八面体桁架单元变几何桁架的模块化单元

摘要

本发明公开了一种八面体桁架单元变几何桁架的模块化单元，包括一套主动机构、两套被动机构和十二根用于连接主动机构和被动机构的并联被动杆。特别地，主动机构中的三个主动器使用了一种互相穿插的串联连接方式，能够在不增加单元尺寸的情况下大幅提升主动杆的伸长率，提升机构的机动性能。本发明的八面体桁架单元变几何桁架的模块化单元具有小尺寸、大运动范围、高精度、高刚度、可折叠收纳、可向外扩展等特性可用于航天空间可展机构、操控机构、跟踪机构、工业控制机构等。

说明书

技术领域

本发明涉及一种八面体桁架单元变几何桁架的模块化单元。

背景技术

八面体单元是一种静定单元，每个节点都受到恰到好处的约束，改变任意一根杆长就能改变机构的构型，因此，基于八面体单元衍生出了多种并联运动机构。将多个这样的八面体单元串接起来，就形成了变几何桁架，相对于传统的串联机构，其在保持精度的情况下，具有质量轻、刚度高等优势，运动速度则稍慢。因此，变几何桁架机构特别适用于对质量要求严苛的航天领域。

陈务军、关富玲、陈向阳等著的“正八面体单元伸展臂研究”(宇航学报，1999，20(2)：41-47)研究了正八面体桁架单元机构几何分析方法与特征；

陈务军、董石麟、付功义等著的“一高刚性同步展开空间伸展臂设计研究”(2000年中国博士后学术大会论文集，北京：科学出版社)研究了三棱桁架构成高刚性同步伸展的伸展臂；

陈务军、付功义、何艳丽等著的“八面体桁架单元及其派生系所构成的空间伸展臂”(上海交通大学学报(自然科学版)，2001，35(4)：509-513)研究了正八面体桁架单元特征、八面桁架单元衍生单元及构成伸展臂，以及基本结构特性分析；

CHEN Wu-jun、LUO Yao-zhi、FU Gong-y等著的“A study on space masts based on octahedral truss family”(International Journal of Space Structures,2001,16(1)：19-26)研究了八面体桁架单元系的几何、结构特征；

CHEN Wu-jun、LUO Yao-zhi、FU Gong-yi著的“Design conception and deployment simualation for a highly synchronized extendable/retractable space mast”(International Journal of Space Structures,2001,16(4)：261-269)研究了同步伸展臂结构机构、节点实现、展开动力学分析方法等；

陈务军、张淑杰著的“空间可展结构体系与分析导论”(中国宇航出版社，2006.3)研究介绍了包含八面体桁架单元的展开结构体系与分析理论；

Stephen Oliver Oikawa著的“Design and Construction of a four-Bay Variable-Geometry-Truss Manipulator”(University of Toronto,1995)研制了以串联转动副构成节点系的八面体单元变几何桁架，并进行了运动学、运动力学分析理论研究；

Luis M.Macareno、Josu Agirrebeitia、Carlos Angulo等著的“FEM subsystem replacement techniques for strength problems in variable geometry trusses”(Finite Elements in Analysis and Design,2008,44:346-357)研制了八面体桁架单元样机、提出了紧凑型组合节点、进行了非线性分析与试验研究。

以上研究均表明，八面体桁架单元变几何桁架运动性能主要受制于主动杆的伸长率。

申请号为201310150753.6的中国专利“八面体桁架单元变几何桁架主动杆”，但其电机尺寸大、构造复杂、功率大、推力小、节点大、冲击大。

申请号为201410223230.4的中国专利“一种八面体桁架单元变几何桁架主动杆”，但其整体长度较大，小型化和提高主动杆伸长率困难。

授权专利号为201310153044.3的中国专利“八面体桁架单元变几何桁架主动节点”公开了一种八面体桁架单元变几何桁架主动节点，但该节点与上下被动杆连接的零件运动耦合，导致各层被动杆运动出现不平顺和奇异点，零件形式多。

申请号为201410217693.X的中国专利“八面体桁架单元变几何桁架主动节点”，但其连接被动杆偏心，导致动力模型不准确，且存在一个旋转冗余度，导致系统整体刚度较低，具有奇异点。

申请号为201510261004.X的中国专利“八面体桁架单元变几何桁架主动器”提出了一种紧凑的主动杆和主节点一体化机构，相比于其他设计，有效提高了主动杆伸长比，但是在伸长比较大时，刚度损失严重，且仍然无法达到机构整体折叠所需的伸长率(所需伸长率为200％)。此外，以上变几何桁架主动、被动机构紧密连接，桁架组装繁琐，不利于扩展。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种新型、质轻、刚度高，在不增加尺寸的情况下能大幅提高杆件伸长率、提升机构折叠伸展比的八面体变几何桁架单元，且该单元组成的桁架具有便于扩展、装卸等特点。

为实现上述目的，本发明提供了一种八面体桁架单元变几何桁架的模块化单元，包括一套主动机构、两套被动机构和十二根用于连接所述主动机构和所述被动机构的并联被动杆。

进一步地，两套所述被动机构分别设置于所述主动机构的两侧，每套所述被动机构与所述主动机构之间通过六根并联被动杆可活动地连接，使得所述模块化单元能够展开或折叠。

进一步地，所述主动机构包括三套主动器，三套所述主动器以互相穿插的方式串联连接，使得在不增加单元尺寸的情况下大幅提升主动杆的伸长率，提升机构的机动性能。每套主动器与相应的伺服电机连接，使得在运动过程中，伺服电机驱动丝杠，由丝杠上的滚珠螺母带动另一套主动器在丝杠上往复运动。

进一步地，所述主动器包括中心滚珠螺母支座、滚珠螺母、主节点半轴、电机支架、U型座、平底扩展螺母、十字轴、U型被动杆连接件、第一滚珠轴承、第一滑动轴承、第二滚珠轴承、第二滑动轴承、第三滚珠轴承；其中，所述滚珠螺母支座为核心位置零件；所述滚珠螺母固定于所述中心滚珠螺母支座上，并与另一套主动器对应的伺服电机中的丝杠相连接，形成可控运动副；所述主节点半轴通过所述第一滚珠轴承与所述中心滚珠螺母形成旋转副；所述电机支架包括上连接板、下连接板和电机连接板，所述上连接板和所述下连接板分别通过所述第二滚珠轴承与所述主节点半轴连接，形成旋转运动副，并与所述中心滚珠螺母支座之间通过所述第一滑动轴承润滑，所述电机连接板与所述上连接板和所述下连接板固定连接；所述U型座通过所述第三滚珠轴承与所述主节点半轴连接，形成旋转运动副，并与所述电机支架的上连接板通过所述第二滑动轴承润滑；所述平底扩展螺母固定于所述主节点半轴的末端，起到限位作用，防止所述U型座、所述电机支架产生沿旋转副轴向的运动；所述十字轴与所述U型座和所述U型被动杆连接件一同形成万向节运动副；所述U型杆被动连接件通过所述十字轴与所述U型座连接，并提供所述主动器的对外机接口，以固定所述并联被动杆。

进一步地，所述主动器还具有对应的伺服电机，所述主动器对应的伺服电机固定于所述电机支架的所述电机连接板上，所述伺服电机的丝杠与所述滚珠螺母相连，所述滚珠螺母固定于另一套主动器的中心滚珠螺母支座上。

进一步地，所述十字轴包括十字孔、十字轴长轴和十字轴短轴。

进一步地，所述被动机构包括三个被动节点，每个所述被动节点具有两个运动自由度，三个所述被动节点与三根并联被动杆固定连接形成正三角形。

进一步地，所述被动节点包括三角支座、转轴、连耳、滑动轴套以及滑动垫圈，其中，所述转轴嵌于所述三角支座的轴孔中，所述连耳通过所述滑动轴承嵌套在所述转轴上，形成旋转运动副，并与所述三角支座通过所述滑动垫圈润滑。

进一步地，所述并联被动杆通过螺栓固定于主动器以及被动节点上。

进一步地，所述并联被动杆为轻质复合材料，包括碳纤维管，所述碳纤维管的两端均通过胶黏剂与杆端接头固定连接。其中杆端接头为铝制接头。

进一步地，所述被动机构提供一个安装平面，两个所述被动机构上下镜像装配，形成所述模块化单元对外机接口，该机接口可与另一模块化单元或者其他合作装置固定连接。

本发明的八面体桁架单元变几何桁架的模块化单元具有小尺寸、大运动范围、高精度、高刚度、可折叠收纳、可向外扩展等特性可用于航天空间可展机构、操控机构、跟踪机构、工业控制机构等。

在较佳的实施方式中，本发明通过紧凑的设计以及新式的主动器设计、连接方式，在较小的尺寸内，实现了从130mm至380mm的主动杆变化范围，伸长率达到290％。在八面体桁架单元边长190mm的情况下，能够实现主动杆较原长200％的伸长，从而使得八面体桁架单元实现完全的折叠，单元整体伸长比可达5，解决了以往变几何桁架不利于运输的缺点，同时模块化的设计提升了桁架的适应性，更适宜航天任务需求。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的八面体桁架单元变几何桁架的模块化单元展开状态的前视图；

图2是图1中的八面体桁架单元变几何桁架的模块化单元折叠状态的前视图；

图3是本发明的一个较佳实施例的八面体桁架单元变几何桁架的模块化单元的主动机构的俯视图；

图4是是本发明的一个较佳实施例的八面体桁架单元变几何桁架的模块化单元的主动器的正视图；

图5是图3中的主动器的剖视图；

图6是本发明的一个较佳实施例的八面体桁架单元变几何桁架的模块化单元的被动节点的正视图；

图7是本发明的一个较佳实施例的八面体桁架单元变几何桁架的模块化单元的并联被动杆的正视图。

具体实施方式

如图1～7所示，本发明的一个较佳实施例提供了一种八面体桁架单元变几何桁架的模块化单元，一套主动机构1、两套被动机构2和十二根用于连接主动机构1和被动机构2的并联被动杆3。其中，两套被动机构2分别设置于主动机构1的两侧，每套被动机构2与主动机构1之间通过六根并联被动杆3可活动地连接，使得模块化单元能够展开或折叠(参见图1～2)。

主动机构1包括三套主动器，三套主动器以互相穿插的方式串联连接，每套主动器与相应的伺服电机105连接，使得在运动过程中，伺服电机105驱动丝杠，由丝杠上的滚珠螺母102带动另一套主动器在丝杠上往复运动。

如图3～5所示，主动器包括中心滚珠螺母102支座101、滚珠螺母102、主节点半轴103、电机支架104、U型座106、平底扩展螺母107、十字轴108、U型被动杆连接件109、第一滚珠轴承110、第一滑动轴承111、第二滚珠轴承112、第二滑动轴承113、第三滚珠轴承114；其中，滚珠螺母102支座101为核心位置零件；滚珠螺母102固定于中心滚珠螺母102支座101上，并与另一套主动器对应的伺服电机中的丝杠相连接，形成可控运动副；主节点半轴103通过第一滚珠轴承110与中心滚珠螺母102形成旋转副；电机支架104包括上连接板104-1、下连接板104-2和电机连接板104-3，上连接板104-1和下连接板104-2分别通过第二滚珠轴承112与主节点半轴103连接，形成旋转运动副，并与中心滚珠螺母102支座101之间通过第一滑动轴承111润滑，电机连接板104-3与上连接板104-1和下连接板104-2固定连接；U型座106通过第三滚珠轴承114与主节点半轴103连接，形成旋转运动副，并与电机支架104的上连接板104-1通过第二滑动轴承113润滑；平底扩展螺母107固定于主节点半轴103的末端，起到限位作用，防止U型座106、电机支架104产生沿旋转副轴向的运动；十字轴108与U型座106和U型被动杆连接件109一同形成万向节运动副；U型被动杆连接件109通过十字轴108与U型座连接，并提供主动器的对外机接口，以固定并联被动杆3。

主动器还具有对应的伺服电机105，主动器对应的伺服电机105固定于电机支架104的电机连接板104-3上，伺服电机105的丝杠与滚珠螺母102相连，滚珠螺母102固定于另一套主动器的中心滚珠螺母支座上。

十字轴108包括十字孔、十字轴长轴和十字轴短轴。

被动机构2包括三个被动节点，每个被动节点具有两个运动自由度，三个被动节点与三根并联被动杆3固定连接形成正三角形。被动机构2提供一个安装平面，两个被动机构2上下镜像装配，形成模块化单元对外机接口，该机接口可与另一模块化单元或者其他合作装置固定连接。

如图6所示，被动节点包括三角支座201、转轴202、连耳203、滑动轴套204以及滑动垫圈205，其中，转轴202嵌于三角支座201的轴孔中，连耳203通过滑动轴承204嵌套在转轴202上，形成旋转运动副，并与三角支座201通过滑动垫圈205润滑。

如图7所示，并联被动杆3通过螺栓固定于主动器以及被动节点上。并联被动杆3为轻质复合材料，包括碳纤维管302，碳纤维管301的两端均通过胶黏剂与杆端接头302固定连接。其中杆端接头302为铝制接头。

本实施例通过紧凑的设计以及新式的主动器设计、连接方式，在较小的尺寸内，实现了从130mm至380mm的主动杆变化范围，伸长率达到290％。在八面体桁架单元边长190mm的情况下，能够实现主动杆较原长200％的伸长，从而使得八面体桁架单元实现完全的折叠，单元整体伸长比可达5，解决了以往变几何桁架不利于运输的缺点，同时模块化的设计提升了桁架的适应性，更适宜航天任务需求。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。