CN105443522B - 一种采用滚动铰链的可折叠厚板结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用滚动铰链的可折叠厚板结构，存在三个相互垂直的对称平面，分别为第一对称平面、第二对称平面、第三对称平面，包括通过滚动铰链相互连接的六个厚板单元，所述滚动铰链包括设置在所述厚板单元上的连接结构，所述连接结构由与所述厚板单元一体形成的圆角构成，所述圆角上设置有用于通过柔性丝线连接所述连接结构的通孔和凹槽；发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种采用滚动铰链连接的可折叠厚板结构，该结构具有单个自由度，能够对结构的折叠和展开过程进行单自由度的精确控制，折展比率大，结构和安装简单，折叠与展开的摩擦力小。

Description

一种采用滚动铰链的可折叠厚板结构

技术领域

本发明涉及一种可折叠结构，更具体的说，是涉及一种采用滚动铰链的可折叠厚板结构。

背景技术

折纸是一门具有悠久历史的艺术，其本质是将二维的平面材料折叠成三维结构。近年来，根据折纸的折展以及快速、低成本的制造等特性，出现了多种可折叠可展开的工程结构应用，例如用于太阳能帆板、可开合屋顶结构以及机器人等领域。这些应用将折纸模型的板简化为零厚度的刚性体，将折纸模型的折痕简化为铰链来进行运动分析，然而在实际应用中，板的厚度不能忽略，因而折纸模型实物的运动情况与理论分析的结果存在较大误差并会产生物理干涉的问题。陈焱教授提出了将厚板折纸模型等效为过约束机构来进行分析和设计的理论，从而解决了上述问题。过约束机构是一类有一百多年历史的特殊机构，该机构仅由转动副连接，制造简单，成本低，可靠性高，且具有单个自由度，运动控制简单。该机构几何上的过约束性使其具有高刚性，然而也对铰链的精度和装配有很高要求，铰链的误差会导致运动无法精确控制、摩擦阻力大等问题。尤其对于厚板折纸结构，传统的转动副装配存在困难。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种采用滚动铰链连接的可折叠厚板结构，该结构具有单个自由度，能够对结构的折叠和展开过程进行单自由度的精确控制，折展比率大，结构和安装简单，折叠与展开的摩擦力小。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种采用滚动铰链的可折叠厚板结构，存在三个相互垂直的对称平面，分别为第一对称平面、第二对称平面、第三对称平面，包括通过滚动铰链相互连接的六个厚板单元，分别为第一厚板单元、第二厚板单元、第三厚板单元、第四厚板单元、第五厚板单元、第六厚板单元，所述滚动铰链包括设置在所述厚板单元上的连接结构，所述第一厚板单元、第三厚板单元、第四厚板单元、第六厚板单元上均设置有两个连接结构，所述第二厚板单元、第五厚板单元上均设置有三个连接结构，所述连接结构由与所述厚板单元一体形成的圆角构成，所述圆角上设置有用于通过柔性丝线连接所述连接结构的通孔和凹槽；

所述第一厚板单元、第三厚板单元、第四厚板单元和第六厚板单元均为四边形结构，所述第二厚板单元和第五厚板单元均为等腰梯形结构，所述第一厚板单元与所述第六厚板单元关于所述第一对称平面对称，所述第二厚板单元与所述第五厚板单元关于所述第一对称平面对称，所述第三厚板单元与所述第四厚板单元关于所述第一对称平面对称，所述第一厚板单元与所述第三厚板单元关于所述第二对称平面对称，所述第四厚板单元与所述第六厚板单元关于所述第二对称平面对称，所述第二厚板单元自身关于所述第二对称平面对称，所述第五厚板单元自身关于所述第二对称平面对称。

所述圆角的半径小于等于所述厚板单元厚度的一半。

所述圆角为四分之一圆角或半圆角。

所述柔性丝线由钓鱼线或钢丝绳构成。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(一)本发明为具有单一自由度的可折叠厚板结构，可通过一个驱动实现厚板的折叠与展开，安装及使用方便；

(二)本发明具有较大的折展比率，折叠后面积可以缩至最小，便于运输和保存；

(三)本发明中滚动铰链包括设置在所述厚板单元上的连接结构，连接结构由与所述厚板单元一体形成的圆角构成，所述圆角上设置有用于通过柔性丝线连接所述连接结构的通孔和凹槽；这种设置运动精度高、摩擦力小且连接方式安装简单，能够对结构的折叠与展开精确控制，并可重复使用，还可应用于小型机器人等领域；

(四)本发明中厚板单元所具有的刚度、滚动铰链连接的高精度以及过约束机构自身的几何过约束增强了本结构的刚度和稳定性；

(五)本发明可根据实际需求设计厚板单元的形状和尺寸。

附图说明

图1-1是本发明的结构示意图。

图1-2是图1-1的仰视结构示意图。

图2-1至图2-6为图1-1和图1-2中六个厚板单元的结构示意图。

图3是本发明所提供的滚动铰链的结构示意图。

图4-1至图4-4为图1-1所示的采用滚动铰链的可折叠厚板结构的折叠过程示意图。

附图标记：

X-第一对称平面 Y-第二对称平面 Z-第三对称平面

1-第一厚板单元 2-第二厚板单元 3-第三厚板单元 4-第四厚板单元 5-第五厚板单元 6-第六厚板单元

R1-第一滚动铰链 R2-第二滚动铰链 R3-第三滚动铰链 R4-第四滚动铰链 R5-第五滚动铰链 R6-第六滚动铰链 R7-第七滚动铰链

Cij-第i厚板单元中第j连接结构(i＝1,2,3,…,6；j＝1,2,3)

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

如图1-1和图1-2所示的一种采用滚动铰链的可折叠厚板结构，包括六个厚板单元，分别为第一厚板单元1、第一厚板单元2、第三厚板单元3、第四厚板单元4、第五厚板单元5、第六厚板单元6。六个厚板单元由滚动铰链相互连接，分别为第一滚动铰链R1、第二滚动铰链R2、第三滚动铰链R3、第四滚动铰链R4、第五滚动铰链R5、第六滚动铰链R6、第七滚动铰链R7。

滚动铰链包括设置在所述厚板单元上的连接结构，结合图2-1至图2-6所示，第一厚板单元1、第三厚板单元3、第四厚板单元4、第六厚板单元6上均设置有两个连接结构，分别为第一连接结构、第二连接结构，第二厚板单元2、第五厚板单元5上均设置有三个连接结构，分别为第一连接结构、第二连接结构、第三连接结构，连接结构由与厚板单元一体形成的圆角构成，每一个连接结构的圆角为半圆角或四分之一圆角，本实施例中每个连接结构均包含一个相同半径的四分之一圆角，该圆角半径不大于厚板单元最大厚度的一半，相对应的圆角的轴线分别为第一连接结构轴线、第二连接结构轴线、第三连接结构轴线。

第一厚板单元1轮廓为四边形，第一连接结构C11与第二连接结构C12分别沿着四边形相邻两边设置，长度与相应边长相等，这两条边形成的四边形内角为钝角α，C12的对边与C11形成的四边形内角为α-π，其余两个四边形内角均为直角。第二厚板单元2轮廓为等腰梯形，其四条边分别为上底边、下底边、第一腰边、第二腰边，第一连接结构C21、第二连接结构C22、第三连接结构C23分别沿着下底边、第一腰边、第二腰边设置，且长度与相应边长相等，第一腰边与下底边形成的等腰梯形内角为π-α。第一厚板单元1与第六厚板单元6关于第一对称平面1对称，第二厚板单元2与第五厚板单元5关于第一对称平面1对称，第三厚板单元3与第四厚板单元4关于第一对称平面对称1，第一厚板单元1与第三厚板单元3关于第二对称平面对称2，第四厚板单元4与第六厚板单元6关于第二对称平面2对称，第二厚板单元2自身关于第二对称平面2对称，所述第五厚板单元5自身关于第二对称平面2对称。

第一厚板单元1的第一连接结构C11与第二厚板单元2的第一连接结构C21通过第一滚动铰链R1连接，第二厚板单元2的第二连接结构C22与第三厚板单元3第一连接结构C31通过第二滚动铰链R2连接，第三厚板单元3的第二连接结构C32与第四厚板单元4的第二连接结构C42通过第三滚动铰链R3连接，第四厚板单元4的第一连接结构C41与第五厚板单元5的第一连接结构C51通过第四滚动铰链R4连接，第五厚板单元5的第二连接结构C52与第六厚板单元6的第一连接结构C61通过第五滚动铰链R5连接，第六厚板单元6的第二连接结构C62与第一厚板单元1的第二连接结构C12通过第六滚动铰链R6连接，第二厚板单元2的第三连接结构23与第五厚板单元5的第三连接结构53通过第七滚动铰链R7连接。

每一对滚动铰链中的连接结构轴线相互平行，所确定的公垂线分别为第一铰链公垂线、第二铰链公垂线、第三铰链公垂线、第四铰链公垂线、第五铰链公垂线、第六铰链公垂线、第七铰链公垂线，所有铰链公垂线长度均等于连接结构的圆角半径的两倍。第三铰链公垂线、第六铰链公垂线、第七铰链公垂线相互平行，第七铰链公垂线位于第三对称平面Z上。第一厚板单元1上两条连接结构轴线的公垂线为第一公垂线，第二厚板单元2上第一连接结构轴线与第三连接结构轴线的公垂线为第二公垂线，第二厚板单元2上第二连接结构轴线与第三连接结构轴线的公垂线为第三公垂线，第三厚板单元3上第一连接结构轴线与第二连接结构轴线的公垂线为第四公垂线，第四厚板单元4上第一连接结构轴线与第二连接结构轴线的公垂线为第五公垂线，第五厚板单元5上第一连接结构轴线与第三连接结构轴线的公垂线为第六公垂线，第五厚板单元5上第二连接结构轴线与第三连接结构轴线的公垂线为第七公垂线，第六厚板单元6上第一连接结构轴线与第二连接结构轴线的公垂线为第八公垂线，上述公垂线长度均相等。在如图1所示的可折叠厚板折纸结构展开状态时，第一公垂线、第一铰链公垂线、第二公垂线三线共线且与第六铰链公垂线、第七铰链公垂线垂直并相交，第七公垂线、第五铰链公垂线、第八公垂线三线共线且与第六铰链公垂线、第七铰链公垂线垂直并相交，第三公垂线、第二铰链公垂线、第四公垂线三线共线且与第三铰链公垂线、第七铰链公垂线垂直并相交，第五公垂线、第四铰链公垂线、第六公垂线三线共线且与第三铰链公垂线、第七铰链公垂线垂直并相交。

本发明中滚动铰链的连接方式采用了两条柔性丝线和通孔、凹槽的配合连接，每个连接结构的圆角上均设置有用于通过柔性丝线连接的通孔和凹槽；在每一个圆角上分别设有直径相等的两个通孔，图3所示为两个连接结构形成的滚动铰链结构，两个连接结构的圆角上分别为通孔A、通孔B、通孔C、通孔D，通孔的直径能够容纳两条丝线穿过，通孔的轴线与连接结构圆角的轴线垂直且相交，两通孔的轴线距相近的连接结构端面距离相等。每个通孔的两端由一个沿着连接结构轮廓的凹槽连通，分别为凹槽Ao、凹槽Bo、凹槽Co、凹槽Do。通孔A与通孔B同侧的两个端面分别由凹槽AB1、凹槽AB2连通，通孔C与通孔D同侧的两个端面分别由凹槽CD1、凹槽CD2连接，所有凹槽宽度能够容纳两条丝线，深度能够容纳一条丝线。第一根柔性丝线从凹槽AB1出发，线的两端分别穿过通孔A、通孔B，然后分别沿着凹槽Ao、凹槽Bo到达与凹槽Co、凹槽Do的交点后再分别沿着凹槽Co、凹槽Do布线，然后分别穿过通孔C、通孔D到达凹槽CD2，此时将线的两端拉紧后通过打结等方式固定。第二根柔性丝线以相同的方式从凹槽CD1出发，沿着通孔C、通孔D、凹槽Co、凹槽Do、凹槽Ao、凹槽Bo、通孔A、通孔B到达凹槽AB2完成布线。柔性丝线可根据结构尺寸等实际情况选用钓鱼线、钢丝绳等。

如图4-1至图4-4所示，利用本实施例所提供的六个厚板单元以及所提供的滚动铰链连接方式，可构成可折叠厚板结构。如图4-1所示为可折叠厚板折纸结构的一个稳定状态，即完全展开态。由于本发明的结构仅具有一个自由度，因此本结构的折叠过程可通过驱动任一滚动铰链实现，图4-2至图4-3为本结构的折叠过程，图4-4为本结构的完全折叠态。由于滚动铰链受到两根张紧的柔性丝线的约束，只能沿着连接结构的圆角进行无滑动的滚动运动，因此运动精确且不产生滑动摩擦力。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并没有限制性，实际的结构并不局限于此。需要指出的是，本发明厚板单元与滚动铰链中的轴线与公垂线只要满足上述的约束条件，即可达到本发明完全折展的功能，各厚板单元与滚动铰链的形状和尺寸可在上述约束条件下进行设计。所以，本领域的技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用不同材料、不同形状的厚板单元，或者采用其它形式的连接组合方式不经创造性的设计与该发明结构相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种采用滚动铰链的可折叠厚板结构，存在三个相互垂直的对称平面，分别为第一对称平面、第二对称平面、第三对称平面，其特征在于，包括通过滚动铰链相互连接的六个厚板单元，分别为第一厚板单元、第二厚板单元、第三厚板单元、第四厚板单元、第五厚板单元、第六厚板单元，所述滚动铰链包括设置在所述厚板单元上的连接结构，所述第一厚板单元、第三厚板单元、第四厚板单元、第六厚板单元上均设置有两个连接结构，所述第二厚板单元、第五厚板单元上均设置有三个连接结构，所述连接结构由与所述厚板单元一体形成的圆角构成，所述圆角上设置有用于通过柔性丝线连接所述连接结构的通孔和凹槽；

所述第一厚板单元、第三厚板单元、第四厚板单元和第六厚板单元均为四边形结构，所述第二厚板单元和第五厚板单元均为等腰梯形结构，所述第一厚板单元与所述第六厚板单元关于所述第一对称平面对称，所述第二厚板单元与所述第五厚板单元关于所述第一对称平面对称，所述第三厚板单元与所述第四厚板单元关于所述第一对称平面对称，所述第一厚板单元与所述第三厚板单元关于所述第二对称平面对称，所述第四厚板单元与所述第六厚板单元关于所述第二对称平面对称，所述第二厚板单元自身关于所述第二对称平面对称，所述第五厚板单元自身关于所述第二对称平面对称。

2.根据权利要求1所述的一种采用滚动铰链的可折叠厚板结构，其特征在于，所述圆角的半径小于等于所述厚板单元厚度的一半。

3.根据权利要求1或2所述的一种采用滚动铰链的可折叠厚板结构，其特征在于，所述圆角为四分之一圆角或半圆角。

4.根据权利要求1所述的一种采用滚动铰链的可折叠厚板结构，其特征在于，所述柔性丝线由钓鱼线或钢丝绳构成。