CN108443308B - 一种可折展厚板盒子结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可折展厚板盒子结构，该结构折叠后能形成一个无盖的盒子，盒子的四个底角其中两个对角结构分别由两个球面四转动副结构组成，另两个对角结构分别由一个球面四转动副结构和一个球面五转动副结构组成，板之间通过转动副相连接，整体满足折叠过程中各个板之间无干涉的条件。本发明能够实现折叠和展开两种状态，折叠时体积较小便于储存或运输，展开时具有较大的工作空间；整个框架有一个自由度，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、建筑等领域中具有广泛的应用前景。

Description

一种可折展厚板盒子结构

技术领域

本发明涉及一种可折展的厚板结构，具体涉及一种单自由度、大折展比的基于折纸结构的可折展厚板盒子结构。

背景技术

折纸是将纸等两维材料折叠成三维物体的艺术。近年来，该技术由于可创建可变形结构，在科学界和工程界都得到了广泛关注。作为折纸的一个分支，刚性折纸是用铰链把刚性物体连接成可动的机构，在工程结构中有着较大的应用前景——从太阳能电池板、空间反射镜和飞机机翼到机器人。众所周知，刚性折纸在实际工程应用中往往存在这因厚度问题而无法折叠的情况。为解决该问题，Tachi(2011)和Hoberman(2010)提出将转动副轴线移动到面板的边缘，Tachi在2011年提出将面板边缘变薄，Zirbel等人(2013)提出在膜上安装修剪过的板子，Edmondson等(2014)提出偏置板技术，Ku and Demaine(2015)提出用刚性杆件和两个轴替换折痕，最后Yan Chen等在2015年提出通过空间机构解决了厚板折纸问题。

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，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，面状可展结构应用于如太阳能帆、建筑顶棚等。就太阳帆而言，面状可展结构追求重量尽可能轻并且收拢体积尽可能小，便于运输，在特定位置按要求打开为工作状态，工作空间较大。面状可展结构因其优越的折展性能，越来越受到航天航空领域的青睐。采用一定方法约束自由度的面状空间可展结构自由度少，刚性高，结构简单便于制造，制造成本低，可靠性高。因此可展厚板结构在工程中拥有很好的应用前景。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种单自由度、大折展比的可折展厚板结构。该厚板结构是过约束机构，具有良好的刚性，且可以完全折叠和展开，折叠时体积较小便于运输，按要求打开为工作状态时，工作空间较大；整个结构只具有一个自由度，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：

一种可折展厚板盒子结构，包括18个形状不同依次相连的板，板一和板九由转动副连接在一起作为可折展厚板盒子结构的底面，放置在中间，其余板置于板一和板九周围，且首尾依次相连，板二、板六、板十一和板十五分别与板一和板九组成的底面的四条边相连，可折展厚板盒子结构是通过转动副相互连接构成的结构。

可折展厚板盒子结构完全折叠后为一近似矩形的无盖盒子，板一和板九为盒子底板，盒子四个底角结构分别为结构一、结构二、结构三和结构四，结构一和结构三分别由一个球面四转动副结构和一个球面五转动副结构组成，结构二和结构四分别由两个球面四转动副结构组成，同一结构里两个球面转动副结构之间共用两个板和一个转动副。相邻结构之间共用两个板和一个转动副。板一、板二、板三、板四、板五、板六和板九组成结构一，其中板一、板二、板三、板六和板九首尾依次由转动副相连构成一个球面五转动副结构，板三、板四、板五和板六首尾依次由转动副相连构成一个球面四转动副结构，两个球面转动副结构共用板三、板六和两板之间的转动副；板六、板七、板八、板九、板十和板十一组成结构二，其中板九、板六、板七和板十一首尾依次由转动副相连构成一个球面四转动副结构，板七、板八、板十和板十一首尾依次由转动副相连构成另一个球面四转动副结构，两个球面四转动副结构共用板七、板十一和两板之间的转动副；板九、板十一、板十二、板十三、板十四、板十五和板一组成结构三，其中板九、板十一、板十二、板十五和板一首尾依次由转动副相连构成一个球面五转动副结构，板十二、板十三、板十四和板十五首尾依次由转动副相连构成一个球面四转动副结构，两个球面转动副结构共用板十二、板十五和两板之间的转动副；板一、板十五、板十六、板十七、板十八和板二组成结构四，其中板一、板十五、板十六和板二首尾依次由转动副相连构成一个球面四转动副结构，板十六、板十七、板十八和板二首尾依次由转动副相连构成另一个球面四转动副结构，两个球面四转动副结构共用板二、板十六和两板之间的转动副。结构一和结构二共用板六和板九以及两板之间的转动副，结构二和结构三共用板九和板十一以及两板之间的转动副，结构三和结构四共用板一和板十五以及两板之间的转动副，结构四和结构一共用板一和板二以及两板之间的转动副。

进一步的，可折展厚板盒子结构中结构一和结构三相同，其中，板一、板二、板三、板四、板五、板六分别和板九、板十一、板十二、板十三、板十四、板十五结构相同；结构二和结构四相同，其中，板七、板八、板九、板十分别和板十六、板十七、板一、板十八结构相同。它们之间转动副连接位置也分别相同。

进一步的，可折展厚板盒子结构在展开为一平面时，所有转动副轴线在同一平面上，同一球面四转动副结构或同一球面五转动副结构中的转动副轴线在折展过程中交于一点。可折展厚板盒子结构各个板的角度参数和厚度可以根据实际需要更改，为了避免在折叠过程中板与板之间发生物理干涉，可以将板的厚度或板上的部分厚度进行调整。

进一步的，可折展厚板盒子结构为运动过程中没有分叉的结构，自由度为1，可通过设置单一驱动用以完成厚板结构的折叠与展开。

进一步的，转动副由铰链、合页或轴承其中的一种构成。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明自由度为1，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，运动可靠。

2.本发明以功能性为目的设计，可以根据实际需求设计厚板结构的尺寸，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。

3.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。

4.本发明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是可折展厚板盒子结构的板零厚度情况下各个板形状与分布的示意图，及其部分放大结构示意图。

图2a和图2b分别是本发明具体实施例的组成结构及立体结构示意图。

图3是图1中板1的结构三视图。

图4是图1中板2的结构三视图。

图5是图1中板3的结构三视图。

图6是图1中板4的结构四视图。

图7是图1中板5的结构三视图。

图8是图1中板6的结构三视图。

图9是图1中板7的结构三视图。

图10是图1中板8的结构三视图。

图11是图1中板10的结构三视图。

图12a和图12b是本发明结构在不同视角下的折叠过程示意图。

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所示，该图所示结构为本实施例提供的一种可折展厚板盒子结构还原成零厚度的可折展盒子结构的结构简图。包括18个形状不同依次相连的板，板1和板9由转动副连接在一起作为可折展盒子结构的底面，放置在中间，其余板子置于板1和板9周围，且首尾相连，板2、板6、板11和板15分别与板1和板9组成的底面的四条边相连，所述厚板结构是通过转动副相互连接构成的结构，完全折叠后为一近似矩形的无盖盒子。上述可折展盒子结构完全折叠后形成的盒子四个底角结构分别为结构A、结构B、结构C和结构D，结构A和结构C分别由一个球面四折痕和一个球面五折痕就够组成，结构B和结构D分别由两个球面四折痕结构组成，同一结构里两个球面转动副结构之间共用两个板和两板之间的一个转动副。相邻结构之间共用两个板和两板之间的一个转动副。板1、板2、板3、板4、板5、板6和板9组成结构A，其中板1、板2、板3、板6和板9首尾依次由转动副相连构成一个球面五转动副结构，板3、板4、板5和板6首尾依次由转动副相连构成一个球面四转动副结构，两个球面转动副结构共用板3、板6和两板之间的转动副；板6、板7、板8、板9、板10和板11组成结构B，其中板9、板6、板7和板11首尾依次由转动副相连构成一个球面四转动副结构，板7、板8、板10和板11首尾依次由转动副相连构成另一个球面四转动副结构，两个球面四转动副结构共用板7、板11和两板之间的转动副；板9、板11、板12、板13、板14、板15和板1组成结构C，板1、板15、板16、板17、板18和板2组成结构D。结构A和结构B共用板6和板9以及两板之间的转动副，结构B和结构C共用板9和板11以及两板之间的转动副，结构C和结构D共用板1和板15以及两板之间的转动副，结构D和结构A共用板1和板2以及两板之间的转动副。

具体的，可折展盒子结构中结构A和结构C相同，其中，板1、板2、板3、板4、板5、板6分别和板9、板11、板12、板13、板14、板15结构相同；结构B和结构D相同，其中，板6、板7、板8、板10分别和板15、板16、板17、板18结构相同。它们之间转动副连接位置也分别相同。其中可折展盒子结构中角E和角F可以根据需要改变设计参数，其余参数随之改变。图中以角E为45度，角F为25度为例。

如图2a和图2b所示，所示结构为上述可折展盒子结构各个板加上厚度后的可折展厚板盒子结构的其中一个设计方案的结构图。所述可折展厚板盒子结构在展开为一平面时，所有转动副轴线在同一平面上。各个板的厚度可以根据需要进行调整，为了避免在折叠过程中板与板之间发生物理干涉，将板的厚度或板上的部分厚度进行调整，下面分别介绍各个板的形状和板之间的连接转动副的位置。

如图3所示，该图所示结构为上述可折展厚板盒子结构的板1三视图，本例中板1为等边直角三角形板子，两直角边分别与板15和板2相连，斜边与板9相连，为防止和板9干涉，改变斜边周围板厚度。板9为板1镜像结构，转动副连接位置也同样镜像。

如图4所示，该图所示结构为上述可折展厚板盒子结构的板2三视图，本例中板2为直角三角形切去了直角，并在斜边上加上一块补偿板，如主视图中，上面的直角边与板18相连，左侧的直角边与板1相连，右侧斜边与板3相连，为避免和板3干涉，改变右侧斜边周围板厚度。角F与图1中角F相同，板11和板2结构相同，转动副连接位置也相同。

如图5所示，该图所示结构为上述可折展厚板盒子结构的板3三视图，为一四边形板子，其中两相对的较长的边平行，主视图左边与板2相连，右边与板4相连。板12和板3结构相同，转动副连接位置也相同。

如图6所示，该图所示结构为上述可折展厚板盒子结构的板4的结构图，为一三角形板子，主视图所示在板4下边加补偿厚度的板，并与板5相连，左边和板3相连。板13和板4结构相同，转动副连接位置也相同。

如图7所示，该图所示结构为上述可折展厚板结构的板5三视图，为一四边形板子，为避免在折叠时与板4发生物理干涉中间挖去一部分，主视图上边和板4相连，左边与板6相连。板14和板5结构相同，转动副连接位置也相同。

如图8所示，该图所示结构为上述可折展厚板结构的板6三视图，角E与图1中角E相同，主视图中上边和板9相连，右边和板5相连，左边加补偿厚度的板并且与板7相连。板15和板6结构相同，转动副连接位置也相同。

如图9所示，该图所示结构为上述可折展厚板结构的板7三视图，为一四边形板子，其中两相对的较长的边平行，主视图中靠上的长边与板6相连，靠下的长边与板8相连。板16和板7结构相同，转动副连接位置也相同。

如图10所示，该图所示结构为上述可折展厚板结构的板8三视图，为一三角形板子，在左侧县边上增加补偿厚度的板，并且与板10相连，右侧斜边与板7相连。板17和板8结构相同，转动副连接位置也相同。

如图11所示，该图所示结构为上述可折展厚板结构的板10三视图，为一四边形板子，为避免在折叠时与板8发生物理干涉中间挖去一部分，主视图中右边与板8相连，上边与板11相连。板18和板10结构相同，转动副连接位置也相同。

如图12a和图12b所示，所示结构为上述可折展厚板盒子结构折叠过程，由于完全展开为一平面时结构运动出现分叉，为避免此情况发生，无需展开到最终状态。

上述对板的部分厚度做的调整均是为了让可折展厚板盒子结构在展开为平面状态时，所有转动副轴线在同一平面上，并且该平面平行于板面。同一球面四转动副结构或同一球面五转动副结构中的转动副轴线在折展过程中交于一点。本发明可折展厚板盒子结构为运动过程中没有分叉的结构，自由度为1，可通过设置单一驱动用以完成可折展厚板盒子结构的折叠与展开。本实施中转动副采用铰链、合页或轴承其中的一种。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种可折展厚板盒子结构，其特征在于，包括18个形状不同且依次通过转动副相互连接的板，板一和板九相连作为可折展厚板盒子的底并放置于中部，其余板置于板一和板九周围且首尾依次相连，板二、板六、板十一和板十五分别与板一和板九组成的底面的四条边相连，所述可折展厚板盒子结构为运动过程确定的结构，自由度为1，可通过设置单一驱动用以完成可折展厚板盒子结构的折叠与展开；所述可折展厚板盒子结构完全折叠后形成一个无盖盒子，板一和板九组成盒子底板，盒子四个底角结构分别为结构一、结构二、结构三和结构四，结构一和结构三分别由一个球面四转动副结构和一个球面五转动副结构组成，结构二和结构四分别由两个球面四转动副结构组成，同一结构里两个球面转动副结构之间共用两个板和两板之间的转动副；相邻结构之间共用两个板和一个转动副；板一、板二、板三、板四、板五、板六和板九组成结构一，其中板一、板二、板三、板六和板九首尾依次由转动副相连构成一个球面五转动副结构，板三、板四、板五和板六首尾依次由转动副相连构成一个球面四转动副结构，两个球面转动副结构共用板三、板六和两板之间的转动副；板六、板七、板八、板九、板十和板十一组成结构二，其中板九、板六、板七和板十一首尾依次由转动副相连构成一个球面四转动副结构，板七、板八、板十和板十一首尾依次由转动副相连构成另一个球面四转动副结构，两个球面四转动副结构共用板七、板十一和两板之间的转动副；板九、板十一、板十二、板十三、板十四、板十五和板一组成结构三，其中板九、板十一、板十二、板十五和板一首尾依次由转动副相连构成一个球面五转动副结构，板十二、板十三、板十四和板十五首尾依次由转动副相连构成一个球面四转动副结构，两个球面转动副结构共用板十二、板十五和两板之间的转动副；板一、板十五、板十六、板十七、板十八和板二组成结构四，其中板一、板十五、板十六和板二首尾依次由转动副相连构成一个球面四转动副结构，板十六、板十七、板十八和板二首尾依次由转动副相连构成另一个球面四转动副结构，两个球面四转动副结构共用板二、板十六和两板之间的转动副；结构一和结构二共用板六和板九以及两板之间的转动副，结构二和结构三共用板九和板十一以及两板之间的转动副，结构三和结构四共用板一和板十五以及两板之间的转动副，结构四和结构一共用板一和板二以及两板之间的转动副。

2.根据权利要求1所述一种可折展厚板盒子结构，其特征在于，所述可折展厚板盒子结构在完全展开为平面的情况下，所有转动副轴线在同一平面上。

3.根据权利要求1所述一种可折展厚板盒子结构，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。

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