CN109353634B - 一种单自由度可折展盒子结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单自由度可折展盒子结构，包括十个面，依次为第一面、第二面、第三面、第四面、第五面、第六面、第七面、第八面、第九面、第十面；所述第一面和第二面相连作为可折展盒子结构的底并放置于中部，所述第三面、第四面、第五面、第六面、第七面、第八面、第九面、第十面置于所述第一面和第二面上方且首尾依次相连并与所述第一面和第二面组成的底面的四条边相连；该结构是过约束机构的组合，拥有较好的刚度，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，可靠性高等优点。

Description

一种单自由度可折展盒子结构

技术领域

本发明涉及一种可折展的盒子结构，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盒子结构。

背景技术

多面体结构因其较好的对称性，在航空航天、建筑结构、艺术品和日常生活中得到广泛地应用，但由于体积大、不利于运输，多面体结构常常只能用于固定场合。被SCIENCE期刊评为2014年年度十大科技突破的立方小卫星就是航空航天领域追求小型化低成本发射的典型代表，但其在轨状态工作空间狭小的缺点也制约着它的进一步应用。

空间体状可折展结构是随着航天科技的发展而诞生的一种新型结构，它在发射过程中处于折叠收纳状态，体积容量最小；入轨后，体状可折展结构可按设计展开成较大的运营工作状态；返回或回收时，该结构可再次折叠收拢进入飞船。采用过约束机构为基本单元的空间可展结构有着高刚性，制造简单，成本低，可靠性高等优势。

现有的空间可折展结构主要涉及平面或曲面上的折展，如太阳能帆板、卫星天线，而涉及体积方面的折展机构主要采用非刚性变形得到，变形过程不利于控制且不易重复操作，现有采用刚性变形的体状可展结构要么结构复杂，如C.M.Gosselin和D.Gagnon-Lachance在2006年提出的用正多边形机构驱动的可折展多面体结构；要么不能实现完全折叠，如Kiper and

在2009年提出的可折展多面体结构。所以，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。

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、大折展比的可展盒子结构。该可展盒子结构是过约束机构的组合，拥有较好的刚度，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，可靠性高等优点，尤其适于在包装、收纳、土木结构，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：

一种单自由度可折展盒子结构，包括十个面，依次为第一面、第二面、第三面、第四面、第五面、第六面、第七面、第八面、第九面、第十面；所述第一面和第二面相连作为可折展盒子结构的底并放置于中部，所述第三面、第四面、第五面、第六面、第七面、第八面、第九面、第十面置于所述第一面和第二面上方且依次相连并与所述第一面和第二面组成的底面的四条边相连；

所述第一面第一边与第二面第一边相邻并通过第一转动副相互连接，第一面能沿所述第一转动副轴线向盒子外方向转动直至与第二面重叠；所述第二面第三边与第三面第三边相邻并通过第二转动副相互连接，第二面能沿所述第二转动副轴线向盒子内方向转动直至与第三面重叠；所述第一面第二边与第五面第二边相邻并通过第三转动副相互连接，第一面能沿所述第三转动副轴线向盒子内方向转动直至与第五面重叠；所述第一面第三边与第七面第三边相邻并通过第四转动副相互连接，第一面能沿所述第四转动副轴线向盒子内方向转动直至与第七面重叠；所述第二面第二边与第九面第二边相邻并通过第五转动副相互连接，第二面能沿所述第五转动副轴线向盒子内方向转动直至与第九面重叠；所述第三面第一边与第四面第一边相邻并通过第六转动副相互连接，第三面能沿所述第六转动副轴线先向盒子外方向后向盒子内方向转动直至与第四面共面；所述第三面第二边与第五面第三边相邻并通过第七转动副相互连接，第三面能沿所述第七转动副轴线向盒子内方向转动直至与第五面重叠；所述第五面第一边与第六面第一边相邻并通过第八转动副相互连接，第五面能沿所述第八转动副轴线向盒子外方向转动直至与第六面重叠；所述第六面第二边与第七面第二边相邻并通过第九转动副相互连接，第六面能沿所述第九转动副轴线向盒子内方向转动直至与第七面重叠；所述第七面第一边与第八面第一边相邻并通过第十转动副相互连接，第七面能沿所述第十转动副轴线先向盒子内方向后向盒子外方向转动直至与第八面共面；所述第八面第三边与第九面第三边相邻并通过第十一转动副相互连接，第八面能沿所述第十一转动副轴线向盒子内方向转动直至与第九面重叠；所述第九面第一边与第十面第一边相邻并通过第十二转动副相互连接，第九面能沿所述第十二转动副轴线向盒子外方向转动直至与第十面重叠；所述第十面第二边与第四面第三边相邻并通过第十三转动副相互连接，第十面能沿所述第十三转动副轴线向盒子内方向转动直至与第四面重叠；

所述第一面、第二面、第三面、第五面首尾依次由所述第一转动副、第二转动副、第七转动副、第三转动副相连构成第一球面四连杆机构，所述第一面、第五面、第六面、第七面首尾依次由所述第三转动副、第八转动副、第九转动副、第四转动副相连构成第二球面四连杆机构，所述第一面、第七面、第八面、第九面、第二面首尾依次由所述第四转动副、第十转动副、第十一转动副、第五转动副、第一转动副相连构成第一球面五连杆机构，所述第二面、第九面、第十面、第四面、第三面首尾依次由所述第二转动副、第五转动副、第十二转动副、第十三转动副、第六转动副相连构成第二球面五连杆机构；

所述第一球面四连杆机构与第二球面四连杆机构共用所述的第三转动副，所述第二球面四连杆机构与第一球面五连杆机构共用所述的第四转动副，所述第一球面五连杆机构与第二球面五连杆机构共用所述的第五转动副，所述第二球面五连杆机构与第一球面四连杆机构共用所述的第二转动副，所述第一球面五连杆机构与第一球面四连杆机构共用所述的第一转动副；

所述可折展盒子结构整体的折叠与展开围绕着垂直于盒子底面中心的基准轴；折叠时，所述第七面和第八面绕基准轴做顺时针旋转运动，所述第七面沿所述第十转动副轴线先向盒子内方向后向盒子外方向转动直至与所述第八面共面，所述第七面与所述第八面共面后，空间结构变为为平面结构，随之，所述第七面和第八面组成平面结构的上表面；折叠时，所述第三面和第四面绕基准轴做顺时针旋转运动，所述第三面沿所述第六转动副轴线先向盒子外方向后向盒子内方向转动直至与所述第四面共面，所述第三面与所述第四面共面后，空间结构变为为平面结构，随之，所述第三面和第四面组成平面结构的下表面；

所述可折展盒子结构在完全折叠为平面的情况下，所有转动副轴线在同一平面上；所述可折展盒子结构在完全展开的情况下，形成一种四棱柱状无盖盒子结构；每个面的外轮廓线为直线、曲线或折线。

进一步的，所述可折展盒子结构可通过改变相邻面的夹角以实现空间体状结构与平面结构的相互转换。

进一步的，可折展盒子结构完全展开状态为以正方形为底，高等于底边边长的盒子结构，完全折叠状态为正方形平面结构。

进一步的，可折展盒子结构完全展开状态为以正方形为底，高小于底边边长的盒子结构，完全折叠状态为多边形平面结构。

进一步的，可折展盒子结构完全展开状态为以菱为底，高大于底边边长的盒子结构，完全折叠状态为多边形平面结构。

进一步的，可折展盒子结构完全展开状态为以菱形为底，高小于底边边长的盒子结构，完全折叠状态为多边形平面结构。

进一步的，每个所述面由平面或曲面其中的一种或两种共同构成。

进一步的，所述转动副为铰链、合页或轴承。

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.本发明具有较大的折展比率，可由空间结构直接折叠为平面结构，可实现完全折叠。

2.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。

3.本发明是以功能性为目的设计，可以根据实际需求设计单元结构的尺寸，转动副大小可以随要求调节，可以在实际要求下任意选择安装驱动位置。

4.本发明展开后结构稳定，刚度较大，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1-1为本发明实施例一的一种由不同球面连杆机构组合而成的可折展盒子结构的零件组成及平面展开图。

图1-2，图1-3分别是本发明具体实施例一的盒子结构的完全展开状态和完全折叠状态的示意图。该结构完全展开状态为以正方形为底，高等于底边边长的盒子结构，完全折叠状态为正方形平面结构。

图1-4至图1-7表示该结构由完全展开状态到完全折叠状态的折叠顺序示意图，图1-4表示完全展开状态，图1-5和图1-6表示折叠中间状态，图1-7表示完全折叠状态。

图2-1为本发明实施例二的一种由不同球面连杆机构组合而成的可折展盒子结构的零件组成及平面展开图。

图2-2，图2-3分别是本发明具体实施例二的盒子结构的完全展开状态和完全折叠状态的示意图。该结构完全展开状态为以正方形为底，高小于底边边长的盒子结构，完全折叠状态为多边形平面结构。

图2-4至图2-7表示该结构由完全展开状态到完全折叠状态的折叠顺序示意图，图2-4表示完全展开状态，图2-5和图2-6表示折叠中间状态，图2-7表示完全折叠状态。

图3-1为本发明实施例三的一种由不同球面连杆机构组合而成的可折展盒子结构的零件组成及平面展开图。

图3-2，图3-3分别是本发明具体实施例三的盒子结构的完全展开状态和完全折叠状态的示意图。该结构完全展开状态为以菱为底，高大于底边边长的盒子结构，完全折叠状态为多边形平面结构。

图3-4至图3-7表示该结构由完全展开状态到完全折叠状态的折叠顺序示意图，图3-4表示完全展开状态，图3-5和图3-6表示折叠中间状态，图3-7表示完全折叠状态。

图4-1为本发明实施例四的一种由不同球面连杆机构组合而成的可折展盒子结构的零件组成及平面展开图。

图4-2，图4-3分别是本发明具体实施例三的盒子结构的完全展开状态和完全折叠状态的示意图。该结构完全展开状态为以菱形为底，高小于底边边长的盒子结构，完全折叠状态为多边形平面结构。

图4-4至图4-7表示该结构由完全展开状态到完全折叠状态的折叠顺序示意图，图4-4表示完全展开状态，图4-5和图4-6表示折叠中间状态，图4-7表示完全折叠状态。

附图标记：

对于实施例一：

A1-第一面，A2-第二面，A3-第三面，A4-第四面，A5-第五面，A6-第六面，A7-第七面，A8-第八面，A9-第九面，A10-第十面；

M1-第一转动副，M2-第二转动副，M3-第三转动副，M4-第四转动副，M5-第五转动副，M6-第六转动副，M7-第七转动副，M8-第八转动副，M9-第九转动副，M10-第十转动副，M11-第十一转动副，M12-第十二转动副，M13-第十三转动副；

A1L1-第一面的第一边；A1L2-第一面的第二边；A1L3-第一面的第三边；

A2L1-第二面的第一边；A2L2-第二面的第二边；A2L3-第二面的第三边；

A3L1-第三面的第一边；A3L2-第三面的第二边；A3L3-第三面的第三边；

A4L1-第四面的第一边；A4L3-第四面的第三边；

A5L1-第五面的第一边；A5L2-第五面的第二边；A5L3-第五面的第三边；

A6L1-第六面的第一边；A6L2-第六面的第二边；

A7L1-第七面的第一边；A7L2-第七面的第二边；A7L3-第七面的第三边；

A8L1-第八面的第一边；A8L3-第八面的第三边；

A9L1-第九面的第一边；A9L2-第九面的第二边；A9L3-第九面的第三边；

A10L1-第十面的第一边；A10L2-第十面的第二边；

对于实施例二：

B1-第一面，B2-第二面，B3-第三面，B4-第四面，B5-第五面，B6-第六面，B7-第七面，B8-第八面，B9-第九面，B10-第十面；

N1-第一转动副，N2-第二转动副，N3-第三转动副，N4-第四转动副，N5-第五转动副，N6-第六转动副，N7-第七转动副，N8-第八转动副，N9-第九转动副，N10-第十转动副，N11-第十一转动副，N12-第十二转动副，N13-第十三转动副；

B1L1-第一面的第一边；B1L2-第一面的第二边；B1L3-第一面的第三边；

B2L1-第二面的第一边；B2L2-第二面的第二边；B2L3-第二面的第三边；

B3L1-第三面的第一边；B3L2-第三面的第二边；B3L3-第三面的第三边；

B4L1-第四面的第一边；B4L3-第四面的第三边；

B5L1-第五面的第一边；B5L2-第五面的第二边；B5L3-第五面的第三边；

B6L1-第六面的第一边；B6L2-第六面的第二边；

B7L1-第七面的第一边；B7L2-第七面的第二边；B7L3-第七面的第三边；

B8L1-第八面的第一边；B8L3-第八面的第三边；

B9L1-第九面的第一边；B9L2-第九面的第二边；B9L3-第九面的第三边；

B10L1-第十面的第一边；B10L2-第十面的第二边；

对于实施例三：

C1-第一面，C2-第二面，C3-第三面，C4-第四面，C5-第五面，C6-第六面，C7-第七面，C8-第八面，C9-第九面，C10-第十面；

P1-第一转动副，P2-第二转动副，P3-第三转动副，P4-第四转动副，P5-第五转动副，P6-第六转动副，P7-第七转动副，P8-第八转动副，P9-第九转动副，P10-第十转动副，P11-第十一转动副，P12-第十二转动副，P13-第十三转动副；

C1L1-第一面的第一边；C1L2-第一面的第二边；C1L3-第一面的第三边；

C2L1-第二面的第一边；C2L2-第二面的第二边；C2L3-第二面的第三边；

C3L1-第三面的第一边；C3L2-第三面的第二边；C3L3-第三面的第三边；

C4L1-第四面的第一边；C4L3-第四面的第三边；

C5L1-第五面的第一边；C5L2-第五面的第二边；C5L3-第五面的第三边；

C6L1-第六面的第一边；C6L2-第六面的第二边；

C7L1-第七面的第一边；C7L2-第七面的第二边；C7L3-第七面的第三边；

C8L1-第八面的第一边；C8L3-第八面的第三边；

C9L1-第九面的第一边；C9L2-第九面的第二边；C9L3-第九面的第三边；

C10L1-第十面的第一边；C10L2-第十面的第二边；

对于实施例四：

D1-第一面，D2-第二面，D3-第三面，D4-第四面，D5-第五面，D6-第六面，D7-第七面，D8-第八面，D9-第九面，D10-第十面；

Q1-第一转动副，Q2-第二转动副，Q3-第三转动副，Q4-第四转动副，Q5-第五转动副，Q6-第六转动副，Q7-第七转动副，Q8-第八转动副，Q9-第九转动副，Q10-第十转动副，Q11-第十一转动副，Q12-第十二转动副，Q13-第十三转动副；

D1L1-第一面的第一边；D1L2-第一面的第二边；D1L3-第一面的第三边；

D2L1-第二面的第一边；D2L2-第二面的第二边；D2L3-第二面的第三边；

D3L1-第三面的第一边；D3L2-第三面的第二边；D3L3-第三面的第三边；

D4L1-第四面的第一边；D4L3-第四面的第三边；

D5L1-第五面的第一边；D5L2-第五面的第二边；D5L3-第五面的第三边；

D6L1-第六面的第一边；D6L2-第六面的第二边；

D7L1-第七面的第一边；D7L2-第七面的第二边；D7L3-第七面的第三边；

D8L1-第八面的第一边；D8L3-第八面的第三边；

D9L1-第九面的第一边；D9L2-第九面的第二边；D9L3-第九面的第三边；

D10L1-第十面的第一边；D10L2-第十面的第二边；

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：

实施例一

如图1-1所示，该图所示结构为本实施例提供的一种由不同球面连杆机构组合而成的可折展盒子结构的零件组成及平面展开图。包括10个面，分别为第一面A1、第二面A2、第三面A3、第四面A4、第五面A5、第六面A6、第七面A7、第八面A8、第九面A9、第十面A10，其中第一面A1、第二面A2、第三面A3、第四面A4、第五面A5、第六面A6、第七面A7、第八面A8、第九面A9、第十面A10均为相同的等腰直角三角形。

第一面第一边A1L1与第二面第一边A2L1相邻并通过第一转动副M1相互连接，第一面A1能沿所述第一转动副M1轴线向盒子外方向转动直至与第二面A2重叠；第二面第三边A2L3与第三面第三边A3L3相邻并通过第二转动副M2相互连接，第二面A2能沿所述第二转动副M2轴线向盒子内方向转动直至与第三面A3重叠；第一面第二边A1L2与第五面第二边A5L2相邻并通过第三转动副M3相互连接，第一面A1能沿所述第三转动副M3轴线向盒子内方向转动直至与第五面A5重叠；第一面第三边A1L3与第七面第三边A7L3相邻并通过第四转动副M4相互连接，第一面A1能沿所述第四转动副M4轴线向盒子内方向转动直至与第七面A7重叠；第二面第二边A2L2与第九面第二边A9L2相邻并通过第五转动副M5相互连接，第二面A2能沿所述第五转动副M5轴线向盒子内方向转动直至与第九面A9重叠；第三面第一边A3L1与第四面第一边A4L1相邻并通过第六转动副M6相互连接，第三面A3能沿所述第六转动副M6轴线先向盒子外方向后向盒子内方向转动直至与第四面A4共面；第三面第二边A3L2与第五面第三边A5L3相邻并通过第七转动副M7相互连接，第三面A3能沿所述第七转动副M7轴线向盒子内方向转动直至与第五面A5重叠；第五面第一边A5L1与第六面第一边A6L1相邻并通过第八转动副M8相互连接，第五面A5能沿所述第八转动副M8轴线向盒子外方向转动直至与第六面A6重叠；第六面第二边A6L2与第七面第二边A7L2相邻并通过第九转动副M9相互连接，第六面A6能沿所述第九转动副M9轴线向盒子内方向转动直至与第七面A7重叠；第七面第一边A7L1与第八面第一边A8L1相邻并通过第十转动副M10相互连接，第七面A7能沿所述第十转动副M10轴线先向盒子内方向后向盒子外方向转动直至与第八面A8共面；第八面第三边A8L3与第九面第三边A9L3相邻并通过第十一转动副M11相互连接，第八面A8能沿所述第十一转动副M11轴线向盒子内方向转动直至与第九面A9重叠；第九面第一边A9L1与第十面第一边A10L1相邻并通过第十二转动副M12相互连接，第九面A9能沿所述第十二转动副M12轴线向盒子外方向转动直至与第十面A10重叠；第十面第二边A10L2与第四面第三边A4L3相邻并通过第十三转动副M13相互连接，第十面A10能沿所述第十三转动副M13轴线向盒子内方向转动直至与第四面A4重叠。

第一面A1、第二面A2、第三面A3、第五面A5首尾依次由M1、M2、M7、M3相连构成第一球面四连杆机构，第一面A1、第五面A5、第六面A6、第七面A7首尾依次由M3、M8、M9、M4相连构成第二球面四连杆机构，第一面A1、第七面A7、第八面A8、第九面A9、第二面A2首尾依次由M4、M10、M11、M5、M1相连构成第一球面五连杆机构，第二面A2、第九面A9、第十面A10、第四面A4、第三面A3首尾依次由M2、M5、M12、M13、M6相连构成第二球面五连杆机构。

所述第一球面四连杆机构与第二球面四连杆机构共用所述的第三转动副M3，所述第二球面四连杆机构与第一球面五连杆机构共用所述的第四转动副M4，所述第一球面五连杆机构与第二球面五连杆机构共用所述的第五转动副M5，所述第二球面五连杆机构与第一球面四连杆机构共用所述的第二转动副M2，所述第一球面五连杆机构与第一球面四连杆机构共用所述的第一转动副M1。

该结构整体的折叠与展开围绕着垂直于盒子底面中心的基准轴进行。折叠时，第七面A7和第八面A8绕基准轴做顺时针旋转运动，第七面A7能沿第十转动副M10轴线先向盒子内方向后向盒子外方向转动直至与第八面A8共面，共面后，空间结构变为为平面结构，随之，第七面A7和第八面A8组成平面结构的上表面。折叠时，第三面A3和第四面A4绕基准轴做顺时针旋转运动，第三面A3能沿第六转动副M6轴线先向盒子外方向后向盒子内方向转动直至与第四面A4共面，共面后，空间结构变为为平面结构，随之，第三面A3和第四面A4组成平面结构的下表面。

按照上述面的连接方式及其转动方向，展开状态为以正方形为底，高等于底边边长的盒子结构，如图1-2所示，可折叠为正方形平面结构，如图1-3所示。折叠过程及顺序如图1-4至图1-7所示，图1-4表示完全展开状态，图1-5和图1-6表示折叠中间状态，图1-7表示完全折叠状态。

可见，上述盒子结构只要满足上述约束条件，即只要满足转动副的连接方式。就可达到本发明要求的折展效果，其结构形式和折展方式并不受折叠单元的具体结构影响。所述转动副为铰链、合页或轴承；所述转动副的长度不限，构成转动副即可。每个所述单元的组成面为平面、曲面，或为由若干个面拼接成的面；每个所述单元的组成面上根据需求设置有任意形状的空洞。每个所述单元的外轮廓线为直线、曲线或折线。本发明可折展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盒子结构的折叠与展开。由于本发明所提出的盒子结构具有单一自由度，折展比率大，单元结构简单的功能，因此具有安装简单、操作方便、易于运输等方面的优点，尤其适于在包装、收纳、土木结构和航空航天等领域中应用。

实施例二

如图2-1所示，该图所示结构为本实施例提供的一种由不同球面连杆机构组合而成的可折展盒子结构的零件组成及平面展开图。包括10个面，分别为第一面B1、第二面B2、第三面B3、第四面B4、第五面B5、第六面B6、第七面B7、第八面B8、第九面B9、第十面B10，其中第一面B1和第二面B2为相同的等腰直角三角形，第七面B7和第八面B8为相同的直角三角形，第三面B3、第五面B5和第九面B9为相同的直角梯形、第四面B4、第六面B6和第十面B10为相同的等腰直角三角形，其直角边边长小于第一面B1或第二面B2的直角边边长。

第一面第一边B1L1与第二面第一边B2L1相邻并通过第一转动副N1相互连接，第一面B1能沿所述第一转动副N1轴线向盒子外方向转动直至与第二面B2重叠；第二面第三边B2L3与第三面第三边B3L3相邻并通过第二转动副N2相互连接，第二面B2能沿所述第二转动副N2轴线向盒子内方向转动直至与第三面B3重叠；第一面第二边B1L2与第五面第二边B5L2相邻并通过第三转动副N3相互连接，第一面B1能沿所述第三转动副N3轴线向盒子内方向转动直至与第五面B5重叠；第一面第三边B1L3与第七面第三边B7L3相邻并通过第四转动副N4相互连接，第一面B1能沿所述第四转动副N4轴线向盒子内方向转动直至与第七面B7重叠；第二面第二边B2L2与第九面第二边B9L2相邻并通过第五转动副N5相互连接，第二面B2能沿所述第五转动副N5轴线向盒子内方向转动直至与第九面B9重叠；第三面第一边B3L1与第四面第一边B4L1相邻并通过第六转动副N6相互连接，第三面B3能沿所述第六转动副N6轴线先向盒子外方向后向盒子内方向转动直至与第四面B4共面；第三面第二边B3L2与第五面第三边B5L3相邻并通过第七转动副N7相互连接，第三面B3能沿所述第七转动副N7轴线向盒子内方向转动直至与第五面B5重叠；第五面第一边B5L1与第六面第一边B6L1相邻并通过第八转动副N8相互连接，第五面B5能沿所述第八转动副N8轴线向盒子外方向转动直至与第六面B6重叠；第六面第二边B6L2与第七面第二边B7L2相邻并通过第九转动副N9相互连接，第六面B6能沿所述第九转动副N9轴线向盒子内方向转动直至与第七面B7重叠；第七面第一边B7L1与第八面第一边B8L1相邻并通过第十转动副N10相互连接，第七面B7能沿所述第十转动副N10轴线先向盒子内方向后向盒子外方向转动直至与第八面B8共面；第八面第三边B8L3与第九面第三边B9L3相邻并通过第十一转动副N11相互连接，第八面B8能沿所述第十一转动副N11轴线向盒子内方向转动直至与第九面B9重叠；第九面第一边B9L1与第十面第一边B10L1相邻并通过第十二转动副N12相互连接，第九面B9能沿所述第十二转动副N12轴线向盒子外方向转动直至与第十面B10重叠；第十面第二边B10L2与第四面第三边B4L3相邻并通过第十三转动副N13相互连接，第十面B10能沿所述第十三转动副N13轴线向盒子内方向转动直至与第四面B4重叠。

第一面B1、第二面B2、第三面B3、第五面B5首尾依次由N1、N2、N7、N3相连构成第一球面四连杆机构，第一面B1、第五面B5、第六面B6、第七面B7首尾依次由N3、N8、N9、N4相连构成第二球面四连杆机构，第一面B1、第七面B7、第八面B8、第九面B9、第二面B2首尾依次由N4、N10、N11、N5、N1相连构成第一球面五连杆机构，第二面B2、第九面B9、第十面B10、第四面B4、第三面B3首尾依次由N2、N5、N12、N13、N6相连构成第二球面五连杆机构。

所述第一球面四连杆机构与第二球面四连杆机构共用所述的第三转动副N3，所述第二球面四连杆机构与第一球面五连杆机构共用所述的第四转动副N4，所述第一球面五连杆机构与第二球面五连杆机构共用所述的第五转动副N5，所述第二球面五连杆机构与第一球面四连杆机构共用所述的第二转动副N2，所述第一球面五连杆机构与第一球面四连杆机构共用所述的第一转动副N1。

该结构整体的折叠与展开围绕着垂直于盒子底面中心的基准轴进行。折叠时，第七面B7和第八面B8绕基准轴做顺时针旋转运动，第七面B7能沿第十转动副N10轴线先向盒子内方向后向盒子外方向转动直至与第八面B8共面，共面后，空间结构变为为平面结构，随之，第七面B7和第八面B8组成平面结构的上表面。折叠时，第三面B3和第四面B4绕基准轴做顺时针旋转运动，第三面B3能沿第六转动副N6轴线先向盒子外方向后向盒子内方向转动直至与第四面B4共面，共面后，空间结构变为为平面结构，随之，第三面B3和第四面B4组成平面结构的下表面。

按照上述面的连接方式及其转动方向，展开状态为以正方形为底，高小于底边边长的盒子结构，如图2-2所示，可折叠为多边形平面结构，如图2-3所示。折叠过程及顺序如图2-4至图2-7所示，图2-4表示完全展开状态，图2-5和图2-6表示折叠中间状态，图2-7表示完全折叠状态。

可见，上述盒子结构只要满足上述约束条件，即只要满足转动副的连接方式。就可达到本发明要求的折展效果，其结构形式和折展方式并不受折叠单元的具体结构影响。所述转动副为铰链、合页或轴承；所述转动副的长度不限，构成转动副即可。每个所述单元的组成面为平面、曲面，或为由若干个面拼接成的面；每个所述单元的组成面上根据需求设置有任意形状的空洞。每个所述单元的外轮廓线为直线、曲线或折线。本发明可折展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盒子结构的折叠与展开。由于本发明所提出的盒子结构具有单一自由度，折展比率大，单元结构简单的功能，因此具有安装简单、操作方便、易于运输等方面的优点，尤其适于在包装、收纳、土木结构和航空航天等领域中应用。

实施例三

如图3-1所示，该图所示结构为本实施例提供的一种由不同球面连杆机构组合而成的可折展盒子结构的零件组成及平面展开图。包括10个面，分别为第一面C1、第二面C2、第三面C3、第四面C4、第五面C5、第六面C6、第七面C7、第八面C8、第九面C9、第十面C10，其中第一面C1和第二面C2为相同的等腰三角形，第三面C3、第四面C4、第五面C5、第六面C6、第七面C7、第八面C8、第九面C9和第十面C10为相同的直角三角形。

第一面第一边C1L1与第二面第一边C2L1相邻并通过第一转动副P1相互连接，第一面C1能沿所述第一转动副P1轴线向盒子外方向转动直至与第二面C2重叠；第二面第三边C2L3与第三面第三边C3L3相邻并通过第二转动副P2相互连接，第二面C2能沿所述第二转动副P2轴线向盒子内方向转动直至与第三面C3重叠；第一面第二边C1L2与第五面第二边C5L2相邻并通过第三转动副P3相互连接，第一面C1能沿所述第三转动副P3轴线向盒子内方向转动直至与第五面C5重叠；第一面第三边C1L3与第七面第三边C7L3相邻并通过第四转动副P4相互连接，第一面C1能沿所述第四转动副P4轴线向盒子内方向转动直至与第七面C7重叠；第二面第二边C2L2与第九面第二边C9L2相邻并通过第五转动副P5相互连接，第二面C2能沿所述第五转动副P5轴线向盒子内方向转动直至与第九面C9重叠；第三面第一边C3L1与第四面第一边C4L1相邻并通过第六转动副P6相互连接，第三面C3能沿所述第六转动副P6轴线先向盒子外方向后向盒子内方向转动直至与第四面C4共面；第三面第二边C3L2与第五面第三边C5L3相邻并通过第七转动副P7相互连接，第三面C3能沿所述第七转动副P7轴线向盒子内方向转动直至与第五面C5重叠；第五面第一边C5L1与第六面第一边C6L1相邻并通过第八转动副P8相互连接，第五面C5能沿所述第八转动副P8轴线向盒子外方向转动直至与第六面C6重叠；第六面第二边C6L2与第七面第二边C7L2相邻并通过第九转动副P9相互连接，第六面C6能沿所述第九转动副P9轴线向盒子内方向转动直至与第七面C7重叠；第七面第一边C7L1与第八面第一边C8L1相邻并通过第十转动副P10相互连接，第七面C7能沿所述第十转动副P10轴线先向盒子内方向后向盒子外方向转动直至与第八面C8共面；第八面第三边C8L3与第九面第三边C9L3相邻并通过第十一转动副P11相互连接，第八面C8能沿所述第十一转动副P11轴线向盒子内方向转动直至与第九面C9重叠；第九面第一边C9L1与第十面第一边C10L1相邻并通过第十二转动副P12相互连接，第九面C9能沿所述第十二转动副P12轴线向盒子外方向转动直至与第十面C10重叠；第十面第二边C10L2与第四面第三边C4L3相邻并通过第十三转动副P13相互连接，第十面C10能沿所述第十三转动副P13轴线向盒子内方向转动直至与第四面C4重叠。

第一面C1、第二面C2、第三面C3、第五面C5首尾依次由P1、P2、P7、P3相连构成第一球面四连杆机构，第一面C1、第五面C5、第六面C6、第七面C7首尾依次由P3、P8、P9、P4相连构成第二球面四连杆机构，第一面C1、第七面C7、第八面C8、第九面C9、第二面C2首尾依次由P4、P10、P11、P5、P1相连构成第一球面五连杆机构，第二面C2、第九面C9、第十面C10、第四面C4、第三面C3首尾依次由P2、P5、P12、P13、P6相连构成第二球面五连杆机构。

所述第一球面四连杆机构与第二球面四连杆机构共用所述的第三转动副P3，所述第二球面四连杆机构与第一球面五连杆机构共用所述的第四转动副P4，所述第一球面五连杆机构与第二球面五连杆机构共用所述的第五转动副P5，所述第二球面五连杆机构与第一球面四连杆机构共用所述的第二转动副P2，所述第一球面五连杆机构与第一球面四连杆机构共用所述的第一转动副P1。

该结构整体的折叠与展开围绕着垂直于盒子底面中心的基准轴进行。折叠时，第七面C7和第八面C8绕基准轴做顺时针旋转运动，第七面C7能沿第十转动副P10轴线先向盒子内方向后向盒子外方向转动直至与第八面C8共面，共面后，空间结构变为为平面结构，随之，第七面C7和第八面C8组成平面结构的上表面。折叠时，第三面C3和第四面C4绕基准轴做顺时针旋转运动，第三面C3能沿第六转动副P6轴线先向盒子外方向后向盒子内方向转动直至与第四面C4共面，共面后，空间结构变为为平面结构，随之，第三面C3和第四面C4组成平面结构的下表面。

按照上述面的连接方式及其转动方向，展开状态为以菱形为底，高大于底边边长的盒子结构，如图3-2所示，可折叠为多边形平面结构，如图3-3所示。折叠过程及顺序如图3-4至图3-7所示，图3-4表示完全展开状态，图3-5和图3-6表示折叠中间状态，图3-7表示完全折叠状态。

可见，上述盒子结构只要满足上述约束条件，即只要满足转动副的连接方式。就可达到本发明要求的折展效果，其结构形式和折展方式并不受折叠单元的具体结构影响。所述转动副为铰链、合页或轴承；所述转动副的长度不限，构成转动副即可。每个所述单元的组成面为平面、曲面，或为由若干个面拼接成的面；每个所述单元的组成面上根据需求设置有任意形状的空洞。每个所述单元的外轮廓线为直线、曲线或折线。本发明可折展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盒子结构的折叠与展开。由于本发明所提出的盒子结构具有单一自由度，折展比率大，单元结构简单的功能，因此具有安装简单、操作方便、易于运输等方面的优点，尤其适于在包装、收纳、土木结构和航空航天等领域中应用。

实施例四

如图4-1所示，该图所示结构为本实施例提供的一种由不同球面连杆机构组合而成的可折展盒子结构的零件组成及平面展开图。包括10个面，分别为第一面D1、第二面D2、第三面D3、第四面D4、第五面D5、第六面D6、第七面D7、第八面D8、第九面D9、第十面D10，其中第一面D1和第二面D2为相同的等腰三角形，第三面D3、第四面D4、第五面D5、第六面D6、第七面D7、第八面D8、第九面D9和第十面D10为相同的直角三角形。

第一面第一边D1L1与第二面第一边D2L1相邻并通过第一转动副Q1相互连接，第一面D1能沿所述第一转动副Q1轴线向盒子外方向转动直至与第二面D2重叠；第二面第三边D2L3与第三面第三边D3L3相邻并通过第二转动副Q2相互连接，第二面D2能沿所述第二转动副Q2轴线向盒子内方向转动直至与第三面D3重叠；第一面第二边D1L2与第五面第二边D5L2相邻并通过第三转动副Q3相互连接，第一面D1能沿所述第三转动副Q3轴线向盒子内方向转动直至与第五面D5重叠；第一面第三边D1L3与第七面第三边D7L3相邻并通过第四转动副Q4相互连接，第一面D1能沿所述第四转动副Q4轴线向盒子内方向转动直至与第七面D7重叠；第二面第二边D2L2与第九面第二边D9L2相邻并通过第五转动副Q5相互连接，第二面D2能沿所述第五转动副Q5轴线向盒子内方向转动直至与第九面D9重叠；第三面第一边D3L1与第四面第一边D4L1相邻并通过第六转动副Q6相互连接，第三面D3能沿所述第六转动副Q6轴线先向盒子外方向后向盒子内方向转动直至与第四面D4共面；第三面第二边D3L2与第五面第三边D5L3相邻并通过第七转动副Q7相互连接，第三面D3能沿所述第七转动副Q7轴线向盒子内方向转动直至与第五面D5重叠；第五面第一边D5L1与第六面第一边D6L1相邻并通过第八转动副Q8相互连接，第五面D5能沿所述第八转动副Q8轴线向盒子外方向转动直至与第六面D6重叠；第六面第二边D6L2与第七面第二边D7L2相邻并通过第九转动副Q9相互连接，第六面D6能沿所述第九转动副Q9轴线向盒子内方向转动直至与第七面D7重叠；第七面第一边D7L1与第八面第一边D8L1相邻并通过第十转动副Q10相互连接，第七面D7能沿所述第十转动副Q10轴线先向盒子内方向后向盒子外方向转动直至与第八面D8共面；第八面第三边D8L3与第九面第三边D9L3相邻并通过第十一转动副Q11相互连接，第八面D8能沿所述第十一转动副Q11轴线向盒子内方向转动直至与第九面D9重叠；第九面第一边D9L1与第十面第一边D10L1相邻并通过第十二转动副Q12相互连接，第九面D9能沿所述第十二转动副Q12轴线向盒子外方向转动直至与第十面D10重叠；第十面第二边D10L2与第四面第三边D4L3相邻并通过第十三转动副Q13相互连接，第十面D10能沿所述第十三转动副Q13轴线向盒子内方向转动直至与第四面D4重叠。

第一面D1、第二面D2、第三面D3、第五面D5首尾依次由Q1、Q2、Q7、Q3相连构成第一球面四连杆机构，第一面D1、第五面D5、第六面D6、第七面D7首尾依次由Q3、Q8、Q9、Q4相连构成第二球面四连杆机构，第一面D1、第七面D7、第八面D8、第九面D9、第二面D2首尾依次由Q4、Q10、Q11、Q5、Q1相连构成第一球面五连杆机构，第二面D2、第九面D9、第十面D10、第四面D4、第三面D3首尾依次由Q2、Q5、Q12、Q13、Q6相连构成第二球面五连杆机构。

所述第一球面四连杆机构与第二球面四连杆机构共用所述的第三转动副Q3，所述第二球面四连杆机构与第一球面五连杆机构共用所述的第四转动副Q4，所述第一球面五连杆机构与第二球面五连杆机构共用所述的第五转动副Q5，所述第二球面五连杆机构与第一球面四连杆机构共用所述的第二转动副Q2，所述第一球面五连杆机构与第一球面四连杆机构共用所述的第一转动副Q1。

该结构整体的折叠与展开围绕着垂直于盒子底面中心的基准轴进行。折叠时，第七面D7和第八面D8绕基准轴做顺时针旋转运动，第七面D7能沿第十转动副Q10轴线先向盒子内方向后向盒子外方向转动直至与第八面D8共面，共面后，空间结构变为为平面结构，随之，第七面D7和第八面D8组成平面结构的上表面。折叠时，第三面D3和第四面D4绕基准轴做顺时针旋转运动，第三面D3能沿第六转动副Q6轴线先向盒子外方向后向盒子内方向转动直至与第四面D4共面，共面后，空间结构变为为平面结构，随之，第三面D3和第四面D4组成平面结构的下表面。

按照上述面的连接方式及其转动方向，展开状态为以菱形为底，高小于底边边长的盒子结构，如图4-2所示，可折叠为多边形平面结构，如图4-3所示。折叠过程及顺序如图4-4至图4-7所示，图4-4表示完全展开状态，图4-5和图4-6表示折叠中间状态，图4-7表示完全折叠状态。

可见，上述盒子结构只要满足上述约束条件，即只要满足转动副的连接方式。就可达到本发明要求的折展效果，其结构形式和折展方式并不受折叠单元的具体结构影响。所述转动副为铰链、合页或轴承；所述转动副的长度不限，构成转动副即可。每个所述单元的组成面为平面、曲面，或为由若干个面拼接成的面；每个所述单元的组成面上根据需求设置有任意形状的空洞。每个所述单元的外轮廓线为直线、曲线或折线。本发明可折展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盒子结构的折叠与展开。由于本发明所提出的盒子结构具有单一自由度，折展比率大，单元结构简单的功能，因此具有安装简单、操作方便、易于运输等方面的优点，尤其适于在包装、收纳、土木结构和航空航天等领域中应用。

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 (7)

1.一种单自由度可折展盒子结构，其特征在于，包括十个面，依次为第一面、第二面、第三面、第四面、第五面、第六面、第七面、第八面、第九面、第十面；所述第一面和第二面相连作为可折展盒子结构的底并放置于中部，所述第三面、第四面、第五面、第六面、第七面、第八面、第九面、第十面置于所述第一面和第二面上方且依次相连并与所述第一面和第二面组成的底面的四条边相连；

所述第一面第一边与第二面第一边相邻并通过第一转动副相互连接，第一面能沿所述第一转动副轴线向盒子外方向转动直至与第二面重叠；所述第二面第三边与第三面第三边相邻并通过第二转动副相互连接，第二面能沿所述第二转动副轴线向盒子内方向转动直至与第三面重叠；所述第一面第二边与第五面第二边相邻并通过第三转动副相互连接，第一面能沿所述第三转动副轴线向盒子内方向转动直至与第五面重叠；所述第一面第三边与第七面第三边相邻并通过第四转动副相互连接，第一面能沿所述第四转动副轴线向盒子内方向转动直至与第七面重叠；所述第二面第二边与第九面第二边相邻并通过第五转动副相互连接，第二面能沿所述第五转动副轴线向盒子内方向转动直至与第九面重叠；所述第三面第一边与第四面第一边相邻并通过第六转动副相互连接，第三面能沿所述第六转动副轴线先向盒子外方向后向盒子内方向转动直至与第四面共面；所述第三面第二边与第五面第三边相邻并通过第七转动副相互连接，第三面能沿所述第七转动副轴线向盒子内方向转动直至与第五面重叠；所述第五面第一边与第六面第一边相邻并通过第八转动副相互连接，第五面能沿所述第八转动副轴线向盒子外方向转动直至与第六面重叠；所述第六面第二边与第七面第二边相邻并通过第九转动副相互连接，第六面能沿所述第九转动副轴线向盒子内方向转动直至与第七面重叠；所述第七面第一边与第八面第一边相邻并通过第十转动副相互连接，第七面能沿所述第十转动副轴线先向盒子内方向后向盒子外方向转动直至与第八面共面；所述第八面第三边与第九面第三边相邻并通过第十一转动副相互连接，第八面能沿所述第十一转动副轴线向盒子内方向转动直至与第九面重叠；所述第九面第一边与第十面第一边相邻并通过第十二转动副相互连接，第九面能沿所述第十二转动副轴线向盒子外方向转动直至与第十面重叠；所述第十面第二边与第四面第三边相邻并通过第十三转动副相互连接，第十面能沿所述第十三转动副轴线向盒子内方向转动直至与第四面重叠；

所述第一面、第二面、第三面、第五面首尾依次由所述第一转动副、第二转动副、第七转动副、第三转动副相连构成第一球面四连杆机构，所述第一面、第五面、第六面、第七面首尾依次由所述第三转动副、第八转动副、第九转动副、第四转动副相连构成第二球面四连杆机构，所述第一面、第七面、第八面、第九面、第二面首尾依次由所述第四转动副、第十转动副、第十一转动副、第五转动副、第一转动副相连构成第一球面五连杆机构，所述第二面、第九面、第十面、第四面、第三面首尾依次由所述第二转动副、第五转动副、第十二转动副、第十三转动副、第六转动副相连构成第二球面五连杆机构；

所述第一球面四连杆机构与第二球面四连杆机构共用所述的第三转动副，所述第二球面四连杆机构与第一球面五连杆机构共用所述的第四转动副，所述第一球面五连杆机构与第二球面五连杆机构共用所述的第五转动副，所述第二球面五连杆机构与第一球面四连杆机构共用所述的第二转动副，所述第一球面五连杆机构与第一球面四连杆机构共用所述的第一转动副；

所述可折展盒子结构整体的折叠与展开围绕着垂直于盒子底面中心的基准轴；折叠时，所述第七面和第八面绕基准轴做顺时针旋转运动，所述第七面沿所述第十转动副轴线先向盒子内方向后向盒子外方向转动直至与所述第八面共面，所述第七面与所述第八面共面后，空间结构变为为平面结构，随之，所述第七面和第八面组成平面结构的上表面；折叠时，所述第三面和第四面绕基准轴做顺时针旋转运动，所述第三面沿所述第六转动副轴线先向盒子外方向后向盒子内方向转动直至与所述第四面共面，所述第三面与所述第四面共面后，空间结构变为为平面结构，随之，所述第三面和第四面组成平面结构的下表面；

所述可折展盒子结构在完全折叠为平面的情况下，所有转动副轴线在同一平面上；所述可折展盒子结构在完全展开的情况下，形成一种四棱柱状无盖盒子结构；每个面的外轮廓线为直线、曲线或折线。

2.根据权利要求1所述一种单自由度可折展盒子结构，其特征在于，所述可折展盒子结构可通过改变相邻面的夹角以实现空间体状结构与平面结构的相互转换。

3.根据权利要求1或2所述一种单自由度可折展盒子结构，其特征在于，可折展盒子结构完全展开状态为以正方形为底，高等于底边边长的盒子结构，完全折叠状态为正方形平面结构。

4.根据权利要求1或2所述一种单自由度可折展盒子结构，其特征在于，可折展盒子结构完全展开状态为以正方形为底，高小于底边边长的盒子结构，完全折叠状态为多边形平面结构。

5.根据权利要求1或2所述一种单自由度可折展盒子结构，其特征在于，可折展盒子结构完全展开状态为以菱形为底，高大于底边边长的盒子结构，完全折叠状态为多边形平面结构。

6.根据权利要求1或2所述一种单自由度可折展盒子结构，其特征在于，可折展盒子结构完全展开状态为以菱形为底，高小于底边边长的盒子结构，完全折叠状态为多边形平面结构。

7.根据权利要求1或2所述一种单自由度可折展盒子结构，其特征在于，所述转动副为铰链、合页或轴承。

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