本實(shí)用新型涉及一種可折展的框架結(jié)構(gòu)，具體的說(shuō)，是涉及一種由單一驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)折疊和展開(kāi)的大折展比的六棱柱框架結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

多面體結(jié)構(gòu)有構(gòu)成簡(jiǎn)單、對(duì)稱性好等優(yōu)點(diǎn)，在建筑、航天航空、藝術(shù)、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮著支撐、變形、美化等重要的作用，其中的典型代表是“水立方”的基于氣泡理論的多面體空間鋼架結(jié)構(gòu)。

框架結(jié)構(gòu)自重輕，延展性好等優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，空間可折展框架在逐步的發(fā)展成熟，就星載可展天線而言，框架結(jié)構(gòu)追求重量盡可能輕并且收攏體積盡可能小，以便裝載入飛船和運(yùn)輸，在特定位置按要求打開(kāi)為中作狀態(tài)，工作空間較大，回收時(shí)折疊收攏為小體積狀態(tài)，由飛船載回。空間可展框架因其優(yōu)越的折展性能，越來(lái)越受到航天航空領(lǐng)域的青睞。采用過(guò)約束機(jī)構(gòu)為基本單元的空間可展框架自由度少，剛性高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于制造，制造成本低，可靠性高。

現(xiàn)有的空間可折展結(jié)構(gòu)主要包括鉸鏈可展結(jié)構(gòu)、桿狀可展結(jié)構(gòu)、面狀可展結(jié)構(gòu)和體狀可展結(jié)構(gòu)，其中桿狀可展結(jié)構(gòu)目前應(yīng)用最為廣泛，應(yīng)用于定位以及支撐，如太陽(yáng)能帆、星載天線、建筑頂棚、磁強(qiáng)針等，而體狀可展結(jié)構(gòu)目前應(yīng)用還比較少，并且存在不能完全折疊和折疊展開(kāi)比例不大等不足。

2009年，Chen和You提出了一種線面對(duì)稱的Bricard 6R結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在折展過(guò)程中運(yùn)動(dòng)路徑唯一，折展過(guò)程可靠，如若作為太陽(yáng)能毯的支撐結(jié)構(gòu)，展開(kāi)后工作空間較小。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種由沒(méi)有分叉的線面對(duì)稱的桿件結(jié)構(gòu)構(gòu)成的實(shí)現(xiàn)折疊和展開(kāi)兩種穩(wěn)態(tài)的且安裝和操作過(guò)程簡(jiǎn)單的可折展六棱柱框架結(jié)構(gòu)，該框架結(jié)構(gòu)通過(guò)約束兩個(gè)自由度而成為單自由度結(jié)構(gòu)，是剛性過(guò)約束機(jī)構(gòu)且有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，即折疊與展開(kāi)，折疊時(shí)體積較小便于儲(chǔ)存或運(yùn)輸，按要求打開(kāi)為中作狀態(tài)時(shí)，工作空間較大；整個(gè)框架架構(gòu)通過(guò)約束多余自由度使之只具有一個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)控制簡(jiǎn)單；具有生產(chǎn)加工簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)控制方便，高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天等眾多領(lǐng)域中具有重要意義和廣泛的應(yīng)用前景。

本實(shí)用新型的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種可折展六棱柱框架結(jié)構(gòu)，包括六個(gè)依次相連的桿件結(jié)構(gòu)，分別為第一桿件結(jié)構(gòu)、第二桿件結(jié)構(gòu)、第三桿件結(jié)構(gòu)、第四桿件結(jié)構(gòu)、第五桿件結(jié)構(gòu)和第六桿件結(jié)構(gòu)，所述桿件結(jié)構(gòu)是由兩根長(zhǎng)桿和四根短桿通過(guò)六個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副相互連接構(gòu)成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，相鄰的桿件結(jié)構(gòu)之間公用一根由長(zhǎng)桿構(gòu)成的公共桿，所述公共桿為六棱柱框架結(jié)構(gòu)的母線且為相鄰兩個(gè)桿件結(jié)構(gòu)中的剛體。

所述第一桿件結(jié)構(gòu)、第三桿件結(jié)構(gòu)和第五桿件結(jié)構(gòu)內(nèi)的四根短桿在折疊過(guò)程中均向框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)部移動(dòng)，所述第二桿件結(jié)構(gòu)、第四桿件結(jié)構(gòu)和第六桿件結(jié)構(gòu)內(nèi)的四根短桿在折疊過(guò)程中向框架結(jié)構(gòu)的外部移動(dòng)。

所述可折展六棱柱框架結(jié)構(gòu)還可將六個(gè)側(cè)面的桿件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為線面對(duì)稱的單自由度桿件結(jié)構(gòu)，并且增設(shè)有萬(wàn)向節(jié)用以約束可折展六棱柱框架結(jié)構(gòu)的自由度為1，實(shí)現(xiàn)通過(guò)一個(gè)驅(qū)動(dòng)完成折展過(guò)程。

所述轉(zhuǎn)動(dòng)副由鉸鏈、合頁(yè)或軸承其中的一種構(gòu)成。

所述長(zhǎng)桿兩端轉(zhuǎn)動(dòng)副的夾角在90度到180度之間。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的技術(shù)方案所帶來(lái)的有益效果是：

(一)本實(shí)用新型自由度約束后為一，可以通過(guò)單一驅(qū)動(dòng)完成折疊和展開(kāi)動(dòng)作，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，安裝使用較方便，運(yùn)動(dòng)過(guò)程確定，不會(huì)有特殊現(xiàn)象發(fā)生；

(二)本實(shí)用新型以功能性為目的設(shè)計(jì)，可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)框架六個(gè)側(cè)面的尺寸，轉(zhuǎn)動(dòng)副大小可以隨要求調(diào)節(jié)，可以在實(shí)際要求下任意安裝驅(qū)動(dòng)位置；

(三)本實(shí)用新型具有較大的折展比率，其折展比率可根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸變化；

(四)本實(shí)用新型展開(kāi)后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，剛度較強(qiáng)，便于支撐和工作，折疊后體積較小且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，便于運(yùn)輸和保存。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是桿件結(jié)構(gòu)內(nèi)各個(gè)鉸鏈、桿件以及設(shè)計(jì)參數(shù)的示意圖。

圖3-1至圖3-3是本實(shí)用新型中公共桿的三視結(jié)構(gòu)示意圖，圖3-4和圖3-5是公共桿的其他方向下的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖3-5是圖3-3中A向的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4-1、圖4-2和圖4-3是本實(shí)用新型中短桿為豎直的桿件的結(jié)構(gòu)三視圖。

圖5-1、圖5-2和圖5-3是本實(shí)用新型中短桿為帶有折角的桿件的結(jié)構(gòu)三視圖。

圖6-1和圖6-2為本實(shí)用新型中萬(wàn)向節(jié)的安裝位置示意圖。

圖7-1和圖7-2為圖1所示的可折展六棱柱框架的兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)示意圖。

圖8是驅(qū)動(dòng)的安裝位置示意圖。

具體實(shí)施方式

為能進(jìn)一步了解本實(shí)用新型的內(nèi)容、特點(diǎn)及效果，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明如下：

如圖1所示，本實(shí)施例提供了一種可折展六棱柱框架結(jié)構(gòu)，包括六個(gè)依次相連的桿件結(jié)構(gòu)，分別為第一桿件結(jié)構(gòu)1、第二桿件結(jié)構(gòu)2、第三桿件結(jié)構(gòu)3、第四桿件結(jié)構(gòu)4、第五桿件結(jié)構(gòu)5和第六桿件結(jié)構(gòu)6，桿件結(jié)構(gòu)是由兩根長(zhǎng)桿和四根短桿通過(guò)六個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副相互連接構(gòu)成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，兩根長(zhǎng)桿相互平行對(duì)稱等高放置，四根短桿相連的兩根為一組分為兩組，每組短桿的相連端以一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副相連，每組短桿的分離端分別與兩根放置好的長(zhǎng)桿的同一端相連，組成一個(gè)環(huán)；相鄰的桿件結(jié)構(gòu)之間公用一根由長(zhǎng)桿構(gòu)成的公共桿，該公共桿為相鄰兩個(gè)桿件結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)桿并排組成的剛體，公共桿在六棱柱框架中位于六個(gè)母線上，相鄰兩個(gè)桿件結(jié)構(gòu)與公共桿相連接的轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線所在的平面的夾角與兩個(gè)桿件結(jié)構(gòu)間的夾角相等；其中第一桿件結(jié)構(gòu)1、第三桿件結(jié)構(gòu)3和第五桿件結(jié)構(gòu)5內(nèi)的四根短桿分別為帶有折角的桿件，所述第二桿件結(jié)構(gòu)2、第四桿件結(jié)構(gòu)4和第六桿件結(jié)構(gòu)6內(nèi)的四根短桿分別為豎直的桿件。六個(gè)桿件結(jié)構(gòu)分別為可折展六棱柱框架結(jié)構(gòu)的六個(gè)側(cè)面，六個(gè)側(cè)面桿件結(jié)構(gòu)的角度參數(shù)都對(duì)應(yīng)相等，但尺寸參數(shù)不同，本實(shí)施例中第一桿件結(jié)構(gòu)1、第三桿件結(jié)構(gòu)3和第五桿件結(jié)構(gòu)5的尺寸是相同的，第二桿件結(jié)構(gòu)2、第四桿件結(jié)構(gòu)4和第六桿件結(jié)構(gòu)6的尺寸是相同的，每個(gè)桿件結(jié)構(gòu)內(nèi)的六個(gè)桿件都用轉(zhuǎn)動(dòng)副相連，相鄰兩個(gè)桿件結(jié)構(gòu)之間成120度角。

進(jìn)一步的，桿件結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成滿足沒(méi)有分叉的線面對(duì)稱的參數(shù)條件，使得可折展四棱柱框架運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定可靠，參數(shù)條件為各個(gè)桿件、相鄰桿件的距離、轉(zhuǎn)動(dòng)副、相鄰轉(zhuǎn)動(dòng)副之間的距離和夾角關(guān)于對(duì)稱面和對(duì)稱線對(duì)稱，所述對(duì)稱面為四根短桿之間的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副在折展過(guò)程中一直所在的面，所述對(duì)稱線在對(duì)稱面上，并且垂直于兩根長(zhǎng)桿所在平面，位于結(jié)構(gòu)的中心，所述長(zhǎng)桿兩端轉(zhuǎn)動(dòng)副的夾角在90度到180度之間，當(dāng)結(jié)構(gòu)折展過(guò)程中，兩根長(zhǎng)桿上四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)到同一平面時(shí)，一根長(zhǎng)桿兩端轉(zhuǎn)動(dòng)副夾角的兩邊與另一根長(zhǎng)桿兩端轉(zhuǎn)動(dòng)副夾角的兩邊不相交，各個(gè)桿件可以根據(jù)實(shí)際要求設(shè)計(jì)成不同的橫截面形狀；

桿件結(jié)構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用具體設(shè)計(jì)，第一桿件結(jié)構(gòu)1、第三桿件結(jié)構(gòu)3和第五桿件結(jié)構(gòu)5內(nèi)的四根短桿在折疊過(guò)程中均向整體框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)部移動(dòng)，所述第二桿件結(jié)構(gòu)2、第四桿件結(jié)構(gòu)4和第六桿件結(jié)構(gòu)6內(nèi)的四根短桿在折疊過(guò)程中向整體框架結(jié)構(gòu)的外部移動(dòng)。

本實(shí)用新型可折展六棱柱框架結(jié)構(gòu)可以通過(guò)添加萬(wàn)向節(jié)來(lái)約束自由度為一，萬(wàn)向節(jié)位置安裝在公共桿上，萬(wàn)向節(jié)兩端分別連接到與公共桿同一端相連的相鄰兩面的短桿的轉(zhuǎn)動(dòng)副上；轉(zhuǎn)動(dòng)副為鉸鏈、合頁(yè)或軸承。

如圖2所示，六個(gè)側(cè)面桿件結(jié)構(gòu)的各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副分別為h₁、h₂、h₃、h₄、h₅和h₆，桿件分別為桿7、桿8、桿9、桿10、桿11、桿12，轉(zhuǎn)動(dòng)副h₁和h₂之間為桿7，長(zhǎng)度為l₁，轉(zhuǎn)動(dòng)副h₁和h₂的距離為a₁₂，轉(zhuǎn)動(dòng)副h₂和h₃之間為桿8，長(zhǎng)度為l₂，轉(zhuǎn)動(dòng)副h₂和h₃的距離為a₂₃，轉(zhuǎn)動(dòng)副h₃和h₄之間為桿9，長(zhǎng)度為l₃，轉(zhuǎn)動(dòng)副h₃和h₄的距離為a₃₄，轉(zhuǎn)動(dòng)副h₄和h₅之間為桿10，長(zhǎng)度為l₄，轉(zhuǎn)動(dòng)副h₄和h₅的距離為a₄₅，轉(zhuǎn)動(dòng)副h₅和h₆之間為桿11，長(zhǎng)度為l₅，轉(zhuǎn)動(dòng)副h₅和h₆的距離為a₅₆，轉(zhuǎn)動(dòng)副h₆和h₁之間為桿12，長(zhǎng)度為l₆，轉(zhuǎn)動(dòng)副h₆和h₁的距離為a₆₁，轉(zhuǎn)動(dòng)副h₂和h₃之間的夾角和轉(zhuǎn)動(dòng)副h₅和h₆之間的夾角均為α，轉(zhuǎn)動(dòng)副h₁和h₂與轉(zhuǎn)動(dòng)副h₄和h₅之間的夾角均為-π/2，轉(zhuǎn)動(dòng)副h₃和h₄與轉(zhuǎn)動(dòng)副h₆和h₁之間的夾角均為π/2，a₁₂與a₂₃、a₂₃與a₃₄、a₄₅與a₅₆和a₅₆與a₆₁之間的距離均為R，其余均為零。

為方便理解和示意清楚，下文中用上角標(biāo)來(lái)區(qū)分第一桿件結(jié)構(gòu)1、第二桿件結(jié)構(gòu)2、第三桿件結(jié)構(gòu)3、第四桿件結(jié)構(gòu)4、第五桿件結(jié)構(gòu)5和第六桿件結(jié)構(gòu)6。

如圖3-1至圖3-5所示，公共桿兩端關(guān)于中間橫截面上下對(duì)稱，以第一桿件結(jié)構(gòu)1和第二桿件結(jié)構(gòu)2之間的公共桿為例，由第一桿件結(jié)構(gòu)1和第二桿件結(jié)構(gòu)2中的桿8組成并且兩根桿在水平方向上成60度夾角，桿8的橫截面為直角梯形，其上第二桿件結(jié)構(gòu)2的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副在桿上的位置在第一桿件結(jié)構(gòu)1的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副位置的上下兩個(gè)外側(cè)，第一桿件結(jié)構(gòu)1兩轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線夾角為α，第二桿件結(jié)構(gòu)2也為α，同一桿件結(jié)構(gòu)上的兩個(gè)α角的邊不相交，第二桿件結(jié)構(gòu)2的桿8中間部分挖掉留兩端，以方便第一桿件結(jié)構(gòu)1的短桿折疊，公共桿同一端的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線交于一點(diǎn)，該點(diǎn)在兩轉(zhuǎn)動(dòng)副中間，在兩轉(zhuǎn)動(dòng)副中間沿第二桿件結(jié)構(gòu)2轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線挖一個(gè)直徑為φ的圓柱孔，以方便安裝萬(wàn)向節(jié)，第一桿件結(jié)構(gòu)1和第二桿件結(jié)構(gòu)2的轉(zhuǎn)動(dòng)副分別安裝在t和k所在位置，桿件上下兩端分別有兩塊擋板，使完全折疊之后的框架更美觀，形狀如圖3-3所示，第一桿件結(jié)構(gòu)1中長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度為l₂¹，第二桿件結(jié)構(gòu)2中長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度為l₂²，角β是為了第一桿件結(jié)構(gòu)1和第二桿件結(jié)構(gòu)2的短桿在折展過(guò)程中不會(huì)和公共桿發(fā)生干涉。

如圖4-1至圖4-3所示，第二桿件結(jié)構(gòu)2的桿7中，橫截面邊長(zhǎng)h與圖3-1中的h相同，c與圖3-3中的c相同，k處轉(zhuǎn)動(dòng)副與圖3-1中的k處相連，第二桿件結(jié)構(gòu)2短桿的長(zhǎng)度為l₁²，角λ和圖3-1和圖3-5中角α的邊和豎直方向的夾角相等。

如圖5-1至圖5-3所示，λ與圖4-1中的λ相同，t處轉(zhuǎn)動(dòng)副與圖3-5中的t處相連，g與圖3-5中的g相同，e要小于圖3-3中的e，第一桿件結(jié)構(gòu)1短桿長(zhǎng)度為l₁¹。

以上轉(zhuǎn)動(dòng)副均用合頁(yè)。

如圖6-1所示，在箭頭所指的兩根公共桿上分別安裝等速萬(wàn)向節(jié)。

如圖6-2所示，以其中一根桿為例，萬(wàn)向節(jié)一端安裝在一個(gè)桿件結(jié)構(gòu)的桿7上的合頁(yè)h₂上，萬(wàn)向節(jié)另一端安裝在相鄰的另一桿件結(jié)構(gòu)的桿7的合頁(yè)h₂上。

如圖7-1和7-2所示，本實(shí)用新型中六棱柱框架結(jié)構(gòu)在折疊過(guò)程中六個(gè)公共桿沿豎直方向轉(zhuǎn)過(guò)180度，第一桿件結(jié)構(gòu)1、第三桿件結(jié)構(gòu)3和第五桿件結(jié)構(gòu)5中一共12根短桿向六棱柱框架的內(nèi)部移動(dòng)，第二桿件結(jié)構(gòu)2、第四桿件結(jié)構(gòu)4和第六桿件結(jié)構(gòu)6中一共12根短桿向六棱柱框架的外部移動(dòng)。

如圖8所示，在箭頭所在桿的合頁(yè)上安裝驅(qū)動(dòng)。

綜上，上述可折展六棱柱框架結(jié)構(gòu)只要滿足上述約束條件，即可達(dá)到本實(shí)用新型要求的折展效果，根據(jù)實(shí)際情況可以設(shè)計(jì)不同尺寸和不同折展比的框架，該可折展六棱柱框架具有單一自由度，能夠通過(guò)一個(gè)輸入驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)大比率的折展運(yùn)動(dòng)，可以用作太陽(yáng)能毯子支撐結(jié)構(gòu)或建筑物輪廓結(jié)構(gòu)等。