JP2021517217A - 柔軟性スペースフレーム、そのコンポーネントおよび構築方法 - Google Patents

Abstract

剛性と柔軟なコンポーネントを交互に使用して、強力、軽量、安価なスペースフレームを構築するために使用される十字形ユニットとノードのシステムであって、各十字形ユニットは、５つの類似するユニットと結合して、球状ノードを形成し、この球状ノードは他のノードと接続して、おもちゃ、遊び場構造、ラティス、パーゴラ、彫像、屋根、家具、備品、マットレス、カイト、ランプ、芸術的な構造と備品、浮遊プラットフォーム、機械またはロボット用の柔軟なジョイント、建物、橋、及び宇宙ステーションなどの構造を作成するためのフレームを形成可能なものである。【選択図】 図８

Description

本発明は、柔軟性スペースフレーム、そのコンポーネントおよび構築方法に関する。

本発明は、軽量で強く、柔軟なスペースフレーム、およびそのようなフレームを構築するための調整可能な方法である。

航空宇宙機および構造物、ならびに地上の建設およびロボット工学に適用されるモジュラーフレーミングシステムが知られている。例えば、ベルらの米国特許第１，４１０，８７６号は、空中の車両または構造物のために連結される凧形状の四面体構造物を教示している。より最近では、サンダーソンの米国特許第５，０９７，６４５号がある。

スペースフレームは、多くの典型的な建物および構造物の直線的なフレーム構造にはない構造方法を提供するという点で有用である。スペースフレームは、見た目が良く、簡単に構築できる多機能な軽量の構造を提供する。ルーフトップフレーム、パーゴラ、または洗練されたまたは宇宙時代の雰囲気を表現しようとする場所によく使用される。

現在知られているスペースフレームモデルは、金属合金製の特別に設計された支柱を使用する必要があり、剛性があるため、空気の流れや他の応力に反応して、組み立てられたフレーム内で自由に動くことができない。これらのフレームコンポーネントは、多くの場合、高価な金属で構成されているので、流通を困難にさせ、物流上の課題と費用の増加につながっている。
土木工学および産業工学の分野でよく知られているように、剛性材料の過剰使用は、建物、車両、機械のいずれの場合でも、風、水、ねじれ、加速またはその他の環境からのストレスが加わるときに、破損や故障を起こしやすい。構造内の柔軟性の程度と場所は、建築家やエンジニアによって決定される。モジュール構造では、ベストプラクティスは、設計者に大きなデザイン内のどの点が柔軟か剛性かを選択できるようにすることであり、予想されるタイプの環境ストレスに最適に対応できる構造を可能にする。たとえば、特定構造において、ある方向から力が加えられた場合剛性を維持するが、別の方向または反対の方向から力が加えられた場合、柔軟性を有することが可能である。

現在知られているスペースフレーム技術は、剛性および柔軟性コンポーネントの組み合わせが欠けている。この組み合わせは、剛性コンポーネントに加えられる力を柔軟性コンポーネントに伝達して、構造全体にわたって均一に分配することができる。本明細書で教示される本発明は、この柔軟性の欠如を解決するものである。

好ましい実施形態において、スペースフレームを構築するための十字形部材であって、それぞれが遠位端に向かって外側に伸びる４つの等距離のアームを備えた十字部品を有し、各端は他のコネクタ部品と連結するように設計された統合コネクタ部品を備え、各コネクタ部品は、ロック用の出っ張り部と傾斜縁部を備えた遠位接続ピンと、遠位接続孔と、短い側部位置合わせピンと、短い側部位置合わせ孔と、長い側部位置合わせピンと、長い側部位置合わせ孔と、チャネルと、半円状突起とを有し、前記コネクタ部品の一対が、前記側部位置合わせピンおよび前記側部位置合わせ孔を使用して連結し、２つの遠位接続ピンおよび２つの遠位接続孔を有するコネクタ部品アセンブリを形成するものである、十字形部材が提供される。

別の好ましい実施形態において、本明細書に記載される十字形部材は、形状記憶合金、形状記憶ポリマーまたは形状記憶コポリマーを含む群からの耐久性があるが柔軟性を有する材料で構成されるものである。

別の好ましい実施形態において、本明細書に記載される十字形部材は、形状記憶合金、形状記憶ポリマーまたは形状記憶コポリマーからなる群から製造される十字部品と４つのアームと、非形状記憶金属合金またはポリマーから製造される４つのコネクタ部品と、を有するものである。

別の好ましい実施形態において、本明細書に記載される十字形部材は、射出成形されたプラスチックから作られるものである。

別の好ましい実施形態において、本明細書に記載される十字形部材において、前記十字形部材が三次元印刷によって製造されるものである。

別の好ましい実施形態において、本明細書に記載される十字形部材において、前記コネクタ部品は、付加された圧力のみを使用して互いにかみ合うように連結する。

別の好ましい実施形態において、複数のフレームユニットを有するスペースフレームであって、前記ユニットのそれぞれは、これらのそれぞれのコネクタ部品アセンブリ間でスナップ嵌め接続によって接続され、前記ユニットは、
（ｉ）請求項１に記載の十字形部材６個から構成された球体ユニットであって、各コネクタ部品は、別のコネクタ部品と連結し、合計１２のコネクタ部品アセンブリと６つの凸面を形成し、コネクタ部品の各対は、前記遠位接続ピンと遠位接続孔を使って連結し、２つの長い側部ピンと、２つの短い側部ピンと、２つの長い側部孔、２つの短い側部孔を有するコネクタ部品アセンブリを形成する、球体ユニットと、
（ｉｉ）各十字形部材が反転し、６つの凹面ができる反転ユニットであって、コネクタ部品の各対が、側部位置合わせピンを対応する側部位置合わせ孔に挿入することで連結し、１２個のコネクタ部品アセンブリを形成し、各コネクタ部品アセンブリは、２つのオーバーロックブロックによってロックされ、２つの遠位接続ピンと２つの遠位接続孔を有する、反転ユニットと、
からなる群から選択されるものである、スペースフレームが提供される。

別の好ましい実施形態において、本明細書に記載されるスペースフレームは、複数の四面体ユニットを有し、各四面体ユニットの内部に球状ユニットが配置されるものである。

別の好ましい実施形態において、本明細書に記載されるスペースフレームは、複数の八面体ユニットを有し、各八面体ユニットの内部に球状ユニットが配置されているものである。

別の好ましい実施形態において、スペースフレームを製造する方法であって、
（１）前記十字部品と４つのアームは形状記憶合金、形状記憶ポリマーまたは形状記憶コポリマーの群から、４つのコネクタ部品は非形状記憶金属合金またはポリマーからそれぞれ形成して、請求項１に記載の十字形部材を製造する工程と、
（２）フレームユニットを作成する工程であって、このフレームユニットは
（ｉ）６つの十字形部材で構成された球状ユニットであって、各コネクタ部品が別のコネクタ部品と連結されて、合計１２のコネクタ部品アセンブリと６つの凸面を形成し、コネクタ部品の各対は、前記遠位接続ピンと遠位接続孔を使用して連結して、２つの長い側部ピン、２つの短い側部ピン、２つの長い側部孔、２つの短い側部孔を備えたコネクタ部品アセンブリを形成する、球状ユニットと、
（ｉｉ）各十字形部材が反転し、６つの凹面を形成する反転ユニットであって、コネクタ部品の各対は、側部位置合わせピンを対応する側部位置合わせ孔に挿入することにより相互にかみ合い、１２のコネクタ部品アセンブリを形成し、各コネクタ部品アセンブリは２つの遠位接続ピンと２つの遠位接続孔を備え、最後に２つのオーバーロックブロックのスナップ嵌め覆いでコネクタ部品を連結する、反転ユニットと、からなる群から得られたものである、作成する工程と、
（３）前記ユニットのそれぞれを１または複数の他のユニットに、前記ユニットのそれぞれのコネクタ部品アセンブリ間のスナップ嵌め接続によって、接続する工程と、
を有するものである、方法が提供される。

別の好ましい実施形態において、スペースフレームを構築するためのノードであって、２つ以上の螺旋状の十字形部材を有し、各部材は４つのアームを備え、各部材は、２つ以上の前記部材がインターフェース継手部で可逆的に連結することを可能にする１つ以上の溝を有し、各アームは、軸に沿ってカットされたＣチャンネルを含み、これにより各アームは、前記ノードを他のノードに接続するためのロッドを収容するものである、ノードが提供される。

別の好ましい実施形態において、本明細書に記載されるノードは、合計１２のアームを含む３つの十字形部材を有し、それにより他のノードへの１２の取り付け点を有するものである。

別の好ましい実施形態において、本明細書に記載されるノードで、各十字形部材は、形状記憶合金、形状記憶ポリマーまたは形状記憶コポリマーからなる群から製造されるものである。

別の好ましい実施形態において、本明細書に記載されるノードにおいて、各十字形部材は、溶融、接着剤または同様の結合を使用して永久的に取り付けられるものである。

図１は、各端部にコネクタ部品を備えた十字形部材を示す線図である。平らになった部分が最終構造の支柱を構成する。部材の端は、別の十字形部材またはさまざまな用途に設計された他の継手部に接続するために使用される。この十字形部材は、プラスチック射出成形金型または３Ｄプリントで製造できる。 図２は、部材がひっくり返されて曲げられている、図１の十字形部材の別の形態を示す線図である。 図３は、２つの十字形部材のコネクタ部品の連結設計を示す線図である。 図４は、コネクタロッドをクランプする２つの任意の単一バレル圧着スリーブ６１をさらに含む２つの位置合わせされたコネクタ部品を示す線図である。

図５Ａは、一緒にロックされて球状ユニットを形成する６つの十字形部材を示す線図である。

図５Ｂは、同様に６つの十字形部材からなる代替の反転ユニットを形成するために一緒にロックされた複数の十字形部材を示す線図である。

図６は、２つの球形ユニットの連結コネクタ部品を示す線図である。

図７は、１つのコネクタ部品アセンブリで接合された２つの球状ユニットを示す線図である。

図８は、複数の連結された球状ユニットからなるフレームを示す線図であり、いくつかのユニットの１つの十字形部材が欠けて頂部開口部を形成する別の実施形態では、各ユニットの頂部開口部は同じ方向を向いている。

図９は、４つのアームのそれぞれに沿って軸方向に切断された螺旋状の湾曲およびｃチャンネルを有する単一の十字形部材を示す線図である。

図１０は、螺旋状に湾曲したｃチャンネルノードの分解図を示す線図である。３つの部品はそれぞれ同一の３部品であり、２つの追加の類似のユニットに位置合わせしてスナップするために必要な一体化された部品を有する。

図１１は、中心点を取り囲み、迂回する６つのｃチャンネルを含む、完全に組み立てられた螺旋状に湾曲したｃチャンネルノードを示す線図である。

図１２は、６つの完全に組み立てられた螺旋状に湾曲したＣチャネルノードを示す線図であり、ロッドが各ノードから出て他の同様のノードに結びついている。

図１３は、球状、反転、および螺旋状に湾曲したｃチャネル型のユニットのそれぞれを合わせて利用する１つの潜在的なフレームアセンブリの実施形態を示す線図である。

図１４は、図１３のフレームを示す線図であり、フレームには、１つの圧電結晶がフレームに挿入され、もう１つがマトリクスに導入されている。

図１５は、四面体−八面体ハニカム構造と組み合わせて球形ユニットを利用する、フレームアセンブリの代替の実施形態を示す線図である。

本発明は、柔軟性フレームを使用して互いに結合された複数の剛性コンポーネントを有するモジュール式スペースフレームを有し、柔軟性構造は、剛性構造と同じ強度線に沿ってその強度を維持する。剛性フレームを通ったベクトルに沿って加えられた力は、柔軟性フレームに伝達され、柔軟性フレーム全体に均等に分散される。

フレーム内の柔軟性および剛性のレベルは、材料の選択またはその厚さのいずれかによって変えることができる。提供される柔軟性フレームは、ヒンジまたは継手部として機能するだけでなく、２つ以上の剛性コンポーネント間のクッションまたはショックアブソーバーとしても機能する。

この柔軟なスペースフレーム構造の方法では、単一のモジュラー部品を使用してフレーム全体を構築可能であり、その一実施形態を図１に示す。この方法では、１つの部品を何度も繰り返し使用し、強固で、軽量で、柔軟性を有する。このフレームの構築方法は、スナップ嵌め部品を使用する。たとえば、６つの同一の十字形部材が１つの球状のグループを形成できる。フレームは、接着剤、溶接継手、一体化されていないピン、ネジ、またはその他の恒久的または非恒久的なファスナーを使用せずに構築可能である。とは言っても、必要に応じて、このような固定方法を使用して、接着強度のレベルを上げることができる。

各十字形部材は、２つのコネクタ部品アセンブリコンポーネントを互いに嵌合させることによって、他の同様の部材にスナップ留めする。本発明を説明する際に使用されるように、「ピン」は、十字形部材のより大きな構造に一体化される、通常は円筒形の突起であり、他の同様の部材に取り付ける目的のためのものであると理解される。一方の部材の接続ピンは、もう一方のものの孔に位置わせする。次に、２つは一緒に圧迫され、（１）図６に示す部品７０などの第２の方法による取り付けのためにより大きなコンポーネントを位置合わせするか、（２）完全に挿入したら所定の位置にスナップする。

６つのそのような十字形部材は、それぞれが「ユニット」を有する複数のデザインに位置合わせ、曲げられ、接続され得る。そのようなユニットデザインの例に、６つの凸面を備えた粗球状のユニット５０、６つの凹面を備えた反転ユニット５１、頂部開口の球状ユニット５２がある。

球状のユニットの例では、２つの球体は、球体の周りに間隔を置いて配置された１２個のコネクタ部品アセンブリ３９のいずれかに位置合わせすることができる。これらの位置合わせポイントにより、２つの球を一緒に接続できる。ここでもピンと孔を位置合わせすることにより、２つのユニットをまとめることができる。交点でオーバーロック構造ブロック７０を取り付けることにより、２つの球体を所定の位置に固定することができる（図７を参照）。他のユニットの設計でも同じ取り付け方法を利用できる。さらに多くのユニットを追加して、任意の構成の大きな強い構造を構築できる。完全に構築されたフレームは、単一のユニット設計のみを利用することも、２つ以上のそのような設計を組み込むこともできる。結果として得られるフレーム構造は、柔軟性を維持しながら、さまざまな方法でコネクタロッドを追加および固定して、柔軟性のある構造内の特定の領域に高い剛性を加えることができる。

このスペースフレーム構造の方法は、上述したように、柔軟性フレームと併せて取り付けられた剛性のスペースフレーム構築の方法を採用する。開示された方法は、強く、軽量で剛性のある構造を生成するために、一部品を何度も繰り返して使用する。上記で使用したものとは異なる別の十字形部材が、１２の尖った（６チャンネル）の星型ノードの製造に使用される。この場合、すべて同じ形状とサイズの３つの十字形部材が結合され、１２の尖った星型の１ノードを形成する。この星型のノードは、木、プラスチック、金属、および／または炭素繊維のロッドと組み合わせて使用され、デザインに組み込まれているスナップ嵌め機構を使用して、剛性のあるスペースフレームを形成する。この剛性フレームは、任意で接着剤、溶接継手、一体化されていないピン、ネジ、またはその他の恒久的な留め具を使用せずに構築できる。十字型の各部材は、２つのＣチャンネルで構成される。Ｃチャンネルは、柔軟性のロッドまたは半柔軟性のロッドにスナップまたは端からチャネルに挿入できるように設計されている。柔軟性または半柔軟性ロッドの典型的な材料は、木、プラスチック、金属、ガラス繊維または炭素繊維、または柔軟性も考慮しながら、さまざまな程度の剛性および耐久性を示す他の同様の材料で構成される。柔軟性または半柔軟性ロッドの材料は、所望の柔軟性の程度および所与の構造に予想される応力のレベルを考慮して選択および／または混合される。ノードの目的は、たとえば図１０に示すように、ユーザーが半柔軟性のロッドをスペースフレームに織り込むことを可能にすることである。摩擦によりロッドが所定の位置に保持され、ロッドが軸方向に滑らないように保たれる一方で、剛性のスペースフレームが形成され、それ自体で、またはここで説明する他のフレームと組み合わせて使用される。

出願人の開示された製造方法は、最終製品のコストを高くする複雑な金型および製造プロセスの必要性を取り除く。最終製品は１２面の形状になるため、射出成形または同様のプロセスでは、１２面の金型と、専門的で複雑な製造プロセスが必要になる。したがって、本明細書に記載されているような費用対効果の高い製造プロセスは、大きな市場有用性を有するであろう。

開示された方法は、非熟練作業者がフレームを迅速かつ容易に設置および組み立てることができるように、単純性を提供する。ユニットのサイズが比較的小さい場合、組み立てに必要な工具はほとんどない。そのため、特定のサイズまでのユニットは、工具、溶接、接着剤なしで組み立てることができ、分解も同様に簡単で、工具はほとんど、またはまったく必要でない。

形状記憶合金（ＳＭＡ）および形状記憶ポリマー（ＳＭＰ）は、スペースフレーム発明のコンポーネント、好ましくは十字形部材の十字部品および／またはアームに所望の柔軟性を提供することが知られている。ニッケルチタン、ニッケルアルミニウム、銅アルミニウムニッケル、Ｔｉ−Ｎｂ、Ｔｉ−Ｍｏ、Ｔｉ−Ｖなどのベータチタン合金、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌなどのベータ黄銅合金などのＳＭＡは現在、 医療機器、ロボット工学、工業デザイン、そしてますます建設の分野で使用されている。ＳＭＡで作られた柔軟性のスペースフレームコンポーネントは、一方向または双方向のメモリ効果を示す可能性がある。後者の場合、コンポーネントは、保管と移動を容易にする形状において第１の温度で保管および輸送でき、そのようなコンポーネントは、第２の温度で配置されたとき、例えば宇宙空間の極寒において、別の第２の形状を取る。

いくつかの既知のポリマーおよびコポリマーのタイプは、形状記憶特性を示し、十字形部材を製造するのに有用であり得る。おそらく最もよく知られ研究されているＳＭＰはポリウレタンポリマーであるが、架橋ポリエチレンホモポリマー、スチレン−ブタジエン熱可塑性コポリマー、ポリイソプレン、アクリル酸ステアリルとアクリル酸またはアクリル酸メチルを含むコポリマーのクラス、ノルボルネンまたはジメタンオクタヒドロナフタレンホモポリマーまたはコポリマー、およびスチレンコポリマーも知られている。

ＳＭＰおよびＳＭＡは、過去２０年間で商業的開発の主題であった。ＳＭＰの名前は、形状の変形を受けた後、元の「記憶された」形状に戻る特性に由来する。本発明では、十字型部材のベルト状構造を製造するためのＳＭＡまたはＳＭＰの使用は、それらの部材がそれらのユニット構造内で曲がり、ねじれ、または変形することにより、そうでなければ大きいフレームを損傷または破壊するかもしれない力の適用を吸収し、そのような衝撃が発生した後に元の構成に戻って、フレームの完全性を維持する。

出願人のフレームコンポーネントの構築は、射出成形、３次元印刷、または金属やプラスチックに商業的に使用されている同様の技術を使用して行うことができる。

最終構造は、無限の配置を有することができ、したがって、最終構造が複数の形状を有することを可能にする。

一実施形態は、構造が、球体の面心立方格子および直線格子の四面体−八面体ハニカム、ならびに各ノードの直径が等しい配置に基づいており、四面体−八面体ハニカムの格子と相互接続した球体の空間を埋める配置を形成し、それは、三次元印刷技術を使用して製造できる。（例えば、図１２および図１４を参照）。最終的な構造は、それ自体にぶつかることなく、空きスペースを埋めることができる。類似する四面体−八面体ハニカムデザインの隣接する２つの剛性スペースフレームを、柔軟性フレームと結合することができる。これらの２つの剛性フレームは、同時に移動または独立して揺れ動き、且つ同時に結合されているという利点がある。たとえば、２つの浮遊する剛性構造を結合するときに使用できる。最終的に、２つの剛性構造を結合し、結合したままで独立して移動することが可能である。

工具不要の組み立ての容易さは、困難な環境でも、大規模なプレハブ施工を必要とせずに現場でフレーム構造を構築することを可能にする。これにより、輸送中にフレームをモジュール形式のままにして、積み重ねて収納することが可能になる。同様に、フレームのユニットは、スナップを外して分解することができ、工具をほとんどまたはまったく必要としない。 したがって、単一のユニットを取り外して交換し、最小限の難しさでフレーム全体を再構成できるため、フレームオンサイトのメンテナンスの容易さが向上する。

フレーム構造の構築および再構成の容易さは、フレーム形状を変更する能力、または必要に応じて、ある材料またはタイプのユニットを別のもののユニットに変更する能力を提供する。

より大きなフレームのユニットがバラバラにならないようにするために、形状記憶材料は、コネクタ部品の製造に適さない場合がある。別の実施形態では、コネクタ部品は、既知の硬質合金、セラミック、ポリマー、またはコポリマーで作られ、接着剤、溶接、または同様の応力耐性の取り付け方法などの既知の統合処理によって各アーム端に接続される。

ニチノールまたは圧電結晶のいずれかが最終構造の一方向に沿って導入される場合、温度または電流の変化に伴って構造を曲げることができる。この機能は、リフト、関節から大きな機械的筋肉まで、さまざまな用途に使用できる。マトリックスの機械的制御を導入する手段として、マトリックス内に圧電結晶を使用することが好ましい。圧電結晶は、電流が加えられたときに形状を変化、変形、歪曲、収縮、または拡大させる独特の能力があるため、産業界で周知及び使用されている。結晶のこの特性は、形状を変化させる目的に役立つだけでなく、その結晶はそのサイズと重量に比較できる強い力を明らかに示す。したがって、小さな結晶は、その構造を永久的に劣化させることなく、自重の数倍を持ち上げることができる。欠点としては、これらの結晶の動きと形状変形特性は限界があり、機械的な筋肉としての有用性が限られる。しかし、他の多くの技術にも採用されている。現在、プリンター、コピー機、通信、空気圧機、その他のさまざまな技術で使用されている。本発明は、機械的筋肉におけるそれらの使用を可能にするこれらの結晶の新しい用途を紹介する。

本発明は、その構造全体にわたって「サイト」を使用して、大きな柔軟性フレームを生成することができる。サイトは、柔軟性が遵守され、２点間で圧電結晶を取り付けることができ任意のポイントで作成される。圧電結晶は設計者の要件に応じて任意に導入できる。構造に導入されると、圧電結晶が構造に取り付けられ、固定される。ワイヤーが結晶を電源と制御センターに接続し、動きが必要な場所の結晶に電気を供給する。次に、電力を供給された圧電結晶がフレームを引っ張るか押して、フレーム全体の曲げ、ねじり、収縮、または拡張を開始する。結果として得られる構造は、複雑で重い油圧、空気圧システム、ギア、シフター、リレー、モーター、シャフトを必要とせずに、かなりの量の質量を持ち上げたり移動したりすることができる。さらに、敏感な結晶はフレームの柔軟なクッション性によって保護されているため、過剰な力が加わった場合でも結晶が損傷する危険性は低い。

結果として得られるフレームには、軽量で柔軟性があり、機動性があり、簡単に構築できるという特性があり、また機械的な筋肉として機能することができる。さらに、必要に応じてフレームの任意の部分に剛性を導入できるため、フレームはシミュレートされた骨の特性を持つこともできる。したがって、結果として得られる構造は、剛性骨格系と一緒に機械的な筋肉のシステムを有し、この２つのシステムを結合する機能を備えるため、完成した構造は、すべての特性を備えた統合型筋骨格システムと同様に機能することが可能になる。

圧電結晶用の電源は、既知の商業技術、特にアルカリ電池、リチウムイオンまたは他の既知の化学電池、太陽電池板、またはフレームに適切なサイズおよび取付が可能な他の任意の既知の電源から得ることができる。

宇宙ステーションで使用するためのスペースフレームは、保管手段として使用できると同時に、宇宙の自然力からの保護を提供できる。たとえば、球体の自然な形状を持つ柔軟なフレームは、球状のタンクの配列を保持する手段を提供し、大型の外航船で使用されるのと同様の区画化を提供できる。この配列を使用して水、燃料、および食品を保管する場合、フレームに追加された追加の質量は、小さな流星やおそらく放射線の影響から宇宙ステーションを保護するのに役立つ。損傷が発生した場合も、簡単に修復可能な小さな領域に限定される。失われる積荷は、衝突を受けた船に限定され、残りの船が無傷のままであるので、損失は軽微である。より大きなタンクに同様の事故が発生すると、船全体の保管物が完全に失われる。

本明細書で説明する本発明は、軸線に沿って高度の柔軟性を示すという点で、既知のフレーム技術とは対照的である。例えば、開示されたユニットは、形状記憶コンポーネントのために元の構成に戻る前に、コネクタロッドの１つに沿って軸方向に、またはフレームを横切って半径方向に加えられた力の応力を吸収するように変形する。さらに、製造の方法は既知の技術とは異なり、十字形部材はバネのように曲がり、先端で一緒に取り付けらるが、既知の設計では、ベースに切り込まれたスロット、ピン、ボルト、ねじなどの留め具、または同様の手段が必要である。そのため、このフレームを使用すると、接続ロッド、ピン、またはその他の個別の接続コンポーネントを必要とせずに、任意の構成のユニットを互いに直接結合できる。より大きなフレームに固有の柔軟性により、コンポーネント自体の小さなずれや欠陥も補正される。

出願人のフレームの柔軟性はまた、組み立てられている間にフレームが曲がることを可能にし、さらに構築を容易にする。このフレームは、既知の技術で迅速に製造できる１つの繰り返しユニットを利用し、ユニットを効率的に収納して現場で組み立てることができるため、フレームの製造、流通、組み立て、および保守のコストが低くなる。追加の部品は、より多くの金型、追加のパッケージが必要となり、最終コストを増加させる。

図の詳細な説明
図１は、中央に十字部品２１があり、４つのアーム端部２１のそれぞれに配置された、コネクタ部品３０に向かって外向きに延びる４つの等距離アーム２３を備えた十字形部材２０の腹側の図である。各コネクタ部品は、ほぼ長方形であり、近位面３０ａおよび遠位面３０ｂ、２つの側面３０ｃ、ならびに背面３０ｄ（見えない）および腹面３０ｅを有する。各アーム端部２１は、別の十字型部材２０または様々な用途のために設計された他の継手部に接続するために使用される。各コネクタ部品３０は、対応するアーム２３の上で腹側方向に持ち上げられ、それぞれが、コネクタ部品の遠位面３０ｂから延びる遠位接続ピン３１と、別のコネクタ部品の遠位接続ピンを受け入れるための遠位接続孔３２とを備え、このような遠位接続ピン３１は、スナップ嵌めによって別のコネクタ部品に接続するための出っ張り部３１ａおよび傾斜縁部３１ｂを備える。各コネクタ部品は、長短の側部位置合わせピン３３及び３５と、長短の側部位置合わせ孔３６と３４とからなる一対の相補的なピンと孔を有し、それぞれ腹面３０ｅ上にまたコネクタ部品の位置合わせのために配置され、また、チャネル３７、各側面には半円状突起が設けられている。十字形部材２０は、プラスチック射出成形または３Ｄ印刷によって製造することができる。

図２は、図１に示した十字形部材２０の背側の十字形部材を示している。特に、各コネクタ部品３０の背面３０ｄが描かれており、長短の側部位置合わせ孔３４と３６のそれぞれのそのような背面の開口を示している。

図３は、スナップ嵌め接続を始めている２つのコネクタ部品３０を示し、ここで、各コネクタ部品の遠位接続ピン３１は、反対側のコネクタ部品の遠位接続孔に挿入されている。

図４は、両側から出る２つの単一バレル圧着スリーブ６１と、図示されていない圧着スリーブ穴を通して挿入されたコネクタロッド６０とを有する２つのコネクタ部品３０を示す。コレット機構は、図１０に完全に描かれている。別の実施形態では、圧着スリーブの代わりに接着剤、熱収縮または溶接を使用することができる。柔軟及び剛性フレーム間の接続に正の制御が必要でない限り、圧着スリーブは必ずしも必要ではない。たとえば、接続ポイントが２つの浮遊プラットフォームの間にある場合、設計者は圧着スリーブを使用して、ジョイントでの自由な動きを可能にすることができる。

図５Ａは、６つの十字形部材２０を含む完全に形成された球状ユニット５０を示すものであるが、各部材は、その４つのコネクタ部品３０の遠位接続ピン３１および遠位接続孔３２を使用して他の４つの十字形部材に接続し、これにより、合わせて粗球状になる６つの凸状の十字形面が作成される。この構成では、各コネクタ部品の腹面３０ｅは外側を向いており、背面３０ｄは内側を向いている。この構成では、１２個のコネクタ部品アセンブリ３９が形成されるが、それぞれが２つのコネクタ部品３０で構成され、各コネクタ部品の腹面３０ｅにある長短の接続ピン３３、３５および長短の接続孔３４、３６は外側を向いている。この設計により、球状ユニット５０を他のユニットとさらに接続することが可能になる。

図５Ｂは、図４Ａの球状ユニットの代替構成を示すものであるが、ここで、６つの十字形部材２０のコネクタ部品３０は、各コネクタ部品の腹面３０ｅにある長短の接続ピン３３、３５および長短の接続孔３４、３６を使用して連結される（このような接続部品はすべて図では隠れている）。得られた反転ユニット５１は、６つの十字形の凹面を含み、これらはポイントを形成する１２個のコネクタ部品アセンブリ３９を有する星型の形状を形成し、それぞれが２つの連結コネクタ部品３０を含み、２つの外向きの遠位接続ピン３１と遠位接続孔３２を特徴とし、反転ユニット５１と他のユニットのさらなる接続を可能にする。

図６は、２つの個別の球状ユニット５０のコネクタ部品アセンブリ３９が連結するために近づくときの拡大図を提供するのであり、矢印は、コネクタ部品アセンブリの各長短の接続孔３４、３６と反対側のコネクタ部品アセンブリの対応する長短の接続ピン３３、３５の連結スナップ嵌めを示す。リストされたピンおよび孔は、例えば図７に示されるように、オーバーロックブロック７０を使用して一緒にロックされるコネクタ部品アセンブリを位置合わせされる。

図７は、図５に描かれたプロセスによって接続された２つの球状ユニット５０を示す。

図８は、複数の球状ユニット５０が他の部分的に形成された頂部開口型球状ユニット５２に接続される代替のフレームの実施形態を示す。 頂部開口型球状ユニット５２は、６個ではなく５個の十字形部材２０から形成され、１つの十字形部材２０が頂部開口型球状ユニットから外された状態で、そのような各十字形部材はユニット自体内で固定されずに残り、したがって頂部開口部５２ａが残る。図示のように、複数の頂部開口型球状ユニットは、それぞれのコネクタ部品アセンブリ３９のスナップ嵌め設計を使用して相互接続され、これらのコネクタ部品アセンブリは、オーバーロックブロック７０を使用して適所に固定される。

図９は、軸に沿って螺旋状十字形部材のアーム４２のそれぞれに切り込まれたｃチャンネル４４を備えた単一の螺旋状十字形部材４１を示す。図はまた、他の同様の十字形部材の挿入を可能にするインターフェース継手部４５および溝４３を示す。インターフェース継手部４５は、他の同様の十字形部材を受け入れる部分である。３つの類似部材はすべて、この軸に沿って整列および設定される。部材のアーム４２に対して垂直に切り欠かれた溝４３によって、各溝が別の同様の部材の溝と整列するようになる。これらの溝は、他の同様の部材のアームに取り外し可能にスナップして保持するように特別に形作られている。

図１０は、ノード４０の分解図を示す。このようなノードは、螺旋状の３つの十字形部材４１からなり、それらのすべては、他の２つの接合部のそれぞれで接合する。次に、これらの３つの十字形部材は、スナップ嵌め機構を利用して所定の位置にロックされるが、ここで１つの部材のアームに軽い張力が適用され、各スナップ嵌め機構は、連結溝４３に組み込まれる。各溝の端に螺旋状の十字形部材出っ張り部４６が配置されて連結された部材の意図しない外れを防ぐ。

図１１は、完全に形成されたノード４０を示す。各１２のとがったノードには、３つの内部チャネル４７と３つの外部チャネル４８を含む６つのチャネルがあり、これらはすべて交差点４９の中心点の１つを中心に方向が異なる。このノードは、スナップ嵌め機構により保持され、各ノードを後で分解し、構成部品に分解することができる。ただし、必要に応じて、接着剤、接着剤、または溶接を使用してノードを恒久的に固定することができる。

図１２は、四面体−八面体ハニカム構造を形成するために一緒に接合された接続ロッド６０と共に、一組の６つのノード４０を示す。各ノードには、６つのチャネル４７、４８のそれぞれを通る合計６つの接続ロッドを有する。ロッドは構造物の全長にわたり、いくつかのノードを貫通する。Ｃチャンネル４４のギャップは、ロッドの直径よりもかなり小さい。したがって、ロッドを押してチャネルにスナップできます。摩擦により、ノードが軸方向に滑り落ちるのを防ぐ。ロッドがチャネルに沿って軸方向に移動しようとすると、チャネルのねじれ曲率により、大きな摩擦が生じます。したがって、この摩擦により、ロッドの軸方向の動きが妨げられるが、軸方向の動きにある程度の自由度が生じ得る。ロッドを固定して軸方向の動きを防ぐために、２つの圧着スリーブ６１を接続ロッド６０に圧着できる。このようなスリーブの１つは各アームの端に取り付ける。圧着スリーブの使用は、設計者またはエンジニアの裁量によるものであり、絶対に必要というわけではない。
図１３は、球状ユニット５０、反転ユニット５１、および接続ロッド保持ノード４０を含む、本明細書に記載されるような複数の連結ユニットからなるフレームを示す。

図１４は、２つの圧電結晶と共に図１３のものと同じフレームを示す。 １つの結晶はフレームに取り付けられ、もう１つの結晶は現場でフレームに取り付けられる。この場合、サイトは２つの隣接するコネクタ部品アセンブリ３９の間にあり、中空の直方体で示される。図６は、連結されたときに球状ユニット５０を形成する６つの連結十字形部材２０からなる代替構成を示す。

図１５は、八面体ユニット５４内に配置された複数の球状ユニット５０の代替実施形態を示し、柔軟性と剛性の両方の特性を備えた単一の構造として機能するハニカムフレームを形成する。

（参照符号の一覧）
１０ フレームシステム
２０ 十字形部材
２１ アーム端部
２２ 十字部品
２３ アーム
３０ コネクタ部品
３０ａ 近位面
３０ｂ 遠位面
３０ｃ 側面
３０ｄ 背面
３０ｅ 腹面
３１ 遠位接続ピン
３１ａ 出っ張り部
３１ｂ 傾斜縁部
３２ 遠位接続孔
３３ 側部位置合わせピン（長）
３４ 側部位置合わせ孔（短）
３５ 側部位置合わせピン（短）
３６ 側部位置合わせ孔（長）
３７ チャネル
３７ａ ロッド孔
３８ 半円状突起
３９ コネクタ部品アセンブリ
４０ ノード
４１ 螺旋状十字形部材
４２ 螺旋状十字形部材アーム
４３ 溝
４４ Ｃ−チャネル
４５ インターフェース継手部
４６ 螺旋状十字形部材出っ張り部
４７ 内部チャネル
４８ 外部チャネル
４９ 交差点
５０ 球状ユニット
５１ 反転ユニット
５２ 頂部開口型球体ユニット
５２ａ 頂部開口
５３ 星型ユニット
５４ 八面体ユニット
６０ コネクタロッド
６１ 圧着スリーブ
７０ オーバーロックブロック

本明細書に引用される参考文献は、特にそれらが当技術分野における通常の技能のレベルの教示、および請求される発明の主題の一般的な理解に必要な任意の開示に関連するため、全体として本明細書に組み込まれる。本発明の範囲から逸脱することなく、上記の実施形態が変更されてもよいこと、または実質的でない変更が行われてもよいことは、当業者には明らかであろう。 したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲およびそれらの同等物によって決定される。

Claims (14)

1. スペースフレームを構築するための十字形部材であって、それぞれが遠位端に向かって外側に伸びる４つの等距離のアームを備えた十字部品を有し、各端は他のコネクタ部品と連結するように設計された統合コネクタ部品を備え、各コネクタ部品は、ロック用の出っ張り部と傾斜縁部を備えた遠位接続ピンと、遠位接続孔と、短い側部位置合わせピンと、短い側部位置合わせ孔と、長い側部位置合わせピンと、長い側部位置合わせ孔と、チャンネルと、半円状突起とを有し、前記コネクタ部品の一対が、前記側部位置合わせピンおよび前記側部位置合わせ孔を使用して連結し、２つの遠位接続ピンおよび２つの遠位接続孔を有するコネクタ部品アセンブリを形成するものである、十字形部材。
2. 請求項１記載の十字形部材において、前記十字形部材は、形状記憶合金、形状記憶ポリマーまたは形状記憶コポリマーを含む群からの耐久性があるが柔軟性を有する材料で構成されるものである、十字形部材。
3. 請求項１記載の十字形部材において、形状記憶合金、形状記憶ポリマーまたは形状記憶コポリマーからなる群から製造される十字部品と４つのアームと、非形状記憶金属合金またはポリマーから製造される４つのコネクタ部品と、を有するものである、十字形部材。
4. 請求項１記載の十字形部材において、前記十字形部材は、射出成形されたプラスチックから作られるものである、十字形部材。
5. 請求項１記載の十字形部材において、前記十字形部材が三次元印刷によって製造されるものである、十字形部材。
6. 請求項１記載の十字形部材において、前記コネクタ部品は、付加された圧力のみを使用して互いにかみ合うように連結する、十字形部材。
7. 複数のフレームユニットを有するスペースフレームであって、前記ユニットのそれぞれは、これらのそれぞれのコネクタ部品アセンブリ間でスナップ嵌め接続によって接続され、前記ユニットは、
   （ｉ）請求項１に記載の十字形部材６個から構成された球体ユニットであって、各コネクタ部品は、別のコネクタ部品と連結し、合計１２のコネクタ部品アセンブリと６つの凸面を形成し、コネクタ部品の各対は、前記遠位接続ピンと遠位接続孔を使って連結し、２つの長い側部ピンと、２つの短い側部ピンと、２つの長い側部孔、２つの短い側部孔を有するコネクタ部品アセンブリを形成する、球体ユニットと、
   （ｉｉ）各十字形部材が反転し、６つの凹面ができる反転ユニットであって、コネクタ部品の各対が、側部位置合わせピンを対応する側部位置合わせ孔に挿入することで連結し、１２個のコネクタ部品アセンブリを形成し、各コネクタ部品アセンブリは、２つのオーバーロックブロックによってロックされ、２つの遠位接続ピンと２つの遠位接続孔を有する、反転ユニットと、
   からなる群から選択されるものである、スペースフレーム。
8. 請求項７記載のスペースフレームにおいて、複数の四面体ユニットを有し、各四面体ユニットの内部に球状ユニットが配置されるものである、スペースフレーム。
9. 請求項７記載のスペースフレームにおいて、複数の八面体ユニットを有し、各八面体ユニットの内部に球状ユニットが配置されているものである、スペースフレーム。
10. 請求項７に記載のスペースフレームを製造する方法であって、
    （１）前記十字部品と４つのアームは形状記憶合金、形状記憶ポリマーまたは形状記憶コポリマーの群から、４つのコネクタ部品は非形状記憶金属合金またはポリマーからそれぞれ形成して、請求項１に記載の十字形部材を製造する工程と、
    （２）フレームユニットを作成する工程であって、このフレームユニットは
    （ｉ）６つの十字形部材で構成された球状ユニットであって、各コネクタ部品が別のコネクタ部品と連結されて、合計１２のコネクタ部品アセンブリと６つの凸面を形成し、コネクタ部品の各対は、前記遠位接続ピンと遠位接続孔を使用して連結して、２つの長い側部ピン、２つの短い側部ピン、２つの長い側部孔、２つの短い側部孔を備えたコネクタ部品アセンブリを形成する、球状ユニットと、
    （ｉｉ）各十字形部材が反転し、６つの凹面を形成する反転ユニットであって、コネクタ部品の各対は、側部位置合わせピンを対応する側部位置合わせ孔に挿入することにより相互にかみ合い、１２のコネクタ部品アセンブリを形成し、各コネクタ部品アセンブリは２つの遠位接続ピンと２つの遠位接続孔を備え、最後に２つのオーバーロックブロックのスナップ嵌め覆いでコネクタ部品を連結する、反転ユニットと、からなる群から得られたものである、作成する工程と、
    （３）前記ユニットのそれぞれを１または複数の他のユニットに、前記ユニットのそれぞれのコネクタ部品アセンブリ間のスナップ嵌め接続によって、接続する工程と、
    を有するものである、方法。
11. スペースフレームを構築するためのノードであって、２つ以上の螺旋状の十字形部材を有し、各部材は４つのアームを備え、各部材は、２つ以上の前記部材がインターフェース継手部で可逆的に連結することを可能にする１つ以上の溝を有し、各アームは、軸に沿ってカットされたＣチャンネルを含み、これにより各アームは、前記ノードを他のノードに接続するためのロッドを収容するものである、ノード。
12. 請求項１１に記載のノードにおいて、合計１２のアームを含む３つの十字形部材を有し、それにより他のノードへの１２の取り付け点を有するものである、ノード。
13. 請求項１１に記載のノードにおいて、各十字形部材は、形状記憶合金、形状記憶ポリマーまたは形状記憶コポリマーからなる群から製造されるものである、ノード。
14. 請求項１１に記載のノードにおいて、各十字形部材は、溶融、接着剤または同様の結合を使用して永久的に取り付けられるものである、ノード。

Images