CN216735708U

CN216735708U - 可折叠的单自由度多边形棱柱结构

Info

Publication number: CN216735708U
Application number: CN202123295849.0U
Authority: CN
Inventors: 杨富富; 宋振鲁; 杨飞雨; 张俊
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2021-12-27
Filing date: 2021-12-27
Publication date: 2022-06-14
Anticipated expiration: 2031-12-27

Abstract

本实用新型涉及一种可折叠的单自由度多边形棱柱结构，包括两个左右对称的侧多边形模块、两个上下对称的底多边形模块；所述的侧多边形模块均包括两片尺寸不同且通过转动副连接的侧多边形板，且左右侧多边形模块的相邻侧多边形板之间再经转动副连接；所述的底多边形模块均包括左右对称设置的两个底多边形组件，每个底多边形组件包括两片尺寸不同且通过转动副连接的底多边形板，底多边形板均与对应侧多边形板的同底侧通过转动副连接，位于同底的两个底多边形组件之间为开合接缝。整个结构构造简单，制作方便，灵活多变，并且具有刚度大，稳定性好的优点，在航空航天，土木工程中具有重要意义和广泛的应用前景。

Description

可折叠的单自由度多边形棱柱结构

技术领域

本实用新型涉及一种可折叠的单自由度多边形棱柱结构。

背景技术

可展结构可通过变更自身形状适应多种工作状态，具有大折展比、便于运输和储藏等优点，不但在航空航天、土木建筑、军事工程等领域具有广阔的应用前景而且在生活和救援中具有很多应用。

多面体结构因其较好的对称性得到广泛的应用，但现有的多面体结构要么空载时体积大、不利于运输，如集装箱等；要么折叠过程复杂，自由度多，不易控制，如可折叠帐篷等。这些特点都很大程度的限制了多面体结构的应用。

实用新型内容

鉴于现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种可折叠的单自由度多边形棱柱结构。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种可折叠的单自由度多边形棱柱结构，包括两个左右对称的侧多边形模块、两个上下对称的底多边形模块；

所述的侧多边形模块均包括两片尺寸不同且通过转动副连接的侧多边形板，且左右侧多边形模块的相邻侧多边形板之间再经转动副连接；

所述的底多边形模块均包括左右对称设置的两个底多边形组件，每个底多边形组件包括两片尺寸不同且通过转动副连接的底多边形板，底多边形板均与对应侧多边形板的同底侧通过转动副连接，位于同底的两个底多边形组件之间为开合接缝。

优选的，每个侧多边形模块由阶梯状侧多边形板、平板状侧多边形板组成两片侧多边形板，其中阶梯状侧多边形板均含有内、中、外三层表面，平板状侧多边形板均含有内、外两层表面；每个侧多边形板有四个连接边，连接边分布在侧多边形板的两长侧、两端侧，两长侧连接边之间互相平行，两端侧连接边之间互相平行，且所有侧多边形板的两长侧连接边之间的距离相等，两长侧连接边和两端侧连接边之间互相垂直。

优选的，在阶梯状侧多边形板中：两长侧和靠近平板状侧多边形板的端侧连接边都在板的中间层表面上，远离平板状侧多边形板的端侧连接边都在板的内层表面上；在平板状侧多边形板中：两长侧、靠近阶梯状侧多边形板的端侧连接边都在板的内层表面，远离阶梯状侧多边形板的端侧连接边都在板的外层表面；同一侧多边形模块的阶梯状侧多边形板和平板状侧多边形板的相邻端侧连接边通过转动副相互连接；不同侧多边形模块的两个阶梯状侧多边形板的相邻端侧连接边通过转动副相互连接，不同侧多边形模块的平板状侧多边形板的相邻端侧连接边通过转动副相互连接，使得两个侧多边形模块围成一个正棱柱的侧表面。

优选的，每个底多边形组件由前底多边形板、后底多边形板组成两片底多边形板；每个底多边形板有两个连接边分别为侧连接边和底连接边，都分布在板的内表面，并且所有底多边形板的两连接边所成角度相等；同一底多边形组件的前底多边形板、后底多边形板的底连接边通过转动副相互连接，使得同一底多边形模块的四个底多边形板的侧连接线始终在同一面上；前底多边形板的侧连接边均通过转动副和同侧阶梯状侧多边形板的对应长侧连接边连接，后底多边形板的侧连接边均通过转动副和同侧平板状侧多边形板的对应长侧连接边连接。

优选的，连接同一底多边形组件的前底多边形板与后底多边形板之间的转动副轴线、前底多边形板和与其连接的阶梯状侧多边形板的转动副轴线、后底多边形板和与其连接的平板状侧多边形板的转动副轴线在折叠过程中始终交于一点，该点交汇在上述两片侧多边形板的转动副轴线上端或下端。

优选的，同一底多边形模块在完全展开后，四片底多边形板组成筝形或等腰三角形。

优选的，转动副为铰链、合页、轴承中的一种。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：本实用新型多边形棱柱结构具有可展性能，折展过程中为单自由度，完全折叠时为平板状态，便于进行加工安装和收纳运输，完全展开时，为一个能够自锁的完全封闭的多边形棱柱，能够承受较大的外力，可以用做救援帐篷或是储物箱。整个结构构造简单，制作方便，灵活多变，并且具有刚度大，稳定性好的优点，在航空航天，土木工程中具有重要意义和广泛的应用前景。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。

附图说明

图1是本实用新型实施例阶梯状侧多边形板结构示意图。

图2是本实用新型实施例平板状侧多边形板结构示意图。

图3是本实用新型实施例前底多边形板结构示意图。

图4是本实用新型实施例后底多边形板结构示意图。

图5是本实用新型实施例可折叠三棱柱展开状态示意图。

图6是本实用新型实施例可折叠三棱柱中间状态示意图。

图7是本实用新型实施例可折叠三棱柱折叠状态示意图。

图8是本实用新型实施例可折叠四棱柱展开状态示意图。

图9是本实用新型实施例可折叠四棱柱中间状态示意图。

图10是本实用新型实施例可折叠四棱柱折叠状态示意图。

图中标号说明：

C1-阶梯状侧多边形板、C2-平板状侧多边形板；

D1-前底多边形板、D2-后底多边形板；

R-转动副；

A1A2-端侧连接边A1A2、A3A4-长侧连接边A3A4、A4A5-端侧连接边A4A5、A5A6-长侧连接边A5A6、A1A13-宽边线A1A13、A4A14-宽边线A4A14、A7A8-端侧连接边A7A8、A8A10-长侧连接边A8A10、A7A9-长侧连接边A7A9、A11A12-端侧连接边A11A12；

B1B2-侧连接边B1B2、B2B3-底连接边B2B3、B4B5-底连接边B4B5、B5B6-侧连接边B5B6。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1~10所示，本实施例提供了一种可折叠的单自由度多边形棱柱结构，包括两个左右对称的侧多边形模块、两个上下对称的底多边形模块，形成棱柱的上底面与下底面；

在本实用新型实施例中，每个侧多边形模块由阶梯状侧多边形板、平板状侧多边形板组成两片侧多边形板，其中阶梯状侧多边形板均含有内、中、外三层表面，平板状侧多边形板均含有内、外两层表面；每个侧多边形板有四个连接边，连接边分布在侧多边形板的两长侧、两端侧，两长侧连接边之间互相平行，两端侧连接边之间互相平行，且所有侧多边形板的两长侧连接边之间的距离相等，两长侧连接边和两端侧连接边之间互相垂直。

在本实用新型实施例中，在阶梯状侧多边形板中：两长侧和靠近平板状侧多边形板的端侧连接边都在板的中间层表面上，远离平板状侧多边形板的端侧连接边都在板的内层表面上；在平板状侧多边形板中：两长侧、靠近阶梯状侧多边形板的端侧连接边都在板的内层表面，远离阶梯状侧多边形板的端侧连接边都在板的外层表面；同一侧多边形模块的阶梯状侧多边形板和平板状侧多边形板的相邻端侧连接边通过转动副相互连接；不同侧多边形模块的两个阶梯状侧多边形板的相邻端侧连接边通过转动副相互连接，不同侧多边形模块的平板状侧多边形板的相邻端侧连接边通过转动副相互连接，使得两个侧多边形模块围成一个正棱柱的侧表面。

在本实用新型实施例中，每个底多边形组件由前底多边形板、后底多边形板组成两片底多边形板；每个底多边形板有两个连接边分别为侧连接边和底连接边，都分布在板的内表面，并且所有底多边形板的两连接边所成角度相等；同一底多边形组件的前底多边形板、后底多边形板的底连接边通过转动副相互连接，使得同一底多边形模块的四个底多边形板的侧连接线始终在同一面上；前底多边形板的侧连接边均通过转动副和同侧阶梯状侧多边形板的对应长侧连接边连接，后底多边形板的侧连接边均通过转动副和同侧平板状侧多边形板的对应长侧连接边连接。

在本实用新型实施例中，连接同一底多边形组件的前底多边形板与后底多边形板之间的转动副轴线、前底多边形板和与其连接的阶梯状侧多边形板的转动副轴线、后底多边形板和与其连接的平板状侧多边形板的转动副轴线在折叠过程中始终交于一点，该点交汇在上述两片侧多边形板的转动副轴线上端或下端。

在本实用新型实施例中，同一底多边形模块在完全展开后，四片底多边形板组成筝形或等腰三角形。

在本实用新型实施例中，转动副为铰链、合页、轴承中的一种。

在本实用新型实施例中，图1展示了可折叠多边形棱柱的阶梯状侧多边形板C1，具有四个连接边，分别是连接边A1A2、连接边A3A4、连接边A4A5、连接边A5A6，其中A1A2与A4A5平行，A3A4与A5A6平行，A1A2与A3A4垂直，A1A13的长度等于A4A14长度的二倍（A1A13为内层到外层的宽边线A1A13，A4A14为中间层到外层的宽边线A4A14）。

在本实用新型实施例中，图2展示了可折叠多边形棱柱的平板状侧多边形板C2，具有四个连接边，分别是连接边A7A8、连接边A8A10、连接边A7A9、连接边A11A12，其中A7A8与A11A12平行，A7A9与A8A10平行，A7A8与A7A9垂直，A7A8的长度等于C1中A4A5长度，A7A9的长度小于C1中的A3A4的长度。

在本实用新型实施例中，图3展示了可折叠多边形棱柱的前底多边形板D1，具有连接边B1B2、连接边B2B3，其中侧连接边为B1B2，底连接边为B2B3，B1B2和B2B3之间的夹角为α。图4展示了可折叠多边形棱柱的后底多边形板D2，具有连接边B4B5、连接边B5B6，其中侧连接边为B5B6，底连接边为B4B5，B4B5和B5B6之间的夹角为α。

在本实用新型实施例中，一种可折叠单自由度多边形棱柱结构具有两种稳定态，折叠态和展开态。根据展开态的形状分为两种模式，三棱柱模式和四棱柱模式，在一般情况下为四棱柱模式，当满足A13A14*cos(2α) = A7A9 时，多边形棱柱为三棱柱模式。图5展示了可折叠三棱柱展开状态示意图，图6展示了可折叠三棱柱中间状态示意图，图7展示了可折叠三棱柱折叠状态示意图。图8展示了可折叠四棱柱展开状态示意图，图9展示了可折叠四棱柱中间状态示意图，图10展示了可折叠四棱柱折叠状态示意图。

一种可折叠的单自由度多边形棱柱结构的工作方法，按以下步骤进行：

（1）折叠后：阶梯状侧多边形板的中间层表面和平板状侧多边形板内层表面之间没有干涉，当阶梯状侧多边形板的内层表面与中间层表面的距离等于平板状侧多边形板板厚时，棱柱完全折叠后，多边形棱柱阶梯状侧多边形板的中间层表面和平板状侧多边形板的内层表面完全贴合，完全折叠后形成多边形厚板；

（2）展开后：多边形棱柱在完全展开后形成具有自锁功能的完全封闭的多边形棱柱。

在本实用新型实施例中，展开态到折叠态的过程中，C1的中间层表面与C2的内层表面逐渐靠拢直至重叠，C1的内层表面与另一C1的内层表面逐渐靠拢直至重叠，C2的外层表面与另一C2的外层表面逐渐靠拢直至重叠，D1的内层表面与D2的内层表面逐渐靠拢直至重叠。

本实用新型中的多边形连接单元的结构不限于三角形和四边形轮廓，其形状、大小、尺寸、材料等均可根据实际应用要求做一定的变换。

本实用新型多边形棱柱结构具有可展性能，折展过程中为单自由度，完全折叠时为平板状态，便于进行加工安装和收纳运输，完全展开时，为一个能够自锁的完全封闭的多边形棱柱，能够承受较大的外力，可以用做救援帐篷或是集装箱。整个结构构造简单，灵活多变，并且具有刚度大，稳定性好的优点，在航空航天，土木工程中具有重要意义和广泛的应用前景。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims

1.一种可折叠的单自由度多边形棱柱结构，其特征在于：包括两个左右对称的侧多边形模块、两个上下对称的底多边形模块；

2.根据权利要求1所述的可折叠的单自由度多边形棱柱结构，其特征在于：每个侧多边形模块由阶梯状侧多边形板、平板状侧多边形板组成两片侧多边形板，其中阶梯状侧多边形板均含有内、中、外三层表面，平板状侧多边形板均含有内、外两层表面；每个侧多边形板有四个连接边，连接边分布在侧多边形板的两长侧、两端侧，两长侧连接边之间互相平行，两端侧连接边之间互相平行，且所有侧多边形板的两长侧连接边之间的距离相等，两长侧连接边和两端侧连接边之间互相垂直。

3.根据权利要求2所述的可折叠的单自由度多边形棱柱结构，其特征在于：在阶梯状侧多边形板中：两长侧和靠近平板状侧多边形板的端侧连接边都在板的中间层表面上，远离平板状侧多边形板的端侧连接边都在板的内层表面上；在平板状侧多边形板中：两长侧、靠近阶梯状侧多边形板的端侧连接边都在板的内层表面，远离阶梯状侧多边形板的端侧连接边都在板的外层表面；同一侧多边形模块的阶梯状侧多边形板和平板状侧多边形板的相邻端侧连接边通过转动副相互连接；不同侧多边形模块的两个阶梯状侧多边形板的相邻端侧连接边通过转动副相互连接，不同侧多边形模块的平板状侧多边形板的相邻端侧连接边通过转动副相互连接，使得两个侧多边形模块围成一个正棱柱的侧表面。

4.根据权利要求3所述的可折叠的单自由度多边形棱柱结构，其特征在于：每个底多边形组件由前底多边形板、后底多边形板组成两片底多边形板；每个底多边形板有两个连接边分别为侧连接边和底连接边，都分布在板的内表面，并且所有底多边形板的两连接边所成角度相等；同一底多边形组件的前底多边形板、后底多边形板的底连接边通过转动副相互连接，使得同一底多边形模块的四个底多边形板的侧连接线始终在同一面上；前底多边形板的侧连接边均通过转动副和同侧阶梯状侧多边形板的对应长侧连接边连接，后底多边形板的侧连接边均通过转动副和同侧平板状侧多边形板的对应长侧连接边连接。

5.根据权利要求4所述的可折叠的单自由度多边形棱柱结构，其特征在于：连接同一底多边形组件的前底多边形板与后底多边形板之间的转动副轴线、前底多边形板和与其连接的阶梯状侧多边形板的转动副轴线、后底多边形板和与其连接的平板状侧多边形板的转动副轴线在折叠过程中始终交于一点，该点交汇在上述两片侧多边形板的转动副轴线上端或下端。

6.根据权利要求1所述的可折叠的单自由度多边形棱柱结构，其特征在于：同一底多边形模块在完全展开后，四片底多边形板组成筝形或等腰三角形。

7.根据权利要求1所述的可折叠的单自由度多边形棱柱结构，其特征在于：转动副为铰链、合页、轴承中的一种。