CN102912853B - 一种正六面体对称型可展机构单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种正六面体对称型可展机构单元，由32个三杆相交连接节点和48根连杆单元构建而成，包括两个完全相同且对称设置的空间构型，两个空间构型之间用连杆单元2连接，其中各连接节点采用转动副分别连接三根连杆单元。三杆相交节点包括8个第一类型节点和24个第二类型节点，其中第一类型节点的三根转动副轴线构成等边三角形，第二类型节点的三根转动副轴线构成等腰直角三角形。本发明所公开的可展机构单元仅由连杆和转动副构成，结构制作简单，几何造型美观，可便捷、重复地进行折叠和展开。

Description

一种正六面体对称型可展机构单元
技术领域
本发明涉及机构与可展结构，尤其涉及一种正六面体对称型可展机构单元。
背景技术
20世纪60年代，西班牙建筑师Pinero成功将结构展开-折叠的思想引入到开合屋顶的设计中（美国专利No.3185164）。随后，随着大跨空间结构、航空航天技术的快速发展，可展结构的研究成为建筑结构、航空航天、军事工程等领域的热点内容，而基于剪铰式单元构建的可展结构应用较为广泛，得到了国内外研究人员的关注。现有文献及相关发明专利从机构学角度对一些剪铰式单元组成的可展结构的几何构型、可展开性能、力学性能等进行了研究。Zeiger提出了一种自锁式可展结构并获得美国专利（No.3968808），西班牙学者Escrig和Brebbia著的“Mobile and Rapidly AssembledStructures II”（UK,Computational and Mechanics Publications,1996）中结合几何设计方法和物理模型，提出剪铰式结构的设计方法，并应用于快速构建结构、可展结构等。美国工程师Hoberman针对直梁剪铰式单元的不足，提出了改进的折梁剪铰式单元（美国专利No.4942700），并在2000年为德国汉诺威世博会设计、建造了三维径向可开合圆屋顶结构Iris Dome。Patel和Ananthasuresh著的“A kinematic theory for radiallyfoldable planar linkages”（International Journal of Solids and Structures,2007,44:6279-6298）中从几何学角度研究了二维径向可开合结构，给出了折梁剪铰式单元的设计方式。由衷、罗尧治等著的“On a type of radially retractable plate structures”（International Journal of Solids and Structures,2007,44:3452-3467）中结合平行四边形法则，采用平面双链形连杆机构构造出组合式可展结构。但是，除了剪铰式单元以外，目前可作为基本组成单元构建可展结构的机构单元类型非常有限，难以设计出新型可展结构。因此，设计一种新型的可展机构单元，对于丰富可展结构的多样性、拓宽可展结构的工程应用前景将具有重要的意义。
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，提供一种用于构建新型可展结构的正六面体对称型可展机构单元。
技术方案：本发明的正六面体对称型可展机构单元，由32个三杆相交连接节点和48根等长的连杆单元构建而成，包括两个完全相同且对称设置的空间构型，两个空间构型之间用连杆单元连接，每个空间构型由16个三杆相交连接节点和20根连杆单元构建而成，包括一个正方形和位于正方形外侧的四个六边体，四个六边体分别与正方形共用一个边，两相邻的六边体共用一个边，两相邻六边体共用边的一端与正方形的顶点连接；两个空间构型的不在共用边上的三杆相交连接节点相对，两相对的三杆相交连接节点之间均通过连杆单元连接，将两个空间构型连接为整体；
三杆相交连接节点上均设置有三个转动副，三杆相交连接节点通过三个转动副分别与三根连杆单元连接，每个连杆单元的两端分别与不同的连接节点通过转动副连接；
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三角形，转动副的连杆安装位置位于所在三角形边的中点处，连杆单元垂直于所连接的转动副的轴心线；
32个三杆相交连接节点分为8个第一类型节点和24个第二类型节点，第一类型节点的三个转动副轴心线相交而成的三角形为等边三角形，第二类型节点的三个转动副轴心线相交而成的三角形为等腰直角三角形；
空间构型的正方形由4个第二类型节点和4根连杆单元连接而成，六边体由2个第一类型节点、4个第二类型节点和6根连杆单元连接而成，2个第一类型节点分别位于与相邻六边体共用的边上，且在不与正方形顶点连接的一端。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
现有可展体系主要基于剪铰式单元形成二维或简单的三维体系，而本发明基于正六面体几何，属于三维可展体系，并具有单自由度运动特征，可由紧凑的折叠状态转换为大体积展开状态，且整个运动过程连续、可重复，并保持正六面体型对称。在完全折叠状态下，与第一类型连接节点相连的三根连杆相互紧密接触，收纳率高，便于存储和运输；在完全展开状态下，结构具有较大的工作空间，且呈现出正六面体对称型几何，造型美观。本发明机构单元在展开或折叠过程中，只涉及到刚体平动与刚体转动，未引起连接杆件的非协调应变。另一方面，本机构单元仅由连杆和转动副构成，结构简单，制作方便，便于折叠和展开。
附图说明
图1为本发明的正六面体对称型可展机构单元的三维示意图。
图2为本发明的正六面体对称型可展机构单元的两种不同类型连接节点的示意图。
图3为本发明的正六面体对称型可展机构单元中正方形和相邻四个六边体构成的一个空间构型示意图。
图4为本发明的正六面体对称型可展机构单元的连杆示意图。
图5为本发明的正六面体对称型可展机构单元的第一类型连接节点示意图。
图6为本发明的正六面体对称型可展机构单元的第二类型连接节点示意图。
图7a～f为一种正六面体对称型可展机构单元的运动过程示意图，其中图7a为完全折叠状态，图7b、7c为结构第一类型节点逐渐向外部伸展时的中间状态，图7d为完全展开状态，图7e为结构第二类型节点逐渐向结构中心点靠拢时的中间状态，图7f为结构第一类型节点运动至最外侧时所形成的收拢状态。
其中：1为三杆相交连接节点，2为连杆，3为转动副，4为由连杆构成的正方形，5为由连杆组成的六边体，11为第一类型节点，12为第二类型节点。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，对本发明做进一步的说明：
图1为本发明正六面体对称型可展机构单元的结构示意图，包括32个三杆相交连接节点1和48根等长的连杆单元2构建而成，具体包括两个完全相同且对称设置的空间构型，两个空间构型之间用连杆单元2连接，图3为本发明中一个空间构型的示意图，如图所示，每个空间构型由16个三杆相交连接节点1和20根连杆单元2构建而成，包括一个正方形4和位于正方形外侧的四个六边体5，四个六边体5分别与正方形4共用一个边，两相邻的六边体5共用一个边，两相邻六边体5共用边的一端与正方形4的顶点连接；两个空间构型的不在共用边上的三杆相交连接节点1相对，两相对的三杆相交连接节点1之间均通过连杆单元2连接，将两个空间构型连接为整体；
空间构型的正方形4由4个第二类型节点12和4根连杆单元2连接而成，六边体5由2个第一类型节点11、4个第二类型节点12和6根连杆单元2连接而成，2个第一类型节点11分别位于与相邻六边体5共用的边上，且在不与正方形4顶点连接的一端。
图4为本发明的正六面体对称型可展机构单元的连杆示意图，连杆单元2的两端分别借助转动副3连接到三杆相交连接节点1上。如图5、图6所示，本发明可展机构单元中连接节点1上的各个转动副3位于同一平面，且三个转动副3的轴心线相交而成三角形，转动副3的连杆安装位置位于所在三角形各边的中点处，连杆单元2垂直于所连接的转动副3的轴心线，从而确保与转动副3相连的连杆相交于同一点。
如图2所示，三杆相交连接节点1包括两种类型，其中第一类型节点11为三个六边体5的共用顶点，第二类型节点12为正方形4与相邻两个六边体5的共用顶点。本发明的正六面体对称型可展机构单元具有8个第一类型节点11和24个第二类型节点12。第一类型节点11中三个转动副3的轴心线互相夹角为60°，构成等边三角形，第二类型节点12中三个转动副3的轴心线相交构成等腰直角三角形。连杆单元2可由不锈钢等硬质材料制作而成，且各连杆长度相等。
本发明的正六面体对称型可展机构单元中，各转动副3的轴心线不但垂直于与之相连接的连杆单元2的轴心线，并且具有垂直于可展机构单元几何中心与连杆单元2中点之间连线的特性。
图7a～f所示为本发明正六面体对称型可展机构单元的运动过程示意图，其中图7a为结构完全折叠状态，此时所占用空间最小，结构可靠、并便于存储和运输；图7b、7c为结构第一类型节点逐渐向外部伸展时的中间状态；图7d为结构完全展开状态，此时结构的工作空间最大；图7e为结构第二类型节点逐渐向结构中心点靠拢时的中间状态，而图7f为结构第一类型节点运动至最外侧时所形成的收拢状态。结构的整个折叠-展开运动过程是连贯、可重复的，并且结构在运动过程中始终保持正六面体型对称。

Claims (1)

1.一种正六面体对称型可展机构单元，其特征在于，该可展机构单元由32个三杆相交连接节点（1）和48根等长的连杆单元（2）构建而成，包括两个完全相同且对称设置的空间构型，所述的两个空间构型之间用连杆单元（2）连接，每个空间构型由16个三杆相交连接节点（1）和20根连杆单元（2）构建而成，包括一个正方形（4）和位于所述正方形外侧的四个六边体（5），所述四个六边体（5）分别与正方形（4）共用一个边，两相邻的六边体（5）共用一个边，所述两相邻六边体（5）共用边的一端与正方形（4）的顶点连接；两个空间构型的不在共用边上的三杆相交连接节点（1）相对，两相对的三杆相交连接节点（1）之间均通过连杆单元（2）连接，将两个空间构型连接为整体；
所述三杆相交连接节点（1）上均设置有三个转动副（3），三杆相交连接节点（1）通过三个转动副（3）分别与三根连杆单元（2）连接，每个所述连杆单元（2）的两端分别与不同的连接节点（1）通过转动副（3）连接；
每个三杆相交连接节点（1）上的三个转动副（3）的轴心线位于同一平面，且三个转动副（3）的轴心线相交而成三角形，转动副（3）的连杆安装位置位于所在三角形边的中点处，连杆单元（2）垂直于所连接的转动副（3）的轴心线；
32个三杆相交连接节点（1）分为8个第一类型节点（11）和24个第二类型节点（12），所述第一类型节点的三个转动副（3）轴心线相交而成的三角形为等边三角形，所述第二类型节点的三个转动副（3）轴心线相交而成的三角形为等腰直角三角形；
所述空间构型的正方形（4）由4个第二类型节点（12）和4根连杆单元（2）连接而成，六边体（5）由2个第一类型节点（11）、4个第二类型节点（12）和6根连杆单元（2）连接而成，所述2个第一类型节点（11）分别位于与相邻六边体（5）共用的边上，且在不与正方形（4）顶点连接的一端。
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