基于梯形棱柱与三棱柱的多环桁架可展开天线机构

1.本发明涉及天线领域，具体地涉及一种基于梯形棱柱与三棱柱的多环桁架可展开天线机构。


背景技术：

2.环形桁架式可展开天线最显著的优点是口径适用范围可达百米级，并且随着口径的增大，天线质量不会成比例增加，天线折展比大，质量小，但是由于竖向拉索较多，网面的调整比较困难，型面精度不易控制。并且，现有的环形桁架机构类型较少，并且存在刚度较低、驱动复杂、展开过程缓慢和驱动电机质量较重的问题。因此，亟需提出制造工艺性好、刚度高、展开过程迅速、驱动件质量较低等性能优良的环形桁架可展开天线机构，以满足不同航天任务的需求。


技术实现要素：

3.为了解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种制造工艺性好、刚度高、展开过程迅速、驱动件质量较低的多环桁架可展开天线机构。整体结构基于梯形棱柱单元与三角形棱柱单元，通过共用相邻节点，形成联动式多环桁架可展开天线机构，其整体机构简单，刚度高，可完全满足空间大口径可展开天线的使用刚度要求，能够应用于多个领域。
4.具体地，本发明提供一种基于梯形棱柱与三棱柱的多环桁架可展开天线机构，其包括由n个第一折展单元形成的第一层多面式环形桁架和n个第二折展单元形成的第二层多面式环形桁架，其中n为大于等于3的整数，
5.所述第一折展单元包括一组第一剪叉单元、两组第二剪叉单元、两组折叠杆、四个底部关节节点以及四个中间关节节点，所述第二折展单元包括两个中间关节节点、四个顶部关节节点、两组第三剪叉单元和一组第四剪叉单元；
6.第一折展单元中的四个底部关节节点和四个中间关节节点在投影面上呈等腰梯形布置，相邻的底部关节节点连接后组成梯形的上底；相邻的中间关节节点连接后组成梯形的下底；相邻的底部关节节点和中间关节节点连接后组成梯形的腰；相邻的底部关节节点彼此之间分别通过一组第一剪叉单元进行连接；相邻的底部关节节点和中间关节节点彼此之间分别通过一组第二剪叉单元进行连接；相邻的中间关节节点彼此之间通过一组折叠杆进行连接；
7.所述第二折展单元包括两个中间关节节点、四个顶部关节节点、两组第三剪叉单元和一组第四剪叉单元；
8.第二折展单元中的两个中间关节节点和四个顶部关节节点在投影面上呈等腰三角形布置，其中，相邻的中间关节节点和顶部关节节点彼此之间通过一组第三剪叉单元进行连接，相邻的顶部关节节点彼此之间通过一组第四剪叉单元进行连接；
9.相邻的第一折展单元通过共用侧边的两个底部关节节点和两个中间关节节点彼
此连接组成第一层多面式环形桁架；相邻的第二折展单元通过共用两个顶部关节节点彼此连接组成第二层多面式环形桁架；相邻的第一折展单元与第二折展单元通过共用两个中间关节节点进行连接。
10.优选地，同一折展单元中，剪叉单元和连杆上的所有转动副轴线均平行，在第一折展单元中，中间关节节点所在的平面始终高于底部关节节点所在的平面；在第二折展单元中，顶部关节节点所在的平面始终高于中间关节节点所在的平面。
11.优选地，第一剪叉单元包括两根长度相等的第一连杆，第二剪叉单元包括两根长度相等的第二连杆，第三剪叉单元包括两根长度相等的第三连杆，第四剪叉单元包括两根长度相等的第四连杆，每组剪叉单元的两根连杆上均设置有转动副，每一根连杆借助于中间设置的转动副将其划分为长杆和短杆，其中构成第一剪叉单元的第一连杆转动副两端的长杆与短杆等长；构成第二剪叉单元的第二连杆转动副两端的长杆与短杆不等长，且第二连杆的短杆与第一连杆的长杆等长；构成第三剪叉单元的第三连杆转动副两端的长杆与短杆不等长，且第三连杆的短杆与第二连杆的长杆等长；构成第四剪叉单元的第四连杆转动副两端的长杆与短杆等长，且长度均与第三连杆的长杆相等。
12.优选地，所述第一折展单元的四个底部关节节点的结构完全相同，底部关节节点以中间支叉的中间平面为对称平面，两侧支叉的开槽口通过转动副与第一剪叉单元的连杆配合，中间支叉的开槽口通过转动副与第二剪叉单元的连杆的短杆配合，且花盘两侧开槽口中间面之间的夹角为(180-360/n)
°
，中间支叉开槽口中间平面与侧边支叉开槽口中间平面间的夹角为[180-90(n-2)/n]
°
。
[0013]
优选地，所述第一折展单元的四个中间关节节点的结构完全相同，中间关节节点以中间支叉的中间平面为对称平面，中间支叉的开槽口通过转动副与第二剪叉单元的连杆的长杆配合，侧边第一支叉的开槽口通过转动副与折叠杆的自由端配合，且中间支叉的中间对称平面与侧边第一支叉的中间对称平面的夹角为[90(n-2)/n]
°
，侧边第一支叉与侧边第二支叉开槽口中间平面的夹角为[142.5-90(n-2)/n]
°
。
[0014]
优选地，所述第一折展单元的第一剪叉单元的四个自由端分别通过转动副与四个底部关节节点连接，以约束四个关节节点完成同步运动；所述第二剪叉单元短杆处的两个自由端通过转动副与侧边的两个底部关节节点连接，长杆处的两个自由端通过转动副与侧边的两个中间关节节点连接，完成底部关节节点与中间关节节点的同步运动。
[0015]
优选地，所述第一折展单元的两组折叠杆均分别包括两根同步杆，两根同步杆间通过转动副配合形成一组折叠杆，同步杆的自由端通过转动副分别与两个中间关节节点的侧边第一开槽口配合。
[0016]
优选地，所述第二折展单元的两个中间关节节点的结构完全相同，侧边第二支叉的开槽口通过转动副与第三剪叉单元的连杆的短杆配合，四个顶部关节节点的结构完全相同，顶部关节节点为面对称结构，侧边第一支叉的开槽口通过转动副与第三剪叉单元的连杆的长杆配合，侧边第二支叉的开槽口通过转动副与第四剪叉单元的自由端配合，且两侧边第一支叉的开槽口中间平面间的夹角为45
°
，侧边第一支叉开槽口的中间平面与侧边第二支叉开槽口中间平面的夹角为[90(n-2)/n-22.5]
°
。
[0017]
优选地，第三剪叉单元短杆处的两个自由端通过转动副与中间关节节点相配合，长杆处的两个自由端通过转动副与顶部关节节点相配合，以使顶部关节节点与中间关节节
点的同步运动。
[0018]
优选地，第四剪叉单元的四个自由端通过转动副与顶部关节节点配合，以使四个顶部关节节点的同步展开或收拢。
[0019]
本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0020]
(1)本发明整体结构基于梯形单元与三角形单元，通过共用相邻节点，形成联动式多环桁架可展开天线机构，整体天线结构刚度较高，可完全满足空间大口径可展开天线的使用刚度要求。
[0021]
(2)本发明相邻的第一折展单元通过共用侧边的两个底部关节节点和两个中间关节节点彼此连接组成第一层多面式环形桁架；相邻的第二折展单元通过共用两个顶部关节节点彼此连接组成第二层多面式环形桁架；相邻的第一折展单元与第二折展单元通过共用两个中间关节节点进行连接，具有运动灵活、折叠比较大的优点，能够快速收拢展开，满足多种需求。
[0022]
(3)本发明结构简单，采用的基本结构均为标准件，可以相互配合使用，易于实现工程制造，不会增加额外的经济成本。
[0023]
(4)本发明实施方式简单，不需要复杂的控制系统，通过机械结构即能够实现精确的收拢展开，其可靠性高，可应用于通讯卫星、空间站和空间探测器上。
附图说明
[0024]
图1是本发明完全展开立体示意简图；
[0025]
图2是本发明半展开立体示意简图；
[0026]
图3是本发明完全收拢立体示意简图；
[0027]
图4是本发明的折展单元半展开立体示意简图；
[0028]
图5是本发明的第一折展单元半展开立体示意简图；
[0029]
图6是本发明的第二折展单元半展开立体示意简图；
[0030]
图7是本发明的底部关节节点1立体示意简图；
[0031]
图8是本发明的中间关节节点2立体示意简图；
[0032]
图9是本发明的顶部关节节点3立体示意简图。
[0033]
图中部分附图标记如下：
[0034]
101-第一折展单元、102-第二折展单元、201
–
207-转动副、1-底部关节节点、2-中间关节节点、3-顶部关节节点、4-第一剪叉单元、5-第二剪叉单元、6-折叠杆、7-第三剪叉单元、8-第四剪叉单元、41-第一连杆的短杆、42-第一连杆的长杆、51-第二连杆的短杆、52-第二连杆的长杆、71第三连杆的短杆、72-第三连杆的长杆、81-第四连杆的短杆、82-第四连杆的长杆。
具体实施方式
[0035]
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
[0036]
如图1所示，本发明提供一种基于梯形棱柱与三棱柱的多环桁架可展开天线机构100，包括n个第一折展单元101，n个第二折展单元102，其中n为不小于3的整数，相邻第一折展单元101通过共用侧边的两个底部关节节点和两个中间关节节点，组成第一层多面式环
形桁架。相邻的第二折展单元102通过共用两个顶部关节节点进行连接，组成第二层多面式环形桁架。邻的第一折展单元101与第二折展单元102通过共用两个中间关节节点进行连接。
[0037]
第一折展单元101为梯形棱柱单元，其包括一组第一剪叉单元4、两组第二剪叉单元5、两组折叠杆6、四个底部关节节点1和四个中间关节节点2，两个相邻的第一折展单元101通过共用侧边的两个底部关节节点1和两个中间关节节点2进行连接。
[0038]
相邻的四个底部关节节点1彼此之间通过一组第一剪叉单元进行连接；相邻的两个底部关节节点1和两个中间关节节点2彼此之间通过一组第二剪叉单元5进行连接；相邻的两个中间关节节点2彼此之间通过一组折叠杆6进行连接；相邻的两个中间关节节点2和两个顶部关节节点3之间通过一组第三剪叉单元7进行连接。第一折展单元中的四个底部关节节点1和四个中间关节节点2在投影面上呈等腰梯形布置，相邻的四个底部关节节点1通过一组剪叉单元1连接，组成梯形的上底；相邻的四个中间关节节点2通过一组折叠杆6连接，组成梯形的下底；相邻的底部关节节点1和中间关节节点2通过一组剪叉单元5连接，组成梯形的腰。
[0039]
第二折展单元102为三棱柱单元，其包括两个中间关节节点2，第二折展单元的中间关节节点2与第一折展单元101的中间关节节点共用、四个顶部关节节点3、两组第三剪叉单元7、一组第四剪叉单元8，两个相邻的第二折展单元通过共用两个顶部关节节点3进行连接。第二折展单元中的两个中间关节节点2和四个顶部关节节点3在投影面上呈等腰三角形布置，每一个中间关节节点2和两个顶部关节节点3在投影上形成一个等腰三角形，相邻的中间关节节点2和顶部关节节点3通过一组剪叉单元7连接，相邻的顶部关节节点3通过一组剪叉单元8连接。
[0040]
同一折展单元中，剪叉单元和连杆上的所有转动副轴线均平行，在第一折展单元中，中间关节节点2所在的平面始终高于底部关节节点1所在的平面；在第二折展单元中，顶部关节节点3所在的平面始终高于中间关节节点2所在的平面，这使得反射面可以布置在底部关节节点1所在的外环，从而能够进一步提高的本折展天线机构的利用率。
[0041]
第一剪叉单元4包括两根长度相等的第一连杆，第二剪叉单元5包括两根长度相等的第二连杆，第三剪叉单元7包括两根长度相等的第三连杆，第四剪叉单元8包括两根长度相等的第四连杆，每组剪叉单元的两根连杆上均设置有转动副，每一根连杆的转动副将其划分为长杆和短杆，其中构成第一剪叉单元4的两根第一连杆转动副两端的长杆42与短杆41等长；构成第二剪叉单元5的第二连杆转动副两端的长杆52与短杆51不等长，且第二连杆的短杆51与第一连杆的长杆42(也即短杆41)等长；构成第三剪叉单元7的第三连杆连杆转动副两端的长杆72与短杆71不等长，且第三连杆的短杆71与第二连杆的长杆52等长；构成第四剪叉单元8的第四连杆的长杆82与短杆81等长，且长度均与第三连杆的长杆72相等。
[0042]
具体实施例
[0043]
在图1、图2和图3所示的基于梯形棱柱与三棱柱的多环桁架可展开天线机构的立体示意简图中，包括n个第一折展单元和n个第二折展单元，本实施例中n为12，即本实施例的天线机构包括结构完全相同的12个第一折展单元和结构完全相同的12个第二折展单元。相邻第一折展单元101(梯形棱柱)通过共用两个底部关节节点和两个中间关节节点，组成第一层多面式环形桁架；相邻的第二折展单元102(三棱柱)通过共用两个顶部关节节点进
行连接，组成第二层多面式环形桁架。相邻的第一折展单元101与第二折展单元102通过共用两个中间关节节点进行连接。整个基于梯形棱柱与三棱柱的多环桁架可展开天线机构展开及收拢后均为多面式环形桁架结构，且在整个展开与收拢过程中，顶部关节节点3所在的平面始终高于中间关节节点2所在的平面，中间关节节点2所在的平面始终高于底部关节节点1所在的平面，这不仅扩大了天线的口径，而且还可以将反射面布置在顶部关节节点3所形成的外环，提高了天线的利用率。
[0044]
在图4所示的基于梯形棱柱与三棱柱的多环桁架可展开天线机构的基本折展单元立体示意简图中，折展单元包括第一折展单元101和第二折展单元102，相邻的第一折展单元101与第二折展单元102通过共用两个中间关节节点进行连接，以达到该折展单元同步收拢与展开的目的。
[0045]
如图5所示，第一折展单元包括四个底部关节节点1、四个中间关节节点2、一组第一剪叉单元4、两组第二剪叉单元5和两组折叠杆6。四个底部关节节点1的结构完全相同，如图7所示，底部关节节点1以中间支叉的中间平面为对称平面，两侧支叉的开槽口通过转动副201与第一剪叉单元4的连杆配合，中间支叉的开槽口通过转动副202与第二剪叉单元5的连杆的短杆配合，且花盘两侧开槽口中间面之间的夹角为150
°
(根据夹角计算公式(180-360/n)
°
得出，本实施例中n的值为12)，中间支叉开槽口中间平面与侧边支叉开槽口中间平面间的夹角为105
°
(夹角计算公式为[180-90(n-2)/n]
°
)。四个中间关节节点的结构完全相同，如图8所示，中间关节节点2以中间支叉的中间平面为对称平面，中间支叉的开槽口通过转动副203与第二剪叉单元5的连杆的长杆配合，侧边第一支叉的开槽口通过转动副204与折叠杆6的自由端配合，且中间支叉的中间对称平面与侧边第一支叉的中间对称平面的夹角为75
°
(夹角计算公式为[90(n-2)/n]
°
)，侧边第一支叉与侧边第二支叉开槽口中间平面的夹角为67.5
°
(夹角计算公式为[142.5-90(n-2)/n]
°
)。
[0046]
第一剪叉单元4由两根相同的连杆组成，每根连杆被中心转动副分为长短两部分，记为长杆与短杆，其中第一剪叉单元的长杆与短杆相等，第一剪叉单元4的四个自由端分别通过转动副201与四个底部关节节点1连接，以约束四个关节节点来完成同步运动。
[0047]
两组第二剪叉单元5的结构完全相同，均由两根相同的连杆组成，其中第二剪叉单元5中连杆的短杆与第一剪叉单元4中连杆的长杆(也是短杆)的长度相同，第二剪叉单元5短杆处的两个自由端通过转动副202与侧边的两个关节节点1连接，长杆处的两个自由端通过转动副203与侧边的两个关节节点2连接，以完成底部关节节点1与中间关节节点2的同步运动。
[0048]
两组折叠杆6结构完全相同，均包括两根同步杆，两根同步杆间通过转动副配合形成一组折叠杆，同步杆的自由端通过转动副204分别与两个中间关节节点2的侧边第一开槽口配合。当两根同步杆共线时，第一折展单元处于完全展开状态，此时也是整个基于梯形棱柱与三棱柱的多环桁架可展开天线机构处于展开状态，折叠杆处于奇异位置，增加了该天线在展开状态时的刚度。
[0049]
如图6所示，第二折展单元包括两个中间关节节点2、四个顶部关节节点3、两组第三剪叉单元7和一组第四剪叉单元8。两个中间关节节点2的结构完全相同并与第一折展单元共用，如图8所示，侧边第二支叉的开槽口通过转动副205与第三剪叉单元的连杆的短杆配合。四个顶部关节节点3的结构完全相同，如图9所示，顶部关节节点3为面对称结构，侧边
第一支叉的开槽口通过转动副206与第三剪叉单元的连杆的长杆配合，侧边第二支叉的开槽口通过转动副207与第四剪叉单元的自由端(自由端指剪叉单元连杆的外端部)配合，且两侧边第一支叉的开槽口中间平面间的夹角为45
°
，侧边第一支叉开槽口的中间平面与侧边第二支叉开槽口中间平面的夹角为52.5
°
(夹角计算公式为[90(n-2)/n-22.5]
°
)。
[0050]
两组第三剪叉单元7的结构完全相同，由两根相同的连杆组成，其中第三剪叉单元7中短杆与第二剪叉单元5中长杆的长度相等。第三剪叉单元7短杆处的两个自由端通过转动副205与中间关节节点2的侧边第二支叉开槽口相配合，长杆处的两个自由端通过转动副206与顶部关节节点3的侧边第一支叉开槽口相配合，以完成顶部关节节点3与中间关节节点2的同步运动。
[0051]
第四剪叉单元8由两根相同的连杆组成，每根连杆被中心转动副分为等长的两部分，且该部分与第三剪叉单元7中长杆的长度相等。第四剪叉单元8的四个自由端通过转动副207与顶部关节节点3的侧边第二支叉的开槽口配合，以完成四个顶部关节节点3的同步展开与收拢。
[0052]
本发明整体结构基于梯形棱柱单元与三棱柱单元，通过共用相邻节点，形成联动式多环桁架可展开天线机构，整体天线结构刚度较高，可完全满足空间大口径可展开天线的使用刚度要求。
[0053]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。