可展機構研究綜述

朱嚴寬+劉樹青+陳偉+薛海峰

摘 要：可展機構在航空航天、建筑、汽車、消防等領域都有著廣泛的應用，是人類用以傳遞力的重要機構。文章對可展機構的特點進行了總結，對可展機構的常見結構類型和工作原理進行了分類。綜述了可展機構在不同領域的應用，并對國內外在該領域的研究進行了總結。在此基礎上，展望了可展機構未來的發展空間。

關鍵詞：可展機構；結構類型；可展機構應用

引言

可展機構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點。隨著全球工業化的快速發展，機械基本上取代了傳統的手工的發展，尤其在重工業領域，可展機構為人類生活生產提供了不可忽視的便利性[1]。但可展機構在機械原理、機械設計等傳統文獻中并沒有具體分類研究，而且開發空間巨大。所以針對該類機構的系統性研究亟待加強。

1 可展機構的特點

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

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

（3）定位精準。大部分可展機構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，不像液壓設備會因溫度的變化或泄漏產生位置變化。

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

（5）效率高。大部分可展設備的總傳動效率較高，通?？蛇_到 80%以上。

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

（7）通用性高?？烧箼C構對使用環境沒有太高要求，使其經常在太空、海洋等復雜環境下工作，并依然保持其穩定性。

2 可展機構的結構類型

2.1 剪叉式可展機構

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

2.2 薄壁管式可展機構

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

2.3 鉸接桿式可展機構

鉸接桿式可展機構作為一種線性展開機構，展開后為格柱狀，在太空十分常見，通常由幾種長度不同、內帶驅動彈簧的桿件和鉸接頭組成，展開狀態下具有比其他可展機構更高的剛度，能夠完成大跨度的伸展。這種伸展的原始驅動力為扭簧的彈性勢能，在直流電機的驅動下，通過螺紋千斤頂驅動。鉸接桿式可展機構具有精度高、展開剛度高以及展開效率高等優點。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。關節上的驅動彈簧提供了展開時的驅動力[6][7]。

2.4 充氣可展開機構

充氣式可展機構常用于大型次結構體的展開，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，并將該技術應用于展開式結構、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構進行了充分研究，因為它質量小、熱穩定性高、收縮效率高、可靠性高、結構的復雜程度低，可應用的領域多。不同于其他可展機構活動機構過于復雜，所以有可能在不同環境不同領域下代替其他可展機構[8]，是未來可展機構的重要研究方向。

3 可展機構在不同領域的應用

3.1 航空航天

當今大型可展結構已成為航天科技的重要研究課題之一。無論是衛星上的可展天線、航天器上的氣閘艙，可展機構在航天航空領域的身影無處不在。航空航天領域已有的可展結構主要有直線可展機構和螺旋式可展機構兩種。其中更多的體現在衛星上的天線系統。衛星上的天線伸展機構是衛星反射器和衛星星體的連接部分。對衛星的天線反射器起到固定支撐的作用。在人造衛星開始環繞地球運轉后，天線伸展臂會帶動天線環形桁架一起展開，是確定天線環形桁架工作位置正確的重要因素，保障了衛星信號的正常接收與發射。天線伸展臂能否及時、準確的伸展到位直接影響了整個衛星發射任務的成功與否。同時，對于衛星整個物理結構來講，可展機構在展開狀態下，它的結構參數對整個天線系統的動力學特性具有很大影響[9]。所以，可展機構在航天領域的研究是非常有價值的。

3.2 日常生活

可展機構在生活中的應用主要體現在舞臺的升降。1988年，具有加拿大專利技術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念中心首次進行使用。它是將一盤水平螺旋板片拉開，如圖5。然后連續插入一種垂直螺旋片，就組合成一個由兩種螺旋片連續自鎖的垂直螺旋管柱。水平螺旋板片的上下表面設有特制凹槽，能夠保證垂直螺旋板片輕松地嚙合并精準的定位。這一組長螺旋組合結構在垂直方向能承受很大載荷，并將載荷連續增大和降低[10][11]。且運行平穩工作噪音小，所以能夠很好地完成舞臺升降的任務。除了舞臺升降機構，學校等公眾場合經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，由很多的鉸接桿重復鉸接構成，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點，簡單驅動方式和低廉的成本，也是它普及的重要原因。

3.3 機器人領域

如圖6所示是一種應用于清理炮彈發射后炮筒內的殘留的塵土、油垢和渣土等問題而發明的一種旋轉可展機器人機構[12]。它是基于空間可展機構運動特征分析，將一個旋轉的底盤和一個空間可展機構結合在一起，形成一個具有旋轉伸展功能的機構，代替士兵完成武器內部的保養任務。具體結構如圖6所示[13]。解決了炮筒內部的可能存在問題，節省戰場上的寶貴時間，體現可展機構在機器人領域應用的重要地位。

4 結束語

可展機構具有展開后面積大、收攏時占用空間小且便于收放和運輸等特點。在航天航空、日常生活，機器人等領域應用廣泛。因此這種機構的機械設計和運動分析研究得到國內研究機構的普遍重視。而對于不同可展機構的開發與應用，還需要更多針對性的研究與探索。

參考文獻

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[2] 張穎，段慧文.“大螺旋”在劇院領域的應用[J].演藝設備與科技，2005，11（5）.

[3]虎小舟，虎軍科，胡國華.剪叉式舉升機構建模及關鍵參數的研究[J].機械設計與研究[J].2010，26（4）.

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[10]劉永光，甘立剛.伸縮可控的桿狀空間伸展機構研究[J].機械工程師，2007.

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[12]吳義成.伸縮機構的研究與設計[J].機電工程技術，2013（9）.

[13]趙國偉，杜杉杉，衛巍.伸展機構技術的空間應用與發展趨勢[A].第七屆中日機械技術史及機械設計國際學術會議論文集[C].2009，3.