CN110512510B - 一种四面体折叠单元及空间可展机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种四面体折叠单元，包括两个折叠板和两个折叠杆，一个折叠板的一边与另一折叠板的任意一边重合并铰接，两个折叠杆分别与折叠板铰接相连，两个折叠杆铰接相连，两个折叠板完全重合时处于折叠状态，两个折叠杆位于同一直线时，处于完全展开状态，为稳定的四面体结构。本发明还提供两种空间可展机构，利用多个四面体折叠单元按照同一方向拓展为一开环组件，多个四面体折叠单元通过折叠板重合相连实现可展机构的构建；利用多个四面体折叠单元按照不同方向拓展为一闭环组件，四面体折叠单元的尺寸和数量决定可展机构的规格和折叠后机构的厚度。本发明的空间可展机构运动副形式简单，机构展开过程收拢比大，四面体折叠单元结构稳定。

Description

一种四面体折叠单元及空间可展机构
技术领域
本发明涉及机构学技术领域，特别是涉及一种四面体折叠单元及空间可展机构。
背景技术
可展机构由于具有两种稳定状态：折叠状态和完全展开状态，而备受关注。折叠状态一般为运输存储状态，结构收拢为其最小体积；完全展开状态为工作状态，在驱动力的作用下，机构按照自身的运动特性由折叠状态逐步展开至工作状态，然后锁定为稳定状态。可展开机构已在航空航天、建筑工程等领域得到了广泛应用。可展开机构在航空航天领域主要应用于各类卫星上的反射天线、各类太阳能帆板、伸展臂等，反射面天线包括网状反射面天线、刚性反射面天线、充气可展开天线等，比较典型的伸展臂有AEC-Able工程公司为国际空间站太阳能面板开发的FAST伸展臂和ADAM伸展臂。在建筑工程领域，装配式建筑的应用日益广泛，其中开合屋盖是在建筑理念中引入可展结构的结果，是现代建筑的一个主要发展趋势，此外，可展支撑桁架、折叠座椅、可折叠桥梁等也是可展机构在建筑领域的重要表现。大部分可展开结构局限于一维线展开和二维面展开，展开过程不能释放三维空间，从而应用受限。
大型可展机构由多个基本可展单元通过一定连接方式组合而成。目前，已有不少学者提出多种可展单元机构及组合方法，例如，Bennett机构、5R和7R可展单元、三棱柱可展单元、四面体可展单元、四棱锥可展单元、六棱锥可展单元，等等，但是真正投入到应用中的为数不多。对于大型可展机构，仍存在收拢率低、结构复杂、展开可靠性低等问题。
因此，如何改变现有技术中可展单元复杂、可展机构收拢率低的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种四面体折叠单元及空间可展机构，以解决上述现有技术存在的问题，简化可展单元结构，提高可展机构的收拢率和可靠性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种四面体折叠单元，包括两个折叠板和两个折叠杆，所述折叠板为横向截面为等边三角形的框架结构，一个所述折叠板的一边与另一所述折叠板的任意一边重合并铰接，两个所述折叠板的铰接边所在端为尾端，两个所述折叠板的铰接边所对的顶点一端为首端，两个所述折叠杆分别与所述折叠板的首端铰接相连，两个所述折叠杆铰接相连，两个所述折叠杆相对转动的轴线、两个所述折叠板相对转动的轴线、所述折叠板与所述折叠杆相对转动的轴线两两平行，所述折叠杆与所述折叠板的内圈铰接。
优选地，两个所述折叠杆通过同步铰链相连，所述同步铰链包括壳体和两个转轴，所述折叠杆通过所述转轴与所述壳体转动相连，所述折叠杆与所述壳体之间设置绞簧。
优选地，两个所述折叠板、所述折叠板与所述折叠杆均通过合页铰接相连。
优选地，所述折叠杆的长度小于所述折叠板的顶点与内心之间的距离。
优选地，所述折叠杆的直径较所述折叠板的厚度小。
优选地，所述折叠板的顶点处设置能够容纳所述折叠杆的凹槽。
本发明还提供一种空间可展机构，利用上述四面体折叠单元，包括多个相连的所述四面体折叠单元，相邻的所述四面体折叠单元的所述折叠板重合，且相邻的所述四面体折叠单元的尾端不重合，装配完成后各所述折叠杆首尾相接呈螺旋状排布。
本发明还提供另一种空间可展机构，利用上述四面体折叠单元，包括多个所述四面体折叠单元，多个所述四面体折叠单元首尾相连形成环状，相邻的所述四面体折叠单元的所述折叠板重合，且相邻的所述四面体折叠单元的首端不重合，任一所述四面体折叠单元相邻两侧的所述四面体折叠单元以中间所述四面体折叠单元的尾端为轴线对称设置，多个所述折叠杆的连线为正多边形。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的四面体折叠单元，包括两个折叠板和两个折叠杆，折叠板为横向截面为等边三角形的框架结构，一个折叠板的一边与另一折叠板的任意一边重合并铰接，两个折叠板的铰接边所在端为尾端，两个折叠板的铰接边所对的顶点一端为首端，两个折叠杆分别与折叠板的首端铰接相连，两个折叠杆铰接相连，两个折叠杆相对转动的轴线、两个折叠板相对转动的轴线、折叠板与折叠杆相对转动的轴线两两平行，折叠杆与折叠板的内圈铰接。本发明还提供两种空间可展机构，其中一种空间可展机构包括多个相连的四面体折叠单元，相邻的四面体折叠单元的折叠板重合，且相邻的四面体折叠单元的尾端不重合，装配完成后各折叠杆首尾相接呈螺旋状排布。另一种空间可展机构包括多个四面体折叠单元，多个四面体折叠单元首尾相连形成环状，相邻的四面体折叠单元的折叠板重合，且相邻的四面体折叠单元的首端不重合，任一四面体折叠单元相邻两侧的四面体折叠单元以中间四面体折叠单元的尾端为轴线对称设置，多个折叠杆的连线为正多边形。本发明的四面体折叠单元，两个折叠板完全重合时处于折叠状态，两个折叠杆位于同一直线时，处于完全展开状态，为稳定的四面体结构；利用多个四面体折叠单元按照同一方向拓展为一开环组件，多个四面体折叠单元通过折叠板重合相连实现可展机构的构建；利用多个四面体折叠单元按照不同方向拓展为一闭环组件，四面体折叠单元的尺寸和数量决定可展机构的规格和折叠后机构的厚度。本发明的空间可展机构运动副形式简单、种类单一，机构展开过程收拢比大，四面体折叠单元结构稳定、刚度大，提高了机构可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的四面体折叠单元的结构示意图；
图2为本发明的四面体折叠单元的两折叠杆连接处的俯视示意图；
图3为本发明的四面体折叠单元的两折叠杆连接处的侧视示意图；
图4为本发明的一种空间可展机构的结构示意图；
图5为图4的空间可展机构的俯视示意图；
图6为图4的空间可展机构的折叠状态时的示意图；
图7为本发明的另一种空间可展机构的结构示意图；
图8为图7的空间可展机构的俯视示意图；
图9为图7的空间可展机构的折叠状态时的示意图；
其中，1为折叠板，2为折叠杆，3为壳体，4为转轴，5为绞簧，6为合页，7为凹槽。
此处需要说明的是，附图中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、1a、1b、1c均为便于说明空间可展机构而标注。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种四面体折叠单元及空间可展机构，以解决上述现有技术存在的问题，简化可展单元结构，提高可展机构的收拢率和可靠性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1-9，其中，图1为本发明的四面体折叠单元的结构示意图，图2为本发明的四面体折叠单元的两折叠杆连接处的俯视示意图，图3为本发明的四面体折叠单元的两折叠杆连接处的侧视示意图，图4为本发明的一种空间可展机构的结构示意图，图5为图4的空间可展机构的俯视示意图，图6为图4的空间可展机构的折叠状态时的示意图，图7为本发明的另一种空间可展机构的结构示意图，图8为图7的空间可展机构的俯视示意图，图9为图7的空间可展机构的折叠状态时的示意图。
本发明提供一种四面体折叠单元，包括两个折叠板1和两个折叠杆2，折叠板1为横向截面为等边三角形的框架结构，一个折叠板1的一边与另一折叠板1的任意一边重合并铰接，两个折叠板1的铰接边所在端为尾端，两个折叠板1的铰接边所对的顶点一端为首端，两个折叠杆2分别与折叠板1的首端铰接相连，两个折叠杆2铰接相连，两个折叠杆2相对转动的轴线、两个折叠板1相对转动的轴线、折叠板1与折叠杆2相对转动的轴线两两平行，折叠杆2与折叠板1的内圈铰接。
本发明的四面体折叠单元，两个三角形的折叠板1的一边重合且二者铰接相连，当两个折叠板1完全重合时四面体折叠单元处于折叠状态，当两个折叠杆2位于同一直线时，四面体折叠单元的两个首端之间的距离最大，四面体折叠单元处于完全展开状态，为稳定的四面体结构，本发明的四面体折叠单元结构简单、形态稳定、刚度大、可靠性较高。
具体地，两个折叠杆2通过同步铰链相连，同步铰链包括壳体3和两个转轴4，折叠杆2通过转轴4与壳体3转动相连，折叠杆2与壳体3之间设置绞簧5，转轴4穿过折叠杆2和壳体3并用开口销固定，壳体3限制了折叠杆2的转动方向，在四面体折叠单元折叠时，使折叠杆2位于折叠板1的内圈，避免折叠杆2错位，转轴4上套装有绞簧5，提高结构稳定性，同时可以通过改变绞簧5的刚度控制折叠杆2的折叠角度。
在本具体实施方式中，两个折叠板1、折叠板1与折叠杆2均通过合页6铰接相连，两个折叠板1之间平行设置两个合页6，确保两个折叠板1折叠时能够完全重合。
另外，折叠杆2的长度小于折叠板1的顶点与内心之间的距离，在使用多个四面体折叠单元相连时，避免折叠杆2长度太长影响其他四面体折叠单元的折叠杆2转动。
更具体地，折叠杆2的直径较折叠板1的厚度小，四面体折叠单元完全折叠时，折叠杆2位于折叠板1的内圈中，避免折叠杆2突出于折叠板1。
进一步地，折叠板1的顶点处设置能够容纳折叠杆2的凹槽7，当使用多个四面体折叠单元拓扑组合成空间可展机构时，凹槽7能够避免折叠板1影响相邻的折叠杆2运动。
本发明还提供一种空间可展机构，包括多个相连的四面体折叠单元，相邻的四面体折叠单元的折叠板1重合，且相邻的四面体折叠单元的尾端不重合，四面体折叠单元装配完成后各折叠杆2首尾相接呈螺旋状排布。请参考图4，规定四面体折叠单元中折叠杆2指向尾端为正方向，四面体折叠单元Ⅰ的折叠杆2左侧的折叠板1a的边线为共用边，使四面体折叠单元Ⅰ和四面体折叠单元Ⅱ共用折叠板1a；选择四面体折叠单元Ⅱ的折叠杆2左侧的折叠板1b的边线为共用边，使四面体折叠单元Ⅱ和四面体折叠单元Ⅲ共用折叠板1b；选择四面体折叠单元Ⅲ的折叠杆2左侧的折叠板1c的边线为共用边，使四面体折叠单元Ⅲ和四面体折叠单元Ⅳ共用折叠板1c，以此类推；改变折叠杆2的折叠角度，最终改变机构末端姿态；四面体折叠单元的个数决定了展开后机构的长度和折叠后机构的厚度。
本发明还提供另一种空间可展机构，利用上述四面体折叠单元，包括多个四面体折叠单元，多个四面体折叠单元首尾相连形成环状，相邻的四面体折叠单元的折叠板1重合，且相邻的四面体折叠单元的首端不重合，任一四面体折叠单元相邻两侧的四面体折叠单元以中间四面体折叠单元的尾端为轴线对称设置，多个折叠杆2的连线为正多边形。请参考图7，规定四面体折叠单元中折叠杆2指向尾端为正方向，首先选择四面体折叠单元的折叠杆2左侧的折叠板1的边线为共用边，使四面体折叠单元和下一个四面体折叠单元共用折叠板1；然后选择下一个四面体折叠单元的折叠杆2右侧的折叠板1的边线为共用边，使下一个四面体折叠单元和再下一个四面体折叠单元共用折叠板1；方向交替选择，以此类推；该机构确定基本四面体折叠单元的尺寸和个数，能够使其组成的大型可展机构形成闭环，即环形可展机构。通过改变同步铰链中绞簧刚度控制折叠杆2折叠角度，最终改变机构末端姿态；四面体折叠单元的个数决定了展开后机构的口径和折叠后机构的厚度。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种空间可展机构，该空间可展机构利用四面体折叠单元，其特征在于：所述的四面体折叠单元包括两个折叠板和两个折叠杆，所述折叠板为横向截面为等边三角形的框架结构，一个所述折叠板的一边与另一所述折叠板的任意一边重合并铰接，两个所述折叠板的铰接边所在端为尾端，两个所述折叠板的铰接边所对的顶点一端为首端，两个所述折叠杆分别与所述折叠板的首端铰接相连，两个所述折叠杆铰接相连，两个所述折叠杆相对转动的轴线、两个所述折叠板相对转动的轴线、所述折叠板与所述折叠杆相对转动的轴线两两平行，所述折叠杆与所述折叠板的内圈铰接；
所述空间可展机构包括多个相连的所述四面体折叠单元，相邻的所述四面体折叠单元的所述折叠板重合，且相邻的所述四面体折叠单元的尾端不重合，装配完成后各所述折叠杆首尾相接呈螺旋状排布。
2.一种空间可展机构，该空间可展机构利用四面体折叠单元，其特征在于：所述的四面体折叠单元包括两个折叠板和两个折叠杆，所述折叠板为横向截面为等边三角形的框架结构，一个所述折叠板的一边与另一所述折叠板的任意一边重合并铰接，两个所述折叠板的铰接边所在端为尾端，两个所述折叠板的铰接边所对的顶点一端为首端，两个所述折叠杆分别与所述折叠板的首端铰接相连，两个所述折叠杆铰接相连，两个所述折叠杆相对转动的轴线、两个所述折叠板相对转动的轴线、所述折叠板与所述折叠杆相对转动的轴线两两平行，所述折叠杆与所述折叠板的内圈铰接；
所述空间可展机构包括多个所述的四面体折叠单元，多个所述四面体折叠单元首尾相连形成环状，相邻的所述四面体折叠单元的所述折叠板重合，且相邻的所述四面体折叠单元的首端不重合，任一所述四面体折叠单元相邻两侧的所述四面体折叠单元以中间所述四面体折叠单元的尾端为轴线对称设置，多个所述折叠杆的连线为正多边形。
3.根据权利要求1或2所述的空间可展机构，其特征在于：两个所述折叠杆通过同步铰链相连，所述同步铰链包括壳体和两个转轴，所述折叠杆通过所述转轴与所述壳体转动相连，所述折叠杆与所述壳体之间设置绞簧。
4.根据权利要求3所述的空间可展机构，其特征在于：两个所述折叠板、所述折叠板与所述折叠杆均通过合页铰接相连。
5.根据权利要求4所述的空间可展机构，其特征在于：所述折叠杆的长度小于所述折叠板的顶点与内心之间的距离。
6.根据权利要求5所述的空间可展机构，其特征在于：所述折叠杆的直径较所述折叠板的厚度小。
7.根据权利要求1或2所述的空间可展机构，其特征在于：所述折叠板的顶点处设置能够容纳所述折叠杆的凹槽。
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