可展機構(gòu)研究綜述

朱嚴(yán)寬+劉樹青+陳偉+薛海峰

摘 要：可展機構(gòu)在航空航天、建筑、汽車、消防等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，是人類用以傳遞力的重要機構(gòu)。文章對可展機構(gòu)的特點進(jìn)行了總結(jié)，對可展機構(gòu)的常見結(jié)構(gòu)類型和工作原理進(jìn)行了分類。綜述了可展機構(gòu)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，并對國內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究進(jìn)行了總結(jié)。在此基礎(chǔ)上，展望了可展機構(gòu)未來的發(fā)展空間。

關(guān)鍵詞：可展機構(gòu)；結(jié)構(gòu)類型；可展機構(gòu)應(yīng)用

引言

可展機構(gòu)具有承載力大但收攏時所占空間小，收放靈活和運輸方便等優(yōu)點。隨著全球工業(yè)化的快速發(fā)展，機械基本上取代了傳統(tǒng)的手工的發(fā)展，尤其在重工業(yè)領(lǐng)域，可展機構(gòu)為人類生活生產(chǎn)提供了不可忽視的便利性[1]。但可展機構(gòu)在機械原理、機械設(shè)計等傳統(tǒng)文獻(xiàn)中并沒有具體分類研究，而且開發(fā)空間巨大。所以針對該類機構(gòu)的系統(tǒng)性研究亟待加強。

1 可展機構(gòu)的特點

（1）結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小巧，且設(shè)備收縮后體積小。這是可展機構(gòu)最大的優(yōu)點，也使得其作業(yè)所要求的占用空間小。在地下水位較高的地區(qū)工作時對機坑的處理會十分簡單。它能夠在任何已有設(shè)備上直接使用，而無需修改設(shè)備結(jié)構(gòu)和機坑深度[2]。

（2）載荷能力大、穩(wěn)定性好。相對于其他機構(gòu)來講，大部分可展機構(gòu)的承載能力偏大。由于其穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，可展機構(gòu)在額定承載能力和伸展長度下，具有很好的穩(wěn)定性。

（3）定位精準(zhǔn)。大部分可展機構(gòu)在運行過程能確保在行程的任意一點精確定位，并鎖定高度，不像液壓設(shè)備會因溫度的變化或泄漏產(chǎn)生位置變化。

（4）運行平穩(wěn)、噪音較低。由于其連續(xù)成型原理，無垂直方向爬行，使得機構(gòu)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)安靜，除驅(qū)動裝置的運行噪音，大部分可展器本身的工作噪音很低。

（5）效率高。大部分可展設(shè)備的總傳動效率較高，通?？蛇_(dá)到 80%以上。

（6）構(gòu)造簡單，使用方便?？烧箼C構(gòu)的結(jié)構(gòu)精巧而簡潔，所以可展器本身的安裝工作簡易而快捷，一塊伸縮機構(gòu)通常在很短的時間即可安裝使用。

（7）通用性高?？烧箼C構(gòu)對使用環(huán)境沒有太高要求，使其經(jīng)常在太空、海洋等復(fù)雜環(huán)境下工作，并依然保持其穩(wěn)定性。

2 可展機構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型

2.1 剪叉式可展機構(gòu)

剪叉式可展機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡易、承載量大、操控性好的特點，因此在各種環(huán)境下的裝卸、現(xiàn)代物流、高空營救與作業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[3]。剪叉式可展機構(gòu)是一種傳遞力的結(jié)構(gòu)，并且對力起導(dǎo)向作用。如圖1，拐臂3、8分別與橫梁焊接為一個整體，剪叉機構(gòu)最高和最低處的剪叉臂分別與上、下板鉸接，內(nèi)剪叉臂10與滑輪7鉸接，滑輪7可以在滑道11上滑動，內(nèi)、外剪叉臂之間通過銷軸5連接，可以繞其相對轉(zhuǎn)動。氣缸伸縮，柱塞拐臂8與氣缸相對轉(zhuǎn)動，從而使內(nèi)、外剪叉臂繞銷軸旋轉(zhuǎn)，使滑輪在滑道中滑動，進(jìn)而改變內(nèi)、外剪叉臂夾角，從而實現(xiàn)機架的伸展與收縮，完成對機構(gòu)上物體快速升降。是一種生活中常見而簡易的可展機構(gòu)，應(yīng)用范圍廣，對驅(qū)動機構(gòu)要求不高。但因其停止位置不夠準(zhǔn)確，精度較低的缺點，也使得其很難在高精度要求的環(huán)境下工作。

2.2 薄壁管式可展機構(gòu)

薄壁管可展機構(gòu)是一種原始的可展機構(gòu)，它結(jié)構(gòu)簡單，展開運動是依靠薄壁發(fā)生彈性變形，展開所需的時間短。19世紀(jì)60年代，加拿大就研發(fā)了STEM。它是利用弧形薄鋼尺本身能自卷曲的特性，完成機構(gòu)的收攏和展開。在此基礎(chǔ)上BI-STEM是由單個STEM發(fā)展而來的[4][5]。它是將一個薄片被重疊放在另一個完全一樣薄片內(nèi)部。改良后兩個薄片形成的機構(gòu)比一個STEM的鋼片窄，提升了機構(gòu)的機械性能，彎曲剛度和抗扭剛度。其收攏后超小的體積，簡單的構(gòu)造，使得薄壁管伸展機構(gòu)在未來充滿了開發(fā)空間。

2.3 鉸接桿式可展機構(gòu)

鉸接桿式可展機構(gòu)作為一種線性展開機構(gòu)，展開后為格柱狀，在太空十分常見，通常由幾種長度不同、內(nèi)帶驅(qū)動彈簧的桿件和鉸接頭組成，展開狀態(tài)下具有比其他可展機構(gòu)更高的剛度，能夠完成大跨度的伸展。這種伸展的原始驅(qū)動力為扭簧的彈性勢能，在直流電機的驅(qū)動下，通過螺紋千斤頂驅(qū)動。鉸接桿式可展機構(gòu)具有精度高、展開剛度高以及展開效率高等優(yōu)點。其鉸接桿的縱梁較短，并非貫穿整個桁架，且縱梁和橫向支架均為剛性。關(guān)節(jié)上的驅(qū)動彈簧提供了展開時的驅(qū)動力[6][7]。

2.4 充氣可展開機構(gòu)

充氣式可展機構(gòu)常用于大型次結(jié)構(gòu)體的展開，如太陽翼、天線反射器、氣閘艙等。1996年美國取得了膨脹展開天線空間展開試驗的成功，并將該技術(shù)應(yīng)用于展開式結(jié)構(gòu)、展開式天線（如圖4）和太陽電池陣等方面。近年來，各國專家針對空間充氣展開結(jié)構(gòu)進(jìn)行了充分研究，因為它質(zhì)量小、熱穩(wěn)定性高、收縮效率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度低，可應(yīng)用的領(lǐng)域多。不同于其他可展機構(gòu)活動機構(gòu)過于復(fù)雜，所以有可能在不同環(huán)境不同領(lǐng)域下代替其他可展機構(gòu)[8]，是未來可展機構(gòu)的重要研究方向。

3 可展機構(gòu)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 航空航天

當(dāng)今大型可展結(jié)構(gòu)已成為航天科技的重要研究課題之一。無論是衛(wèi)星上的可展天線、航天器上的氣閘艙，可展機構(gòu)在航天航空領(lǐng)域的身影無處不在。航空航天領(lǐng)域已有的可展結(jié)構(gòu)主要有直線可展機構(gòu)和螺旋式可展機構(gòu)兩種。其中更多的體現(xiàn)在衛(wèi)星上的天線系統(tǒng)。衛(wèi)星上的天線伸展機構(gòu)是衛(wèi)星反射器和衛(wèi)星星體的連接部分。對衛(wèi)星的天線反射器起到固定支撐的作用。在人造衛(wèi)星開始環(huán)繞地球運轉(zhuǎn)后，天線伸展臂會帶動天線環(huán)形桁架一起展開，是確定天線環(huán)形桁架工作位置正確的重要因素，保障了衛(wèi)星信號的正常接收與發(fā)射。天線伸展臂能否及時、準(zhǔn)確的伸展到位直接影響了整個衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)的成功與否。同時，對于衛(wèi)星整個物理結(jié)構(gòu)來講，可展機構(gòu)在展開狀態(tài)下，它的結(jié)構(gòu)參數(shù)對整個天線系統(tǒng)的動力學(xué)特性具有很大影響[9]。所以，可展機構(gòu)在航天領(lǐng)域的研究是非常有價值的。

3.2 日常生活

可展機構(gòu)在生活中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在舞臺的升降。1988年，具有加拿大專利技術(shù)的板帶自組螺旋可展器于美國加利福尼亞州的退伍軍人紀(jì)念中心首次進(jìn)行使用。它是將一盤水平螺旋板片拉開，如圖5。然后連續(xù)插入一種垂直螺旋片，就組合成一個由兩種螺旋片連續(xù)自鎖的垂直螺旋管柱。水平螺旋板片的上下表面設(shè)有特制凹槽，能夠保證垂直螺旋板片輕松地嚙合并精準(zhǔn)的定位。這一組長螺旋組合結(jié)構(gòu)在垂直方向能承受很大載荷，并將載荷連續(xù)增大和降低[10][11]。且運行平穩(wěn)工作噪音小，所以能夠很好地完成舞臺升降的任務(wù)。除了舞臺升降機構(gòu)，學(xué)校等公眾場合經(jīng)常使用的電動伸縮門，其實也是一種典型的剪叉式可展機構(gòu)，由很多的鉸接桿重復(fù)鉸接構(gòu)成，通過改變桿與桿之間的夾角，完成整個伸縮門的開合。它超大的伸展行程成了它最大優(yōu)點，簡單驅(qū)動方式和低廉的成本，也是它普及的重要原因。

3.3 機器人領(lǐng)域

如圖6所示是一種應(yīng)用于清理炮彈發(fā)射后炮筒內(nèi)的殘留的塵土、油垢和渣土等問題而發(fā)明的一種旋轉(zhuǎn)可展機器人機構(gòu)[12]。它是基于空間可展機構(gòu)運動特征分析，將一個旋轉(zhuǎn)的底盤和一個空間可展機構(gòu)結(jié)合在一起，形成一個具有旋轉(zhuǎn)伸展功能的機構(gòu)，代替士兵完成武器內(nèi)部的保養(yǎng)任務(wù)。具體結(jié)構(gòu)如圖6所示[13]。解決了炮筒內(nèi)部的可能存在問題，節(jié)省戰(zhàn)場上的寶貴時間，體現(xiàn)可展機構(gòu)在機器人領(lǐng)域應(yīng)用的重要地位。

4 結(jié)束語

可展機構(gòu)具有展開后面積大、收攏時占用空間小且便于收放和運輸?shù)忍攸c。在航天航空、日常生活，機器人等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。因此這種機構(gòu)的機械設(shè)計和運動分析研究得到國內(nèi)研究機構(gòu)的普遍重視。而對于不同可展機構(gòu)的開發(fā)與應(yīng)用，還需要更多針對性的研究與探索。

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