CN108518407A - 一种对称可折展厚板结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对称可折展厚板结构，该结构折叠后能形成一个无盖的盒子，盒子的四个底角分别由两个球面四转动副结构组成，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，该对称可折展厚板结构可以多个并排组合成展开面积更大的可折展结构。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

一种对称可折展厚板结构

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对称可折展厚板结构。

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着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。对称结构是工程中最常见的一种，因此对称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、大折展比的对称可折展厚板结构。该厚板结构是过约束机构，拥有较好的刚性，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：

一种对称可折展厚板结构，该可折展厚板结构为面对称结构，包括17个形状不同且依次通过转动副相互连接的板，板一为放置于中间位置的矩形板，其余分别为板二至板十七，置于板一周围，且首尾依次相连，其中板二、板六、板十和板十四分别与板一的四条边相连。

所述对称可折展厚板结构完全折叠后为一近似矩形的无盖盒子，板一为盒子底板，盒子四个底角结构分别为结构一、结构二、结构三和结构四，它们分别由两个球面四转动副结构组成。同一结构里两个球面四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、板五和板六组成结构一，其中板一、板二、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，板二、板三、板四和板五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、板五和两板之间的转动副；板一、板六、板七、板八、板九和板十组成结构二，其中板一、板六、板七和板十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、板九和板十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、板十和两板之间的转动副；板一、板十、板十一、板十二、板十三和板十四组成结构三，其中板一、板十、板十三和板十四首尾依次由转动副相连构成一个球面四转动副结构，板十、板十一、板十二和板十三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十、板十三和两板之间的转动副；板一、板十四、板十五、板十六、板十七和板二组成结构四，其中板一、板十四、板十五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，板十五、板十六、板十七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十五、板二和两板之间的转动副。结构一和结构二共用板一和板六以及两板之间的转动副，结构二和结构三共用板一和板十以及两板之间的转动副，结构三和结构四共用板一和板十四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，所述对称可折展厚板结构为面对称结构，结构一和结构二对称，结构三和结构四对称，其中，板十五、板十六、板十七、板二、板三、板四、板五分别和板十三、板十二、板十一、板十、板九、板八、板七对称；也可以设计为结构一和结构四对称，结构二和结构三对称，其中，板三、板四、板五、板六、板七、板八、板九分别和板十七、板十六、板十五、板十四、板十三、板十二、板十一对称。它们之间转动副连接位置也分别对称。

进一步的，所述对称可折展厚板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中的转动副轴线在折展过程中交于一点。所述对称可折展厚板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结构的折叠与展开。

进一步的，所述对称可折展厚板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，所述对称可折展厚板结构可以多个组合，构成展开面积更大的可折展结构。每两个上述对称可折展厚板结构之间由两个连接板通过转动副相连，其中一块连接板一个边与一个上述对称可折展厚板结构的板十七相连，同一个面上的对边和另一个对称可折展厚板结构的板三相连，另一块连接板一边与一个上述对称可折展厚板结构的板十一相连，同一个面上的对边和另一个对称可折展厚板结构的板九相连。

所述转动副由铰链、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.本发明是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1a和图1b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2a和图2b分别是厚板结构的板件零厚度情况下各个板件形状与分布的示意图。

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的结构三视图。

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9a和图9b分别是本发明可折展厚板结构在不同视角下的折叠过程示意图。

图10是本发明可折展厚板结构通过并排组合后形成可折展结构的折叠过程示意图。

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1a和图1b所示，本实施例提供了一种对称可折展厚板结构，包括17个形状不同依次相连的板，板1为矩形板子，放置在中间，其余分别为板2至板17，置于板1周围，且首尾依次相连，板2、板6、板10和板14分别与板1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。所述厚板结构完全折叠后为一近似矩形的无盖盒子，板1为盒子底板，盒子四个底角结构分别为结构A、结构B、结构C和结构D，它们分别由两个球面四转动副结构组成。同一结构里两个球面四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1、板2、板3、板4、板5和板6组成结构A，其中板1、板2、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，板2、板3、板4和板5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2、板5和两板之间的转动副；板1、板6、板7、板8、板9和板10组成结构B，其中板1、板6、板7和板10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9和板10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10和两板之间的转动副；板1、板10、板11、板12、板13和板14组成结构C，其中板1、板10、板13和板14首尾依次由转动副相连构成一个球面四转动副结构，板10、板11、板12和板13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10、板13和两板之间的转动副；板1、板14、板15、板16、板17和板2组成结构D，其中板1、板14、板15和板2首尾依次由转动副相连构成一个球面四转动副结构，板15、板16、板17和板2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15、板2和两板之间的转动副。结构A和结构B共用板1和板6以及两板之间的转动副，结构B和结构C共用板1和板10以及两板之间的转动副，结构C和结构D共用板1和板14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。

如图2a和图2b所示，为上述对称可折展厚板结构还原成零厚度的折纸结构的各个板件形状与分布的示意图。其中，实线为山线，虚线为谷线。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F为45度为例，角G为45度，长度H为长度I的2倍。由图2a和图2b所示折纸结构各个板件增加厚度，可得对称可折展厚板结构，对各个板的厚度或板的部分厚度进行调整，来避免折展过程中板之间发生物理干涉，下面介绍各个板的形状和转动副安装位置。

如图3所示，该图所示结构为上述对称可折展厚板结构的板1三视图，板一为矩形板子，图中加粗边缘为转动副所在位置，主视图上两个短边分别通过转动副和板2、板10相连，两长边分别通过转动副和板6、板14相连。

如图4所示，该图所示结构为上述对称可折展厚板结构的板2三视图，为一矩形板子切去两个角，变为一个6边形板子，其中H和I与图2中相同，图中加粗边缘为转动副所在位置，主视图中上下两边本别和板17、板3相连，左边和板1相连。板10为板2的镜像结构，转动副连接位置也同样镜像。

如图5所示，该图所示结构为上述对称可折展厚板结构的板3三视图，为一矩形板子，为避免与板4发生物理干涉中间挖去一部分，图中加粗边缘为转动副所在位置，主视图左边和板2相连，下边和板4相连。板11和板3结构相同，转动副连接位置也同样相同，板9和板17同为板3的镜像结构，转动副连接位置也同样镜像。

如图6所示，该图所示结构为上述对称可折展厚板结构的板4三视图，为一三角形板子，图中加粗边缘为转动副所在位置，主视图上边和板3相连，斜边和板5相连。板12与板4相同，转动副连接位置也同样相同，板8和板16同为板4的镜像结构，转动副连接位置也同样镜像。

如图7所示，该图所示结构为上述对称可折展厚板结构的板5三视图，为一四边形板子，其中两相对的较长的边平行，图中加粗边缘为转动副所在位置，主视图中两平行边中靠上的边和板4相连，靠下的边和板6相连。板13与板5相同，转动副连接位置也同样相同，板7和板15同为板5的镜像结构，转动副连接位置也同样镜像。

如图8所示，该图所示结构为上述对称可折展厚板结构的板6三视图，可设计为一三角形板子，长边与板1长边相等，图中加粗边缘为转动副所在位置，主视图中右侧靠上的边和板5相连，靠下的边和板7相连，左侧边和板1相连。板14为板6的镜像结构，转动副连接位置也同样镜像。

如图9a和图9b所示，所示为可折展厚板结构在不同视角下的折叠过程示意图，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。

所述对称可折展厚板结构为面对称结构。结构A和结构B对称，结构C和结构D对称，其中，板15、板16、板17、板2、板3、板4、板5分别和板13、板12、板11、板10、板9、板8、板7对称；同时结构A和结构D对称，结构B和结构C对称，其中，板3、板4、板5、板6、板7、板8、板9分别和板17、板16、板15、板14、板13、板12、板11对称。

上述对板的部分厚度做的调整均是为了让对称可折展厚板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。对称可折展厚板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。

如图10所示，该图所示结构为两个对称可折展厚板结构并排组合在一起的结构，两结构之间由两块块矩形连接板通过转动副相连，其中一块连接板一个边与一个上述对称可折展厚板结构的板17相连，同一个面上的对边和另一个对称可折展厚板结构的板3相连，另一块连接板一边与一个上述对称可折展厚板结构的板11相连，同一个面上的对边和另一个对称可折展厚板结构的板9相连。该结构自由度为1。还可以在同一方向上继续连接上多个述对称可折展厚板结构。本实施例中转动副由铰链、合页或轴承其中的一种构成。

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 (6)

1.一种对称可折展厚板结构，其特征在于，所述厚板结构为面对称结构，包括17个形状不同且依次通过转动副相互连接的板，板一为放置于中间位置的矩形板，其余分别为板二至板十七，置于板一周围，且首尾依次相连，其中板二、板六、板十和板十四分别与板一的四条边相连。

2.根据权利要求1所述一种对称可折展厚板结构，其特征在于，所述对称可折展厚板结构完全折叠后形成一近似矩形的无盖盒子，板一为盒子底板，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、结构二、结构三和结构四均由两个球面四转动副结构组成，在相邻两个结构或相邻两个球面四转动副结构之间共用两个板和两板之间的转动副。

3.根据权利要求1所述一种对称可折展厚板结构，其特征在于，所述对称可折展厚板结构展开成平面时所有转动副轴线在同一平面上。

4.根据权利要求1所述一种对称可折展厚板结构，其特征在于，所述对称可折展厚板结构为运动过程确定的结构，且自由度为1，可通过设置单一驱动用以完成可折展厚板结构的折叠与展开。

5.根据权利要求1所述一种对称可折展厚板结构，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。

6.根据权利要求1所述一种对称可折展厚板结构，其特征在于，通过组合所述对称可折展厚板结构可构成可折展结构，每两个上述对称可折展厚板结构之间由两个连接板通过转动副相连。