一种单自由度展开三棱环形桁架机构

本发明属于空间可展开结构领域，具体涉及一种新型双层环形可展开桁架机构。

背景技术：

1、近年来，随着太空探测技术的不断进步，对大型星载天线的技术要求也越来越高。环形可展开天线因为具有大口径、轻质量、高精度、高收纳比等优点，是目前比较理想的大型星载可展开天线的结构形式.

2、网状反射面天线通常由索网和支撑结构两部分组成，按支撑结构形式的不同，可分为伞状可展开天线、构架式可展开天线和环形桁架式可展开天线三大类。在运载过程中，展开臂、太阳翼及反射面天线等均需折叠收拢且与卫星本体一同存放在火箭整流罩内，天线的收拢体积严重受限。可展开天线具有质量轻、收缩后体积小的特点，可以满足目前对于在轨大口径天线的设想，而环形可展开天线的收拢体积主要由其支撑结构-环形桁架决定。目前在轨运行的astromesh型索网天线结构采用的环形桁架能够极大地减小天线的收拢直径，但随着口径进一步扩大时，存在比刚度不足和结构稳定性与比刚度冲突的问题。同时为了满足国家对于百米口径天线的需求，如何做到大口径，提高环形桁架结构的比刚度成为目前的一个研究方向。

3、因此，在环形桁架的研制过程中，针对环形桁架结构比刚度不足，结构稳定性与比刚度冲突等问题，设计出一种稳定好、可靠性高的环形桁架机构十分重要。

技术实现思路

1、本发明目的是针对当前空间网状环形可展开天线口径有限、柔性大等问题，提出了一种单自由度展开三棱环形桁架机构，相较于单层环形桁架结构，有效地提高大口径桁架机构的比刚度，同时相较于截面为四边形的双层环形桁架结构，有效减小了环形桁架的整体重量；此环形桁架仅有一个自由度采用单电机驱动，电机安装在展开环形桁架的一端，同时整体桁架机构仅由空心杆件和连接件构成，极大的降低了整体重量，可以有效地提高超大口径桁架的比刚度，增强整体结构的稳定性。可实现无同步机构下各单元的同步展开、收拢态。解决了现有环形可展天线结构柔性大、整体天线质量大等问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、本发明提出了一种单自由度展开三棱环形桁架机构，其特征在于，环形桁架机构包括多个扭簧和一个电机提供驱动，先由扭簧驱动使桁架展开一定角度，然后再由电机驱动环形桁架机构，多个三棱环形桁架机构单元串联形成闭环，所述的环形桁架单元通过铰接交替分布，所述滑块连接杆连接内层桁架与外层桁架，使得内外层环形桁架展开具有同步性。

4、本发明的特征在于，每个单自由度展开三棱环形桁架机构单元包括有内层环形桁架、外层环形桁架、第一连接件、第二连接件、第三连接件及第四连接件。第一连接件及第二连接件通过与多个杆件铰接组成内层环形桁架，第三连接件及第四连接件位于第一、第二连接件外侧构成外层环形桁架；内层环形桁架单元还包括一个滑块、两个上横杆、两个下横杆、两个滑块连接杆、两个固定锁扣；内层结构四边形单元沿对角线方向有两个可伸缩的斜套筒，其端部分别与第二连接件对角铰接；外层环形桁架单元上端由第三连接件通过弦杆与内层环形桁架连接，下端通过套筒机构与内层环形桁架铰接。中间竖直杆上的滑块分别与内层环形桁架上横杆、外层环形桁架第三连接件铰接。

5、内层环形桁架包括有内环上横杆、内环下横杆、滑块、内环中间竖直杆、内环左右竖直杆、扭簧、内环滑块连接杆、内环第一斜向套筒机构和内环第二斜向套筒机构；

6、第一连接件两侧安装有扭簧，第二连接件沿内层结构四边形单元对角线方向设置有内层第一、第二斜向套筒机构，内层第一、第二斜向套筒机构的外套筒上设置有自锁弹簧销；内层斜向内套筒和内层斜向外套筒两端分别与第二连接块铰接，内层中间竖直杆上设置有内层竖直滑块，随着内层上横杆角度的变化可以沿内层中间竖直杆上下滑动；内层上横杆上设置有固定锁扣装置，内层竖直滑块连接杆一端与内层竖直滑块铰接，另一端与内层上横杆上的固定锁扣铰接；

7、内层中间竖直杆和内层左、右竖直杆彼此长度相等且相互平行，内层上横杆和内层下横杆相互平行安装在内层中间竖直杆与内层左、右竖直杆之间；内层上横杆的一端与第一连接件铰接，内层上横杆的另一端与第二连接件铰接，内层下横杆的一端与第一连接件铰接，内层下横杆的另一端与第二连接件铰接；

8、内层中间竖直杆一端与第一连接件连接，内层中间竖直杆的另一端与第二连接件连接；内层左竖直杆一端与第二连接件连接，内层左竖直杆的另一端与第一连接件连接；内层右竖直杆一端与第二连接件连接，内层右竖直杆的另一端与第一连接件连接；

9、外层环形桁架包括有外层左右横向套筒机构、外层斜向套筒机构、外层滑块连接杆、弦杆；

10、外层横向套筒机构包括内套筒和外套筒，外层横向内套筒一端与第三连接件铰接，外层横向外套同一端与第四连接件铰接；

11、第三连接件、第四连接件下方设置有外层第三、第五斜套筒，第三外层内套筒和第五外层内套筒上端与第四连接件铰接、第三外层外套筒和第五外层外套简下端与第一连接件铰接，第四外层内套筒上端与第三连接件铰接，第四外层外套筒下端与第二连接件铰接，第三和第五外层外套筒、第四外层外套筒安装有自锁弹簧销，第三、第四第五外层内套简设置有预先打好的定位孔；外层滑块连接杆一端与第三连接件铰接，另一端与内层竖直滑块铰接；中间弦杆一端与第一连接件铰接，另一端与第三连接件铰接；左右弦杆、一端与第二连接件铰接，另一端与第四连接件铰接；

12、除了内层上横杆、内层下横杆、内层中间竖杆、第一连接件、第三连接件、中间弦杆、斜向支撑杆、外层第一和第二横向套筒及第四外层套筒外，其余部件为相邻的三棱环形桁架结构单元共用；相邻的三棱环形桁架结构单元通过铰链连接，形成一个封闭的单自由度展开三棱环形桁架机构；

13、所有单自由度展开三棱环形桁架机构结构单元中的第二连接件、第四连接件、均在同一水平面，第一连接件与第二连接件交替排布，桁架收紧后相邻的第一连接件组件与第二连接件组件呈上下分布；

14、本发明的有益效果为：

15、本发明提出的单自由度展开三棱环形桁架机构，采用扭簧驱动和电机驱动两种驱动形式来驱动单自由度展开三棱环形桁架机构展开；其次，采用双层环形桁架结构，内、外层的横杆和内、外层的连接杆分布在三个平面内，每个单自由度展开三棱环形桁架结构单元中存在多个三角形单元，极大地提高了环形桁架结构的刚度；此外，整体的环形桁架结构组件全由连接件与空心杆件组成，减少了整体环形桁架的结构质量，且连接件为壳体结构，具有刚度大质量轻的优点。本发明桁架机构中双层环形桁架结构完全展开时其截面为三角形，相较于截面为其他形状的环形桁架结构，有效提高了环形桁架结构的比刚度，增强了结构的稳定性并且减少了整体环形桁架的结构质量。

16、图1是本发明的单自由度展开三棱环形桁架的结构示意图；

17、图2是本发明的单自由度展开三棱环形桁架基本单元的结构示意图；

18、图3是本发明的单自由度展开三棱环形桁架基本单元的俯视图；

19、图4是本发明的单自由度展开三棱环形桁架基本单元的半展开状态示意图；

20、图5是本发明的单自由度展开三棱环形桁架基本单元中收拢状态的示意图；

21、图6是本发明的单自由度展开三棱环形桁架基本单元中的第一连接件的结构示意图；

22、图7是本发明的单自由度展开三棱环形桁架基本单元中的第二连接件的结构示意图；

23、图8是本发明的单自由度展开三棱环形桁架基本单元中的第三连接件的结构示意图；

24、图9是本发明的单自由度展开三棱环形桁架基本单元中的第四连接件的结构示意图；

25、图10是本发明的单自由度展开三棱环形桁架基本单元中的内环竖直滑块的结构示意图；

26、图11是本发明的单自由度展开三棱环形桁架基本单元中的固定锁扣的结构示意图；

27、图12是本发明的单自由度展开三棱环形桁架基本单元中的转动铰接头的结构示意图；

28、图13是本发明的单自由度展开三棱环形桁架基本单元中的自锁弹簧安装位置的示意图；

29、图14是本发明的单自由度展开三棱环形桁架基本单元中的扭簧安装位置的示意图；

30、图15是本发明的单自由度展开三棱环形桁架结构完全收拢示意图；

31、图16是本发明的单自由度展开三棱环形桁架结构不完全展开主视图；

32、图17是本发明的单自由度展开三棱环形桁架结构完全展开俯视图；

33、图中，1.第一连接件，2.第二连接件，3.第三连接件，4.第四连接件，5.滑块，6.固定锁扣，7.内层内套筒，8.竖直杆，9.内层外套筒，10.外层内套筒，11.外层外套筒，12.内层竖直滑块连接杆，13.外层滑块连接杆，14、15.内层上横杆，16、17.内层下横杆，18.内层滑块连接杆，19.转动铰接头，20、23.外层横向外套筒，21、22.外层横向内套筒，24、26.左右弦杆，25.中间弦杆，27.自锁弹簧销，28.扭簧；