可展机构研究综述

朱严宽+刘树青+陈伟+薛海峰

摘 要：可展机构在航空航天、建筑、汽车、消防等领域都有着广泛的应用，是人类用以传递力的重要机构。文章对可展机构的特点进行了总结，对可展机构的常见结构类型和工作原理进行了分类。综述了可展机构在不同领域的应用，并对国内外在该领域的研究进行了总结。在此基础上，展望了可展机构未来的发展空间。

关键词：可展机构；结构类型；可展机构应用

引言

可展机构具有承载力大但收拢时所占空间小，收放灵活和运输方便等优点。随着全球工业化的快速发展，机械基本上取代了传统的手工的发展，尤其在重工业领域，可展机构为人类生活生产提供了不可忽视的便利性[1]。但可展机构在机械原理、机械设计等传统文献中并没有具体分类研究，而且开发空间巨大。所以针对该类机构的系统性研究亟待加强。

1 可展机构的特点

（1）结构紧凑、尺寸小巧，且设备收缩后体积小。这是可展机构最大的优点，也使得其作业所要求的占用空间小。在地下水位较高的地区工作时对机坑的处理会十分简单。它能够在任何已有设备上直接使用，而无需修改设备结构和机坑深度[2]。

（2）载荷能力大、稳定性好。相对于其他机构来讲，大部分可展机构的承载能力偏大。由于其稳定的结构，可展机构在额定承载能力和伸展长度下，具有很好的稳定性。

（3）定位精准。大部分可展机构在运行过程能确保在行程的任意一点精确定位，并锁定高度，不像液压设备会因温度的变化或泄漏产生位置变化。

（4）运行平稳、噪音较低。由于其连续成型原理，无垂直方向爬行，使得机构运转平稳安静，除驱动装置的运行噪音，大部分可展器本身的工作噪音很低。

（5）效率高。大部分可展设备的总传动效率较高，通常可达到 80%以上。

（6）构造简单，使用方便。可展机构的结构精巧而简洁，所以可展器本身的安装工作简易而快捷，一块伸缩机构通常在很短的时间即可安装使用。

（7）通用性高。可展机构对使用环境没有太高要求，使其经常在太空、海洋等复杂环境下工作，并依然保持其稳定性。

2 可展机构的结构类型

2.1 剪叉式可展机构

剪叉式可展机构具有结构简易、承载量大、操控性好的特点，因此在各种环境下的装卸、现代物流、高空营救与作业中得到了广泛的应用[3]。剪叉式可展机构是一种传递力的结构，并且对力起导向作用。如图1，拐臂3、8分别与横梁焊接為一个整体，剪叉机构最高和最低处的剪叉臂分别与上、下板铰接，内剪叉臂10与滑轮7铰接，滑轮7可以在滑道11上滑动，内、外剪叉臂之间通过销轴5连接，可以绕其相对转动。气缸伸缩，柱塞拐臂8与气缸相对转动，从而使内、外剪叉臂绕销轴旋转，使滑轮在滑道中滑动，进而改变内、外剪叉臂夹角，从而实现机架的伸展与收缩，完成对机构上物体快速升降。是一种生活中常见而简易的可展机构，应用范围广，对驱动机构要求不高。但因其停止位置不够准确，精度较低的缺点，也使得其很难在高精度要求的环境下工作。

2.2 薄壁管式可展机构

薄壁管可展机构是一种原始的可展机构，它结构简单，展开运动是依靠薄壁发生弹性变形，展开所需的时间短。19世纪60年代，加拿大就研发了STEM。它是利用弧形薄钢尺本身能自卷曲的特性，完成机构的收拢和展开。在此基础上BI-STEM是由单个STEM发展而来的[4][5]。它是将一个薄片被重叠放在另一个完全一样薄片内部。改良后两个薄片形成的机构比一个STEM的钢片窄，提升了机构的机械性能，弯曲刚度和抗扭刚度。其收拢后超小的体积，简单的构造，使得薄壁管伸展机构在未来充满了开发空间。

2.3 铰接杆式可展机构

铰接杆式可展机构作为一种线性展开机构，展开后为格柱状，在太空十分常见，通常由几种长度不同、内带驱动弹簧的杆件和铰接头组成，展开状态下具有比其他可展机构更高的刚度，能够完成大跨度的伸展。这种伸展的原始驱动力为扭簧的弹性势能，在直流电机的驱动下，通过螺纹千斤顶驱动。铰接杆式可展机构具有精度高、展开刚度高以及展开效率高等优点。其铰接杆的纵梁较短，并非贯穿整个桁架，且纵梁和横向支架均为刚性。关节上的驱动弹簧提供了展开时的驱动力[6][7]。

2.4 充气可展开机构

充气式可展机构常用于大型次结构体的展开，如太阳翼、天线反射器、气闸舱等。1996年美国取得了膨胀展开天线空间展开试验的成功，并将该技术应用于展开式结构、展开式天线（如图4）和太阳电池阵等方面。近年来，各国专家针对空间充气展开结构进行了充分研究，因为它质量小、热稳定性高、收缩效率高、可靠性高、结构的复杂程度低，可应用的领域多。不同于其他可展机构活动机构过于复杂，所以有可能在不同环境不同领域下代替其他可展机构[8]，是未来可展机构的重要研究方向。

3 可展机构在不同领域的应用

3.1 航空航天

当今大型可展结构已成为航天科技的重要研究课题之一。无论是卫星上的可展天线、航天器上的气闸舱，可展机构在航天航空领域的身影无处不在。航空航天领域已有的可展结构主要有直线可展机构和螺旋式可展机构两种。其中更多的体现在卫星上的天线系统。卫星上的天线伸展机构是卫星反射器和卫星星体的连接部分。对卫星的天线反射器起到固定支撑的作用。在人造卫星开始环绕地球运转后，天线伸展臂会带动天线环形桁架一起展开，是确定天线环形桁架工作位置正确的重要因素，保障了卫星信号的正常接收与发射。天线伸展臂能否及时、准确的伸展到位直接影响了整个卫星发射任务的成功与否。同时，对于卫星整个物理结构来讲，可展机构在展开状态下，它的结构参数对整个天线系统的动力学特性具有很大影响[9]。所以，可展机构在航天领域的研究是非常有价值的。

3.2 日常生活

可展机构在生活中的应用主要体现在舞台的升降。1988年，具有加拿大专利技术的板带自组螺旋可展器于美国加利福尼亚州的退伍军人纪念中心首次进行使用。它是将一盘水平螺旋板片拉开，如图5。然后连续插入一种垂直螺旋片，就组合成一个由两种螺旋片连续自锁的垂直螺旋管柱。水平螺旋板片的上下表面设有特制凹槽，能够保证垂直螺旋板片轻松地啮合并精准的定位。这一组长螺旋组合结构在垂直方向能承受很大载荷，并将载荷连续增大和降低[10][11]。且运行平稳工作噪音小，所以能够很好地完成舞台升降的任务。除了舞台升降机构，学校等公众场合经常使用的电动伸缩门，其实也是一种典型的剪叉式可展机构，由很多的铰接杆重复铰接构成，通过改变杆与杆之间的夹角，完成整个伸缩门的开合。它超大的伸展行程成了它最大优点，简单驱动方式和低廉的成本，也是它普及的重要原因。

3.3 机器人领域

如图6所示是一种应用于清理炮弹发射后炮筒内的残留的尘土、油垢和渣土等问题而发明的一种旋转可展机器人机构[12]。它是基于空间可展机构运动特征分析，将一个旋转的底盘和一个空间可展机构结合在一起，形成一个具有旋转伸展功能的机构，代替士兵完成武器内部的保养任务。具体结构如图6所示[13]。解决了炮筒内部的可能存在问题，节省战场上的宝贵时间，体现可展机构在机器人领域应用的重要地位。

4 结束语

可展机构具有展開后面积大、收拢时占用空间小且便于收放和运输等特点。在航天航空、日常生活，机器人等领域应用广泛。因此这种机构的机械设计和运动分析研究得到国内研究机构的普遍重视。而对于不同可展机构的开发与应用，还需要更多针对性的研究与探索。

参考文献

[1]韩莹莹，袁茹，郑钰祺.环状可展机构运动学分析方法及应用研究[J].中国机械工程，2013， 24（9）.

[2] 张颖，段慧文.“大螺旋”在剧院领域的应用[J].演艺设备与科技，2005，11（5）.

[3]虎小舟，虎军科，胡国华.剪叉式举升机构建模及关键参数的研究[J].机械设计与研究[J].2010，26（4）.

[4]赵国伟，杜杉杉，卫巍 .伸展机构技术的空间应用与发展趋势[J].机械技术史及机械设计，2008.

[5]林上民.空间伸展臂的结构设计与分析[D].西安电子科技大学，2012.

[6]MAguirre Martinez，DH Bowen，R Davidson，etc. The Development of Acontinuous Manufacturing Method for a Deployable Satellite Mast in CFRP，1986.

[7]Gross，D Messner. The Deployable Articulated Mast--enabling Technology for the Shuttler Adar Topography Mission[C]. Proceedings of the 33rd Aerospace Mechanisms Symposium，1999.

[8]孙宏图，袁茹，王三民.正方形可展机构的运动学与动力学特性研究[J].西北工业大学学报，2013（4）.

[9]王刚，袁茹.大型空间天线伸展臂的结构优化设计[J].机械设计及理论，2006.

[10]刘永光，甘立刚.伸缩可控的杆状空间伸展机构研究[J].机械工程师，2007.

[11]梁锡昌，蒋建东.特种螺旋传动机构的研究[J].机械工程学报，2003，39（10）.

[12]吴义成.伸缩机构的研究与设计[J].机电工程技术，2013（9）.

[13]赵国伟，杜杉杉，卫巍.伸展机构技术的空间应用与发展趋势[A].第七届中日机械技术史及机械设计国际学术会议论文集[C].2009，3.