CN111776404A - 一种以三角形为底面的可折展盒子结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种以三角形为底面的可折展盒子结构，包括十二个面，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、第十一面、第十二面；第一面、第二面、第三面、第四面相连作为可折展盒子结构的底面并放置于中部；第五面、第六面、第七面、第八面、第九面、第十面、第十一面、第十二面依次相连形成可折展盒子结构的三个侧面；三个侧面置于底面上方且分别与底面的三条边相连，并且三个侧面依次相连；各个面之间均通过转动副相互连接。

Description

一种以三角形为底面的可折展盒子结构

技术领域

本发明涉及一种可折展的盒子结构，具体涉及一种基于折纸结构的单自由度、大折展比、以三角形为底面的可折展盒子结构。

背景技术

在航空航天、建筑结构、交通运输、艺术品和日常生活中，多面体结构因其较好的对称性得到广泛的应用，但由于体积大、不利于运输的限制，多面体结构更多地应用在固定场合。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，它在发射和返回回收过程中处于折叠收纳状态，占用最少的飞船空间；入轨后，体状可折展结构可按设计展开成较大空间的工作状态。空间可展结构的基本单元采用过约束机构，有着高刚性、制造简单、成本低、可靠性高等优势。

现有集装箱要么不能实现折叠，在空载时占据大量的空间，给存储和运输带来很大的困难；要么折叠过程复杂，结构自由度多，折叠展开过程不易控制，如马志勇在2019年提出的可折叠集装箱。

所以体状可展结构，尤其以多边形为底面的棱柱结构，目前应用还比较少，并且存在不能完全折叠和折叠展开比不大等不足，同时多面体可展结构在集装箱运输等方面还有很大的应用改善空间。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种以三角形为底面的可折展盒子结构。该可展盒子结构拥有较好的刚度；可以完全折叠和展开，折叠时体积较小、形状规整、便于运输，按要求打开为工作状态时，具有较大的工作空间；整个结构只具有一个自由度，运动控制简单；结构单元为平面或曲面板材，加工简单，可实现批量化生产；基于以上优点，本发明在包装、收纳、集装箱运输、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：

一种以三角形为底面的可折展盒子结构，包括十二个面，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、第十一面、第十二面；

所述第一面、第二面、第三面、第四面相连作为可折展盒子结构的底面并放置于中部；所述第五面、第六面、第七面、第八面、第九面、第十面、第十一面、第十二面依次相连形成可折展盒子结构的三个侧面；所述第五面与第六面相连形成第一侧面，所述第七面、第八面、第九面与第十面相连形成第二侧面，所述第十一面与第十二面相连形成第三侧面；所述第一侧面、第二侧面、第三侧面置于所述底面上方且分别与所述底面的三条边相连，并且第一侧面、第二侧面、第三侧面依次相连；

所述第一面与第二面相邻并通过第一转动副相互连接，所述第二面与第三面相邻并通过第二转动副相互连接，所述第三面与第四面相邻并通过第三转动副相互连接，所述第一面与第四面相邻并通过第四转动副相互连接；所述第五面与第六面相邻并通过第五转动副相互连接，所述第七面与第八面相邻并通过第六转动副相互连接，所述第八面与第九面相邻并通过第七转动副相互连接，所述第九面与第十面相邻并通过第八转动副相互连接，所述第十一面与第十二面相邻并通过第九转动副相互连接；所述第一侧面与第一面相邻并通过第十转动副相互连接，所述第二侧面与第二面相邻并通过第十一转动副相互连接，所述第二侧面与第三面相邻并通过第十二转动副相互连接，所述第三侧面与第四面相邻并通过第十三转动副相互连接；所述第一侧面与第二侧面相邻并通过第十四转动副相互连接，所述第二侧面与第三侧面相邻并通过第十五转动副相互连接，所述第三侧面与第一侧面相邻并通过第十六转动副相互连接。

进一步的，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；在完全展开的情况下，形成一种三棱柱状盒子结构；每个面的外轮廓线为直线、曲线或折线。

进一步的，可折展盒子结构具有单一自由度，可通过改变相邻面的夹角以实现空间体状结构与平面多边形结构的相互转换。

进一步的，可折展盒子结构完全展开状态为以三角形为底面的棱柱结构，完全折叠状态为矩形平面结构。

进一步的，所述转动副为铰链、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.本发明具有较大的折展比率，可由以多边形为底面的棱柱结构直接折叠为平面多边形结构，可实现完全折叠。

2.本发明通过空间机构设计，具有一个自由度，可以通过单一驱动完成折叠和展开动作，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，可根据实际需要在面上设置任意形状的空洞。

4.本发明展开后为直棱柱结构，棱柱侧面与底面垂直，结构稳定，刚度较大，工作空间较大，便于支撑和工作；折叠后体积较小、形状规整、结构稳定，便于运输和保存。

5.本发明结构简单，在相邻两面连接处通过转动副连接即可，无需在面内安装其他连接结构，可增加安装和操控的稳定性。

附图说明

图1-1为实施例一中可折展盒子结构的完全展开状态示意图，该结构完全展开状态为以三角形为底面的棱柱结构。

图1-2为实施例一种盒子结构的平面展开图；

图1-3为实施例一盒子结构完全折叠状态时平面矩形结构示意图。

图1-4、图1-5为实施例一盒子结构折叠顺序示意图，其中，图1-4表示折叠中间状态，图1-5表示完全折叠状态。

图2-1为实施例二中可折展盒子结构的完全展开状态示意图，该结构完全展开状态为以三角形为底面的棱柱结构。

图2-2为实施例二盒子结构的平面展开图；

图2-3为实施例二盒子结构完全折叠状态时平面矩形结构示意图。

图2-4、图2-5为实施例二盒子结构折叠顺序示意图，其中，图2-4表示折叠中间状态，图2-5表示完全折叠状态。

图3-1为实施例三中可折展盒子结构的完全展开状态示意图，该结构完全展开状态为以三角形为底面的棱柱结构。

图3-2为实施例三盒子结构的平面展开图；

图3-3为实施例三盒子结构完全折叠状态时平面矩形结构示意图。

图3-4、图3-5为实施例三盒子结构折叠顺序示意图，其中，图3-4表示折叠中间状态，图3-5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，A11-第十一面，A12-第十二面；

U0-底面，U1-第一侧面，U2-第二侧面，U3-第三侧面；

L1-第一转动副，L2-第二转动副，L3-第三转动副，L4-第四转动副，L5-第五转动副，L6-第六转动副，L7-第七转动副，L8-第八转动副，L9-第九转动副，L10-第十转动副，L11-第十一转动副，L12-第十二转动副，L13-第十三转动副，L14-第十四转动副，L15-第十五转动副，L16-第十六转动副。

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，B11-第十一面，B12-第十二面；

V0-底面，V1-第一侧面，V2-第二侧面，V3-第三侧面；

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，M14-第十四转动副，M15-第十五转动副，M16-第十六转动副。

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，C11-第十一面，C12-第十二面；

W0-底面，W1-第一侧面，W2-第二侧面，W3-第三侧面；

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，N14-第十四转动副，N15-第十五转动副，N16-第十六转动副。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

如图1-1所示，本实施例提供的可折展盒子结构完全展开状态为以三角形为底面的棱柱结构。

如图1-2所示，该图所示结构为可折展盒子结构的零件组成及平面展开图。包括十二个面，依次为第一面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、第十一面A11、第十二面A12。

第一面A1、第二面A2、第三面A3、第四面A4相连作为可折展盒子结构的底面U0并放置于中部。第五面A5、第六面A6、第七面A7、第八面A8、第九面A9、第十面A10、第十一面A11、第十二面A12依次相连作为可折展盒子结构的三个侧面。第五面A5与第六面A6相连形成第一侧面U1，第七面A7、第八面A8、第九面A9与第十面A10相连形成第二侧面U2，第十一面A11与第十二面A12相连形成第三侧面U3。第一侧面U1、第二侧面U2、第三侧面U3置于底面U0上方且与底面U0的三条边相连，并且三个侧面首尾依次相连。

第一面A1与第二面A2相邻并通过第一转动副L1相互连接，第二面A2与第三面A3相邻并通过第二转动副L2相互连接，第三面A3与第四面A4相邻并通过第三转动副L3相互连接，第一面A1与第四面A4相邻并通过第四转动副L4相互连接。第五面A5与第六面A6相邻并通过第五转动副L5相互连接，第七面A7与第八面A8相邻并通过第六转动副L6相互连接，第八面A8与第九面A9相邻并通过第七转动副L7相互连接，所九面A9与第十面A10相邻并通过第八转动副L8相互连接，第十一面A11与第十二面A12相邻并通过第九转动副L9相互连接。第一侧面U1与第一面A1相邻并通过第十转动副L10相互连接，第二侧面U2与第二面A2相邻并通过第十一转动副L11相互连接，第二侧面U2与第三面A3相邻并通过第十二转动副L12相互连接，第三侧面U3与第四面A4相邻并通过第十三转动副L13相互连接；第一侧面U1与第二侧面U2相邻并通过第十四转动副L14相互连接，第二侧面U2与第三侧面U3相邻并通过第十五转动副L15相互连接，第三侧面U3与第一侧面U1相邻并通过第十六转动副L16相互连接。

该结构整体的折叠与展开过程中，第二转动副L2、第四转动副L4、第七转动副L7、第十六转动副L16始终处于同一平面，且整体的折叠与展开过程围绕着该平面形成的基准面进行；折叠时，第一面A1与第四面A4、第二面A2与第三面A3、第五面A5与第十二面A12、第六面A6与第十一面A11、第七面A7与第十面A10、第八面A8与第九面A9的运动基于基准面呈面对称关系；折叠时，第一转动副L1与第三转动副L3、第五转动副L5与第九转动副L9、第六转动副L6与第八转动副L8、第十转动副L10与第十三转动副L13、第十一转动副L11与第十二转动副L12、第十四转动副L14与第十五转动副L15基于基准面呈面对称关系。

按照上述面的连接方式，实施例可折叠为矩形平面结构，如图1-3所示；折叠过程及顺序如图1-4至图1-5所示，图1-4表示折叠中间状态，图1-5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，能够构成转动副并稳定连接结构单元即可；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可为直线、曲线或折线。本发明可折展盒子结构具有单一自由度，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自由度，折展比率大，单元结构简单的特点，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，本实施例提供的可折展盒子结构完全展开状态为以三角形为底面的棱柱结构。

如图2-2所示，该图所示结构为可折展盒子结构的零件组成及平面展开图。包括十二个面，依次为第一面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、第十一面B11、第十二面B12。

第一面B1、第二面B2、第三面B3、第四面B4相连作为可折展盒子结构的底面V0并放置于中部。第五面B5、第六面B6、第七面B7、第八面B8、第九面B9、第十面B10、第十一面B11、第十二面B12依次相连作为可折展盒子结构的三个侧面。第五面B5与第六面B6相连形成第一侧面V1，第七面B7、第八面B8、第九面B9与第十面B10相连形成第二侧面V2，第十一面B11与第十二面B12相连形成第三侧面V3。第一侧面V1、第二侧面V2、第三侧面V3置于底面V0上方且与底面V0的三条边相连，并且三个侧面首尾依次相连。

第一面B1与第二面B2相邻并通过第一转动副M1相互连接，第二面B2与第三面B3相邻并通过第二转动副M2相互连接，第三面B3与第四面B4相邻并通过第三转动副M3相互连接，第一面B1与第四面B4相邻并通过第四转动副M4相互连接。第五面B5与第六面B6相邻并通过第五转动副M5相互连接，第七面B7与第八面B8相邻并通过第六转动副M6相互连接，第八面B8与第九面B9相邻并通过第七转动副M7相互连接，第九面B9与第十面B10相邻并通过第八转动副M8相互连接，第十一面B11与第十二面B12相邻并通过第九转动副M9相互连接。第一侧面V1与第一面B1相邻并通过第十转动副M10相互连接，第二侧面V2与第二面B2相邻并通过第十一转动副M11相互连接，第二侧面V2与第三面B3相邻并通过第十二转动副M12相互连接，第三侧面V3与第四面B4相邻并通过第十三转动副M13相互连接；第一侧面V1与第二侧面V2相邻并通过第十四转动副M14相互连接，第二侧面V2与第三侧面V3相邻并通过第十五转动副M15相互连接，第三侧面V3与第一侧面V1相邻并通过第十六转动副M16相互连接。

该结构整体的折叠与展开过程中，第二转动副M2、第四转动副M4、第七转动副M7、第十六转动副M16始终处于同一平面，且整体的折叠与展开过程围绕着该平面形成的基准面进行；折叠时，第一面B1与第四面B4、第二面B2与第三面B3、第五面B5与第十二面B12、第六面B6与第十一面B11、第七面B7与第十面B10、第八面B8与第九面B9的运动基于基准面呈面对称关系；折叠时，第一转动副M1与第三转动副M3、第五转动副M5与第九转动副M9、第六转动副M6与第八转动副M8、第十转动副M10与第十三转动副M13、第十一转动副M11与第十二转动副M12、第十四转动副M14与第十五转动副M15基于基准面呈面对称关系。

按照上述面的连接方式，实施例可折叠为矩形平面结构，如图2-3所示；折叠过程及顺序如图2-4至图2-5所示，图2-4表示折叠中间状态，图2-5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，能够构成转动副并稳定连接结构单元即可；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可为直线、曲线或折线。本发明可折展盒子结构具有单一自由度，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自由度，折展比率大，单元结构简单的特点，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，本实施例提供的可折展盒子结构完全展开状态为以三角形为底面的棱柱结构。

如图3-2所示，该图所示结构为可折展盒子结构的零件组成及平面展开图。包括十二个面，依次为第一面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、第十一面C11、第十二面C12。

第一面C1、第二面C2、第三面C3、第四面C4相连作为可折展盒子结构的底面W0并放置于中部。第五面C5、第六面C6、第七面C7、第八面C8、第九面C9、第十面C10、第十一面C11、第十二面C12依次相连作为可折展盒子结构的三个侧面。第五面C5与第六面C6相连形成第一侧面W1，第七面C7、第八面C8、第九面C9与第十面C10相连形成第二侧面W2，第十一面C11与第十二面C12相连形成第三侧面W3。第一侧面W1、第二侧面W2、第三侧面W3置于底面W0上方且与底面W0的三条边相连，并且三个侧面首尾依次相连。

第一面C1与第二面C2相邻并通过第一转动副N1相互连接，第二面C2与第三面C3相邻并通过第二转动副N2相互连接，第三面C3与第四面C4相邻并通过第三转动副N3相互连接，第一面C1与第四面C4相邻并通过第四转动副N4相互连接。第五面C5与第六面C6相邻并通过第五转动副N5相互连接，第七面C7与第八面C8相邻并通过第六转动副N6相互连接，第八面C8与第九面C9相邻并通过第七转动副N7相互连接，第九面C9与第十面C10相邻并通过第八转动副N8相互连接，第十一面C11与第十二面C12相邻并通过第九转动副N9相互连接。第一侧面W1与第一面C1相邻并通过第十转动副N10相互连接，第二侧面W2与第二面C2相邻并通过第十一转动副N11相互连接，第二侧面W2与第三面C3相邻并通过第十二转动副N12相互连接，第三侧面W3与第四面C4相邻并通过第十三转动副N13相互连接；第一侧面W1与第二侧面W2相邻并通过第十四转动副N14相互连接，第二侧面W2与第三侧面W3相邻并通过第十五转动副N15相互连接，第三侧面W3与第一侧面W1相邻并通过第十六转动副N16相互连接。

对于所述可折展盒子结构，由于所述转动副的排布具有不对称性，该整体结构折叠与展开的过程同样地具有不对称性。

按照上述面的连接方式，实施例可折叠为矩形平面结构，如图3-3所示；折叠过程及顺序如图3-4至图3-5所示，图3-4表示折叠中间状态，图3-5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，能够构成转动副并稳定连接结构单元即可；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可为直线、曲线或折线。本发明可折展盒子结构具有单一自由度，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自由度，折展比率大，单元结构简单的特点，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 (5)

1.一种以三角形为底面的可折展盒子结构，其特征在于，包括十二个面，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、第十一面、第十二面；

所述第一面、第二面、第三面、第四面相连作为可折展盒子结构的底面并放置于中部；所述第五面、第六面、第七面、第八面、第九面、第十面、第十一面、第十二面依次相连形成可折展盒子结构的三个侧面；所述第五面与第六面相连形成第一侧面，所述第七面、第八面、第九面与第十面相连形成第二侧面，所述第十一面与第十二面相连形成第三侧面；所述第一侧面、第二侧面、第三侧面置于所述底面上方且分别与所述底面的三条边相连，并且第一侧面、第二侧面、第三侧面依次相连；

所述第一面与第二面相邻并通过第一转动副相互连接，所述第二面与第三面相邻并通过第二转动副相互连接，所述第三面与第四面相邻并通过第三转动副相互连接，所述第一面与第四面相邻并通过第四转动副相互连接；所述第五面与第六面相邻并通过第五转动副相互连接，所述第七面与第八面相邻并通过第六转动副相互连接，所述第八面与第九面相邻并通过第七转动副相互连接，所述第九面与第十面相邻并通过第八转动副相互连接，所述第十一面与第十二面相邻并通过第九转动副相互连接；所述第一侧面与第一面相邻并通过第十转动副相互连接，所述第二侧面与第二面相邻并通过第十一转动副相互连接，所述第二侧面与第三面相邻并通过第十二转动副相互连接，所述第三侧面与第四面相邻并通过第十三转动副相互连接；所述第一侧面与第二侧面相邻并通过第十四转动副相互连接，所述第二侧面与第三侧面相邻并通过第十五转动副相互连接，所述第三侧面与第一侧面相邻并通过第十六转动副相互连接。

2.根据权利要求1所述一种以三角形为底面的可折展盒子结构，其特征在于，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；在完全展开的情况下，形成一种三棱柱状盒子结构；每个面的外轮廓线为直线、曲线或折线。

3.根据权利要求1或2所述一种以三角形为底面的可折展盒子结构，其特征在于，可折展盒子结构具有单一自由度，可通过改变相邻面的夹角以实现空间体状结构与平面多边形结构的相互转换。

4.根据权利要求1或2所述一种以三角形为底面的可折展盒子结构，其特征在于，可折展盒子结构完全展开状态为以三角形为底面的棱柱结构，完全折叠状态为矩形平面结构。

5.根据权利要求1或2所述一种以三角形为底面的可折展盒子结构，其特征在于，所述转动副为铰链、合页或轴承其中的一种构成。

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