一种基于四个球面四连杆机构的单自由度可折展管状结构制造技术

本发明专利技术公开一种基于四个球面四连杆机构的单自由度可折展管状结构，包括八个面，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；所述第一面、第二面、第三面、第四面首尾依次相连组成第一棱柱，所述第五面、第六面、第七面、第八面首尾依次相连形成第二棱柱，所述第二棱柱设置于第一棱柱的下方；第二棱柱顶部的四条边与第一棱柱底部的四条边相连形成一空间四边形；本发明专利技术可实现空间结构与空间结构、平面结构与平面结构或空间结构与平面结构间的转换，部分情况可实现完全折叠或展开。本发明专利技术自由度为1，可以通过单一驱动完成折叠和展开动作，结构较简单，安装使用较方便，运动可靠。运动可靠。运动可靠。

【技术实现步骤摘要】
一种基于四个球面四连杆机构的单自由度可折展管状结构


[0001]本专利技术涉及可折展的管状结构领域，特别是涉及一种单自由度、多层的基于折纸结构的可折展管状结构。

技术介绍

[0002]管状结构因其中空轻质的特点，在航空航天、建筑结构、艺术品和日常生活中得到了广泛地应用，但由于其占用空间大、不变运输等特点，往往只能用于固定场合，制约了其在诸多领域的使用。
[0003]空间可折展结构是随航天科技的发展而诞生的一种新型结构，它在发射过程中处于折叠收纳状态，体积容量较小；入轨后，可折展结构可按设计展开成较大的运营工作状态；返回或回收时，该结构可再次折叠收拢进入飞船。采用过约束机构为基本单元的空间可展结构有着高刚性，制造简单，成本低，可靠性高等优势。
[0004]现有的空间可折展结构主要涉及平面或曲面上的折展，如太阳能帆板、卫星天线，而涉及体积方面的折展机构主要采用非刚性变形得到，变形过程不利于控制且不易重复操作，现有采用刚性变形的体状可展结构要么结构复杂，如C.M.Gosselin和D.Gagnon
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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；要么不能实现完全折叠，如Kiper and在2009年提出的可折展多面体。所以，体状可展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例不大等不足。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种单自由度、多层的可展管状结构。该可展管状结构折叠时体积较小便于运输，按要求打开为工作状态时，工作空间较大；整个结构只具有一个自由度，运动控制简单；具有生产加工简单，运动控制方便，可靠性高等优点，尤其适于在包装、收纳、土木结构和航空航天等众多领域中具有重要意义和广泛的应用前景。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007]一种基于四个球面四连杆机构的单自由度可折展管状结构，包括八个面，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；所述第一面、第二面、第三面、第四面首尾依次相连组成第一棱柱，所述第五面、第六面、第七面、第八面首尾依次相连形成第二棱柱，所述第二棱柱设置于第一棱柱的下方；第二棱柱顶部的四条边与第一棱柱底部的四条边相连形成一空间四边形；
[0008]所述第一面第二边与第二面第四边相邻并通过第一转动副相互连接；所述第二面第二边与第三面第四边相邻并通过第二转动副相互连接；所述第三面第二边与第四面第四边相邻并通过第三转动副相互连接；所述第一面第四边与第四面第二边相邻并通过第四转动副相互连接；所述第五面第二边与第六面第四边相邻并通过第五转动副相互连接；所述第六面第二边与第七面第四边相邻并通过第六转动副相互连接；所述第七面第二边与第八
面第四边相邻并通过第七转动副相互连接；所述第五面第四边与第八面第二边相邻并通过第八转动副相互连接；所述第一面第三边与第五面第一边相邻并通过第九转动副相互连接；所述第二面第三边与第六面第一边相邻并通过第十转动副相互连接；所述第三面第三边与第七面第一边相邻并通过第十一转动副相互连接；所述第四面第三边与第八面第一边相邻并通过第十二转动副相互连接；
[0009]所述第一转动副轴线、第二转动副轴线、第三转动副轴线、第四转动副轴线相互平行；所述第五转动副轴线、第六转动副轴线、第七转动副轴线、第八转动副轴线相互平行；
[0010]所述第一面、第二面、第六面、第五面依次由第一转动副、第十转动副、第五转动副、第九转动副相连构成第一球面四连杆机构，所述第二面、第三面、第七面、第六面依次由第二转动副、第十一转动副、第六转动副、第十转动副相连构成第二球面四连杆机构，所述第三面、第四面、第八面、第七面依次由第三转动副、第十二转动副、第七转动副、第十一转动副相连构成第三球面四连杆机构，所述第四面、第一面、第五面、第八面依次由第四转动副、第九转动副、第八转动副、第十二转动副相连构成第四球面四连杆机构；
[0011]所述第一球面四连杆机构与第二球面四连杆机构共用所述第十转动副，所述第二球面四连杆机构与第三球面四连杆机构共用所述第十一转动副，所述第三球面四连杆机构与第四球面四连杆机构共用所述第十二转动副，所述第一球面四连杆机构与第四球面四连杆机构共用所述第九转动副；
[0012]定义每个面的平面展开图中的左上角、右上角、右下角和左下角分别为第一角、第二角、第三角和第四角；其中第一面的第三角与第六面的第一角角度之和为180
°
，第二面的第四角与第五面的第二角角度之和为180
°
，第三面的第三角与第八面的第一角角度之和为180
°
，第四面的第四角与第七面的第二角角度之和为180
°
；
[0013]该单自由度可折展管状结构的折叠与展开围绕着第九转动副、第十转动副、第十一转动副与第十二转动副进行。折叠时，所述第一面、第五面绕第九转动副转动且两面间夹角逐渐减小，所述第二面、第六面绕第十转动副转动且两面间夹角逐渐减小，所述第三面、第七面绕第十一转动副转动且两面间夹角逐渐减小，所述第四面、第八面绕第十二转动副转动且两面间夹角逐渐减小。
[0014]进一步的，可折展管状结构的各个组成面为平行四边形、梯形或二者的组合。
[0015]进一步的，改变所述可折展管状结构的参数能够实现不同的展开形式与折叠形式，所述参数包括各组成面的角度及空间四边形边长。
[0016]进一步的，通过改变可折展管状结构中相邻面的夹角实现空间体状结构与空间体状结构、平面结构与平面结构或空间体状结构与平面结构间的相互转换。
[0017]进一步的，可折展管状结构能够实现在轴向上的排布延伸。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的技术方案所带来的有益效果是：
[0019]1.本专利技术可实现空间结构与空间结构、平面结构与平面结构或空间结构与平面结构间的转换，部分情况可实现完全折叠或展开。
[0020]2.本专利技术自由度为1，可以通过单一驱动完成折叠和展开动作，结构较简单，安装使用较方便，运动可靠。
[0021]3.本专利技术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，转动副大小可以根据要求随时调节，可以在实际要求下任意选择安装驱动位置。
[0022]4.本专利技术展开后结构稳定，具有一定的承载能力；折叠后体积较小且结构稳定，便于运输和保存。在折叠或展开过程中，管状结构存在着较大的内部空间。
附图说明
[0023]图1
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1为本专利技术实施例一的一种由四个球面连杆机构组合而成的可折展管状结构的零件组成及平面展开图。
[0024]图1
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2、图1
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3分别是本专利技术具体实施例一的管状结构的完全展开状态和完全折叠状态的示意图。该结构完全展开状态与完全折叠状态均为多边形平面形结构。
[0025]图1
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4至图1
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于四个球面四连杆机构的单自由度可折展管状结构，其特征在于，包括八个面，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；所述第一面、第二面、第三面、第四面首尾依次相连组成第一棱柱，所述第五面、第六面、第七面、第八面首尾依次相连形成第二棱柱，所述第二棱柱设置于第一棱柱的下方；第二棱柱顶部的四条边与第一棱柱底部的四条边相连形成一空间四边形；所述第一面第二边与第二面第四边相邻并通过第一转动副相互连接；所述第二面第二边与第三面第四边相邻并通过第二转动副相互连接；所述第三面第二边与第四面第四边相邻并通过第三转动副相互连接；所述第一面第四边与第四面第二边相邻并通过第四转动副相互连接；所述第五面第二边与第六面第四边相邻并通过第五转动副相互连接；所述第六面第二边与第七面第四边相邻并通过第六转动副相互连接；所述第七面第二边与第八面第四边相邻并通过第七转动副相互连接；所述第五面第四边与第八面第二边相邻并通过第八转动副相互连接；所述第一面第三边与第五面第一边相邻并通过第九转动副相互连接；所述第二面第三边与第六面第一边相邻并通过第十转动副相互连接；所述第三面第三边与第七面第一边相邻并通过第十一转动副相互连接；所述第四面第三边与第八面第一边相邻并通过第十二转动副相互连接；所述第一转动副轴线、第二转动副轴线、第三转动副轴线、第四转动副轴线相互平行；所述第五转动副轴线、第六转动副轴线、第七转动副轴线、第八转动副轴线相互平行；所述第一面、第二面、第六面、第五面依次由第一转动副、第十转动副、第五转动副、第九转动副相连构成第一球面四连杆机构，所述第二面、第三面、第七面、第六面依次由第二转动副、第十一转动副、第六转动副、第十转动副相连构成第二球面四连杆机构，所述第三面、第四面、第八面、第七面依次由第三转动副、第十二转动副、第七转动副、第十一转动副相连构成第三球面四连杆机构，所述第四面、第一面、第五面、第八面依次由第四转动副、第九转动副、第八转动副、第十二转动副相连构成第四球面四连杆机构；所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈焱，李梦岳，马家耀，周志勇，余晨帆，郝宝新，高峰，李小琪，许久远，鲍煊，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：