CN102912851A - 一种棱柱型对称可展机构单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种棱柱型对称可展机构单元，包括2N个三杆相交连接节点、N根等长的竖向连杆和2N根等长的水平连杆，其中N为大于2的偶数，每个三杆相交连接节点上均设置有一个竖向连杆转动副和两个水平连杆转动副，竖向连杆转动副与一根竖向连杆连接，两个水平连杆转动副分别与两根不同的水平连杆连接，每根竖向连杆的两端分别与不同的连接节点通过竖向连杆转动副连接，每根水平连杆的两端分别与不同的连接节点通过水平连杆转动副连接。本发明具有单一运动自由度，几何构型美观，折叠-展开过程便捷且可重复。

Description

一种棱柱型对称可展机构单元

技术领域

本发明涉及张拉整体结构与可展结构，尤其涉及一种棱柱型对称可展机构单元。

背景技术

上个世纪，工程师Geiger成功将建筑师Fuller等提出的“张拉整体”思想应用于土木工程领域，设计出一种由索、杆及膜组成的新型屋盖结构。随后，张拉整体结构、可展结构等新型空间结构体系得到了快速发展，并逐渐应用于工程领域。闭合环形机构可在无应变状态下产生连续、较为显著的几何构型变换，且其构型简单、紧凑，具有单一或较少的可动自由度，颇受设计者青睐。美国NASA实验室已成功将闭合环形机构作为卫星天线的周边支撑，引入到空间可展结构的工程应用；基于剪铰式单元的径向开启式可展结构，已应用于太阳能帆板、可开启屋顶等实际工程中。已有学者基于三轴对称型Bricard机构，提出了采用四面体单元取代常规刚性连杆单元，从而构造出可应用于土木工程领域的可开启屋盖结构。因此，设计一类新型的闭合棱柱型可展机构单元将对张拉整体结构、可展结构的发展与工程应用具有积极的作用。

然而，现有的可展机构主要基于剪铰式单元，现阶段的新型可展机构单元类型较少，主要采用复杂的连接节点或单元方式，无法获得较理想的收纳率，或不能保证单元折叠-展开过程中始终具有单一运动自由度。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种具有单一运动自由度，整个运动过程连续、可反复，便于结构的折叠和展开的棱柱型对称可展机构单元。

技术方案：本发明的棱柱型对称可展机构单元，包括2N个三杆相交连接节点、N根等长的竖向连杆和2N根等长的水平连杆，其中N为大于2的偶数，每个三杆相交连接节点上均设置有一个竖向连杆转动副和两个水平连杆转动副，竖向连杆转动副与一根竖向连杆连接，两个水平连杆转动副分别与两根不同的水平连杆连接，每根竖向连杆的两端分别与不同的连接节点通过竖向连杆转动副连接，每根水平连杆的两端分别与不同的连接节点通过水平连杆转动副连接；N根水平连杆通过N个三杆相交连接节点首尾连接组成N边形上底面，其余N根水平连杆和N个三杆相交连接节点则组成N边形下底面，上下底面的对应顶点之间均通过竖向连杆连接，组成一个正棱柱体；

每个三杆相交连接节点上的三个转动副的轴心线位于同一平面，且三个转动副的轴心线相交而成的三角形为顶角为α的等腰三角形，竖向连杆转动副位于等腰三角形的底边上，水平连杆转动副位于等腰三角形的腰上，顶角α由下式确定：

，其中l₂、l₃分别为竖向连杆和水平连杆的长度；

竖向连杆转动副的连杆安装位置位于所在等腰三角形底边的中点，水平连杆转动副的连杆安装位置位于所在等腰三角形侧边的中点，竖向连杆垂直于所连接的竖向连杆转动副的轴心线，水平连杆垂直于所连接的水平连杆转动副的轴心线。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明机构单元基于几何正棱柱体，属于三维环向闭合型可展结构体系，具有较好的结构刚度，并具有单自由度运动特性，能够由大体积棱柱型完全展开状态转换为紧凑的折叠状态，且折叠状态下与各连接节点相连的三根连杆相互紧密接触，具有较好的安全性，占用空间小，便于存储和运输。本机构单元的完整折叠-展开过程是连续、可反复的，运动过程中结构仅涉及刚体平移及刚体转动，并始终保持棱柱体型，所有连杆未引起非协调应变。此外，由于本机构单元仅包含连杆和转动副，几何构型美观，制作方便。

附图说明

图1为本发明棱柱型对称可展机构单元的三维示意图。

图2a为本发明棱柱型对称可展机构单元的连接节点示意图。

图2b为本发明棱柱型对称可展机构单元的竖向连杆示意图。

图3a为本发明六边棱柱型对称可展机构单元的运动过程的三维示意图。

图3b为本发明六边棱柱型对称可展机构单元的运动过程的俯视图。

图4a为本发明八边棱柱型对称可展机构单元的运动过程的三维示意图。

图4b为本发明八边棱柱型对称可展机构单元的运动过程的俯视图。

图5a为本发明十二边棱柱型对称可展机构单元的运动过程的三维示意图。

图5b为本发明十二边棱柱型对称可展机构单元的运动过程的俯视图。

其中：1为三杆相交连接节点，2为竖向连杆，3为水平连杆，4为竖向连杆转动副，41为竖向连杆转动副轴心线，5为水平连杆转动副，51为水平连杆转动副轴心线，6为结构中心点，7为可展机构单元结构中心点与连接节点间的连线，8为几何棱柱体的对称主轴。

具体实施方式

下面结合具体的实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明：

图1为本发明棱柱型对称可展机构单元的结构示意图，图中棱边数为6。本发明的棱柱型对称可展机构单元，其几何构型来源于棱柱体，包括2N个三杆相交连接节点1、N根等长的竖向连杆2和2N根等长的水平连杆3，其中N为几何棱柱体地面的棱边数，且N为大于2的偶数。

每个三杆相交连接节点1上均设置有一个竖向连杆转动副4和两个水平连杆转动副5，竖向连杆转动副4连接一根竖向连杆2，两个水平连杆转动副5分别连接两根不同的水平连杆3，并且确保每根竖向连杆2的两端分别与不同的连接节点1通过竖向连杆转动副4连接，每根水平连杆3的两端分别与不同的连接节点1通过水平连杆转动副5连接。图2为本发明棱柱型对称可展机构单元的主要组成部分的示意图，如图2a所示，本发明可展机构单元中，每个三杆相交连接节点1上的三个转动副的轴心线位于同一平面，且竖向连杆转动副4的轴心线与其余两个水平连杆转动副5的轴心线相交而成的三角形为顶角为α的等腰三角形，竖向连杆转动副4位于等腰三角形的底边上，水平连杆转动副5位于等腰三角形的腰上，其中三角形的顶角α（参照图2a）可由竖向连杆2（参照图2b）及水平连杆3的几何关系求得：

$\mathrm{\α}=2\arcsin \frac{l_3\sin \frac{(N-2)\mathrm{\π}}{2N}}{\sqrt{l_2^2+l_3^2}}$

从而确保三杆相交连接节点1所连接的竖向连杆2和水平连杆3的延长线相交于同一点，上式中l₂、l₃分别为竖向连杆2和水平连杆3的长度。竖向连杆转动副4的连杆安装位置位于所在等腰三角形底边的中点，水平连杆转动副5的连杆安装位置位于所在等腰三角形腰上的中点，竖向连杆2垂直于所连接的竖向连杆转动副4的轴心线，水平连杆3垂直于所连接的水平连杆转动副5的轴心线。

按照上述结构内容即可完整地限定本发明的棱柱型对称可展机构单元，但实际上，该可展机构单元同时还具有以下特性：竖向连杆转动副轴心线41和水平连杆转动副轴心线51，分别垂直于所连接的竖向连杆2和水平连杆3，而且还垂直于可展机构单元结构中心点6与连接节点的连线7。本发明中，竖向连杆2和水平连杆3可由不锈钢等硬质材料制作而成。

图3a、3b所示为不同视角下一种棱柱型对称可展机构单元的运动过程示意图，其中正棱柱体的棱边数N=6。如图3a、3b中最左侧图所示，可展结构单元在完全展开状态下，为一个标准的棱边数为N=6的正棱柱体，此时机构单元所占用的空间最大。当可展结构单元处于完全折叠状态时，如图3a、3b中最右侧图所示，与各三杆连接节点1相连的三根连杆相互接触，形成紧凑的折叠状态，结构具有较好的安全性，且此时机构单元占用空间最小，便于存储和运输。此外，机构单元具有单一的运动自由度，整个折叠-展开运动过程是连续、可反复的，并且结构的几何构型在运动过程中始终保持棱柱型对称。

以上示意性地对本发明所公开的棱柱型对称可展机构单元及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图1——图3中所示的亦只是本发明的实施方式之一，实际的棱柱型对称可展机构单元不局限于此。例如，可根据实际需要改变棱柱体的棱边数N、连杆的长度l₂和l₃，并相应地调整图2a所示三角形顶角角度α，即可构建出不同的棱柱形对称可展机构单元。图4、图5所示为本发明分别用于棱边数N=8和N=12时，棱柱型对称可展机构单元的运动过程示意图。因此，如果其他技术人员在未脱离本发明创造宗旨的情况下，采用与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

由于本发明棱柱型对称可展机构单元在运动过程中只涉及刚体平移及刚体转动，各连杆未引起非协调应变，且机构单元为由连杆和转动副构成的环向闭合体系，具有较好的结构刚度，几何构型美观，制作方便，可应用于空间环状可展结构中，例如天线、卫星等，也可以作为可展结构中的基本组成单元，用于构建新型三维可展结构体系。

Claims (1)

1.一种棱柱型对称可展机构单元，其特征在于，该可展机构单元包括2N个三杆相交连接节点（1）、N根等长的竖向连杆（2）和2N根等长的水平连杆（3），其中N为大于2的偶数，每个所述三杆相交连接节点（1）上均设置有一个竖向连杆转动副（4）和两个水平连杆转动副（5），所述竖向连杆转动副（4）与一根竖向连杆（2）连接，所述两个水平连杆转动副（5）分别与两根不同的水平连杆（3）连接，每根竖向连杆（2）的两端分别与不同的连接节点（1）通过竖向连杆转动副（4）连接，每根水平连杆（3）的两端分别与不同的连接节点（1）通过水平连杆转动副（5）连接；N根水平连杆（3）通过N个三杆相交连接节点（1）首尾连接组成N边形上底面，其余N根水平连杆（3）和N个三杆相交连接节点（1）则组成N边形下底面，上下底面的对应顶点之间均通过竖向连杆（2）连接，组成一个正棱柱体；

每个三杆相交连接节点（1）上的三个转动副的轴心线位于同一平面，且三个转动副的轴心线相交而成的三角形为顶角为α的等腰三角形，竖向连杆转动副（4）位于所述等腰三角形的底边上，水平连杆转动副（5）位于等腰三角形的腰上，所述顶角α由下式确定：

$\mathrm{\α}=2\arcsin \frac{l_3\sin \frac{(N-2)\mathrm{\π}}{2N}}{\sqrt{l_2^2+l_3^2}}$ ，

其中l₂、l₃分别为竖向连杆（2）和水平连杆（3）的长度；

竖向连杆转动副（4）的连杆安装位置位于所在等腰三角形底边的中点，水平连杆转动副（5）的连杆安装位置位于所在等腰三角形腰上的中点，竖向连杆（2）垂直于所连接的竖向连杆转动副（4）的轴心线，水平连杆（3）垂直于所连接的水平连杆转动副（5）的轴心线。

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