CN106078681A - 一种可折展六棱柱框架结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可折展六棱柱框架结构，包括六个依次相连的杆件结构，分别为第一杆件结构、第二杆件结构、第三杆件结构、第四杆件结构、第五杆件结构和第六杆件结构，所述杆件结构是由两根长杆和四根短杆通过六个转动副相互连接构成的环状结构，相邻的杆件结构之间公用一根由长杆构成的公共杆，公共杆为六棱柱框架结构的母线且为相邻两个杆件结构中的刚体。本发明刚性过约束机构且有两种稳定状态，即折叠与展开，折叠时体积较小便于储存或运输，打开为中作状态时，工作空间较大；通过约束多余自由度使之只具有一个自由度，运动控制简单；具有生产加工简单，运动控制方便，高可靠性等优点，在航空航天等领域中有重要意义和广泛应用前景。

Description

一种可折展六棱柱框架结构

技术领域

本发明涉及一种可折展的框架结构，具体的说，是涉及一种由单一驱动实现折叠和展开的大折展比的六棱柱框架结构。

背景技术

多面体结构有构成简单、对称性好等优点，在建筑、航天航空、艺术、军事等领域发挥着支撑、变形、美化等重要的作用，其中的典型代表是“水立方”的基于气泡理论的多面体空间钢架结构。

框架结构自重轻，延展性好等优点。在此基础上，空间可折展框架在逐步的发展成熟，就星载可展天线而言，框架结构追求重量尽可能轻并且收拢体积尽可能小，以便装载入飞船和运输，在特定位置按要求打开为中作状态，工作空间较大，回收时折叠收拢为小体积状态，由飞船载回。空间可展框架因其优越的折展性能，越来越受到航天航空领域的青睐。采用过约束机构为基本单元的空间可展框架自由度少，刚性高，结构简单便于制造，制造成本低，可靠性高。

现有的空间可折展结构主要包括铰链可展结构、杆状可展结构、面状可展结构和体状可展结构，其中杆状可展结构目前应用最为广泛，应用于定位以及支撑，如太阳能帆、星载天线、建筑顶棚、磁强针等，而体状可展结构目前应用还比较少，并且存在不能完全折叠和折叠展开比例不大等不足。

2009年，Chen和You提出了一种线面对称的Bricard 6R结构，该结构在折展过程中运动路径唯一，折展过程可靠，如若作为太阳能毯的支撑结构，展开后工作空间较小。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种由没有分叉的线面对称的杆件结构构成的实现折叠和展开两种稳态的且安装和操作过程简单的可折展六棱柱框架结构，该框架结构通过约束两个自由度而成为单自由度结构，是刚性过约束机构且有两种稳定状态，即折叠与展开，折叠时体积较小便于储存或运输，按要求打开为中作状态时，工作空间较大；整个框架架构通过约束多余自由度使之只具有一个自由度，运动控制简单；具有生产加工简单，运动控制方便，高可靠性等优点，在航空航天等众多领域中具有重要意义和广泛的应用前景。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种可折展六棱柱框架结构，包括六个依次相连的杆件结构，分别为第一杆件结构、第二杆件结构、第三杆件结构、第四杆件结构、第五杆件结构和第六杆件结构，所述杆件结构是由两根长杆和四根短杆通过六个转动副相互连接构成的环状结构，相邻的杆件结构之间公用一根由长杆构成的公共杆，所述公共杆为六棱柱框架结构的母线且为相邻两个杆件结构中的刚体。

所述第一杆件结构、第三杆件结构和第五杆件结构内的四根短杆在折叠过程中均向框架结构的内部移动，所述第二杆件结构、第四杆件结构和第六杆件结构内的四根短杆在折叠过程中向框架结构的外部移动。

所述可折展六棱柱框架结构还可将六个侧面的杆件结构设计为线面对称的单自由度杆件结构，并且增设有万向节用以约束可折展六棱柱框架结构的自由度为1，实现通过一个驱动完成折展过程。

所述转动副由铰链、合页或轴承其中的一种构成。

所述长杆两端转动副的夹角在90度到180度之间。

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)本发明自由度约束后为一，可以通过单一驱动完成折叠和展开动作，结构较简单，安装使用较方便，运动过程确定，不会有特殊现象发生；

(二)本发明以功能性为目的设计，可以根据实际需求设计框架六个侧面的尺寸，转动副大小可以随要求调节，可以在实际要求下任意安装驱动位置；

(三)本发明具有较大的折展比率，其折展比率可根据实际设计尺寸变化；

(四)本发明展开后结构稳定，刚度较强，便于支撑和工作，折叠后体积较小且结构稳定，便于运输和保存。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是杆件结构内各个铰链、杆件以及设计参数的示意图。

图3-1至图3-3是本发明中公共杆的三视结构示意图，图3-4和图3-5是公共杆的其他方向下的结构示意图，其中图3-5是图3-3中A向的结构示意图。

图4-1、图4-2和图4-3是本发明中短杆为竖直的杆件的结构三视图。

图5-1、图5-2和图5-3是本发明中短杆为带有折角的杆件的结构三视图。

图6-1和图6-2为本发明中万向节的安装位置示意图。

图7-1和图7-2为图1所示的可折展六棱柱框架的两个稳定状态示意图。

图8是驱动的安装位置示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1所示，本实施例提供了一种可折展六棱柱框架结构，包括六个依次相连的杆件结构，分别为第一杆件结构1、第二杆件结构2、第三杆件结构3、第四杆件结构4、第五杆件结构5和第六杆件结构6，杆件结构是由两根长杆和四根短杆通过六个转动副相互连接构成的环状结构，两根长杆相互平行对称等高放置，四根短杆相连的两根为一组分为两组，每组短杆的相连端以一个转动副相连，每组短杆的分离端分别与两根放置好的长杆的同一端相连，组成一个环；相邻的杆件结构之间公用一根由长杆构成的公共杆，该公共杆为相邻两个杆件结构的长杆并排组成的刚体，公共杆在六棱柱框架中位于六个母线上，相邻两个杆件结构与公共杆相连接的转动副的轴线所在的平面的夹角与两个杆件结构间的夹角相等；其中第一杆件结构1、第三杆件结构3和第五杆件结构5内的四根短杆分别为带有折角的杆件，所述第二杆件结构2、第四杆件结构4和第六杆件结构6内的四根短杆分别为竖直的杆件。六个杆件结构分别为可折展六棱柱框架结构的六个侧面，六个侧面杆件结构的角度参数都对应相等，但尺寸参数不同，本实施例中第一杆件结构1、第三杆件结构3和第五杆件结构5的尺寸是相同的，第二杆件结构2、第四杆件结构4和第六杆件结构6的尺寸是相同的，每个杆件结构内的六个杆件都用转动副相连，相邻两个杆件结构之间成120度角。

进一步的，杆件结构可以设计成满足没有分叉的线面对称的参数条件，使得可折展四棱柱框架运动稳定可靠，参数条件为各个杆件、相邻杆件的距离、转动副、相邻转动副之间的距离和夹角关于对称面和对称线对称，所述对称面为四根短杆之间的两个转动副在折展过程中一直所在的面，所述对称线在对称面上，并且垂直于两根长杆所在平面，位于结构的中心，所述长杆两端转动副的夹角在90度到180度之间，当结构折展过程中，两根长杆上四个转动副运动到同一平面时，一根长杆两端转动副夹角的两边与另一根长杆两端转动副夹角的两边不相交，各个杆件可以根据实际要求设计成不同的横截面形状；

杆件结构可以根据实际应用具体设计，第一杆件结构1、第三杆件结构3和第五杆件结构5内的四根短杆在折叠过程中均向整体框架结构的内部移动，所述第二杆件结构2、第四杆件结构4和第六杆件结构6内的四根短杆在折叠过程中向整体框架结构的外部移动。

本发明可折展六棱柱框架结构可以通过添加万向节来约束自由度为一，万向节位置安装在公共杆上，万向节两端分别连接到与公共杆同一端相连的相邻两面的短杆的转动副上；转动副为铰链、合页或轴承。

如图2所示，六个侧面杆件结构的各个转动副分别为h₁、h₂、h₃、h₄、h₅和h₆，杆件分别为杆7、杆8、杆9、杆10、杆11、杆12，转动副h₁和h₂之间为杆7，长度为l₁，转动副h₁和h₂的距离为a₁₂，转动副h₂和h₃之间为杆8，长度为l₂，转动副h₂和h₃的距离为a₂₃，转动副h₃和h₄之间为杆9，长度为l₃，转动副h₃和h₄的距离为a₃₄，转动副h₄和h₅之间为杆10，长度为l₄，转动副h₄和h₅的距离为a₄₅，转动副h₅和h₆之间为杆11，长度为l₅，转动副h₅和h₆的距离为a₅₆，转动副h₆和h₁之间为杆12，长度为l₆，转动副h₆和h₁的距离为a₆₁，转动副h₂和h₃之间的夹角和转动副h₅和h₆之间的夹角均为α，转动副h₁和h₂与转动副h₄和h₅之间的夹角均为-π/2，转动副h₃和h₄与转动副h₆和h₁之间的夹角均为π/2，a₁₂与a₂₃、a₂₃与a₃₄、a₄₅与a₅₆和a₅₆与a₆₁之间的距离均为R，其余均为零。

为方便理解和示意清楚，下文中用上角标来区分第一杆件结构1、第二杆件结构2、第三杆件结构3、第四杆件结构4、第五杆件结构5和第六杆件结构6。

如图3-1至图3-5所示，公共杆两端关于中间横截面上下对称，以第一杆件结构1和第二杆件结构2之间的公共杆为例，由第一杆件结构1和第二杆件结构2中的杆8组成并且两根杆在水平方向上成60度夹角，杆8的横截面为直角梯形，其上第二杆件结构2的两个转动副在杆上的位置在第一杆件结构1的两个转动副位置的上下两个外侧，第一杆件结构1两转动副轴线夹角为α，第二杆件结构2也为α，同一杆件结构上的两个α角的边不相交，第二杆件结构2的杆8中间部分挖掉留两端，以方便第一杆件结构1的短杆折叠，公共杆同一端的两个转动副轴线交于一点，该点在两转动副中间，在两转动副中间沿第二杆件结构2转动副轴线挖一个直径为φ的圆柱孔，以方便安装万向节，第一杆件结构1和第二杆件结构2的转动副分别安装在t和k所在位置，杆件上下两端分别有两块挡板，使完全折叠之后的框架更美观，形状如图3-3所示，第一杆件结构1中长杆的长度为l₂ ¹，第二杆件结构2中长杆的长度为l₂ ²，角β是为了第一杆件结构1和第二杆件结构2的短杆在折展过程中不会和公共杆发生干涉。

如图4-1至图4-3所示，第二杆件结构2的杆7中，横截面边长h与图3-1中的h相同，c与图3-3中的c相同，k处转动副与图3-1中的k处相连，第二杆件结构2短杆的长度为l₁ ²，角λ和图3-1和图3-5中角α的边和竖直方向的夹角相等。

如图5-1至图5-3所示，λ与图4-1中的λ相同，t处转动副与图3-5中的t处相连，g与图3-5中的g相同，e要小于图3-3中的e，第一杆件结构1短杆长度为l₁ ¹。

以上转动副均用合页。

如图6-1所示，在箭头所指的两根公共杆上分别安装等速万向节。

如图6-2所示，以其中一根杆为例，万向节一端安装在一个杆件结构的杆7上的合页h₂上，万向节另一端安装在相邻的另一杆件结构的杆7的合页h₂上。

如图7-1和7-2所示，本发明中六棱柱框架结构在折叠过程中六个公共杆沿竖直方向转过180度，第一杆件结构1、第三杆件结构3和第五杆件结构5中一共12根短杆向六棱柱框架的内部移动，第二杆件结构2、第四杆件结构4和第六杆件结构6中一共12根短杆向六棱柱框架的外部移动。

如图8所示，在箭头所在杆的合页上安装驱动。

综上，上述可折展六棱柱框架结构只要满足上述约束条件，即可达到本发明要求的折展效果，根据实际情况可以设计不同尺寸和不同折展比的框架，该可折展六棱柱框架具有单一自由度，能够通过一个输入驱动实现大比率的折展运动，可以用作太阳能毯子支撑结构或建筑物轮廓结构等。

Claims (5)

1.一种可折展六棱柱框架结构，其特征在于，包括六个依次相连的杆件结构，分别为第一杆件结构、第二杆件结构、第三杆件结构、第四杆件结构、第五杆件结构和第六杆件结构，所述杆件结构是由两根长杆和四根短杆通过六个转动副相互连接构成的环状结构，相邻的杆件结构之间公用一根由长杆构成的公共杆，所述公共杆为六棱柱框架结构的母线且为相邻两个杆件结构中的刚体。

2.根据权利要求1所述一种可折展六棱柱框架结构，其特征在于，所述第一杆件结构、第三杆件结构和第五杆件结构内的四根短杆在折叠过程中均向框架结构的内部移动，所述第二杆件结构、第四杆件结构和第六杆件结构内的四根短杆在折叠过程中向框架结构的外部移动。

3.根据权利要求1所述一种可折展六棱柱框架结构，其特征在于，所述可折展六棱柱框架结构还可将六个侧面的杆件结构设计为线面对称的单自由度杆件结构，并且增设有万向节用以约束可折展六棱柱框架结构的自由度为1，实现通过一个驱动完成折展过程。

4.根据权利要求1所述一种可折展六棱柱框架结构，其特征在于，所述转动副由铰链、合页或轴承其中的一种构成。

5.根据权利要求1所述一种可折展六棱柱框架结构，其特征在于，所述长杆两端转动副的夹角在90度到180度之间。