CN109551823A - 一种基于刚性折纸的可折展螺旋形结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于刚性折纸的可折展螺旋形结构，由N个四边形基本单元构成，在每个的四边形基本单元中，内角分别为第一内角、第二内角、第三内角和第四内角，第一内角和第三内角的和为180度，第二内角和第四内角的和为180度；每两个相邻的四边形基本单元之间共用一条长度相等的公共边，四条的公共边相交形成有可折展螺旋形结构的一个顶点；对于每个顶点，相邻两个公共边之间的夹角分别为第一内角、第二内角、第三内角和第四内角；每个顶点周围相连接的四个四边形基本单元及其公共边构成一个球面四杆机构，每个可折展螺旋形结构至少包含一个顶点。该结构具有生产加工简单，运动控制方便，高可靠性等优点，可以应用于航空航天、建筑结构等领域。

Description

一种基于刚性折纸的可折展螺旋形结构
技术领域
本发明涉及一种单自由度的可折展结构，具体涉及一种单自由度可以展开和折叠的基于刚性折纸的螺旋形结构。
背景技术
折纸结构具有广泛的工程应用。折纸结构具有便于展开和折叠、折展比较大，构造简单等特点。基于折纸结构的可折展结构因其易于生产，便于储藏和运输，折展比高，便于拆卸等优点，在航空航天、建筑结构、艺术品和日常生活中得到广泛的应用。
现有的基于折纸结构的可折展结构可以应用在航空航天、建筑等领域，近年来由Guest和Pellegririno，Nojima以及Furuya等人设计的折纸结构虽然也具有可以展开和折叠等特点，但是这些研究中的折展结构的展开和折叠依赖于材料的弹塑性大变形，对其折展过程难以进行精确地控制，因此其应用受到了限制。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于刚性折纸的可折展螺旋形结构，该结构基于刚性折纸，能够完全展开成一个平面；整个结构只具有一个自由度，运动控制简单。该结构具有生产加工简单，运动控制方便，高可靠性等优点，可以应用于航空航天、建筑结构等领域。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于刚性折纸的可折展螺旋形结构，由N个四边形基本单元构成，在每个所述的四边形基本单元中，内角分别为第一内角、第二内角、第三内角和第四内角，其中，第一内角和第三内角的和为180度，第二内角和第四内角的和为180度；每两个相邻的所述四边形基本单元之间共用一条长度相等的公共边，四条所述的公共边相交形成有可折展螺旋形结构的一个顶点；对于每个所述顶点，相邻两个所述公共边之间的夹角分别为第一内角、第二内角、第三内角和第四内角；每个所述顶点周围相连接的四个所述四边形基本单元及其公共边构成一个球面四杆机构，每个所述可折展螺旋形结构至少包含一个顶点，即N为大于等于四的整数。
进一步的，所述可折展螺旋形结构可通过所述相邻四边形基本单元二面角之间的变化由平面状态折叠成空间状态。
进一步的，所述公共边的转动由合页、铰链或轴承实现。
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.本发明为具有单一自由度的可折叠结构，通过一个驱动可以实现结构的折叠和展开，安装及使用方便。
2.本发明可以由平面状态折叠成空间状态。
3.本发明可以根据实际需求设计折叠单元的形状和尺寸。
4.本发明结构为功能性设计，可根据实际需要设计不同外观轮廓，也可以根据实际运用场合的需求设计各个单元的尺寸。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2为图1中一个四边形基本单元的结构示意图；
图3-1为图1中相邻两个四边形基本单元的连接示意图；
图3-2为图1中一个顶点以及与其连接的四个四边形基本单元的示意图；
图4-1至图4-3为图1中所示结构从平面展开状态到空间折叠状态的过程示意图。
附图标记：1-可折展螺旋形结构；2-四边形基本单元；α1-第一内角；α2-第二内角；α3-第三内角；α4-第四内角；21-四边形基本单元A；22-四边形基本单元B；23-四边形基本单元C；24-四边形基本单元D；L12-四边形基本单元A和B的公共边；L23-四边形基本单元B和C的公共边；L34-四边形基本单元C和D的公共边；L41-四边形基本单元D和A的公共边；P-顶点；
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螺旋形结构的实施方式，其可以折叠成图一所示的空间折叠状态。
如图2所示，四边形基本单元2中，内角分别为第一内角α1，第二内角α2，第三内角α3和第四内角α4，其中，第一内角α1和第三内角α3的和为180度，第二内角α2和第四内角α4的和为180度。
如图3-1和3-2所示，在所述可折展螺旋形结中，两个相邻的四边形基本单元21和22具有一条长度相等的公共边L12。四条公共边L12、L23、L34和L41相交形成可折展螺旋形结构1的一个顶点P。
对于顶点P，公共边L34和L41的夹角为第一内角α1，公共边L41和L12的夹角为第二内角α2，公共边L12和L23的夹角为第三内角α3，公共边L23和L34的夹角为第四内角α4。顶点P周围相连接的四个四边形基本单元21、22、23和24以及它们的公共边L12、L23、L34和L41构成一个球面四杆机构。即可折展螺旋形结构可以视为球面四杆机构的装配体。
如图4-1至4-3所示，通过改变四边形基本单元之间的二面角，可以使可折展螺旋形结构1实现展开和折叠。
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)

1.一种基于刚性折纸的可折展螺旋形结构，其特征在于，由N个四边形基本单元构成，在每个所述的四边形基本单元中，内角分别为第一内角、第二内角、第三内角和第四内角，其中，第一内角和第三内角的和为180度，第二内角和第四内角的和为180度；每两个相邻的所述四边形基本单元之间共用一条长度相等的公共边，四条所述的公共边相交形成有可折展螺旋形结构的一个顶点；对于每个所述顶点，相邻两个所述公共边之间的夹角分别为第一内角、第二内角、第三内角和第四内角；每个所述顶点周围相连接的四个所述四边形基本单元及其公共边构成一个球面四杆机构，每个所述可折展螺旋形结构至少包含一个顶点，即N为大于等于四的整数。
2.根据权利要求1所述的一种基于刚性折纸的可折展螺旋形结构，其特征在于，所述可折展螺旋形结构可通过所述相邻四边形基本单元二面角之间的变化由平面状态折叠成空间状态。
3.根据权利要求1所述的一种基于刚性折纸的可折展螺旋形结构，其特征在于，所述公共边的转动由合页、铰链或轴承实现。
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