一种新型多自由度可展组合单元机构的运动特性分析
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摘要
提出了一种新型多自由度可展组合单元机构,其可作为大口径构架式可展天线支撑机构的最小组合单元。该可展组合单元机构包含三个四面体基本可展单元机构,每个基本可展单元机构由4个连接节点、3根等长的摇摆杆和3根可折叠杆组成,其中4个连接节点分别位于四面体的顶点和四面体底面三角形的三个顶点,每根摇摆杆一端通过转动副和四面体单元顶部的节点连接,另一端通过转动副和四面体底面的一个节点连接,且每根摇摆杆两端的转动副轴线相互平行且垂直于由该摇摆杆轴线和四面体的中心线确定的平面,每根可折叠杆由两根等长的连杆通过转动副连接而成,可折叠杆两端均通过虎克铰(U)与四面体单元底面的两节点相连,U副的一条轴线沿与其相连的可折叠杆的轴线方向,另一条轴线与可折叠杆中间的转动副(R)轴线平行且垂直于可折叠杆的两根连杆轴线确定的平面,三个四面体基本可展单元机构在底面共用一个中心节点且通过URU约束链连接相邻的基本可展单元机构底面的另外两节点构成可展组合单元机构。首先,将基本可展单元机构底面的任意一个连接节点视作动平台,底面的另外一个连接节点视作定平台,先拆除动节点与底面第三个节点之间的URU约束链,将基本可展单元机构视作一个含两分支的并联机构,通过分析两分支施加给动节点的约束螺旋系,基于反螺旋理论得到动节点的运动螺旋系,即可知基本可展单元机构底面任意两节点间的相对运动,然后将之前拆除的约束链复原得到基本可展单元机构的等效机构,通过分析等效机构的自由度可知基本可展单元机构的自由度。其次,结合基本可展单元机构的等效机构以及基本可展单元机构之间的连接方式,建立了可展组合单元机构的等效机构,并通过机构学原理及几何观察法推导了可展组合单元机构等效机构的自由度,从而可知可展组合单元机构的自由度。再次,根据可展组合单元机构自由度的性质及其收拢指标,将该机构的自由度分为收展和调姿两种,基于节点的空间几何位置和坐标变化矩阵推导了可展组合单元机构在收拢/展开过程中各节点位置、速度和姿态的解析表达式,并采用RPY角进一步描述了节点的姿态变化。最后,建立了可展组合单元机构的三维模型,并基于多体动力学仿真软件Adams对其自由度及运动学理论分析的正确性进行了验证。该可展组合单元机构除具有收拢/展开自由度外,还具有调姿自由度,使机构在收拢末态各节点姿态一致,具有大折叠比。因此,该新型多自由度可展组合单元机构结构简单、折叠比大、驱动方便,可用于曲面构架式可展天线机构。
引文