一種可折展六棱柱框架結構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可折展六棱柱框架結構，包括六個依次相連的桿件結構，分別為第一桿件結構、第二桿件結構、第三桿件結構、第四桿件結構、第五桿件結構和第六桿件結構，所述桿件結構是由兩根長桿和四根短桿通過六個轉動副相互連接構成的環(huán)狀結構，相鄰的桿件結構之間公用一根由長桿構成的公共桿，公共桿為六棱柱框架結構的母線且為相鄰兩個桿件結構中的剛體。本發(fā)明剛性過約束機構且有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，即折疊與展開，折疊時體積較小便于儲存或運輸，打開為中作狀態(tài)時，工作空間較大；通過約束多余自由度使之只具有一個自由度，運動控制簡單；具有生產加工簡單，運動控制方便，高可靠性等優(yōu)點，在航空航天等領域中有重要意義和廣泛應用前景。
【專利說明】
一種可折展六棱柱框架結構
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種可折展的框架結構，具體的說，是涉及一種由單一驅動實現(xiàn)折疊和展開的大折展比的六棱柱框架結構。
【背景技術】
[0002]多面體結構有構成簡單、對稱性好等優(yōu)點，在建筑、航天航空、藝術、軍事等領域發(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構。
[0003]框架結構自重輕，延展性好等優(yōu)點。在此基礎上，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，框架結構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輸，在特定位置按要求打開為中作狀態(tài)，工作空間較大，回收時折疊收攏為小體積狀態(tài)，由飛船載回?？臻g可展框架因其優(yōu)越的折展性能，越來越受到航天航空領域的青睞。采用過約束機構為基本單元的空間可展框架自由度少，剛性高，結構簡單便于制造，制造成本低，可靠性高。
[0004]現(xiàn)有的空間可折展結構主要包括鉸鏈可展結構、桿狀可展結構、面狀可展結構和體狀可展結構，其中桿狀可展結構目前應用最為廣泛，應用于定位以及支撐，如太陽能帆、星載天線、建筑頂棚、磁強針等，而體狀可展結構目前應用還比較少，并且存在不能完全折疊和折疊展開比例不大等不足。
[0005]2009年，Chen和You提出了一種線面對稱的Bricard 6R結構，該結構在折展過程中運動路徑唯一，折展過程可靠，如若作為太陽能毯的支撐結構，展開后工作空間較小。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種由沒有分叉的線面對稱的桿件結構構成的實現(xiàn)折疊和展開兩種穩(wěn)態(tài)的且安裝和操作過程簡單的可折展六棱柱框架結構，該框架結構通過約束兩個自由度而成為單自由度結構，是剛性過約束機構且有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，即折疊與展開，折疊時體積較小便于儲存或運輸，按要求打開為中作狀態(tài)時，工作空間較大;整個框架架構通過約束多余自由度使之只具有一個自由度，運動控制簡單;具有生產加工簡單，運動控制方便，高可靠性等優(yōu)點，在航空航天等眾多領域中具有重要意義和廣泛的應用前景。
[0007]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
[0008]—種可折展六棱柱框架結構，包括六個依次相連的桿件結構，分別為第一桿件結構、第二桿件結構、第三桿件結構、第四桿件結構、第五桿件結構和第六桿件結構，所述桿件結構是由兩根長桿和四根短桿通過六個轉動副相互連接構成的環(huán)狀結構，相鄰的桿件結構之間公用一根由長桿構成的公共桿，所述公共桿為六棱柱框架結構的母線且為相鄰兩個桿件結構中的剛體。
[0009]所述第一桿件結構、第三桿件結構和第五桿件結構內的四根短桿在折疊過程中均向框架結構的內部移動，所述第二桿件結構、第四桿件結構和第六桿件結構內的四根短桿在折疊過程中向框架結構的外部移動。
[0010]所述可折展六棱柱框架結構還可將六個側面的桿件結構設計為線面對稱的單自由度桿件結構，并且增設有萬向節(jié)用以約束可折展六棱柱框架結構的自由度為1，實現(xiàn)通過一個驅動完成折展過程。
[0011 ]所述轉動副由鉸鏈、合頁或軸承其中的一種構成。
[0012]所述長桿兩端轉動副的夾角在90度到180度之間。
[0013]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的技術方案所帶來的有益效果是:
[0014](— )本發(fā)明自由度約束后為一，可以通過單一驅動完成折疊和展開動作，結構較簡單，安裝使用較方便，運動過程確定，不會有特殊現(xiàn)象發(fā)生；
[0015](二)本發(fā)明以功能性為目的設計，可以根據(jù)實際需求設計框架六個側面的尺寸，轉動副大小可以隨要求調節(jié)，可以在實際要求下任意安裝驅動位置；
[0016](三)本發(fā)明具有較大的折展比率，其折展比率可根據(jù)實際設計尺寸變化；
[0017](四)本發(fā)明展開后結構穩(wěn)定，剛度較強，便于支撐和工作，折疊后體積較小且結構穩(wěn)定，便于運輸和保存。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的立體結構示意圖。
[0019]圖2是桿件結構內各個鉸鏈、桿件以及設計參數(shù)的示意圖。
[0020]圖3-1至圖3-3是本發(fā)明中公共桿的三視結構示意圖，圖3-4和圖3-5是公共桿的其他方向下的結構示意圖，其中圖3-5是圖3-3中A向的結構示意圖。
[0021 ]圖4-1、圖4-2和圖4-3是本發(fā)明中短桿為豎直的桿件的結構三視圖。
[0022]圖5-1、圖5-2和圖5-3是本發(fā)明中短桿為帶有折角的桿件的結構三視圖。
[0023]圖6-1和圖6-2為本發(fā)明中萬向節(jié)的安裝位置示意圖。
[0024]圖7-1和圖7-2為圖1所示的可折展六棱柱框架的兩個穩(wěn)定狀態(tài)示意圖。
[°°25]圖8是驅動的安裝位置示意圖。
【具體實施方式】
[0026]為能進一步了解本發(fā)明的內容、特點及效果，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下:
[0027]如圖1所示，本實施例提供了一種可折展六棱柱框架結構，包括六個依次相連的桿件結構，分別為第一桿件結構1、第二桿件結構2、第三桿件結構3、第四桿件結構4、第五桿件結構5和第六桿件結構6，桿件結構是由兩根長桿和四根短桿通過六個轉動副相互連接構成的環(huán)狀結構，兩根長桿相互平行對稱等高放置，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轉動副相連，每組短桿的分離端分別與兩根放置好的長桿的同一端相連，組成一個環(huán);相鄰的桿件結構之間公用一根由長桿構成的公共桿，該公共桿為相鄰兩個桿件結構的長桿并排組成的剛體，公共桿在六棱柱框架中位于六個母線上，相鄰兩個桿件結構與公共桿相連接的轉動副的軸線所在的平面的夾角與兩個桿件結構間的夾角相等;其中第一桿件結構1、第三桿件結構3和第五桿件結構5內的四根短桿分別為帶有折角的桿件，所述第二桿件結構2、第四桿件結構4和第六桿件結構6內的四根短桿分別為豎直的桿件。六個桿件結構分別為可折展六棱柱框架結構的六個側面，六個側面桿件結構的角度參數(shù)都對應相等，但尺寸參數(shù)不同，本實施例中第一桿件結構1、第三桿件結構3和第五桿件結構5的尺寸是相同的，第二桿件結構2、第四桿件結構4和第六桿件結構6的尺寸是相同的，每個桿件結構內的六個桿件都用轉動副相連，相鄰兩個桿件結構之間成120度角。
[0028]進一步的，桿件結構可以設計成滿足沒有分叉的線面對稱的參數(shù)條件，使得可折展四棱柱框架運動穩(wěn)定可靠，參數(shù)條件為各個桿件、相鄰桿件的距離、轉動副、相鄰轉動副之間的距離和夾角關于對稱面和對稱線對稱，所述對稱面為四根短桿之間的兩個轉動副在折展過程中一直所在的面，所述對稱線在對稱面上，并且垂直于兩根長桿所在平面，位于結構的中心，所述長桿兩端轉動副的夾角在90度到180度之間，當結構折展過程中，兩根長桿上四個轉動副運動到同一平面時，一根長桿兩端轉動副夾角的兩邊與另一根長桿兩端轉動副夾角的兩邊不相交，各個桿件可以根據(jù)實際要求設計成不同的橫截面形狀；
[0029]桿件結構可以根據(jù)實際應用具體設計，第一桿件結構1、第三桿件結構3和第五桿件結構5內的四根短桿在折疊過程中均向整體框架結構的內部移動，所述第二桿件結構2、第四桿件結構4和第六桿件結構6內的四根短桿在折疊過程中向整體框架結構的外部移動。
[0030]本發(fā)明可折展六棱柱框架結構可以通過添加萬向節(jié)來約束自由度為一，萬向節(jié)位置安裝在公共桿上，萬向節(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動副上;轉動副為鉸鏈、合頁或軸承。
[0031]如圖2所示，六個側面桿件結構的各個轉動副分別為h^h^h^h^hdPhs，桿件分別為桿7、桿8、桿9、桿1、桿11、桿12，轉動副hi和h2之間為桿7，長度為11，轉動副hi和h2的距咼為ai2，轉動副h2和h3之間為桿8，長度為I2，轉動副h2和h3的距離為a23，轉動副h3和h4之間為桿9，長度為13，轉動副h3和h4的距離為a34，轉動副h4和h5之間為桿10，長度為14，轉動副h4和h5的距離為a45，轉動副h5和h6之間為桿11，長度為15，轉動副h5和h6的距離為a56，轉動副h6和hi之間為桿12，長度為16，轉動副h6和hi的距離為a6i，轉動副h2和h3之間的夾角和轉動副h5和h6之間的夾角均為α，轉動副hi和h2與轉動副h4和h5之間的夾角均為_π/ 2，轉動副h3和h4與轉動副h6和hi之間的夾角均為:π/2，ai2與a23、a23與a34、a45與a56和a56與a6i之間的距尚均為R，其余均為零。
[0032]為方便理解和示意清楚，下文中用上角標來區(qū)分第一桿件結構1、第二桿件結構2、第三桿件結構3、第四桿件結構4、第五桿件結構5和第六桿件結構6。
[0033]如圖3-1至圖3-5所示，公共桿兩端關于中間橫截面上下對稱，以第一桿件結構I和第二桿件結構2之間的公共桿為例，由第一桿件結構I和第二桿件結構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，其上第二桿件結構2的兩個轉動副在桿上的位置在第一桿件結構I的兩個轉動副位置的上下兩個外側，第一桿件結構I兩轉動副軸線夾角為α，第二桿件結構2也為α，同一桿件結構上的兩個α角的邊不相交，第二桿件結構2的桿8中間部分挖掉留兩端，以方便第一桿件結構I的短桿折疊，公共桿同一端的兩個轉動副軸線交于一點，該點在兩轉動副中間，在兩轉動副中間沿第二桿件結構2轉動副軸線挖一個直徑為Φ的圓柱孔，以方便安裝萬向節(jié)，第一桿件結構I和第二桿件結構2的轉動副分別安裝在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，第一桿件結構I中長桿的長度為h1，第二桿件結構2中長桿的長度為122，角β是為了第一桿件結構I和第二桿件結構2的短桿在折展過程中不會和公共桿發(fā)生干涉。
[0034]如圖4-1至圖4-3所示，第二桿件結構2的桿7中，橫截面邊長h與圖3-1中的h相同，c與圖3-3中的c相同，k處轉動副與圖3-1中的k處相連，第二桿件結構2短桿的長度為I12,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。
[0035]如圖5-1至圖5-3所示，λ與圖4-1中的λ相同，t處轉動副與圖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，第一桿件結構I短桿長度為U1。
[0036]以上轉動副均用合頁。
[0037]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向節(jié)。
[0038]如圖6-2所不，以其中一根桿為例，萬向節(jié)一端安裝在一個桿件結構的桿7上的合頁匕上，萬向節(jié)另一端安裝在相鄰的另一桿件結構的桿7的合頁h2上。
[0039]如圖7-1和7-2所示，本發(fā)明中六棱柱框架結構在折疊過程中六個公共桿沿豎直方向轉過180度，第一桿件結構1、第三桿件結構3和第五桿件結構5中一共12根短桿向六棱柱框架的內部移動，第二桿件結構2、第四桿件結構4和第六桿件結構6中一共12根短桿向六棱柱框架的外部移動。
[0040]如圖8所示，在箭頭所在桿的合頁上安裝驅動。
[0041]綜上，上述可折展六棱柱框架結構只要滿足上述約束條件，即可達到本發(fā)明要求的折展效果，根據(jù)實際情況可以設計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，能夠通過一個輸入驅動實現(xiàn)大比率的折展運動，可以用作太陽能毯子支撐結構或建筑物輪廓結構等。
【主權項】
1.一種可折展六棱柱框架結構，其特征在于，包括六個依次相連的桿件結構，分別為第一桿件結構、第二桿件結構、第三桿件結構、第四桿件結構、第五桿件結構和第六桿件結構，所述桿件結構是由兩根長桿和四根短桿通過六個轉動副相互連接構成的環(huán)狀結構，相鄰的桿件結構之間公用一根由長桿構成的公共桿，所述公共桿為六棱柱框架結構的母線且為相鄰兩個桿件結構中的剛體。2.根據(jù)權利要求1所述一種可折展六棱柱框架結構，其特征在于，所述第一桿件結構、第三桿件結構和第五桿件結構內的四根短桿在折疊過程中均向框架結構的內部移動，所述第二桿件結構、第四桿件結構和第六桿件結構內的四根短桿在折疊過程中向框架結構的外部移動。3.根據(jù)權利要求1所述一種可折展六棱柱框架結構，其特征在于，所述可折展六棱柱框架結構還可將六個側面的桿件結構設計為線面對稱的單自由度桿件結構，并且增設有萬向節(jié)用以約束可折展六棱柱框架結構的自由度為I，實現(xiàn)通過一個驅動完成折展過程。4.根據(jù)權利要求1所述一種可折展六棱柱框架結構，其特征在于，所述轉動副由鉸鏈、合頁或軸承其中的一種構成。5.根據(jù)權利要求1所述一種可折展六棱柱框架結構，其特征在于，所述長桿兩端轉動副的夾角在90度到180度之間。
【文檔編號】B25J9/00GK106078681SQ201610497945
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月27日
【發(fā)明人】陳焱, 徐潤平, 康榮杰
【申請人】天津大學