CN111806725B - 一种单自由度空间可折展多面体结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单自由度空间可折展多面体结构，包括三种单元，依次为第一种单元、第二种单元和第三种单元；第一种单元包括六个结构相同的面，第二种单元包括二十四个结构相同的面，第三种单元包括八个结构相同的面，该可折展多面体结构还含有七条轴线，分别为第一轴线、第二轴线、第三轴线、第四轴线、第五轴线、第六轴线、第七轴线；该可折展多面体结构在折叠与展开过程中，第一轴线、第二轴线、第三轴线在空间中两两相互垂直；第一种单元具有正方形的轮廓；第二种单元具有等腰梯形的轮廓；第三种单元具有正三角形的轮廓；可折展多面体结构在完全展开状态时其具有截角八面体的空间构型，在完全折叠状态时其具有截半立方体的空间构型。

Description

一种单自由度空间可折展多面体结构

技术领域

本发明涉及一种可折展的多面体结构，具体涉及一种单自由度、大折展比的基于折纸结构的空间可折展多面体结构。

背景技术

空间可折展结构是当今航天领域的关键技术，由于尺寸的限制，航天大型结构都要做成可伸展可折叠的结构。可折展结构在发射过程中处于折叠状态，占用最少的船体空间；待发射入轨后，控制其按要求逐渐展开，锁定并保持为工作状态；返回或回收时，可折展结构折叠收拢进入船体。可折展结构因其制造简单，便于储藏和运输，折展比高，可靠性高等优点，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；面状可展结构主要涉及平面或曲面上的折展，例如太阳能帆板、卫星天线、建筑顶棚等；而体状可展结构大多数通过非刚性变形实现，变形过程不利于控制且不易重复操作，少数体状可展结构通过刚性变形实现，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，但是又存在结构复杂的问题，因此可折展的多面体结构目前应用还比较少，并且还存在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、能够实现折叠和展开两种构型且操作过程简单的可折展多面体结构。该可折展多面体结构拥有较好的刚度，折叠状态体积较小便于运输或发射，展开状态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；结构单元加工简单，可实现批量化生产。基于以上优点，本发明在航空航天、土木工程、机械超材料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：

一种单自由度空间可折展多面体结构，包括三种单元，依次为第一种单元、第二种单元和第三种单元；所述第一种单元包括六个结构相同的面，分别为第一种单元第一面、第一种单元第二面、第一种单元第三面、第一种单元第四面、第一种单元第五面、第一种单元第六面；所述第二种单元包括二十四个结构相同的面，分别为第二种单元第一面、第二种单元第二面、第二种单元第三面、第二种单元第四面、第二种单元第五面、第二种单元第六面、第二种单元第七面、第二种单元第八面、第二种单元第九面、第二种单元第十面、第二种单元第十一面、第二种单元第十二面、第二种单元第十三面、第二种单元第十四面、第二种单元第十五面、第二种单元第十六面、第二种单元第十七面、第二种单元第十八面、第二种单元第十九面、第二种单元第二十面、第二种单元第二十一面、第二种单元第二十二面、第二种单元第二十三面、第二种单元第二十四面；所述第三种单元包括八个结构相同的面，分别为第三种单元第一面、第三种单元第二面、第三种单元第三面、第三种单元第四面、第三种单元第五面、第三种单元第六面、第三种单元第七面、第三种单元第八面；

所述第一种单元第一面与所述第二种单元第一面相邻并通过第一转动副相互连接，所述第三种单元第一面与所述第二种单元第一面相邻并通过第二转动副相互连接，所述第三种单元第一面与所述第二种单元第二面相邻并通过第三转动副相互连接，所述第三种单元第一面与所述第二种单元第三面相邻并通过第四转动副相互连接；

所述第一种单元第一面与所述第二种单元第四面相邻并通过第五转动副相互连接，所述第三种单元第二面与所述第二种单元第四面相邻并通过第六转动副相互连接，所述第三种单元第二面与所述第二种单元第五面相邻并通过第七转动副相互连接，所述第三种单元第二面与所述第二种单元第六面相邻并通过第八转动副相互连接；

所述第一种单元第一面与所述第二种单元第七面相邻并通过第九转动副相互连接，所述第三种单元第三面与所述第二种单元第七面相邻并通过第十转动副相互连接，所述第三种单元第三面与所述第二种单元第八面相邻并通过第十一转动副相互连接，所述第三种单元第三面与所述第二种单元第九面相邻并通过第十二转动副相互连接；

所述第一种单元第一面与所述第二种单元第十面相邻并通过第十三转动副相互连接，所述第三种单元第四面与所述第二种单元第十面相邻并通过第十四转动副相互连接，所述第三种单元第四面与所述第二种单元第十一面相邻并通过第十五转动副相互连接，所述第三种单元第四面与所述第二种单元第十二面相邻并通过第十六转动副相互连接；

所述第一种单元第六面与所述第二种单元第十三面相邻并通过第十七转动副相互连接，所述第三种单元第五面与所述第二种单元第十三面相邻并通过第十八转动副相互连接，所述第三种单元第五面与所述第二种单元第十四面相邻并通过第十九转动副相互连接，所述第三种单元第五面与所述第二种单元第十五面相邻并通过第二十转动副相互连接；

所述第一种单元第六面与所述第二种单元第十六面相邻并通过第二十一转动副相互连接，所述第三种单元第六面与所述第二种单元第十六面相邻并通过第二十二转动副相互连接，所述第三种单元第六面与所述第二种单元第十七面相邻并通过第二十三转动副相互连接，所述第三种单元第六面与所述第二种单元第十八面相邻并通过第二十四转动副相互连接；

所述第一种单元第六面与所述第二种单元第十九面相邻并通过第二十五转动副相互连接，所述第三种单元第七面与所述第二种单元第十九面相邻并通过第二十六转动副相互连接，所述第三种单元第七面与所述第二种单元第二十面相邻并通过第二十七转动副相互连接，所述第三种单元第七面与所述第二种单元第二十一面相邻并通过第二十八转动副相互连接；

所述第一种单元第六面与所述第二种单元第二十二面相邻并通过第二十九转动副相互连接，所述第三种单元第八面与所述第二种单元第二十二面相邻并通过第三十转动副相互连接，所述第三种单元第八面与所述第二种单元第二十三面相邻并通过第三十一转动副相互连接，所述第三种单元第八面与所述第二种单元第二十四面相邻并通过第三十二转动副相互连接；

所述第一种单元第二面与所述第二种单元第十八面相邻并通过第三十三转动副相互连接，所述第一种单元第二面与所述第二种单元第五面相邻并通过第三十四转动副相互连接，所述第一种单元第二面与所述第二种单元第三面相邻并通过第三十五转动副相互连接，所述第一种单元第二面与所述第二种单元第十四面相邻并通过第三十六转动副相互连接；

所述第一种单元第三面与所述第二种单元第二十一面相邻并通过第三十七转动副相互连接，所述第一种单元第三面与所述第二种单元第八面相邻并通过第三十八转动副相互连接，所述第一种单元第三面与所述第二种单元第六面相邻并通过第三十九转动副相互连接，所述第一种单元第三面与所述第二种单元第十七面相邻并通过第四十转动副相互连接；

所述第一种单元第四面与所述第二种单元第二十四面相邻并通过第四十一转动副相互连接，所述第一种单元第四面与所述第二种单元第十一面相邻并通过第四十二转动副相互连接，所述第一种单元第四面与所述第二种单元第九面相邻并通过第四十三转动副相互连接，所述第一种单元第四面与所述第二种单元第二十面相邻并通过第四十四转动副相互连接；

所述第一种单元第五面与所述第二种单元第十五面相邻并通过第四十五转动副相互连接，所述第一种单元第五面与所述第二种单元第二面相邻并通过第四十六转动副相互连接，所述第一种单元第五面与所述第二种单元第十二面相邻并通过第四十七转动副相互连接，所述第一种单元第五面与所述第二种单元第二十三面相邻并通过第四十八转动副相互连接；

该可折展多面体结构在折叠与展开过程中，所述第二转动副、第六转动副、第十转动副、第十四转动副始终处于同一平面，且该平面与所述第一种单元第一面始终保持平行；所述第四转动副、第十九转动副、第二十四转动副、第七转动副始终处于同一平面，且该平面与所述第一种单元第二面始终保持平行；所述第八转动副、第二十三转动副、第二十八转动副、第十一转动副始终处于同一平面，且该平面与所述第一种单元第三面始终保持平行；所述第十二转动副、第二十七转动副、第三十二转动副、第十五转动副始终处于同一平面，且该平面与所述第一种单元第四面始终保持平行；所述第三转动副、第十六转动副、第三十一转动副、第二十转动副始终处于同一平面，且该平面与所述第一种单元第五面始终保持平行；所述第十八转动副、第三十转动副、第二十六转动副、第二十二转动副始终处于同一平面，且该平面与所述第一种单元第六面始终保持平行；

在上述转动副连接的基础上，该可折展多面体结构还含有七条轴线，分别为第一轴线、第二轴线、第三轴线、第四轴线、第五轴线、第六轴线、第七轴线；所述第一轴线为同时通过所述第一种单元第一面几何中心和所述第一种单元第六面几何中心的直线；所述第二轴线为同时通过所述第一种单元第二面几何中心和所述第一种单元第四面几何中心的直线；所述第三轴线为同时通过所述第一种单元第三面几何中心和所述第一种单元第五面几何中心的直线；所述第四轴线为同时通过所述第三种单元第一面几何中心和所述第三种单元第七面几何中心的直线；所述第五轴线为同时通过所述第三种单元第二面几何中心和所述第三种单元第八面几何中心的直线；所述第六轴线为同时通过所述第三种单元第三面几何中心和所述第三种单元第五面几何中心的直线；所述第七轴线为同时通过所述第三种单元第四面几何中心和所述第三种单元第六面几何中心的直线；所述七条轴线在空间上全部相交于同一中心交汇点；

该可折展多面体结构在折叠与展开过程中，所述第一轴线、第二轴线、第三轴线在空间中两两相互垂直，所述第一种单元第一面与所述第一种单元第六面在空间上相互平行且沿所述第一轴线作相对于中心交汇点的同步直线运动；所述第一种单元第二面与所述第一种单元第四面在空间上相互平行且沿所述第二轴线作相对于中心交汇点的同步直线运动；所述第一种单元第三面与所述第一种单元第五面在空间上相互平行且沿所述第三轴线作相对于中心交汇点的同步直线运动；所述第三种单元第一面与所述第三种单元第七面在空间上相互平行且沿所述第四轴线作相对于中心交汇点的同步直线运动；所述第三种单元第二面与所述第三种单元第八面在空间上相互平行且沿所述第五轴线作相对于中心交汇点的同步直线运动；所述第三种单元第三面与所述第三种单元第五面在空间上相互平行且沿所述第六轴线作相对于中心交汇点的同步直线运动；所述第三种单元第四面与所述第三种单元第六面在空间上相互平行且沿所述第七轴线作相对于中心交汇点的同步直线运动。

进一步的，所述第一种单元具有正方形的轮廓；所述第二种单元具有等腰梯形的轮廓；所述第三种单元具有正三角形的轮廓。

进一步的，在完全展开状态时其具有截角八面体的空间构型，在完全折叠状态时其具有截半立方体的空间构型。

进一步的，所述可折展多面体结构具有单一自由度，可通过改变任意一对相邻两面之间的夹角以实现可折展多面体结构两种空间构型之间的相互转换。

进一步的，所有转动副为铰链、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.本发明通过空间多杆机构的对称布置方式，可实现结构整体的空间对称运动和部分单元的对称直线运动。

2.本发明为具有单一自由度的可折展结构，通过一个驱动可以实现多面体的折叠和展开，安装和使用方便，运动可靠，且本发明不存在机构运动奇异现象，驱动可根据实际需求安装在任意运动副位置。

3.本发明具有较大的折展比率，其折展比率也可根据实际设计尺寸变化，展开后结构稳定，工作空间较大，便于支撑和工作，折叠后可以得到体积较小的稳定结构，形状规整，便于运输和保存。

4.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。

5.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，也可以根据实际应用场合的需求设计各个单元的尺寸，转动副大小可以随要求调节。

6.本发明中结构具有负一泊松比特性，可以作为负泊松比机械超材料的基本单元。

附图说明

图1至图6以该可折展多面体结构折展过程中某一任意空间构型为例来进行如下说明。

其中，

图1表示第一种单元中六个面在整体结构中的布置方式；

图2表示第二种单元中二十四个面在整体结构中的布置方式；

图3表示第三种单元中八个面在整体结构中的布置方式；

图4表示本发明中可折展多面体结构的所有转动副的连接位置与实施方式示意图；

图5表示关于第一种单元作直线运动所对应的三条轴线示意图；

图6表示关于第三种单元作直线运动所对应的四条轴线示意图。

图7至图10表示该可折展多面体结构由完全展开状态到完全折叠状态的折叠顺序示意图，其中，图7表示完全展开状态的空间构型，图8和图9表示折叠中间状态的空间构型，图10表示完全折叠状态的空间构型。

附图标记：

A1-第一种单元第一面，A2-第一种单元第二面，A3-第一种单元第三面，A4-第一种单元第四面，A5-第一种单元第五面，A6-第一种单元第六面；

B1-第二种单元第一面，B2-第二种单元第二面，B3-第二种单元第三面，B4-第二种单元第四面，B5-第二种单元第五面，B6-第二种单元第六面，B7-第二种单元第七面，B8-第二种单元第八面，B9-第二种单元第九面，B10-第二种单元第十面，B11-第二种单元第十一面，B12-第二种单元第十二面，B13-第二种单元第十三面，B14-第二种单元第十四面，B15-第二种单元第十五面，B16-第二种单元第十六面，B17-第二种单元第十七面，B18-第二种单元第十八面，B19-第二种单元第十九面，B20-第二种单元第二十面，B21-第二种单元第二十一面，B22-第二种单元第二十二面，B23-第二种单元第二十三面，B24-第二种单元第二十四面；

C1-第三种单元第一面，C2-第三种单元第二面，C3-第三种单元第三面，C4-第三种单元第四面，C5-第三种单元第五面，C6-第三种单元第六面，C7-第三种单元第七面，C8-第三种单元第八面；

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，L17-第十七转动副，L18-第十八转动副，L19-第十九转动副，L20-第二十转动副，L21-第二十一转动副，L22-第二十二转动副，L23-第二十三转动副，L24-第二十四转动副，L25-第二十五转动副，L26-第二十六转动副，L27-第二十七转动副，L28-第二十八转动副，L29-第二十九转动副，L30-第三十转动副，L31-第三十一转动副，L32-第三十二转动副，L33-第三十三转动副，L34-第三十四转动副，L35-第三十五转动副，L36-第三十六转动副，L37-第三十七转动副，L38-第三十八转动副，L39-第三十九转动副，L40-第四十转动副，L41-第四十一转动副，L42-第四十二转动副，L43-第四十三转动副，L44-第四十四转动副，L45-第四十五转动副，L46-第四十六转动副，L47-第四十七转动副，L48-第四十八转动副；

M1-第一轴线，M2-第二轴线，M3-第三轴线，M4-第四轴线，M5-第五轴线，M6-第六轴线，M7-第七轴线；Q-中心交汇点。

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。

本实施例提供的一种单自由度可折展多面体结构共包括三种单元，如图1至图3所示，依次为第一种单元、第二种单元、第三种单元。所述第一种单元包括六个结构相同的面，分别为第一种单元第一面A1、第一种单元第二面A2、第一种单元第三面A3、第一种单元第四面A4、第一种单元第五面A5、第一种单元第六面A6；所述第二种单元包括二十四个结构相同的面，分别为第二种单元第一面B1、第二种单元第二面B2、第二种单元第三面B3、第二种单元第四面B4、第二种单元第五面B5、第二种单元第六面B6、第二种单元第七面B7、第二种单元第八面B8、第二种单元第九面B9、第二种单元第十面B10、第二种单元第十一面B11、第二种单元第十二面B12、第二种单元第十三面B13、第二种单元第十四面B14、第二种单元第十五面B15、第二种单元第十六面B16、第二种单元第十七面B17、第二种单元第十八面B18、第二种单元第十九面B19、第二种单元第二十面B20、第二种单元第二十一面B21、第二种单元第二十二面B22、第二种单元第二十三面B23、第二种单元第二十四面B24；所述第三种单元包括八个结构相同的面，分别为第三种单元第一面C1、第三种单元第二面C2、第三种单元第三面C3、第三种单元第四面C4、第三种单元第五面C5、第三种单元第六面C6、第三种单元第七面C7、第三种单元第八面C8。

如图4所示的所有转动副的连接位置与实施方式，第一种单元第一面A1与第二种单元第一面B1相邻并通过第一转动副L1相互连接，第三种单元第一面C1与第二种单元第一面B1相邻并通过第二转动副L2相互连接，第三种单元第一面C1与第二种单元第二面B2相邻并通过第三转动副L3相互连接，第三种单元第一面C1与第二种单元第三面B3相邻并通过第四转动副L4相互连接；

第一种单元第一面A1与第二种单元第四面B4相邻并通过第五转动副L5相互连接，第三种单元第二面C2与第二种单元第四面B4相邻并通过第六转动副L6相互连接，第三种单元第二面C2与第二种单元第五面B5相邻并通过第七转动副L7相互连接，第三种单元第二面C2与第二种单元第六面B6相邻并通过第八转动副L8相互连接；

第一种单元第一面A1与第二种单元第七面B7相邻并通过第九转动副L9相互连接，第三种单元第三面C3与第二种单元第七面B7相邻并通过第十转动副L10相互连接，第三种单元第三面C3与第二种单元第八面B8相邻并通过第十一转动副L11相互连接，第三种单元第三面C3与第二种单元第九面B9相邻并通过第十二转动副L12相互连接；

第一种单元第一面A1与第二种单元第十面B10相邻并通过第十三转动副L13相互连接，第三种单元第四面C4与第二种单元第十面B10相邻并通过第十四转动副L14相互连接，第三种单元第四面C4与第二种单元第十一面B11相邻并通过第十五转动副L15相互连接，第三种单元第四面C4与第二种单元第十二面B12相邻并通过第十六转动副L16相互连接。

第一种单元第六面A6与第二种单元第十三面B13相邻并通过第十七转动副L17相互连接，第三种单元第五面C5与第二种单元第十三面B13相邻并通过第十八转动副L18相互连接，第三种单元第五面C5与第二种单元第十四面B14相邻并通过第十九转动副L19相互连接，第三种单元第五面C5与第二种单元第十五面B15相邻并通过第二十转动副L20相互连接；

第一种单元第六面A6与第二种单元第十六面B16相邻并通过第二十一转动副L21相互连接，第三种单元第六面C6与第二种单元第十六面B16相邻并通过第二十二转动副L22相互连接，第三种单元第六面C6与第二种单元第十七面B17相邻并通过第二十三转动副L23相互连接，第三种单元第六面C6与第二种单元第十八面B18相邻并通过第二十四转动副L24相互连接；

第一种单元第六面A6与第二种单元第十九面B19相邻并通过第二十五转动副L25相互连接，第三种单元第七面C7与第二种单元第十九面B19相邻并通过第二十六转动副L26相互连接，第三种单元第七面C7与第二种单元第二十面B20相邻并通过第二十七转动副L27相互连接，第三种单元第七面C7与第二种单元第二十一面B21相邻并通过第二十八转动副L28相互连接；

第一种单元第六面A6与第二种单元第二十二面B22相邻并通过第二十九转动副L29相互连接，第三种单元第八面C8与第二种单元第二十二面B22相邻并通过第三十转动副L30相互连接，第三种单元第八面C8与第二种单元第二十三面B23相邻并通过第三十一转动副L31相互连接，第三种单元第八面C8与第二种单元第二十四面B24相邻并通过第三十二转动副L32相互连接。

第一种单元第二面A2与第二种单元第十八面B18相邻并通过第三十三转动副L33相互连接，第一种单元第二面A2与第二种单元第五面B5相邻并通过第三十四转动副L34相互连接，第一种单元第二面A2与第二种单元第三面B3相邻并通过第三十五转动副L35相互连接，第一种单元第二面A2与第二种单元第十四面B14相邻并通过第三十六转动副L36相互连接；

第一种单元第三面A3与第二种单元第二十一面B21相邻并通过第三十七转动副L37相互连接，第一种单元第三面A3与第二种单元第八面B8相邻并通过第三十八转动副L38相互连接，第一种单元第三面A3与第二种单元第六面B6相邻并通过第三十九转动副L39相互连接，第一种单元第三面A3与第二种单元第十七面B17相邻并通过第四十转动副L40相互连接；

第一种单元第四面A4与第二种单元第二十四面B24相邻并通过第四十一转动副L41相互连接，第一种单元第四面A4与第二种单元第十一面B11相邻并通过第四十二转动副L42相互连接，第一种单元第四面A4与第二种单元第九面B9相邻并通过第四十三转动副L43相互连接，第一种单元第四面A4与第二种单元第二十面B20相邻并通过第四十四转动副L44相互连接；

第一种单元第五面A5与第二种单元第十五面B15相邻并通过第四十五转动副L45相互连接，第一种单元第五面A5与第二种单元第二面B2相邻并通过第四十六转动副L46相互连接，第一种单元第五面A5与第二种单元第十二面B12相邻并通过第四十七转动副L47相互连接，第一种单元第五面A5与第二种单元第二十三面B23相邻并通过第四十八转动副L48相互连接。

该可折展多面体结构在折叠与展开过程中，第二转动副L2、第六转动副L6、第十转动副L10、第十四转动副L14始终处于同一平面，且该平面与第一种单元第一面A1始终平行；第四转动副L4、第十九转动副L19、第二十四转动副L24、第七转动副L7始终处于同一平面，且该平面与第一种单元第二面A2始终平行；第八转动副L8、第二十三转动副L23、第二十八转动副L28、第十一转动副L11始终处于同一平面，且该平面与第一种单元第三面A3始终平行；第十二转动副L12、第二十七转动副L27、第三十二转动副L32、第十五转动副L15始终处于同一平面，且该平面与第一种单元第四面A4始终平行；第三转动副L3、第十六转动副L16、第三十一转动副L31、第二十转动副L20始终处于同一平面，且该平面与第一种单元第五面A5始终平行；第十八转动副L18、第三十转动副L30、第二十六转动副L26、第二十二转动副L22始终处于同一平面，且该平面与第一种单元第六面A6始终平行。

在上述转动副连接的基础上，该可折展多面体结构还含有七条轴线，如图5和图6所示，分别为第一轴线M1、第二轴线M2、第三轴线M3、第四轴线M4、第五轴线M5、第六轴线M6、第七轴线M7。第一轴线M1为同时通过第一种单元第一面A1几何中心和第一种单元第六面A6几何中心的直线；第二轴线M2为同时通过第一种单元第二面A2几何中心和第一种单元第四面A4几何中心的直线；第三轴线M3为同时通过第一种单元第三面A3几何中心和第一种单元第五面A5几何中心的直线；第四轴线M4为同时通过第三种单元第一面C1几何中心和第三种单元第七面C7几何中心的直线；第五轴线M5为同时通过第三种单元第二面C2几何中心和第三种单元第八面C8几何中心的直线；第六轴线M6为同时通过第三种单元第三面C3几何中心和第三种单元第五面C5几何中心的直线；第七轴线M7为同时通过第三种单元第四面C4几何中心和第三种单元第六面C6几何中心的直线；所述七条轴线在空间上全部相交于同一中心交汇点Q。在此实施例中，为了便于观察，将上述七条轴线分为两个部分并进行详细描述。

如图5所示，第一轴线M1、第二轴线M2、第三轴线M3在空间中两两相互垂直，第一种单元第一面A1与第一种单元第六面A6在空间上相互平行且沿第一轴线M1作相对于中心交汇点Q的同步直线运动；第一种单元第二面A2与第一种单元第四面A4在空间上相互平行且沿第二轴线M2作相对于中心交汇点Q的同步直线运动；第一种单元第三面A3与第一种单元第五面A5在空间上相互平行且沿第三轴线M3作相对于中心交汇点Q的同步直线运动。

如图6所示，第三种单元第一面C1与第三种单元第七面C7在空间上相互平行且沿第四轴线M4作相对于中心交汇点Q的同步直线运动；第三种单元第二面C2与第三种单元第八面C8在空间上相互平行且沿第五轴线M5作相对于中心交汇点Q的同步直线运动；第三种单元第三面C3与第三种单元第五面C5在空间上相互平行且沿第六轴线M6作相对于中心交汇点Q的同步直线运动；第三种单元第四面C4与第三种单元第六面C6在空间上相互平行且沿第七轴线M7作相对于中心交汇点Q的同步直线运动。

利用本实施例所提供的零件组成和布置方式，以及所提供的转动副连接方式，可以构成一种单自由度可折展多面体结构。折叠过程及顺序如图7至图10所示，图7表示完全展开状态，为截角八面体空间构型；图8和图9表示折叠中间状态；图10表示完全折叠状态，为截半立方体空间构型。

可见，一种可折展多面体结构只要满足上述约束条件，即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；折叠单元的组成面上根据需求可设置有任意形状的空洞，但需注意防止折展过程中各折叠单元相互造成干涉。

综上所述，由于本发明所提出的可折展多面体结构具有单一自由度，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，尤其适于在航空航天、土木工程和超材料等领域中应用。

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)

1.一种单自由度空间可折展多面体结构，其特征在于，包括三种单元，依次为第一种单元、第二种单元和第三种单元；所述第一种单元包括六个结构相同的面，分别为第一种单元第一面、第一种单元第二面、第一种单元第三面、第一种单元第四面、第一种单元第五面、第一种单元第六面；所述第二种单元包括二十四个结构相同的面，分别为第二种单元第一面、第二种单元第二面、第二种单元第三面、第二种单元第四面、第二种单元第五面、第二种单元第六面、第二种单元第七面、第二种单元第八面、第二种单元第九面、第二种单元第十面、第二种单元第十一面、第二种单元第十二面、第二种单元第十三面、第二种单元第十四面、第二种单元第十五面、第二种单元第十六面、第二种单元第十七面、第二种单元第十八面、第二种单元第十九面、第二种单元第二十面、第二种单元第二十一面、第二种单元第二十二面、第二种单元第二十三面、第二种单元第二十四面；所述第三种单元包括八个结构相同的面，分别为第三种单元第一面、第三种单元第二面、第三种单元第三面、第三种单元第四面、第三种单元第五面、第三种单元第六面、第三种单元第七面、第三种单元第八面；

所述第一种单元第一面与所述第二种单元第一面相邻并通过第一转动副相互连接，所述第三种单元第一面与所述第二种单元第一面相邻并通过第二转动副相互连接，所述第三种单元第一面与所述第二种单元第二面相邻并通过第三转动副相互连接，所述第三种单元第一面与所述第二种单元第三面相邻并通过第四转动副相互连接；

所述第一种单元第一面与所述第二种单元第四面相邻并通过第五转动副相互连接，所述第三种单元第二面与所述第二种单元第四面相邻并通过第六转动副相互连接，所述第三种单元第二面与所述第二种单元第五面相邻并通过第七转动副相互连接，所述第三种单元第二面与所述第二种单元第六面相邻并通过第八转动副相互连接；

所述第一种单元第一面与所述第二种单元第七面相邻并通过第九转动副相互连接，所述第三种单元第三面与所述第二种单元第七面相邻并通过第十转动副相互连接，所述第三种单元第三面与所述第二种单元第八面相邻并通过第十一转动副相互连接，所述第三种单元第三面与所述第二种单元第九面相邻并通过第十二转动副相互连接；

所述第一种单元第一面与所述第二种单元第十面相邻并通过第十三转动副相互连接，所述第三种单元第四面与所述第二种单元第十面相邻并通过第十四转动副相互连接，所述第三种单元第四面与所述第二种单元第十一面相邻并通过第十五转动副相互连接，所述第三种单元第四面与所述第二种单元第十二面相邻并通过第十六转动副相互连接；

所述第一种单元第六面与所述第二种单元第十三面相邻并通过第十七转动副相互连接，所述第三种单元第五面与所述第二种单元第十三面相邻并通过第十八转动副相互连接，所述第三种单元第五面与所述第二种单元第十四面相邻并通过第十九转动副相互连接，所述第三种单元第五面与所述第二种单元第十五面相邻并通过第二十转动副相互连接；

所述第一种单元第六面与所述第二种单元第十六面相邻并通过第二十一转动副相互连接，所述第三种单元第六面与所述第二种单元第十六面相邻并通过第二十二转动副相互连接，所述第三种单元第六面与所述第二种单元第十七面相邻并通过第二十三转动副相互连接，所述第三种单元第六面与所述第二种单元第十八面相邻并通过第二十四转动副相互连接；

所述第一种单元第六面与所述第二种单元第十九面相邻并通过第二十五转动副相互连接，所述第三种单元第七面与所述第二种单元第十九面相邻并通过第二十六转动副相互连接，所述第三种单元第七面与所述第二种单元第二十面相邻并通过第二十七转动副相互连接，所述第三种单元第七面与所述第二种单元第二十一面相邻并通过第二十八转动副相互连接；

所述第一种单元第六面与所述第二种单元第二十二面相邻并通过第二十九转动副相互连接，所述第三种单元第八面与所述第二种单元第二十二面相邻并通过第三十转动副相互连接，所述第三种单元第八面与所述第二种单元第二十三面相邻并通过第三十一转动副相互连接，所述第三种单元第八面与所述第二种单元第二十四面相邻并通过第三十二转动副相互连接；

所述第一种单元第二面与所述第二种单元第十八面相邻并通过第三十三转动副相互连接，所述第一种单元第二面与所述第二种单元第五面相邻并通过第三十四转动副相互连接，所述第一种单元第二面与所述第二种单元第三面相邻并通过第三十五转动副相互连接，所述第一种单元第二面与所述第二种单元第十四面相邻并通过第三十六转动副相互连接；

所述第一种单元第三面与所述第二种单元第二十一面相邻并通过第三十七转动副相互连接，所述第一种单元第三面与所述第二种单元第八面相邻并通过第三十八转动副相互连接，所述第一种单元第三面与所述第二种单元第六面相邻并通过第三十九转动副相互连接，所述第一种单元第三面与所述第二种单元第十七面相邻并通过第四十转动副相互连接；

所述第一种单元第四面与所述第二种单元第二十四面相邻并通过第四十一转动副相互连接，所述第一种单元第四面与所述第二种单元第十一面相邻并通过第四十二转动副相互连接，所述第一种单元第四面与所述第二种单元第九面相邻并通过第四十三转动副相互连接，所述第一种单元第四面与所述第二种单元第二十面相邻并通过第四十四转动副相互连接；

所述第一种单元第五面与所述第二种单元第十五面相邻并通过第四十五转动副相互连接，所述第一种单元第五面与所述第二种单元第二面相邻并通过第四十六转动副相互连接，所述第一种单元第五面与所述第二种单元第十二面相邻并通过第四十七转动副相互连接，所述第一种单元第五面与所述第二种单元第二十三面相邻并通过第四十八转动副相互连接；

该可折展多面体结构在折叠与展开过程中，所述第二转动副、第六转动副、第十转动副、第十四转动副始终处于同一平面，且该平面与所述第一种单元第一面始终保持平行；所述第四转动副、第十九转动副、第二十四转动副、第七转动副始终处于同一平面，且该平面与所述第一种单元第二面始终保持平行；所述第八转动副、第二十三转动副、第二十八转动副、第十一转动副始终处于同一平面，且该平面与所述第一种单元第三面始终保持平行；所述第十二转动副、第二十七转动副、第三十二转动副、第十五转动副始终处于同一平面，且该平面与所述第一种单元第四面始终保持平行；所述第三转动副、第十六转动副、第三十一转动副、第二十转动副始终处于同一平面，且该平面与所述第一种单元第五面始终保持平行；所述第十八转动副、第三十转动副、第二十六转动副、第二十二转动副始终处于同一平面，且该平面与所述第一种单元第六面始终保持平行；

在上述转动副连接的基础上，该可折展多面体结构还含有七条轴线，分别为第一轴线、第二轴线、第三轴线、第四轴线、第五轴线、第六轴线、第七轴线；所述第一轴线为同时通过所述第一种单元第一面几何中心和所述第一种单元第六面几何中心的直线；所述第二轴线为同时通过所述第一种单元第二面几何中心和所述第一种单元第四面几何中心的直线；所述第三轴线为同时通过所述第一种单元第三面几何中心和所述第一种单元第五面几何中心的直线；所述第四轴线为同时通过所述第三种单元第一面几何中心和所述第三种单元第七面几何中心的直线；所述第五轴线为同时通过所述第三种单元第二面几何中心和所述第三种单元第八面几何中心的直线；所述第六轴线为同时通过所述第三种单元第三面几何中心和所述第三种单元第五面几何中心的直线；所述第七轴线为同时通过所述第三种单元第四面几何中心和所述第三种单元第六面几何中心的直线；所述七条轴线在空间上全部相交于同一中心交汇点；

该可折展多面体结构在折叠与展开过程中，所述第一轴线、第二轴线、第三轴线在空间中两两相互垂直，所述第一种单元第一面与所述第一种单元第六面在空间上相互平行且沿所述第一轴线作相对于中心交汇点的同步直线运动；所述第一种单元第二面与所述第一种单元第四面在空间上相互平行且沿所述第二轴线作相对于中心交汇点的同步直线运动；所述第一种单元第三面与所述第一种单元第五面在空间上相互平行且沿所述第三轴线作相对于中心交汇点的同步直线运动；所述第三种单元第一面与所述第三种单元第七面在空间上相互平行且沿所述第四轴线作相对于中心交汇点的同步直线运动；所述第三种单元第二面与所述第三种单元第八面在空间上相互平行且沿所述第五轴线作相对于中心交汇点的同步直线运动；所述第三种单元第三面与所述第三种单元第五面在空间上相互平行且沿所述第六轴线作相对于中心交汇点的同步直线运动；所述第三种单元第四面与所述第三种单元第六面在空间上相互平行且沿所述第七轴线作相对于中心交汇点的同步直线运动。

2.根据权利要求1所述的单自由度空间可折展多面体结构，其特征在于，所述第一种单元具有正方形的轮廓；所述第二种单元具有等腰梯形的轮廓；所述第三种单元具有正三角形的轮廓。

3.根据权利要求1或2所述的单自由度空间可折展多面体结构，其特征在于，在完全展开状态时其具有截角八面体的空间构型，在完全折叠状态时其具有截半立方体的空间构型。

4.根据权利要求1或2所述的单自由度空间可折展多面体结构，其特征在于，所述可折展多面体结构具有单一自由度，可通过改变任意一对相邻两面之间的夹角以实现可折展多面体结构两种空间构型之间的相互转换。

5.根据权利要求1或2所述的单自由度空间可折展多面体结构，其特征在于，所有转动副为铰链、合页或轴承其中的一种构成。

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