CN118017190A - 基于变胞折纸的多重变胞旋向可展开结构及空间曲面天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变胞折纸的多重变胞旋向可展开结构以及空间曲面天线。其中，旋向可展开结构包括柔性内衬以及多个可展开模块；柔性内衬在第一方向上呈一端具有开口、另一端封闭的管状结构；多个可展开模块沿第一方向依次附接在柔性内衬的外表面上，相邻可展开模块之间具有间隙以形成横向接触折痕；可展开模块包括两个固定片和两个折叠片，两个固定片分别设置在柔性内衬的两个等腰侧面上，两个折叠片沿垂直于第一方向的第二方向并排设置在柔性内衬的底侧面上；其中，两个固定片与两个折叠片中任意相邻的两个之间均具有间隙，以形成纵向接触折痕；本发明可实现通过单一驱动产生多种形式的变胞序列运动，具有质量轻、折展比大及能耗低的优点。

Description

基于变胞折纸的多重变胞旋向可展开结构及空间曲面天线

技术领域

本发明涉及空间可展开机构领域，具体涉及一种基于变胞折纸的多重变胞旋向可展开结构以及空间曲面天线。

背景技术

可展开机构系统可以收拢到紧凑状态以方便储藏与运输，待进入特定位置后再展开到较大尺度状态以实现更大范围的作业，在可展开空间机构、软变形机器人、折纸机器人和折纸结构、超材料等有着十分广泛的应用前景。

传统的可展开机构设计通常呈现固定的机动性，这些固定机动性的系统只能执行特定的运动模式，例如单一的展开或折叠运动；然而，很多应用场景中的系统在完成展开运动后可能还需执行其他形式的操作动作。因此，现有技术中的可展开机构大多数情况下都配置两套独立的驱动系统，分别控制展开和折叠。

现有技术中可展开机构采用两套独立的执行机构来分别执行展开运动和后续操作运动的设计，往往有更大的能量消耗、更高的复杂性和更大的体积。体现在可展开机构上往往存在结构复杂、成本高昂、折展比小、控制复杂等缺点。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种基于变胞折纸的多重变胞旋向可展开结构以及空间曲面天线，其将传统变胞折纸机构的运动学分岔特性和轻质的气动软体驱动机构相结合，可实现通过单一驱动产生多种形式的变胞序列运动。

为了实现上述主要目的，本发明第一方面提供了一种基于变胞折纸的多重变胞旋向可展开结构，多重变胞旋向可展开结构包括柔性内衬以及多个可展开模块；

柔性内衬在第一方向上呈一端具有开口、另一端封闭的管状结构，该管状结构的截面为等腰三角形，其具有一个底侧面以及两个相同的等腰侧面；多个可展开模块沿第一方向依次附接在柔性内衬的外表面上，相邻可展开模块之间具有间隙以形成横向接触折痕；

可展开模块包括两个固定片和两个折叠片，两个固定片分别设置在柔性内衬的两个等腰侧面上，两个折叠片沿垂直于第一方向的第二方向并排设置在柔性内衬的底侧面上；其中，两个固定片与两个折叠片中任意相邻的两个之间均具有间隙，以形成纵向接触折痕；

初始状态下的可展开模块中相邻两个折叠片围绕纵向接触折痕转动至位于两个固定片之间，同时两个固定片对向靠近呈层叠状；相邻可展开模块围绕横向接触折痕进行转动以使得多重变胞旋向可展开结构折叠为环状；

展开时，经开口向柔性内衬中充气，使得多个可展开模块围绕横向接触折痕进行第一阶段转动，直至相邻可展开模块中的固定片展开至处于同一平面内；继续向柔性内衬中充气，使得固定片和折叠片分别围绕纵向接触折痕进行第二阶段转动，直至可展开模块中的两个折叠片展开至处于同一平面内。

根据本发明的一种具体实施方式，相邻可展开模块中折叠片之间的横向接触折痕为呈相对刚性的刚性折痕，相邻可展开模块中固定片之间的横向接触折痕为呈柔性的柔性折痕；

可展开模块中的两个折叠片展开至处于同一平面内时，继续向柔性内衬中充气，使得相邻可展开模块围绕刚性折痕进行第三阶段的转动、柔性折痕被拉伸，以实现多重变胞旋向可展开结构的弯曲。

根据本发明的一种具体实施方式，相邻可展开模块中折叠片之间的横向接触折痕处附接有限制胶带，限制胶带在无外力作用下限制前述横向接触折痕被拉伸而呈相对刚性。

根据本发明的一种具体实施方式，柔性内衬为柔性聚乙烯薄膜管。

根据本发明的一种具体实施方式，固定片和折叠片均为碳纤维片。

根据本发明的一种具体实施方式，固定片和折叠片均以粘贴方式附接在柔性内衬的外表面上。

根据本发明的一种具体实施方式，可展开模块的数目为3-8个，多个可展开模块沿第一方向的长度逐渐增大，以允许可展开模块进行旋向折叠和展开。

本发明第二方面提供了一种空间曲面天线，其包括基座、天线组件和多个如上任一项所述的基于变胞折纸的多重变胞旋向可展开结构，天线组件支撑在多个多重变胞旋向可展开结构上。

根据本发明的一种具体实施方式，多个多重变胞旋向可展开结构以圆周阵列或相对设置的方式安装在基座上。

根据本发明的一种具体实施方式，多重变胞旋向可展开结构的数目为3-6个。

本发明具备以下有益效果：

本发明的多重变胞旋向可展开结构可在单一驱动下实现多种形式的变胞运动；相较于传统的可展开机构系统，本发明的多重变胞旋向可展开结构所需要驱动数量明显减少、系统重量与复杂度显著降低、折展比大幅提高以及制造成本大幅降低，在对能耗受限、轻量化及展收比要求较高的应用领域尤其是航空航天领域是非常好的解决方案。

同时，本发明的多重变胞旋向可展开结构还具有可变刚度功能，使其具有较好的负载能力，可搭载大型曲面天线，并通过控制气压来实现天线曲线的调节，以支持部署不同类型的曲面天线。

为了更清楚地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是折纸机构的运动学分岔特性的原理图；

图2是折纸模型中不共线折痕的夹角与折纸刚度的关系图；

图3是本发明空间曲面天线实施例的结构图；

图4是旋向可展开结构的折叠状态图；

图5是旋向可展开结构中的纵向接触折痕均共线的状态图；

图6是旋向可展开结构的膨胀展开的状态图；

图7是空间曲面天线的示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。

本发明实施例的多重变胞旋向可展开结构的折痕空间状态与折痕刚度、运动度之间满足以下变化规律：当折痕共线时折痕刚度最小，在共线方向存在一个转动自由度；当折痕空间不共线时刚度会随之增大，对应的转动自由度消失。

为更充分的理解本发明，下面结合图1对折纸模型的运动学分岔特性进行展开介绍。如果折纸厚度忽略不计，当折纸处于变胞状态时，既可以沿着共线的C2C4折痕进行折叠，也可以沿着共线的C1C3折痕进行折叠，一旦选择其中一组共线折痕进行折叠，另外一组折痕将不再共线。

该折纸模型不共线折痕的夹角与折纸刚度的关系如图2所示：折痕C1C3夹角为0°的时候，折纸模型在平行于折痕C1C3方向上具有最大刚度；当折纸模型绕折痕C2C4进行展开，随着折痕C1C3的夹角逐渐变大，折纸模型在折痕C1C3夹角等分线方向上的刚度将逐渐降低；当折痕C1C3共线时，折纸模型在折痕C1C3夹角等分线方向上刚度趋近于0，也就是可以绕着C1C3可以产生折叠运动。

基于上述原理，本发明实施例的基于变胞折纸的多重变胞旋向可展开结构能够在单驱动气压作用下进行展开运动和弯曲运动。这种运动模式的主要特点是其序列性，包括围绕第一组横向接触折痕(共线)的环状展开，然后随着气压的增加围绕另一组纵向接触折痕(共线)膨胀展开，最终依靠呈刚性状态的折痕与呈柔性可伸展状态的折痕共同作用进行弯曲，以实现对空间曲面天线的稳定支撑。

实施例的空间曲面天线包括基座10和天线组件20，基座10上设有多个旋向可展开结构30，天线组件20被多个旋向可展开结构30所支撑。其中，多个旋向可展开结构30优选呈圆周阵列方式安装在基座10上；在其他实施例中，多个旋向可展开结构30也可以呈相对设置方式安装在基座10上，例如两两一组成对设置等方式。其中，旋向可展开结构30的数目优选为3-6个，例如图3中所示出的4个。

实施例的旋向可展开结构30具体是一种基于变胞折纸的多重变胞旋向可展开结构30，如图4-7所示，包括柔性内衬31以及多个可展开模块32；其中，柔性内衬31在第一方向上呈一端具有开口、另一端封闭的管状结构，该管状结构的截面为等腰三角形，其具有一个底侧面以及两个相同的等腰侧面；多个可展开模块32沿第一方向依次附接在柔性内衬31的外表面上。示例性的，可展开模块32的数目为3-8个，例如图4所示出的5个可展开模块32的情况。

进一步地，多个可展开模块32沿柔性内衬31长度方向的长度相同和/或不相同；为便于安装和连接，沿起点位置(柔性内衬31的开口端)到终点位置(柔性内衬31的封闭端)方向，多个可展开模块32的长度优选为逐渐增大，以允许可展开模块32进行顺畅地旋向折叠和展开。其中，相邻可展开模块32之间具有间隙以形成横向接触折痕33。

请继续参阅图6，可展开模块32包括两个固定片321和两个折叠片322，两个固定片321分别设置在柔性内衬31的两个等腰侧面上，两个折叠片322沿垂直于第一方向的第二方向并排设置在柔性内衬31的底侧面上；其中，两个固定片321与两个折叠片322中任意相邻的两个之间均具有间隙，以形成纵向接触折痕34。在本实施例中，柔性内衬31优选为柔性聚乙烯薄膜管，固定片321和折叠片322均优选为碳纤维片，二者均例如以粘接方式附接在柔性内衬31的外表面上，具体例如通过双面胶带进行粘接。

进一步地，相邻可展开模块32中折叠片322之间的横向接触折痕33为呈相对刚性的刚性折痕，相邻可展开模块32中固定片321之间的横向接触折痕33为呈柔性的柔性折痕。示例性的，刚性折痕处附接有限制胶带，限制胶带在无外力作用下限制刚性折痕被拉伸而呈相对刚性；限制胶带依然是柔性的，其在较大外力作用下也可以展现柔性折痕的特性。

初始状态下的可展开模块32中相邻两个折叠片322围绕纵向接触折痕34转动至位于两个固定片321之间，同时两个固定片321对向靠近呈层叠状；相邻可展开模块32围绕横向接触折痕33进行转动以使得多重变胞旋向可展开结构30折叠为环状，如图4所示。

展开时，经开口向柔性内衬31中充气，使得多个可展开模块32围绕横向接触折痕33进行第一阶段转动，直至相邻可展开模块32中的固定片321展开至处于同一平面内，此时多个可展开模块32中的纵向接触折痕34均共线，如图5所示。继续向柔性内衬31中充气，使得固定片321和折叠片322分别围绕纵向接触折痕34进行第二阶段转动，直至可展开模块32中的两个折叠片322展开至处于同一平面内，如图6所示，此时多重变胞旋向可展开结构30具有等腰三角形截面的折纸腔室。再继续向柔性内衬31中充气，基于部分横向接触折痕为刚性折痕、部分横向接触折痕为柔性折痕，相邻可展开模块32将围绕刚性折痕进行第三阶段的转动，同时柔性折痕被拉伸而产生适应性形变，以实现多重变胞旋向可展开结构30的弯曲，如图7所示。

实施例中未特别指明的纵向接触折痕34为刚性折痕，这些刚性折痕例如是在制作过程中通过挤压间隙处的柔性内衬31来形成的褶皱结构，在柔性内衬31中的气压产生变化时，利用褶皱结构使得多个可展开模块32产生响应于气压变化的折叠/展开动作和伸展动作。

进一步地，实施例中的基座10上还可以设有充气模块，充气模块分别与多个旋向可展开结构30相连接以分别向不同的多重变胞旋向可展开结构30进行通气；如图4-5所示，在多重变胞旋向可展开结构30与基座10相连接的端部优选设有柔性连接部35，该柔性连接部35可实现基座10与多重变胞旋向可展开结构30的柔性连接并可产生适应于多重变胞旋向可展开结构30的运动；较佳地，柔性连接部35可以是柔性内衬31的一部分。

虽然以上通过实施例描绘了本发明，但应当理解的是，上述实施例仅用于示例性地描述本发明的可实施方案，而不应解读为限制本发明的保护范围，即凡本领域技术人员依照本发明所作的置换或变化，应同样为本发明权利要求的保护范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于变胞折纸的多重变胞旋向可展开结构，其特征是：所述多重变胞旋向可展开结构包括柔性内衬以及多个可展开模块；

所述柔性内衬在第一方向上呈一端具有开口、另一端封闭的管状结构，该管状结构的截面为等腰三角形，其具有一个底侧面以及两个相同的等腰侧面；多个所述可展开模块沿第一方向依次附接在所述柔性内衬的外表面上，相邻所述可展开模块之间具有间隙以形成横向接触折痕；

所述可展开模块包括两个固定片和两个折叠片，两个所述固定片分别设置在所述柔性内衬的两个等腰侧面上，两个所述折叠片沿垂直于第一方向的第二方向并排设置在所述柔性内衬的底侧面上；其中，两个所述固定片与两个所述折叠片中任意相邻的两个之间均具有间隙，以形成纵向接触折痕；

初始状态下的所述可展开模块中相邻两个所述折叠片围绕纵向接触折痕转动至位于两个所述固定片之间，同时两个所述固定片对向靠近呈层叠状；相邻所述可展开模块围绕横向接触折痕进行转动以使得所述多重变胞旋向可展开结构折叠为环状；

展开时，经所述开口向所述柔性内衬中充气，使得多个所述可展开模块围绕横向接触折痕进行第一阶段的转动，直至相邻所述可展开模块中的所述固定片展开至处于同一平面内；继续向所述柔性内衬中充气，使得所述固定片和所述折叠片分别围绕纵向接触折痕进行第二阶段转动，直至所述可展开模块中的两个所述折叠片展开至处于同一平面内。

2.如权利要求1所述的基于变胞折纸的多重变胞旋向可展开结构，其特征是：相邻所述可展开模块中所述折叠片之间的横向接触折痕为呈相对刚性的刚性折痕，相邻所述可展开模块中所述固定片之间的横向接触折痕为呈柔性的柔性折痕；

所述可展开模块中的两个所述折叠片展开至处于同一平面内时，再继续向所述柔性内衬中充气，使得相邻所述可展开模块围绕刚性折痕进行第三阶段的转动、柔性折痕被拉伸，以实现所述多重变胞旋向可展开结构的弯曲。

3.如权利要求2所述的基于变胞折纸的多重变胞旋向可展开结构，其特征是：相邻所述可展开模块中所述折叠片之间的横向接触折痕处附接有限制胶带，所述限制胶带在无外力作用下限制前述横向接触折痕被拉伸而呈相对刚性。

4.如权利要求1所述的基于变胞折纸的多重变胞旋向可展开结构，其特征是：所述柔性内衬为柔性聚乙烯薄膜管。

5.如权利要求1所述的基于变胞折纸的多重变胞旋向可展开结构，其特征是：所述固定片和所述折叠片均为碳纤维片。

6.如权利要求1所述的基于变胞折纸的多重变胞旋向可展开结构，其特征是：所述固定片和所述折叠片均以粘贴方式附接在所述柔性内衬的外表面上。

7.如权利要求1所述的基于变胞折纸的多重变胞旋向可展开结构，其特征是：所述可展开模块的数目为3-8个，多个所述可展开模块沿第一方向的长度逐渐增大，以允许所述可展开模块进行旋向折叠和展开。

8.一种空间曲面天线，其特征是包括基座、天线组件和多个如权利要求1-7任一项所述的基于变胞折纸的多重变胞旋向可展开结构，所述天线组件支撑在多个所述多重变胞旋向可展开结构上。

9.如权利要求8所述的空间曲面天线，其特征是：多个所述多重变胞旋向可展开结构以圆周阵列或相对设置的方式安装在所述基座上。

10.如权利要求8所述的空间曲面天线，其特征是：所述多重变胞旋向可展开结构的数目为3-6个。