專利名稱：一種正六面體對稱型可展機構(gòu)單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機構(gòu)與可展結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種正六面體對稱型可展機構(gòu)單元。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)60年代，西班牙建筑師PineiO成功將結(jié)構(gòu)展開-折疊的思想引入到開合屋頂?shù)脑O(shè)計中。隨后，隨著大跨空間結(jié)構(gòu)、航空航天技術(shù)的快速發(fā)展，可展結(jié)構(gòu)的研究成為建筑結(jié)構(gòu)、航空航天、軍事工程等 領(lǐng)域的熱點內(nèi)容，而基于剪鉸式單元構(gòu)建的可展結(jié)構(gòu)應(yīng)用較為廣泛，得到了國內(nèi)外研究人員的關(guān)注?，F(xiàn)有文獻及相關(guān)發(fā)明專利從機構(gòu)學(xué)角度對一些剪鉸式單元組成的可展結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)型、可展開性能、力學(xué)性能等進行了研究。但是，除了剪鉸式單元以外，目前可作為基本組成單元構(gòu)建可展結(jié)構(gòu)的機構(gòu)單元類型非常有限，難以設(shè)計出新型可展結(jié)構(gòu)。因此，設(shè)計一種新型的可展機構(gòu)單元，對于豐富可展結(jié)構(gòu)的多樣性、拓寬可展結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用前景將具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種用于構(gòu)建新型可展結(jié)構(gòu)的正六面體對稱型可展機構(gòu)單元。技術(shù)方案本發(fā)明的正六面體對稱型可展機構(gòu)單元，由32個三桿相交連接節(jié)點和48根等長的連桿單元構(gòu)建而成，包括兩個完全相同且對稱設(shè)置的空間構(gòu)型，兩個空間構(gòu)型之間用連桿單元連接，每個空間構(gòu)型由16個三桿相交連接節(jié)點和20根連桿單元構(gòu)建而成，包括一個正方形和位于正方形外側(cè)的四個六邊體，四個六邊體分別與正方形共用一個邊，兩相鄰的六邊體共用一個邊，兩相鄰六邊體共用邊的一端與正方形的頂點連接；兩個空間構(gòu)型的不在共用邊上的三桿相交連接節(jié)點相對，兩相對的三桿相交連接節(jié)點之間均通過連桿單元連接，將兩個空間構(gòu)型連接為整體；三桿相交連接節(jié)點上均設(shè)置有三個轉(zhuǎn)動副，三桿相交連接節(jié)點通過三個轉(zhuǎn)動副分別與三根連桿單元連接，每個連桿單元的兩端分別與不同的連接節(jié)點通過轉(zhuǎn)動副連接；每個三桿相交連接節(jié)點上的三個轉(zhuǎn)動副的軸心線位于同一平面，且三個轉(zhuǎn)動副的軸心線相交而成三角形，轉(zhuǎn)動副的連桿安裝位置位于所在三角形邊的中點處，連桿單元垂直于所連接的轉(zhuǎn)動副的軸心線；32個三桿相交連接節(jié)點分為8個第一類型節(jié)點和24個第二類型節(jié)點，第一類型節(jié)點的三個轉(zhuǎn)動副軸心線相交而成的三角形為等邊三角形，第二類型節(jié)點的三個轉(zhuǎn)動副軸心線相交而成的三角形為等腰直角三角形；空間構(gòu)型的正方形由4個第二類型節(jié)點和4根連桿單元連接而成，六邊體由2個第一類型節(jié)點、4個第二類型節(jié)點和6根連桿單元連接而成，2個第一類型節(jié)點分別位于與相鄰六邊體共用的邊上，且在不與正方形頂點連接的一端。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點現(xiàn)有可展體系主要基于剪鉸式單元形成二維或簡單的三維體系，而本發(fā)明基于正六面體幾何，屬于三維可展體系，并具有單自由度運動特征，可由緊湊的折疊狀態(tài)轉(zhuǎn)換為大體積展開狀態(tài)，且整個運動過程連續(xù)、可重復(fù)，并保持正六面體型對稱。在完全折疊狀態(tài)下，與第一類型連接節(jié)點相連的三根連桿相互緊密接觸，收納率高，便于存儲和運輸；在完全展開狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)具有較大的工作空間，且呈現(xiàn)出正六面體對稱型幾何，造型美觀。本發(fā)明機構(gòu)單元在展開或折疊過程中，只涉及到剛體平動與剛體轉(zhuǎn)動，未引起連接桿件的非協(xié)調(diào)應(yīng)變。另一方面，本機構(gòu)單元僅由連桿和轉(zhuǎn)動副構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，便于折疊和展開。


圖I為本發(fā)明的正六面體對稱型可展機構(gòu)單元的三維示意圖。圖2為本發(fā)明的正六面體對稱型可展機構(gòu)單元的兩種不同類型連接節(jié)點的示意圖。 圖3為本發(fā)明的正六面體對稱型可展機構(gòu)單元中正方形和相鄰四個六邊體構(gòu)成的一個空間構(gòu)型示意圖。圖4為本發(fā)明的正六面體對稱型可展機構(gòu)單元的連桿示意圖。圖5為本發(fā)明的正六面體對稱型可展機構(gòu)單元的第一類型連接節(jié)點示意圖。圖6為本發(fā)明的正六面體對稱型可展機構(gòu)單元的第二類型連接節(jié)點示意圖。圖7a f為一種正六面體對稱型可展機構(gòu)單元的運動過程示意圖，其中圖7a為完全折疊狀態(tài)，圖7b、7c為結(jié)構(gòu)第一類型節(jié)點逐漸向外部伸展時的中間狀態(tài)，圖7d為完全展開狀態(tài)，圖7e為結(jié)構(gòu)第二類型節(jié)點逐漸向結(jié)構(gòu)中心點靠攏時的中間狀態(tài)，圖7f為結(jié)構(gòu)第一類型節(jié)點運動至最外側(cè)時所形成的收攏狀態(tài)。其中1為三桿相交連接節(jié)點，2為連桿，3為轉(zhuǎn)動副，4為由連桿構(gòu)成的正方形，5為由連桿組成的六邊體，11為第一類型節(jié)點，12為第二類型節(jié)點。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例和附圖，對本發(fā)明做進一步的說明圖I為本發(fā)明正六面體對稱型可展機構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)示意圖，包括32個三桿相交連接節(jié)點I和48根等長的連桿單元2構(gòu)建而成，具體包括兩個完全相同且對稱設(shè)置的空間構(gòu)型，兩個空間構(gòu)型之間用連桿單元2連接，圖3為本發(fā)明中一個空間構(gòu)型的示意圖，如圖所示，每個空間構(gòu)型由16個三桿相交連接節(jié)點I和20根連桿單元2構(gòu)建而成，包括一個正方形4和位于正方形外側(cè)的四個六邊體5，四個六邊體5分別與正方形4共用一個邊，兩相鄰的六邊體5共用一個邊，兩相鄰六邊體5共用邊的一端與正方形4的頂點連接；兩個空間構(gòu)型的不在共用邊上的三桿相交連接節(jié)點I相對，兩相對的三桿相交連接節(jié)點I之間均通過連桿單元2連接，將兩個空間構(gòu)型連接為整體；空間構(gòu)型的正方形4由4個第二類型節(jié)點12和4根連桿單元2連接而成，六邊體5由2個第一類型節(jié)點11、4個第二類型節(jié)點12和6根連桿單元2連接而成，2個第一類型節(jié)點11分別位于與相鄰六邊體5共用的邊上，且在不與正方形4頂點連接的一端。圖4為本發(fā)明的正六面體對稱型可展機構(gòu)單元的連桿示意圖，連桿單元2的兩端分別借助轉(zhuǎn)動副3連接到三桿相交連接節(jié)點I上。如圖5、圖6所示，本發(fā)明可展機構(gòu)單元中連接節(jié)點I上的各個轉(zhuǎn)動副3位于同一平面，且三個轉(zhuǎn)動副3的軸心線相交而成三角形，轉(zhuǎn)動副3的連桿安裝位置位于所在三角形各邊的中點處，連桿單元2垂直于所連接的轉(zhuǎn)動副3的軸心線，從而確保與轉(zhuǎn)動副3相連的連桿相交于同一點。如圖2所示，三桿相交連接節(jié)點I包括兩種類型，其中第一類型節(jié)點11為三個六邊體5的共用頂點，第二類型節(jié)點12為正方形4與相鄰兩個六邊體5的共用頂點。本發(fā)明的正六面體對稱型可展機構(gòu)單元具有8個第一類型節(jié)點11和24個第二類型節(jié)點12。第一類型節(jié)點11中三個轉(zhuǎn)動副3的軸心線互相夾角為60°，構(gòu)成等邊三角形，第二類型節(jié)點12中三個轉(zhuǎn)動副3的軸心線相交構(gòu)成等腰直角三角形。連桿單元2可由不銹鋼等硬質(zhì)材料制作而成，且各連桿長度相等。本發(fā)明的正六面體對稱型可展機構(gòu)單元中，各轉(zhuǎn)動副3的軸心線不但垂直于與之相連接的連桿單元2的軸心線，并且具有垂直于可展機構(gòu)單元幾何中心與連桿單元2中點之間連線的特性。圖7a f所示為本發(fā)明正六面體對稱型可展機構(gòu)單元的運動過程示意圖，其中圖·7a為結(jié)構(gòu)完全折疊狀態(tài)，此時所占用空間最小，結(jié)構(gòu)可靠、并便于存儲和運輸；圖7b、7c為結(jié)構(gòu)第一類型節(jié)點逐漸向外部伸展時的中間狀態(tài)；圖7d為結(jié)構(gòu)完全展開狀態(tài)，此時結(jié)構(gòu)的工作空間最大；圖76為結(jié)構(gòu)第二類型節(jié)點逐漸向結(jié)構(gòu)中心點靠攏時的中間狀態(tài)，而圖7f為結(jié)構(gòu)第一類型節(jié)點運動至最外側(cè)時所形成的收攏狀態(tài)。結(jié)構(gòu)的整個折疊-展開運動過程是連貫、可重復(fù)的，并且結(jié)構(gòu)在運動過程中始終保持正六面體型對稱。
權(quán)利要求
1.一種正六面體對稱型可展機構(gòu)單元，其特征在于，該可展機構(gòu)單元由32個三桿相交連接節(jié)點(I)和48根等長的連桿單元(2)構(gòu)建而成，包括兩個完全相同且對稱設(shè)置的空間構(gòu)型，所述的兩個空間構(gòu)型之間用連桿單元(2)連接，每個空間構(gòu)型由16個三桿相交連接節(jié)點(I)和20根連桿單元(2)構(gòu)建而成，包括一個正方形(4)和位于所述正方形外側(cè)的四個六邊體(5)，所述四個六邊體(5)分別與正方形(4)共用一個邊，兩相鄰的六邊體(5)共用一個邊，所述兩相鄰六邊體(5)共用邊的一端與正方形(4)的頂點連接；兩個空間構(gòu)型的不在共用邊上的三桿相交連接節(jié)點(I)相對，兩相對的三桿相交連接節(jié)點(I)之間均通過連桿單元(2)連接，將兩個空間構(gòu)型連接為整體； 所述三桿相交連接節(jié)點(I)上均設(shè)置有三個轉(zhuǎn)動副(3)，三桿相交連接節(jié)點(I)通過三個轉(zhuǎn)動副(3)分別與三根連桿單元(2)連接，每個所述連桿單元(2)的兩端分別與不同的連接節(jié)點(I)通過轉(zhuǎn)動副(3)連接； 每個三桿相交連接節(jié)點(I)上的三個轉(zhuǎn)動副(3)的軸心線位于同一平面，且三個轉(zhuǎn)動畐O (3)的軸心線相交而成三角形，轉(zhuǎn)動副(3)的連桿安裝位置位于所在三角形邊的中點處，連桿單元(2)垂直于所連接的轉(zhuǎn)動副(3)的軸心線； 32個三桿相交連接節(jié)點(I)分為8個第一類型節(jié)點(11)和24個第二類型節(jié)點(12)，所述第一類型節(jié)點的三個轉(zhuǎn)動副(3)軸心線相交而成的三角形為等邊三角形，所述第二類型節(jié)點的三個轉(zhuǎn)動副(3)軸心線相交而成的三角形為等腰直角三角形； 所述空間構(gòu)型的正方形(4)由4個第二類型節(jié)點(12)和4根連桿單元(2)連接而成，六邊體(5)由2個第一類型節(jié)點(11 )、4個第二類型節(jié)點(12)和6根連桿單元(2)連接而成，所述2個第一類型節(jié)點(11)分別位于與相鄰六邊體(5)共用的邊上，且在不與正方形(4)頂點連接的一端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種正六面體對稱型可展機構(gòu)單元，由32個三桿相交連接節(jié)點和48根連桿單元構(gòu)建而成，包括兩個完全相同且對稱設(shè)置的空間構(gòu)型，兩個空間構(gòu)型之間用連桿單元2連接，其中各連接節(jié)點采用轉(zhuǎn)動副分別連接三根連桿單元。三桿相交節(jié)點包括8個第一類型節(jié)點和24個第二類型節(jié)點，其中第一類型節(jié)點的三根轉(zhuǎn)動副軸線構(gòu)成等邊三角形，第二類型節(jié)點的三根轉(zhuǎn)動副軸線構(gòu)成等腰直角三角形。本發(fā)明所公開的可展機構(gòu)單元僅由連桿和轉(zhuǎn)動副構(gòu)成，結(jié)構(gòu)制作簡單，幾何造型美觀，可便捷、重復(fù)地進行折疊和展開。
文檔編號E04B1/344GK102912853SQ20121039807
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月18日
發(fā)明者陳耀, 馮健 申請人:東南大學(xué)