构成的，且多是以一维线与二维面展开，折叠展比例小，工作构型单一，不能有效应对不同形式下的工作环境。

中国专利202010092631.6公开了一种单自由度对称空间耦合可展单元及基于此的空间可展机构，该机构具有刚度大、可靠性高等特点，但该机构工作构型较少，展开的拓扑形态仅为伞状及二维平面状态；中国专利201210310520.3公开了一种基于正方形单元平面阵列可展机构，该机构存在工作构型单一、折展比小、机构仅为二维平面折展等问题。目前尚未见到一种具有折叠比大、可靠性高、稳定性强、折叠过程简单的空间折展机构的发明创新设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种刚性铰链式变拓扑空间多面体折展机构，它能构根据工作环境需求，在各个构态中灵活转变，具有折叠比大、可靠性高、稳定性强、折叠过程简单的等特点。

为实现上述目的，本发明采用了以下的技术手段：

一种刚性铰链式变拓扑空间多面体折展机构，包括第一组六连杆机构、第二组六连杆机构、第三组六连杆机构、第四组六连杆机构、第四连架杆、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、连架基座一、第一组九连杆机构、第二组九连杆机构、第一摆杆、第二摆杆、第三摆杆、第四摆杆、第五摆杆、第六摆杆、第七摆杆、第八摆杆、三自由度复合铰链、第一连接铰链、第二连接铰链，具体结构和连接方式如下，

所述第一组六连杆机构由第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆组成，每个连杆均开有连杆之间相互连接的销孔。第一连杆与第二连杆通过转动副相连，第二连杆与第三连杆通过转动副相连，第三连杆与第四连杆通过转动副相连，第四连杆与第五连杆通过转动副相连，第五连杆与第六连杆通过转动副相连，其余三组六连杆机构与第一组六连杆机构的结构及连接关系完全相同；

所述第一连杆与第四连杆开有与三自由度复合铰链相连的销孔；

所述三自由度复合铰链由第一连接铰链与第二连接铰链通过转动副相连，其转动副两两相互垂直，可视为球副便于驱动，本机构共有三十二个三自由度复合铰链。

所述第一组九连杆机构由连架基座一、第一摆杆、第二摆杆、第三摆杆、第四摆杆、第五摆杆、第六摆杆、第七摆杆、第八摆杆、三自由度复合铰链一、三自由度复合铰链二、三自由度复合铰链三、三自由度复合铰链四、三自由度复合铰链五、三自由度复合铰链六、三自由度复合铰链七、三自由度复合铰链八组成；三自由度复合铰链一至三自由度复合铰链八均通过转动副与连架基座一相连，第一摆杆与连架基座一通过三自由度复合铰链一相连，第二摆杆与连架基座一通过三自由度复合铰链二相连，第三摆杆与连架基座一通过三自由度复合铰链三相连，第四摆杆与连架基座一通过三自由度复合铰链四相连，第五摆杆与连架基座一通过三自由度复合铰链五相连，第六摆杆与连架基座一通过三自由度复合铰链六相连，第七摆杆与连架基座一通过三自由度复合铰链七相连，第八摆杆与连架基座一通过三自由度复合铰链八相连，第二组九连杆机构与第一组九连杆机构的结构及连接关系完全相同；

所述第一组九连杆机构通过三自由度复合铰链九至三自由度复合铰链十六与第一组六连杆机构至第四组六连杆机构相连，其中第一摆杆与第一组六连杆机构通过三自由度复合铰链九相连，第二摆杆与第一组六连杆机构通过三自由度复合铰链十相连，第三摆杆与第二组六连杆机构通过三自由度复合铰链十一相连，第四摆杆与第二组六连杆机构通过三自由度复合铰链十二相连，第五摆杆与第三组六连杆机构通过三自由度复合铰链十三相连，第六摆杆与第三组六连杆机构通过三自由度复合铰链十四相连，第七摆杆与第四组六连杆机构通过三自由度复合铰链十五相连，第八摆杆与第四组六连杆机构通过三自由度复合铰链十六相连，第二组九连杆机构与第一组六连杆机构、第二组六连杆机构、第三组六连杆机构、第四组六连杆机构的结构及连接关系完全相同。

本发明可以带来如下有益效果：

1.本发明的可展机构通过折叠或展开运动可以实现折叠态至空间展开态的构型变化，能够实现从折叠态变换成空间多面体、长方体、十字形截面的空间多面体等不同形式的拓扑结构。

2.本发明的可展机构可作为空间可展机构的组成单元，通过不同铰链的连接，拓扑阵列组成多种形式的空间可展机构，满足作业需求。

3.本发明的可展机构具备构件组成简单、连接方式简单、折叠比大、折叠过程简单、展开稳定等优点。

附图说明

图1是发明所述的折展机构的六连杆机构结构示意图。

图2是发明所述的折展机构的长方体构型结构示意图。

图3是发明所述的折展机构的复合铰链的局部放大示意图。

图4是发明所述的折展机构的六连杆机构的折叠工作图。

图5是发明所述的折展机构的六连杆机构折叠的局部放大示意图。

图6是发明所述的折展机构的九连杆机构的折叠工作图。

图7是发明所述的折展机构的九连杆机构折叠工作的局部放大示意图。

图8是发明所述的折展机构的九连杆机构折叠工作中局部放大示意图。

图9是发明所述的折展机构的完全折叠状态的结构示意图。

图10是发明所述的折展机构的展开的多面体构型的结构示意图。

图11是发明所述的折展机构的展开的十字形截面构型的结构示意图。

图中标记为：1.第一连杆；2.第二连杆；3.第三连杆；4.第六连杆；5.第五连杆；6.第四连杆；7.第二组九连杆机构；8.三自由度复合铰链十五；9.三自由度复合铰链十四；10.三自由度复合铰链十三；11.三自由度复合铰链十二；12.第一摆杆；13.第八摆杆；14..三自由度复合铰链一；15.连架基座一；16.三自由度复合铰链八；17.第二摆杆；18.三自由度复合铰链二；19.第三摆杆；20.三自由度复合铰链三；21.第七摆杆；22.三自由度复合铰链七；23.第六摆杆；24.三自由度复合铰链六；25.第四摆杆；26.三自由度复合铰链四；27.第五摆杆；28.三自由度复合铰链五；29.第一组六连杆机构；30.第四组六连杆机构；31.第二组六连杆机构；32.第三组六连杆机构；33.三自由度复合铰链十；34.三自由度复合铰链十六；35.三自由度复合铰链九。36.三自由度复合铰链十一；37.第一连接铰链；38.第二连接铰链；39.第一组九连杆机构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行进一步描述。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11所示，本发明所述的一种刚性铰链式变拓扑空间多面体折展机构，具体结构和连接关系为：

所述第一组六连杆机构29由第一连杆1、第二连杆2、第三连杆3、第四连杆6、第五连杆5、第六连杆4组成，每个连杆均开有连杆之间相互连接的销孔。第一连杆1与第二连杆2通过转动副相连，第二连杆2与第三连杆3通过转动副相连，第三连杆3与第四连杆6通过转动副相连，第四连杆6与第五连杆5通过转动副相连，第五连杆5与第六连杆4通过转动副相连，其余三组六连杆机构与第一组六连杆机构29的结构及连接关系完全相同；

所述第一连杆1与第四连杆6开有与三自由度复合铰链相连的销孔；

所述三自由度复合铰链由第一连接铰链37与第二连接铰链38通过转动副相连，其转动副两两相互垂直，可视为球副便于驱动，本机构共有三十二个结构及连接关系完全相同三自由度复合铰链。

所述第一组九连杆机构39由连架基座一15、第一摆杆12、第二摆杆17、第三摆杆19、第四摆杆25、第五摆杆27、第六摆杆23、第七摆杆21、第八摆杆13、三自由度复合铰链一14、三自由度复合铰链二18、三自由度复合铰链三20、三自由度复合铰链四26、三自由度复合铰链五28、三自由度复合铰链六24、三自由度复合铰链七22、三自由度复合铰链八16组成；三自由度复合铰链一14至三自由度复合铰链八16均通过转动副与连架基座一15相连，第一摆杆12与连架基座一15通过三自由度复合铰链一14相连，第二摆杆17与连架基座一15通过三自由度复合铰链二18相连，第三摆杆19与连架基座一15通过三自由度复合铰链三20相连，第四摆杆25与连架基座一15通过三自由度复合铰链四26相连，第五摆杆27与连架基座一15通过三自由度复合铰链五28相连，第六摆杆23与连架基座一15通过三自由度复合铰链六24相连，第七摆杆21与连架基座一15通过三自由度复合铰链七22相连，第八摆杆13与连架基座一15通过三自由度复合铰链八16相连，第二组九连杆机构7与第一组九连杆机构39的结构及连接关系完全相同；

所述第一组九连杆机构39通过三自由度复合铰链九35至三自由度复合铰链十六34与第一组六连杆机构29至第四组六连杆机构30相连，其中第一摆杆12与第一组六连杆机构29通过三自由度复合铰链九35相连，第二摆杆17与第一组六连杆机构29通过三自由度复合铰链十33相连，第三摆杆19与第二组六连杆机构31通过三自由度复合铰链十一36相连，第四摆杆25与第二组六连杆机构31通过三自由度复合铰链十二11相连，第五摆杆27与第三组六连杆机构32通过三自由度复合铰链十三10相连，第六摆杆23与第三组六连杆机构32通过三自由度复合铰链十四9相连，第七摆杆21与第四组六连杆机构30通过三自由度复合铰链十五8相连，第八摆杆13与第四组六连杆机构30通过三自由度复合铰链十六34相连，第二组九连杆机构7与第一组六连杆机构29、第二组六连杆机构31、第三组六连杆机构32、第四组六连杆机构30的结构及连接关系完全相同。

本发明的工作原理是：该空间多面体折展机构的六连杆机构与九连杆机构的结构及连接关系完全相同，因此这里只对其中的一组六连杆机构与九连杆机构的工作原理的进行分析。

所述第一组六连杆机构29由第一连杆1、第二连杆2、第三连杆3、第四连杆6、第五连杆5、第六连杆4组成，第一连杆1与第二连杆2通过转动副相连，第二连杆2与第三连杆3通过转动副相连，第三连杆3与第四连杆6通过转动副相连，第四连杆6与第五连杆5通过转动副相连，第五连杆5与第六连杆4通过转动副相连。驱动副为第一连杆1与第六连杆4和第五连杆5与第六连杆4的转动副，当第一连杆1与第五连杆5相向转动的时，第一组六连杆机构29为折叠工作状态。同理其他的三组六连杆机构与第一组六连杆机构29的工作原理完全相同，当四组六连杆机构完全折叠时的工作状态如图4所示。反之，在驱动副上施加相反方向的运动时，机构将会展开。

所述第一组九连杆机构39通过三自由度复合铰链九35至三自由度复合铰链十六34与第一组六连杆机构29至第四组六连杆机构30相连，其中第一摆杆12与第一组六连杆机构29通过三自由度复合铰链九35相连，第二摆杆17与第一组六连杆机构29通过三自由度复合铰链十33相连，第三摆杆19与第二组六连杆机构31通过三自由度复合铰链十一36相连，第四摆杆25与第二组六连杆机构31通过三自由度复合铰链十二11相连，第五摆杆27与第三组六连杆机构32通过三自由度复合铰链十三10相连，第六摆杆23与第三组六连杆机构32通过三自由度复合铰链十四9相连，第七摆杆21与第四组六连杆机构30通过三自由度复合铰链十五8相连，第八摆杆13与第四组六连杆机构30通过三自由度复合铰链十六34相连。同理第二组九连杆机构7和第一组九连杆机构39与第一组六连杆机构29至第四组六连杆机构30的结构及连接关系完全相同。如图4所示，此工作状态下为九连杆机构即将进入折叠的工作初始位置，每个三自由度铰链的运动副都处于释放状态，相当于球副。因该机构呈完全对称关系，这里以第一组九连杆机构39中的第二摆杆17进行说明，此时第二摆杆17相连的三自由度复合铰链十33中的第一连接铰链37转动至转动副轴线位置与第一组六连杆机构29中的第四连杆6的连杆中心线相互垂直，第二连接铰链38相对第一连接铰链37的转动角度为0度，与第二摆杆17相连三自由度复合铰链二18与三自由度复合铰链十33的转动状态呈完全对称关系。第一摆杆12与第二摆杆17上的铰链连接及转动关系完全一致，其余三组第三摆杆19与第四摆杆25、第五摆杆27与第六摆杆23、第七摆杆21与第八摆杆13与第一摆杆12与第二摆杆17上的铰链连接及转动状态呈完全对称关系。驱动副为四个，分别为三自由度复合铰链十33、三自由度复合铰链十二11、三自由度复合铰链十四9、三自由度复合铰链十六34中的第一连接铰链37与第二连接铰链38相连的转动副上，施加四个驱动后，连架基座一15将会以转动并加上始终保持与四个六连杆机构中的第三连杆3平行的方向运动，此时如图6、图7、图8所示。当第二组九连杆机构7也折叠运动时，如图9所示，此时为该空间多面体折展机构的完全折叠状态，占据空间也是最小的。反之，在四个驱动副上施加相反方向的运动时，机构将会展开。

如图2所示，当该空间多面体折展机构为长方体构型时，以第一组九连杆机构39叙述其工作原理，将所有与六连杆机构相连的三自由度复合铰链中的第一连接铰链37上的两个转动副锁死，即第一连接铰链37与所有六连杆机构上第三连杆3相连转动副及第一连接铰链37与第二连接铰链38相连的转动副锁死；与连架基座一15相连的三自由度复合铰链中的第一连接铰链37上的两个转动副锁死，此时三自由度复合铰链退化为单自由度铰链，第一组九连杆机构39上所有的摆杆仅能绕其做单自由度的转动，驱动副分别添加在三自由度复合铰链一14与第一摆杆12、三自由度复合铰链三20与第三摆杆19、三自由度复合铰链五28与第五摆杆27、三自由度复合铰链七22与第七摆杆21中的转动副上，第二组九连杆机构7与第一组九连杆机构39的驱动及转动关系完全一致，施加驱动后由各摆杆分别带动每组六连杆机构实现展开运动，当摆杆转动45度时，该折展机构的展开至类似球状的多面体拓扑构型，此时占据空间的体积为达到最大(如图10所示)，当摆杆继续转动45度时，该折展机构的展开成截面为十子形的多面体拓扑构型(如图11所示)。反之，在八个驱动副上施加相反方向的运动时，机构将会收缩成长方体构型。