基于Bennett机构的基本可展单元及由该单元组成的展开机构

摘要

基于Bennett机构的基本可展单元及由该单元组成的展开机构，属于卫星天线结构技术领域。本发明解决了现有的Bennett机构展开性能不理想的问题。第一连杆与第二连杆可转动连接，第三连杆与第四连杆可转动连接，第二连杆与第三连杆可转动连接，第一连杆与第四连杆可转动连接，其中第一转动副及第三转动副的中轴线位于第一平面，第二转动副及第四转动副的中轴线位于第二平面，所述第一平面及第二平面相互垂直设置，滑块沿导杆长度方向作往复运动，第一转动副的中轴线与第五转动副的中轴线相互垂直设置，第三转动副的中轴线与第六转动副的中轴线相互垂直设置，基本可展单元在展开状态下呈X形，在半收拢状态下呈伞形，在完全收拢状态下呈I字形。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于Bennett机构的基本可展单元及由该单元组成的展开机构，属于卫星天线结构技术领域。

背景技术

随着社会和科学技术的发展，空间技术在卫星通讯、卫星导航、信息技术、空间物理、天文观测、气象观测以及军事侦探、国防安全等领域应用的日益广泛。伴随着空间技术的发展，空间设备的尺寸越来越大，结构越来越复杂，而运载火箭的载荷舱尺寸有限，这就要求空间设备在发射阶段能收拢成较小的体积，到达轨道后展开成预定的形状。作为这些空间设备基体的展开机构，其性能直接关系到空间设备的功能。

展开机构是指能收拢成较小形状，展开成较大的预定外形的机构，展开机构是大尺寸航天设备的最佳选择之一。展开机构在空间站、通讯卫星平台、太空望远镜、航天飞机、星球探测器等航天器上被广泛采用。如空间站基础骨架、可展开/收拢的空间机械臂、空间伸展臂、大口径可展开天线、大型柔性太阳帆板支架等。其中空间单闭环机构相比于以平面机构为基础单元的传统展开机构其折叠比大、刚度高；同时作为过约束机构，空间单闭环机构组成的机构网络也是过约束机构，具有刚度高、驱动输入少的优点，是展开机构未来的发展方向。

我国在大尺度展开机构的研究上，起步晚、发展慢，处于模仿阶段，与发达国家的差距明显，至今仍无大尺度展开机构的应用记录。展开机构技术如今已成为阻碍我国空间技术发展的一个关键问题。随着我国载人航天、探月工程等一系列空间计划的开展，对展开机构提出了更高的要求。研究具有大尺度、模块化、高刚度等性能的展开机构，对促进我国空间技术的发展具有重要意义。

Bennett机构是最经典的空间单闭环机构，作为一个过约束机构，其自由度不满足Grübler–Kutzbach公式，需要满足一定的几何约束条件才能具有一个自由度，由于空间单闭环机构中连杆的运动是空间的，轨迹复杂且它的折展性能并不理想。

发明内容

本发明是为了解决现有的Bennett机构展开性能不理想的问题，进而提供了一种基于Bennett机构的基本可展单元及由该单元组成的展开机构。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

技术方案一：

基于Bennett机构的基本可展单元，它包括立杆、导杆、滑块、第一至第二下臂杆、第一至第二上臂杆、第一至第二连接臂杆、第一至第四连杆及第一至第六转动副，第一连杆与第二连杆通过第一转动副可转动连接，第三连杆与第四连杆通过第三转动副可转动连接，第二连杆与第三连杆通过第二转动副可转动连接，第一连杆与第四连杆通过第四转动副可转动连接，其中第一转动副及第三转动副的中轴线位于第一平面，第二转动副及第四转动副的中轴线位于第二平面，所述第一平面及第二平面相互垂直设置，立杆与导杆由上到下首尾固接，滑块套装在导杆的下部且沿导杆长度方向作往复运动，第一下臂杆的一端与第一转动副连接，第一下臂杆的另一端与第一上臂杆的一端通过第五转动副可转动连接，第一上臂杆的另一端与导杆的上部可转动连接，第一连接臂杆的两端分别与第一上臂杆及滑块可转动连接，第二下臂杆的一端与第三转动副连接，第二下臂杆的另一端与第二上臂杆的一端通过第六转动副可转动连接，第二上臂杆的另一端与导杆的上部可转动连接，第二连接臂杆的两端分别与第二上臂杆及滑块可转动固接，其中第一转动副的中轴线与第五转动副的中轴线相互垂直设置，第三转动副的中轴线与第六转动副的中轴线相互垂直设置，基本可展单元在展开状态下呈X形，在半收拢状态下呈伞形，在完全收拢状态下呈I字形。

进一步地，第一转动副的中轴线与第三转动副的中轴线位于同一平面内，且第一转动副的中轴线与第三转动副的中轴线交汇于一点。

进一步地，第二转动副的中轴线与第四转动副的中轴线位于同一平面内，且第二转动副的中轴线与第四转动副的中轴线交汇于一点。

进一步地，第一下臂杆与第二下臂杆、第一上臂杆与第二上臂杆、第一连接臂杆与第二连接臂杆均关于第二平面对称设置。

进一步地，基于Bennett机构的基本可展单元，它还包括第七至第十转动副，第一连接臂杆的一端与第一上臂杆通过第七转动副可转动连接，第二连接臂杆的一端与第二上臂杆通过第八转动副可转动连接，第一连接臂杆的另一端与滑块之间，以及第二连接臂杆的另一端与滑块之间均通过第九转动副可转动连接，第一上臂杆的另一端与导杆的上部，以及第二上臂杆的另一端与导杆的上部均通过第十转动副可转动连接。

技术方案二：

由基于Bennett机构的基本可展单元组成的展开机构，它包括第一平面机构网络，所述第一平面机构网络包括呈N×N矩阵排列的若干个基本可展单元，所述第一平面机构网络在展开状态下呈网格状，其中相临两个连杆之间的连接均为可转动连接，每个2×2矩阵中，每个基本可展单元中的一个连杆均与另外三个基本可展单元中的各一个连杆可转动连接，在所述2×2矩阵中的四个所述连杆之间通过四个转动副实现可转动连接，其具体连接方式与任一基本可展单元中四个连杆的连接方式反向设置，若干立杆的朝向均一致设置。

进一步地，第一平面机构网络在收拢状态下，所有的连杆均并列设置且朝向与立杆的朝向一致。

进一步地，由基于Bennett机构的基本可展单元组成的展开机构，它还包括第二平面机构网络，所述第一平面机构网络与第二平面机构网络镜向设置，第一平面机构网络中的若干立杆与第二平面机构网络中的若干立杆一一对应固接为一体。

进一步地，所述第一平面机构网络中基本可展单元的数量为九个。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明的基于Bennett机构的基本可展单元能够保证机构网络本身的单自由度特性，并且驱动输入少、折展比更大、基频和刚度更高、可靠性更高、折展性能更好，能够实现完全的展开与收拢，更适用于大尺度空间展开机构；

2、本发明利用等边Bennett机构对角转动副轴线绕虚拟转动副旋转的特性，将等边Bennett机构和对称四杆机构结合起来，构建一个Bennett机构的替代构型与对称平面四杆机构的复合机构单元，在四杆机构上构造一个同步机构(即立杆)作为层间立柱，构成刚度更高的可展开的双层桁架机构单元，即由基于Bennett机构的基本可展单元组成的展开机构。

附图说明

图1为本发明的基于Bennett机构的基本可展单元的结构示意图；

图2为图1的P处局部放大示意图；

图3为本发明的基于Bennett机构的基本可展单元的展开状态示意图；

图4为本发明的基于Bennett机构的基本可展单元的收拢状态示意图；

图5为具体实施方式六中展开机构在展开状态下的结构示意图；

图6为具体实施方式六中展开机构在半收拢状态下的结构示意图；

图7为具体实施方式七的结构示意图；

图8为具体实施方式八中展开机构在展开状态下的结构示意图；

图9为具体实施方式八中展开机构在半收拢状态下的结构示意图；

图10为具体实施方式八中展开机构在收拢状态下的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～10说明本实施方式，基于Bennett机构的基本可展单元，它包括立杆1、导杆2、滑块3、第一至第二下臂杆、第一至第二上臂杆、第一至第二连接臂杆、第一至第四连杆及第一至第六转动副，第一连杆10与第二连杆11通过第一转动副14可转动连接，第三连杆12与第四连杆13通过第三转动副16可转动连接，第二连杆11与第三连杆12通过第二转动副15可转动连接，第一连杆10与第四连杆13通过第四转动副17可转动连接，其中第一转动副14及第三转动副16的中轴线位于第一平面，第二转动副15及第四转动副17的中轴线位于第二平面，所述第一平面及第二平面相互垂直设置，立杆1与导杆2由上到下首尾固接，滑块3套装在导杆2的下部且沿导杆2长度方向作往复运动，第一下臂杆4的一端与第一转动副14连接，第一下臂杆4的另一端与第一上臂杆6的一端通过第五转动副18可转动连接，第一上臂杆6的另一端与导杆2的上部可转动连接，第一连接臂杆8的两端分别与第一上臂杆6及滑块3可转动连接，第二下臂杆5的一端与第三转动副16连接，第二下臂杆5的另一端与第二上臂杆7的一端通过第六转动副19可转动连接，第二上臂杆7的另一端与导杆2的上部可转动连接，第二连接臂杆9的两端分别与第二上臂杆7及滑块3可转动固接，其中第一转动副14的中轴线与第五转动副18的中轴线相互垂直设置，第三转动副16的中轴线与第六转动副19的中轴线相互垂直设置，基本可展单元在展开状态下呈X形，在半收拢状态下呈伞形，在完全收拢状态下呈I字形。

第一至第四转动副，以及第一至第四连杆共同构成一个Bennett机构的替代构型，两个上臂杆和两个下臂杆构成对称平面四杆机构，导杆2、立杆1、滑块3、两个上臂杆和两个连接臂杆构成同步机构，Bennett替代机构上面连接对称的平面四杆机构，加上同步机构保证基本展开单元在折展时运动副沿导杆2直线运动，连杆完全折展。通过基本展开单元逐次连接阵列可构成单自由度平面展开机构网络。

第一下臂杆4的一端与第一转动副14固接。

第二下臂杆5的一端与第三转动副16固接。

第五转动副18及第六转动副19相互平行，位于第一转动副14及第三转动副16构成的平面上；

第一下臂杆4与第二下臂杆5、第一上臂杆6与第二上臂杆7、第一连接臂杆8与第二连接臂杆9均关于第二平面对称设置，使得导杆2和立杆1始终位于第一平面及第二平面的交线上。

本发明是由著名的Bennett机构演变而来的，是过约束机构，它是一种Bennett机构的替代构型与对称平面四杆机构的复合机构，并在四杆机构上构造一个同步机构，立杆1作为层间立柱，用于构造双层平面桁架机构网络，即具有双层平面机构网络的展开机构。

本发明的基于Bennett机构的基本可展单元与现有技术中的Bennett机构相比，折展比更大、基频和刚度更高、可靠性更高、折展性能更好，能够实现完全的展开与收拢，更适用于大尺度空间展开机构。

在本发明中，连杆和转动副不再垂直而是存在一定的偏置，从而获得具有更好折展性能的构型(能实现完全的收拢和展开)且DH参数与理论模型一致；所构建出的双层机构能保证机构网络本身的单自由度特性并且刚度和基频更高，可靠性高，更适用于大尺度空间展开机构。

本发明可以在连杆加工制造存在一定误差，转动副与连杆装配存在一定误差的情况下仍然可以实现折叠展开，因此展开性能相对良好。

具体实施方式二：结合图1～10说明本实施方式，第一转动副14的中轴线与第三转动副16的中轴线交汇于一点。如此设计，第一连杆10与第一转动副14之间，以及第三连杆12与第三转动副16之间均不再垂直而是存在一定的偏置，从而获得具有更好折展性能的构型(能够实现完合的收拢与展开)。其它组成与连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1～10说明本实施方式，第二转动副15的中轴线与第四转动副17的中轴线交汇于一点。如此设计，第二连杆11与第二转动副15之间，以及第四连杆13与第四转动副17之间均不再垂直而是存在一定的偏置，从而获得具有更好折展性能的构型(能够实现完合的收拢与展开)。其它组成与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1～10说明本实施方式，第一下臂杆4与第二下臂杆5、第一上臂杆6与第二上臂杆7、第一连接臂杆8与第二连接臂杆9均关于第二平面对称设置。如此设计，两个连接臂杆与两个上臂杆共同构成同步机构，使得导杆2和立杆1始终位于第一平面和第二平面的交线上。其它组成与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1～10说明本实施方式，基于Bennett机构的基本可展单元，它还包括第七至第十转动副23，第一连接臂杆8的一端与第一上臂杆6通过第七转动副20可转动连接，第二连接臂杆9的一端与第二上臂杆7通过第八转动副21可转动连接，第一连接臂杆8的另一端与滑块3之间，以及第二连接臂杆9的另一端与滑块3之间均通过第九转动副22可转动连接，第一上臂杆6的另一端与导杆2的上部，以及第二上臂杆7的另一端与导杆2的上部均通过第十转动副23可转动连接。其它组成与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1～7说明本实施方式，由基于Bennett机构的基本可展单元组成的展开机构，它包括第一平面机构网络24，所述第一平面机构网络24包括呈N×N矩阵排列的若干个基本可展单元，所述第一平面机构网络24在展开状态下呈网格状，其中相临两个连杆之间的连接均为可转动连接，每个2×2矩阵中，每个基本可展单元中的一个连杆均与另外三个基本可展单元中的各一个连杆可转动连接，在所述2×2矩阵中的四个所述连杆之间通过四个转动副实现可转动连接，其具体连接方式与任一基本可展单元中四个连杆的连接方式反向设置，若干立杆1的朝向均一致设置。

相临两个基本可展单元之间通过连杆及若干转动副可转动连接，展开机构由展开到收拢过程中，以及由收拢到展开的过程中，每个连杆的另一端动作方向均与其一端的动作方向相反，即每个连杆的一端所连接的转动副与其另一端所连接的转动副相反设置；每个2×2矩阵中，每个基本可展单元中的一个连杆均与另外三个基本可展单元中的各一个连杆可转动连接，在此2×2矩阵中的四个所述连杆之间通过四个转动副实现可转动连接，其具体连接方式与任一基本可展单元反向设置，即此四个所述连杆及四个转动副为展开机构构建机构网络时基础单元节点处的过渡单元，也是等边Bennett机构的替代构型，保证基本可展单元的收拢与展开。

展开机构完全展开状态下呈网格状，以使其达到最大展开状态；

展开机构收拢状态下呈I字形，即实现完全收拢状态；

展开机构半收拢状态(即中间状态)下呈凹凸状，且各波峰位置一致，各波谷的位置也一致。

具体实施方式七：结合图1～7说明本实施方式，第一平面机构网络24在收拢状态下，所有的连杆均并列设置且朝向与立杆1的朝向一致。如此设计，展开机构在此状态下处于完全收拓状态。其它组成与连接关系与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图1～4、8～10说明本实施方式，由基于Bennett机构的基本可展单元组成的展开机构，它还包括第二平面机构网络25，所述第一平面机构网络24与第二平面机构网络25镜向设置，第一平面机构网络24中的若干立杆1与第二平面机构网络25中的若干立杆1一一对应固接为一体。如此设计，两个平面机构网络对接为一体，形成双层桁架机构网络，其刚性更好。其它组成与连接关系与具体实施方式六或七相同。

具体实施方式九：结合图1～10说明本实施方式，所述第一平面机构网络24中基本可展单元的数量为九个。其它组成与连接关系与具体实施方式六、七或八相同。