一种基于分形原理的多级折展机构

1.本发明涉及一种基于分形原理的多级折展机构，具体涉及一种采用剪叉单元的多级折展机构。


背景技术：

2.作为一种典型的空间折展机构，多级剪叉机构在太阳能帆板、折展天线等空间设备中广泛应用，随着航天设备以及微操作机构的飞速发展，新的需求不断涌现，对空间折展机构的设计和构造也提出了新的挑战。在可折展机构的构型综合方面，李海龙针对空间资源有限的情况设计了一种剪叉式伸缩支架；廖启征和李端玲采用剪叉机构作为基本单元，构造出单层及多层平面放缩机构，并给出由多个平行四边形组合构造平面图形放缩机构的方法。当前已有多种折展机构的构造思路和设计方法，大部分是先设计单元机构，然后将单元机构进行复制式的平面或者空间阵列排布，构造方式单一。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题：参考分形原理中分形维数的概念提供一种新的多级折展机构；提供驱动级杆组、第一级杆组、第二级杆组、第三级杆组以及挡板杆的设计方案；挡板杆在齿轮处将杆组连接，驱动级杆组与多级杆组通过有规律的连接方式，组合成多级剪叉机构；机构的级数可根据需要设计，包括但不限于三级折展机构，可以弥补复制式的平面或者空间阵列排布等设计方式的不足，逐渐减小的尺寸以及增加的级数可以为微操作机构等提供新的设计思路。
4.本发明的技术方案：一种多级折展机构，该机构包括驱动级杆组，第一级杆组第一单元，第二级杆组第一单元，第二级杆组第二单元，第三级杆组第一单元，第三级杆组第二单元，第三级杆组第三单元，第三级杆组第四单元，第一级挡板杆，第二级挡板杆，第三级挡板杆；所述的驱动级杆组与第一级杆组第一单元连接；第二级杆组第一单元与第一级杆组第一单元连接，第二级杆组第一单元和第二级杆组第二单元关于第一级杆组第一单元的对称轴呈左右对称安装；第一级杆组第一单元的上端由第一级挡板杆连接；第三级杆组第一单元与第二级杆组第一单元连接，第三级杆组第一单元和第三级杆组第二单元关于第二级杆组第一单元的对称轴呈左右对称安装，第三级杆组第三单元和第三级杆组第四单元关于第一级杆组第一单元的对称轴与第三级杆组第二单元和第三级杆组第一单元呈左右对称布置；第二级杆组第一单元的上端由第二级挡板杆连接；两个第二级挡板杆关于第一级杆组第一单元的对称轴呈左右对称布置；第三级杆组第一单元的上端由第三级挡板杆连接；第三级杆组第二单元，第三级杆组第三单元和第三级杆组第四单元上的第三级挡板杆安装方式与第三级杆组第一单元相同。
5.所述的驱动级杆组包括单层驱动杆件和双层驱动杆件，其中单层驱动杆件和双层驱动杆件长度相同，在各自杆件中点处转动连接。
6.所述的第一级杆组第一单元由第一级杆组左侧单层杆件，第一级杆组左侧双层杆
4)，第一级挡板杆(5)，第二级挡板杆(6)，第三级挡板杆(7)。
21.如图1所示，折展机构从驱动级杆组(1)开始自下而上连接第一级杆组第一单元(2-1)，第二级杆组第一单元(3-1)，第二级杆组第二单元(3-2)，第三级杆组第一单元(4-1)，第三级杆组第二单元(4-2)，第三级杆组第三单元(4-3)和第三级杆组第四单元(4-4)，其中用第一级挡板杆(5)，第二级挡板杆(6)，第三级挡板杆(7)进行固定。
22.如图2所示，驱动级杆组(1)包括单层驱动杆件(1-s)和双层驱动杆件(1-d)，其中单层驱动杆件(1-s)和双层驱动杆件(1-d)长度相同，在各自杆件中点处转动连接。
23.如图3所示，第一级杆组第一单元(2-1)由第一级杆组左侧单层杆件(2-ls)，第一级杆组左侧双层杆件(2-ld)，第一级杆组右侧单层杆件(2-rs)和第一级杆组右侧双层杆件(2-rd)组成，同侧的单层杆件与双层杆件在各自杆件中点处转动连接，第一级杆组第一单元(2-1)的b端和c端进行齿轮啮合，a端和b端进行齿轮啮合，第一级杆组第一单元(2-1)关于第一级杆组第一单元(2-1)的第一对称轴(2-mid)轴对称布置，第一级杆组内挡板杆(2-1-1)通过a端和b端进行转动连接。
24.如图4所示，第二级杆组第一单元(3-1)由第二级杆组左侧单层杆件(3-ls)，第二级杆组左侧双层杆件(3-ld)，第二级杆组右侧单层杆件(3-rs)和第二级杆组右侧双层杆件(3-rd)组成，同侧的单层杆件与双层杆件在各自杆件中点处转动连接，第二级杆组第一单元(3-1)的b端和c端进行齿轮啮合，a端和b端进行齿轮啮合，第二级杆组第一单元(3-1)关于第二级杆组第一单元(3-1)的第二对称轴(3-1-mid)轴对称布置，第二级杆组内挡板杆(3-1-1)通过a端和b端进行转动连接，第二级杆组第二单元(3-2)与第二级杆组第一单元(3-1)结构相同。
25.如图5所示，第三级杆组第一单元(4-1)由第三级杆组左侧单层杆件(4-1-ls)，第三级杆组左侧双层杆件(4-ld)，第三级杆组右侧单层杆件(4-rs)和第三级杆组右侧双层杆件(4-rd)组成，同侧的单层杆件与双层杆件在各自杆件中点处转动连接，第三级杆组第一单元(4-1)的b端和c端进行齿轮啮合，a端和b端进行齿轮啮合，第三级杆组第一单元(4-1)关于第三级杆组第一单元(4-1)的第三对称轴(4-mid)轴对称布置，第三级杆组内挡板杆(4-1-1)通过a端和b端进行转动连接，第三级杆组第二单元(4-2)，第三级杆组第三单元(4-3)和第三级杆组第四单元(4-4)与第三级杆组第一单元(4-1)结构相同。
26.如图2、图3、图4和图5所述机构的驱动级杆件长度l0、第一级剪叉杆件长度l1、第二级杆件长度l2、第三级杆件长度l3和第n级杆件长度ln之间有如下关系：ln＝k
n-3
*l3＝k
n-2
*l2＝k
n-1
*l1＝kn*l0,k∈(0,0.5)。
27.如图6所示，挡板杆包括第一级挡板杆(5)，第二级挡板杆(6)，第三级挡板杆(7)。所述机构的杆组杆件长度l与对应组别的挡板杆长度t之间有如下关系：t＝((1-2k)/k)*l,k∈(0,0.5)。
28.如图7所示，基于分形原理的多级折展机构在收拢状态下的姿态(过程a)能够节省放置空间，基于分形原理的多级折展机构在展开状态下的姿态(过程b)能够拥有很大的运动空间，有实现更多的功能的潜力。
29.如图8所示，基于分形原理的多级折展机构可以设计成n级机构，n级可以是设计需要的级数，每一级的单元数满足：第n级有二的n减一次方个单元，多级折展机构尺寸的设计参考分形维数为-ln(2)/ln(k)的康托尔分形集。


技术特征：
1.一种基于分形原理的多级折展机构，包括：驱动级杆组(1)，第一级杆组第一单元(2-1)，第二级杆组第一单元(3-1)，第二级杆组第二单元(3-2)，第三级杆组第一单元(4-1)，第三级杆组第二单元(4-2)，第三级杆组第三单元(4-3)，第三级杆组第四单元(4-4)，第一级挡板杆(5)，第二级挡板杆(6)，第三级挡板杆(7)；所述的驱动级杆组(1)的a端与第一级杆组第一单元(2-1)的e端转动连接，驱动级杆组(1)的b端与第一级杆组第一单元(2-1)的f端转动连接；第二级杆组第一单元(3-1)的e端与第一级杆组第一单元(2-1)的a端转动连接，第二级杆组第一单元(3-1)的f端与第一级杆组第一单元(2-1)的b端转动连接，第二级杆组第一单元(3-1)和第二级杆组第二单元(3-2)关于第一级杆组第一单元(2-1)的第一对称轴(2-mid)轴对称安装；第一级挡板杆(5)分别将第一级杆组第一单元(2-1)的b端和第二级杆组第一单元(3-1)的f端转动连接，将第一级杆组(2-1)的c端和第二级杆组第二单元(3-2)的e端连接，第一级挡板杆(5)共1个；第三级杆组第一单元(4-1)的e端与第二级杆组第一单元(3-1)的a端转动连接，第三级杆组第一单元(4-1)的f端与第二级杆组第一单元(3-1)的b端转动连接，第三级杆组第一单元(4-1)和第三级杆组第二单元(4-2)关于第二级杆组第一单元(3-1)的第二对称轴(3-1-mid)轴对称安装，第三级杆组第四单元(4-4)和第三级杆组第三单元(4-3)关于第一级杆组第一单元(2-1)的第一对称轴(2-mid)与第三级杆组第一单元(4-1)和第三级杆组第二单元(4-2)轴对称布置；第二级挡板杆(6)分别将第二级杆组第一单元(3-1)的b端与第三级杆组第一单元(4-1)的f端转动连接，将第二级杆组第一单元(3-1)的c端和第三级杆组第二单元(4-2)的e端转动连接；两个第二级挡板杆(6)关于第一级杆组第一单元(2-1)的第一对称轴(2-mid)轴对称安装，第二级挡板杆(6)共2个；第三级挡板杆(7)分别与第三级杆组第一单元(4-1)的b端转动连接，与第三级杆组第一单元(4-1)的c端转动连接，第三级杆组第二单元(4-2)，第三级杆组第三单元(4-3)和第三级杆组第四单元(4-4)上的第三级挡板杆(7)安装方式与第三级杆组第一单元(4-1)相同，第三级挡板杆(7)共4个。2.根据权利要求1所述的一种多级折展机构，其特征在于：所述的驱动级杆组(1)包括单层驱动杆件(1-s)和双层驱动杆件(1-d)，其中单层驱动杆件(1-s)和双层驱动杆件(1-d)长度相同，在各自杆件中点处转动连接；所述的第一级杆组第一单元(2-1)由第一级杆组左侧单层杆件(2-ls)，第一级杆组左侧双层杆件(2-ld)，第一级杆组右侧单层杆件(2-rs)和第一级杆组右侧双层杆件(2-rd)组成，同侧的单层杆件与双层杆件在各自杆件中点处转动连接，第一级杆组第一单元(2-1)的b端、c端、a端、b端均具有齿轮结构，其中b端和c端齿轮配对啮合，a端和b端齿轮配对啮合，第一级杆组第一单元(2-1)关于第一级杆组第一单元(2-1)的第一对称轴(2-mid)轴对称布置，第一级杆组内挡板杆(2-1-1)分别与第一级杆组第一单元(2-1)的a端进行转动连接，与第一级杆组第一单元(2-1)的b端进行转动连接；所述的第二级杆组第一单元(3-1)由第二级杆组左侧单层杆件(3-ls)，第二级杆组左侧双层杆件(3-ld)，第二级杆组右侧单层杆件(3-rs)和第二级杆组右侧双层杆件(3-rd)组
成，同侧的单层杆件与双层杆件在各自杆件中点处转动连接，第二级杆组第一单元(3-1)的b端、c端、a端、b端均具有齿轮结构，其中b端和c端齿轮配对啮合，a端和b端齿轮配对啮合，第二级杆组第一单元(3-1)关于第二级杆组第一单元(3-1)的第二对称轴(3-1-mid)轴对称布置，第二级杆组内挡板杆(3-1-1)分别与第二级杆组第一单元(3-1)的a端进行转动连接，与第二级杆组第一单元(3-1)的b端进行转动连接，第二级杆组第二单元(3-2)与第二级杆组第一单元(3-1)结构相同；所述的第三级杆组第一单元(4-1)由第三级杆组左侧单层杆件(4-1-ls)，第三级杆组左侧双层杆件(4-ld)，第三级杆组右侧单层杆件(4-rs)和第三级杆组右侧双层杆件(4-rd)组成，同侧的单层杆件与双层杆件在各自杆件中点处转动连接，第三级杆组第一单元(4-1)的b端、c端、a端、b端均具有齿轮结构，其中b端和c端齿轮配对啮合，a端和b端齿轮配对啮合，第三级杆组第一单元(4-1)关于第三级杆组第一单元(4-1)的第三对称轴(4-mid)轴对称布置，第三级杆组内挡板杆(4-1-1)分别与第三级杆组第一单元(4-1)的a端转动连接，与第三级杆组第一单元(4-1)的b端进行转动连接，第三级杆组第二单元(4-2)，第三级杆组第三单元(4-3)和第三级杆组第四单元(4-4)与第三级杆组第一单元(4-1)结构相同。3.根据权利要求1所述的一种多级折展机构，其特征在于：第一级杆组有二的零次方个单元，第二级杆组有二的一次方个单元，第三级杆组有二的二次方个单元，第n级杆组有二的n减一次方个单元。4.根据权利要求1所述的一种多级折展机构，其特征在于：所述机构的驱动级杆件长度l0、第一级剪叉杆件长度l1、第二级杆件长度l2、第三级杆件长度l3和第n级杆件长度l
n
之间有如下关系：l
n
＝k
n-3
*l3＝k
n-2
*l2＝k
n-1
*l1＝k
n
*l0,k∈(0,0.5)；所述机构的杆组杆件长度l与对应组别的挡板杆长度t之间有如下关系：t＝((1-2k)/k)*l,k∈(0,0.5)。

技术总结
本发明公开一种基于分形原理的多级折展机构，包括：驱动级杆组(1)，第一级杆组第一单元(2-1)，第二级杆组第一单元(3-1)，第二级杆组第二单元(3-2)，第三级杆组第一单元(4-1)，第三级杆组第二单元(4-2)，第三级杆组第三单元(4-3)，第三级杆组第四单元(4-4)，第一级挡板杆(5)，第二级挡板杆(6)，第三级挡板杆(7)，所组成的机构具有可以连接多级结构的功能，机构的设计基于分形原理中分形维数的概念。构的设计基于分形原理中分形维数的概念。构的设计基于分形原理中分形维数的概念。


技术研发人员：李锐明 时逢君 张硕 张宪宏 李晔卓 姚燕安
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：2021.12.16
技术公布日：2022/3/8