本发明公开了一种分段依次渐进展开的盘绕式伸展臂，包括：锁定与释放机构以及依次连接的伸展臂桁架、收藏筒和机电传动机构；其中，伸展臂桁架固定安装于收藏筒，且伸展臂桁架被设置为可盘绕收拢；收藏筒被设置为能够存储盘绕收拢状态下的伸展臂桁架；锁定与释放机构设置于收藏筒的筒壁周围，用于实现伸展臂桁架收拢状态时的压紧锁定与伸展臂桁架回弹展开时的展开释放；机电传动机构用于驱动伸展臂桁架和所述锁定与释放机构。本发明的伸展臂结构简单、展开冲击较小和可靠、臂顶端保持定向，且整体质量轻、刚度大，可用于空间可展天线、太阳电池阵、太阳帆、空间平台、探测臂机构等。
1.一种分段依次渐进展开的盘绕式伸展臂，其特征在于，包括：锁定与释放机构以及依次连接的伸展臂桁架、收藏筒和机电传动机构；
其中，所述伸展臂桁架固定安装于所述收藏筒，且所述伸展臂桁架被设置为可盘绕收拢；所述收藏筒被设置为能够存储盘绕收拢状态下的所述伸展臂桁架；所述锁定与释放机构设置于所述收藏筒的筒壁周围，用于实现所述伸展臂桁架收拢状态时的压紧锁定与所述伸展臂桁架回弹展开时的展开释放；所述机电传动机构用于驱动所述伸展臂桁架和所述锁定与释放机构；
所述伸展臂桁架包括伸展臂底板和多个三角形桁架单元，所述伸展臂底板设置于所述收藏筒内并与所述收藏筒连接，所述多个三角形桁架单元沿所述伸展臂桁架的纵向依次设置且相连的；每个三角形桁架单元包括第一三角框和多个第二三角框；每个三角形桁架单元中，所述第一三角框与所述第二三角框之间、两两所述第二三角框之间均连接有伸展臂纵杆；所述伸展臂桁架的底部的三角形桁架单元通过伸展臂纵杆与所述伸展臂底板连接；
所述伸展臂纵杆具有弹性，能够呈弹簧状盘绕收拢，从而使得所述伸展臂桁架能够盘绕收拢于所述收藏筒中；
所述第一三角框中，三根等长的伸展臂横杆通过带锁定功能的长节点连接成三角框；
所述第二三角框中，三根等长的伸展臂横杆通过不带锁定功能的短节点连接成三角框；与所述第一三角框连接的伸展臂纵杆被插入所述带锁定功能的长节点并通过注入环氧树脂胶与所述带锁定功能的长节点固定连接；与所述第二三角框连接的伸展臂纵杆被插入所述不带锁定功能的短节点并通过注入环氧树脂胶与所述不带锁定功能的短节点固定连接；与所述伸展臂底板连接的伸展臂纵杆被插入底部节点并通过注入环氧树脂胶与所述底部节点固定连接，所述底部节点固定连接于所述伸展臂底板。
2.如权利要求1所述的分段依次渐进展开的盘绕式伸展臂，其特征在于，所述机电传动机构位于所述伸展臂桁架的下部，并设置于所述收藏筒内部。
3.如权利要求1所述的分段依次渐进展开的盘绕式伸展臂，其特征在于，所述收藏筒包括第一立柱、第二立柱、第一承台搭接件、第二承台搭接件、第三承台搭接件、弧形薄板和收藏筒底板；其中，三根所述第一立柱和三根所述第二立柱相互间隔形成正六边形布置，所述正六边形布置中，三根所述第一立柱形成正三边形布置且三根所述第二立柱形成正三边形布置；相邻的所述第一立柱和所述第二立柱之间均连接有所述弧形薄板；每根所述第一立柱沿纵向方向依次连接有所述第三承台搭接件和三个相同的所述第一承台搭接件，每根所述第二立柱沿纵向方向依次连接有所述第三承台搭接件、所述第二承台搭接件和三个相同的所述第一承台搭接件，所述第三承台搭接件与所述收藏筒底板连接，所述第二承台搭接件与所述伸展臂底板连接。
4.如权利要求3所述的分段依次渐进展开的盘绕式伸展臂，其特征在于，相邻的所述第一立柱和所述第二立柱之间的所述弧形薄板沿所述收藏筒的纵向方向依次设置有三个，所述弧形薄板通过所述第一承台搭接件与所述第一立柱或所述第二立柱连接。
5.如权利要求3所述的分段依次渐进展开的盘绕式伸展臂，其特征在于，所述锁定与释放机构包括锁定装置和多个长度不等的弧形横杆，所述锁定装置与所述收藏筒的所述弧形薄板连接，所述锁定装置包括转板、L型连接件、定位键和销轴，所述销轴被插入所述转板中，所述销轴的两端分别连接有所述L型连接件，并通过插入定位键与所述L型连接件固定连接。
6.如权利要求5所述的分段依次渐进展开的盘绕式伸展臂，其特征在于，所述机电传动机构包括直流伺服电机、减速器、圆形转盘、转盘叶片、方形纵杆，所述直流伺服电机的下部与所述收藏筒底板固定连接，所述直流伺服电机的上部与所述圆形转盘连接，所述圆形转盘上设置有转盘叶片，所述转盘叶片的一端与所述圆形转盘连接，所述转盘叶片的另一端与所述方形纵杆连接，所述方形纵杆上设置有所述多个长度不等的弧形横杆；所述直流伺服电机与所述减速器连接，用于带动所述圆形转盘旋转。
7.如权利要求3或6所述的分段依次渐进展开的盘绕式伸展臂，其特征在于，所述多个长度不等的弧形横杆包括长度依次增大的短弧形横杆、中长弧形横杆和长弧形横杆，所述短弧形横杆、所述中长弧形横杆和所述长弧形横杆沿所述方形纵杆的纵向方向依次横向插入所述方形纵杆中。
8.如权利要求6所述的分段依次渐进展开的盘绕式伸展臂，其特征在于，当所述伸展臂桁架处于收拢状态时，所述伸展臂桁架中的长节点刚好与所述锁定装置的一端重合，所述锁定装置的另一端在所述弧形横杆上形成互锁状态，使得所述伸展臂桁架分段收拢于所述收藏筒中；当所述直流伺服电机带动所述圆形转盘旋转时，所述转盘叶片、所述方形纵杆和所述弧形横杆同时转动，使所述锁定装置与所述弧形横杆解锁，从而所述伸展臂桁架能够释放展开；由于多个所述弧形横杆的长度不等，从而沿所述方形纵杆的纵向方向从上到下所述弧形横杆完全穿过所述锁定装置而解锁的时间不同，使得所述伸展臂桁架能够分段依次渐进地释放展开。
一种分段依次渐进展开的盘绕式伸展臂
技术领域
[0001] 本发明涉及一种高精度伸展臂，尤其涉及一种分段依次渐进展开的盘绕式伸展臂，可用于空间可展天线、太阳电池阵、太阳帆、空间平台、探测臂机构等。
背景技术
[0002] 空间伸展臂是最基本的一类空间可展结构，其研究最早、最深入、最系统，技术也最成熟、应用最广泛，然而新型伸展臂仍是各国不断探索和研发的重要方向。空间伸展臂主要呈一维线性体系，为细长管、杆或构架(桁架)，可广泛用于大型太阳翼、大型天线的展开机构。作为主要的展开承载受力构件，空间伸展臂在整个结构系统中起着重要作用。
[0003] 目前盘绕式伸展臂的展开方式可概括为3种：自由展开、拉索展开和螺母展开。自由展开的伸展臂利用收藏折叠应变能，无电机控制展开机构，释放应变能使伸展臂以逆缠绕方向自由伸展。自由展开的伸展臂构造简单，收藏高度可达展开长度的2％，展开过渡段无约束控制，刚度很低，运动冲击较大，难以控制。拉索展开的伸展臂利用高强柔性绳索来控制伸展运动，绳索一端固定在顶盘，另一端连接底盘电机或减速器，在电机带动下绳索逐步放出，拉索展开的伸展臂结构简单，质量很小但展开过程中伸展臂刚度比较差，伸展臂顶端绕伸展臂的中心线旋转，这种旋转在某些航天器上不允许，伸展臂在空间只能实现一次伸展，不能自动收拢。螺母展开的伸展臂主要由收藏筒、可旋转底盘、导轨、螺帽驱动装置、电机及传动装置等部分构成，螺母展开的伸展臂在展开过程中和展开后，伸展臂都具有较高强度，展开过程中伸展臂顶端无旋转运动，伸展臂可实现多次伸缩，但是质量较大，构型和机构复杂。
[0004] 因此，本领域的技术人员致力于开发一种构造简单、质量轻、伸缩平稳、展开可靠、刚度高的展开臂。
发明内容
[0005] 有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的是传统伸展臂中存在的低刚度、运动冲击大、难以控制、不能自收拢、质量大和结构复杂等问题。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种分段依次渐进展开的盘绕式伸展臂，包括：锁定与释放机构以及依次连接的伸展臂桁架、收藏筒和机电传动机构；
[0007] 其中，伸展臂桁架固定安装于收藏筒，且伸展臂桁架被设置为可盘绕收拢；收藏筒被设置为能够存储盘绕收拢状态下的伸展臂桁架；锁定与释放机构设置于收藏筒的筒壁周围，用于实现伸展臂桁架收拢状态时的压紧锁定与伸展臂桁架回弹展开时的展开释放；机电传动机构用于驱动伸展臂桁架和锁定与释放机构。
[0008] 优选地，机电传动机构位于伸展臂桁架的下部，并设置于收藏筒的内部。
[0009] 优选地，伸展臂桁架包括伸展臂底板和多个三角形桁架单元，伸展臂底板设置于收藏筒内并与收藏筒连接，多个三角形桁架单元沿伸展臂桁架的纵向依次设置且相连的；每个三角形桁架单元包括第一三角框和多个第二三角框；每个三角形桁架单元中，第一三角框与第二三角框之间、两两第二三角框之间均连接有伸展臂纵杆；伸展臂桁架的底部的三角形桁架单元通过伸展臂纵杆与伸展臂底板连接；伸展臂纵杆具有弹性，能够呈弹簧状盘绕收拢，从而使得伸展臂桁架能够盘绕收拢于收藏筒中。
[0010] 进一步优选地，第一三角框架中，三根等长的伸展臂横杆通过带锁定功能的长节点连接成三角框；第二三角框架中，三根等长的伸展臂横杆通过不带锁定功能的短节点连接成三角框；与第一三角框架连接的伸展臂纵杆被插入带锁定功能的长节点并通过注入环氧树脂胶与带锁定功能的长节点固定连接；与第二三角框架连接的伸展臂纵杆被插入不带锁定功能的短节点并通过注入环氧树脂胶与不带锁定功能的短节点固定连接；与伸展臂底板连接的伸展臂纵杆被插入底部节点并通过注入环氧树脂胶与底部节点固定连接，底部节点固定连接于伸展臂底板。
[0011] 进一步优选地，收藏筒包括第一立柱、第二立柱、第一承台搭接件、第二承台搭接件、第三承台搭接件、弧形薄板和收藏筒底板；其中，三根第一立柱和三根第二立柱相互间隔形成正六边形布置，正六边形布置中，三根第一立柱形成正三边形布置且三根第二立柱形成正三边形布置；相邻的第一立柱和第二立柱之间均连接有弧形薄板；每根第一立柱沿纵向方向依次连接有第三承台搭接件和三个相同的第一承台搭接件，每根第二立柱沿纵向方向依次连接有第三承台搭接件、第二承台搭接件和三个相同的第一承台搭接件，第三承台搭接件与收藏筒底板连接，第二承台搭接件与伸展臂底板连接。
[0012] 进一步优选地，相邻的第一立柱和第二立柱之间的弧形薄板沿收藏筒的纵向方向依次设置有三个，弧形薄板通过第一承台搭接件与第一立柱或第二立柱连接。
[0013] 进一步优选地，锁定与释放机构包括锁定装置和多个长度不等的弧形横杆，锁定装置与收藏筒的第二立柱上的弧形薄板连接，锁定装置包括转板、L型连接件、定位键和销轴，销轴被插入转板中，销轴的两端分别连接有L型连接件，并通过插入定位键与L型连接件固定连接。
[0014] 进一步优选地，机电传动机构包括直流伺服电机、减速器、圆形转盘、转盘叶片、方形纵杆，直流伺服电机的下部与收藏筒底板固定连接，直流伺服电机的上部与圆形转盘连接，圆形转盘上设置有转盘叶片，转盘叶片的一端与圆形转盘连接，转盘叶片的另一端与方形纵杆连接，方形纵杆上设置有多个长度不等的弧形横杆；直流伺服电机与减速器连接，用于带动圆形转盘旋转。
[0015] 进一步优选地，多个长度不等的弧形横杆包括长度依次增大的短弧形横杆、中长弧形横杆和长弧形横杆，短弧形横杆、中长弧形横杆和长弧形横杆沿方形纵杆的纵向方向依次横向插入方形纵杆中。
[0016] 进一步优选地，当伸展臂桁架处于收拢状态时，伸展臂桁架中的长节点刚好与锁定装置的一端重合，锁定装置的另一端在弧形横杆上形成互锁状态，使得伸展臂桁架分段收拢于收藏筒中；当直流伺服电机带动圆形转盘旋转时，转盘叶片、方形纵杆和弧形横杆同时转动，使锁定装置与弧形横杆解锁，并释放长节点，从而伸展臂桁架能够释放展开；由于多个弧形横杆的长度不等，从而沿方形纵杆的纵向方向从上到下弧形横杆完全穿过锁定装置而解锁的时间不同，使得伸展臂桁架能够分段依次渐进地释放展开。
[0017] 具体地，当接通电源时，直流伺服电机连接减速器带动圆形转盘旋转，此刻转盘叶片、方形纵杆和弧形横杆均同时转动，由于弧形横杆的长度不一致，沿方形纵杆的纵向方向从上到下弧形横杆完全穿过锁定装置的时间不同：上面的短的弧形横杆先穿过锁定装置，接着是中间的中等长度的弧形横杆穿过锁定装置，最后穿过的是下面的最长的弧形横杆，由于弧形横杆是同时转动但完全穿过锁定装置的时间却不一致，这样就形成了时间差。第一个弧形横杆(比如短弧形横杆)穿过锁定装置后，从伸展臂桁架的顶部起的第一个三角形横架单元中的长节点被释放出锁定装置，从而第一个三角形横架单元中的多段伸展臂纵杆被释放。第二个弧形横杆(比如中等长度弧形横杆)穿过锁定装置后，第二个三角形桁架单元中的长节点被释放出锁定装置，从而第二个三角形桁架单元中的的多段伸展臂纵杆被释放。最后释放伸展臂桁架底部最下面的三角形桁架单元中的长节点和伸展臂纵杆。所以，本发明的伸展臂是利用方形纵杆上的弧形横杆和伸展臂桁架上的长节点在锁定装置上相互作用实现伸展臂桁架的收拢与释放。
[0018] 本发明的分段依次渐进展开的盘绕式伸展臂充分利用了伸展臂节点的构造特点、伸展臂纵杆适宜大变形盘绕和回弹的材料特性使得空间伸展臂分段依次渐进展开，从而实现结构简单、展开冲击较小和可靠、臂顶端保持定向，且整体质量轻、刚度大。本发明的伸展臂可用于空间可展天线、太阳电池阵、太阳帆、空间平台、探测臂机构等。
[0019] 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
[0020] 图1是本发明的一个较佳实施例的分段依次渐进展开的盘绕式伸展臂的轴侧视图；
[0021] 图2是本发明的一个较佳实施例的伸展臂桁架中的第一三角框的轴侧视图；
[0022] 图3是本发明的一个较佳实施例的伸展臂桁架中的第二三角框的轴侧视图；
[0023] 图4是本发明的一个较佳实施例的伸展臂桁架的底部节点与伸展臂纵杆和伸展臂底板连接的轴侧视图；
[0024] 图5是本发明的一个较佳实施例的收藏筒的轴侧视图；
[0025] 图6是本发明的一个较佳实施例的锁定装置的轴侧视图；
[0026] 图7是本发明的一个较佳实施例的机电传动机构的轴侧视图。
具体实施方式
[0027] 图1-图7示出了本发明所提供的分段依次渐进展开的新型盘绕式伸展臂的一种优选的具体实施方式。
[0028] 如图1所示，该具体实施方式中的分段依次渐进展开的盘绕式伸展臂包括锁定与释放机构102以及依次连接的伸展臂桁架101、收藏筒103和机电传动机构104。其中，伸展臂桁架101的底部固定安装于收藏筒103，且伸展臂桁架101被设置为可盘绕收拢。收藏筒103被设置为能够存储盘绕收拢状态下的伸展臂桁架101；锁定与释放机构102设置于收藏筒103的筒壁周围，用于实现伸展臂桁架101收拢状态时的压紧锁定与伸展臂桁架101回弹展开时的展开释放。机电传动机构104位于伸展臂桁架101的下部，并设置于收藏筒103的内部，用于驱动伸展臂桁架101和锁定与释放机构102。
[0029] 本实施例中，如图2-4所示，伸展臂桁架101包括伸展臂底板206和多个三角形桁架单元，伸展臂底板206设置于收藏筒103内并与收藏筒103连接，多个三角形桁架单元沿伸展臂桁架101的纵向依次设置且相连的；每个三角形桁架单元包括第一三角框和多个第二三角框；每个三角形桁架单元中，第一三角框与第二三角框之间、两两第二三角框之间均连接有伸展臂纵杆203；伸展臂桁架101的底部的三角形桁架单元通过伸展臂纵杆203与伸展臂底板206连接。伸展臂纵杆203具有弹性，能够呈弹簧状盘绕收拢，从而使得伸展臂桁架101能够盘绕收拢于收藏筒103中。
[0030] 其中，第一三角框架中，三根等长的伸展臂横杆201通过带锁定功能的长节点202连接成三角框；第二三角框架中，三根等长的伸展臂横杆201通过不带锁定功能的短节点204连接成三角框。与第一三角框架连接的伸展臂纵杆203被插入带锁定功能的长节点202并通过注入环氧树脂胶(会固化)与带锁定功能的长节点202固定连接。与第二三角框架连接的伸展臂纵杆203被插入不带锁定功能的短节点204并通过注入环氧树脂胶与不带锁定功能的短节点204固定连接。与伸展臂底板206连接的伸展臂纵杆203被插入底部节点205并通过注入环氧树脂胶与底部节点205固定连接，底部节点205通过底部销轴固定连接于伸展臂底板206。
[0031] 伸展臂底板206通过螺栓227竖向连接到收藏筒的承台搭接件211。
[0032] 如图5所示，本实施例的收藏筒103包括第一立柱207、第二立柱208、第一承台搭接件210、第二承台搭接件211、第三承台搭接件212、弧形薄板209和收藏筒底板233。其中，三根第一立柱207和三根第二立柱208相互间隔形成正六边形布置，正六边形布置中，三根第一立柱207形成正三边形布置且三根第二立柱208形成正三边形布置。相邻的第一立柱207和第二立柱208之间均连接有弧形薄板209；每根第一立柱207沿纵向方向依次连接有第三承台搭接件212和三个相同的第一承台搭接件210，每根第二立柱208沿纵向方向依次连接有第三承台搭接件212、第二承台搭接件211和三个相同的第一承台搭接件210，第三承台搭接件212与收藏筒底板233连接。第二承台搭接件211与伸展臂底板206连接。相邻的第一立柱207和第二立柱208之间的弧形薄板209沿收藏筒103的纵向方向依次设置有三个，弧形薄板209通过第一承台搭接件210与第一立柱207或第二立柱208连接。
[0033] 第一立柱207通过螺栓215横向连接第三承台搭接件212，第三承台搭接件212通过四个螺栓213与收藏筒底板233竖向连接。第一立柱207通过三个螺栓215连接三个相同的第一承台搭接件210。第二立柱208通过两个螺栓215竖向连接第三承台搭接件212，并通过螺栓215横向连接第二承台搭接件211，伸展臂底板206通过两个螺栓227与第二承台搭接件211纵向相连接。第二立柱208然后通过三个螺栓215横向连接三个相同的第一承台搭接件
210。第一立柱207和第二立柱208通过弧形薄板209和四个螺栓214竖向相互连接。每个第二立柱208上的弧形薄板209都会通过两个螺栓216竖向连接伸展臂锁定与释放机构。
[0034] 本实施例的锁定与释放机构102包括锁定装置和多个长度不等的弧形横杆，锁定装置与收藏筒103的第二立柱208上的弧形薄板209连接，锁定装置包括转板217、L型连接件218、定位键219和销轴220。如图6所示，销轴220被插入转板217中，销轴220的两端分别连接有L型连接件18，并通过插入定位键219与L型连接件18固定连接。整个锁定装置与收藏筒的弧形薄板209通过两个螺栓216竖向连接。
[0035] 如图7所示，本实施例的机电传动机构104包括薄型直流伺服电机230、减速器(未示出)、圆形转盘229、转盘叶片225、方形纵杆221，薄型直流伺服电机230的下部通过四根螺柱231与收藏筒底板233固定连接，四根螺柱231通过螺丝二232和薄型直流伺服电机230竖向相连，薄型直流伺服电机230的上部通过八个螺丝228与圆形转盘229竖向固定连接，圆形转盘229上设置有三扇转盘叶片225，转盘叶片225的一端通过六个螺栓227与圆形转盘229竖向连接，转盘叶片225的另一端通过四个螺栓226与方形纵杆221连接，方形纵杆221上设置有多个长度不等的弧形横杆。薄型直流伺服电机230与减速器连接，用于带动圆形转盘229旋转。
[0036] 本实施例中，多个长度不等的弧形横杆包括长度依次增大的短弧形横杆222、中长弧形横杆223和长弧形横杆224，短弧形横杆222、中长弧形横杆223和长弧形横杆224沿方形纵杆221的纵向方向依次横向插入方形纵杆221中。
[0037] 本实施例中，当伸展臂桁架101处于收拢状态下时，伸展臂桁架101中的带锁定功能的长节点202刚好可以与锁定装置的一端重合，锁定装置的另一端分别架在短弧形横杆222、中长弧形横杆223、长弧形横杆224上形成互锁状态，伸展臂桁架101分段收拢于收藏筒
103。当接通电源时，薄型直流伺服电机230经减速器带动圆形转盘229旋转，此刻转盘叶片
225、方形纵杆221、短弧形横杆222、中长弧形横杆223和长弧形横杆224均同时转动，由于弧形横杆的长度不一致，从上到下短弧形横杆222、中长弧形横杆223和长弧形横杆224完全穿过锁定装置的时间不同：上面短弧形横杆222先穿过锁定装置，接着是中间中长弧形横杆
223穿过锁定装置，最后穿过的是下面的长弧形横杆224，由于弧形横杆是同时转动但完全穿过锁定装置的时间却不一致，这样就形成了时间差。短弧形横杆222穿过锁定装置后，从伸展臂桁架101的顶部起的第一个三角形横架单元中的长节点202被释放出锁定装置，从而第一个三角形横架单元中的多段伸展臂纵杆被释放。中长弧形横杆223穿过锁定装置后，第二个三角形桁架单元中的长节点202被释放出锁定装置，从而第二个三角形桁架单元中的多段伸展臂纵杆被释放。最后释放伸展臂桁架101底部最下面的三角形桁架单元中的长节点和伸展臂纵杆。所以，本实施例的伸展臂是利用方形纵杆221上的短弧形横杆222、中长弧形横杆223、长弧形横杆224和带锁定功能的长节点202在锁定装置上相互作用实现伸展臂桁架101的收拢与释放。
[0038] 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。
