一种采用滚动铰链的可折叠厚板结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可折叠结构，更具体的说，是涉及一种采用滚动铰链的可折叠厚板结构。
【背景技术】
[0002]折纸是一门具有悠久历史的艺术，其本质是将二维的平面材料折叠成三维结构。近年来，根据折纸的折展以及快速、低成本的制造等特性，出现了多种可折叠可展开的工程结构应用，例如用于太阳能帆板、可开合屋顶结构以及机器人等领域。这些应用将折纸模型的板简化为零厚度的刚性体，将折纸模型的折痕简化为铰链来进行运动分析，然而在实际应用中，板的厚度不能忽略，因而折纸模型实物的运动情况与理论分析的结果存在较大误差并会产生物理干涉的问题。陈焱教授提出了将厚板折纸模型等效为过约束机构来进行分析和设计的理论，从而解决了上述问题。过约束机构是一类有一百多年历史的特殊机构，该机构仅由转动副连接，制造简单，成本低，可靠性高，且具有单个自由度，运动控制简单。该机构几何上的过约束性使其具有高刚性，然而也对铰链的精度和装配有很高要求，铰链的误差会导致运动无法精确控制、摩擦阻力大等问题。尤其对于厚板折纸结构，传统的转动副装配存在困难。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种采用滚动铰链连接的可折叠厚板结构，该结构具有单个自由度，能够对结构的折叠和展开过程进行单自由度的精确控制，折展比率大，结构和安装简单，折叠与展开的摩擦力小。
[0004]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0005]—种采用滚动铰链的可折叠厚板结构，存在三个相互垂直的对称平面，分别为第一对称平面、第二对称平面、第三对称平面，包括通过滚动铰链相互连接的六个厚板单元，分别为第一厚板单元、第二厚板单元、第三厚板单元、第四厚板单元、第五厚板单元、第六厚板单元，所述滚动铰链包括设置在所述厚板单元上的连接结构，所述第一厚板单元、第三厚板单元、第四厚板单元、第六厚板单元上均设置有两个连接结构，所述第二厚板单元、第五厚板单元上均设置有三个连接结构，所述连接结构由与所述厚板单元一体形成的圆角构成，所述圆角上设置有用于通过柔性丝线连接所述连接结构的通孔和凹槽；
[0006]所述第一厚板单元、第三厚板单元、第四厚板单元和第六厚板单元均为四边形结构，所述第二厚板单元和第五厚板单元均为等腰梯形结构，所述第一厚板单元与所述第六厚板单元关于所述第一对称平面对称，所述第二厚板单元与所述第五厚板单元关于所述第一对称平面对称，所述第三厚板单元与所述第四厚板单元关于所述第一对称平面对称，所述第一厚板单元与所述第三厚板单元关于所述第二对称平面对称，所述第四厚板单元与所述第六厚板单元关于所述第二对称平面对称，所述第二厚板单元自身关于所述第二对称平面对称，所述第五厚板单元自身关于所述第二对称平面对称。
[0007]所述圆角的半径小于等于所述厚板单元厚度的一半。
[0008]所述圆角为四分之一圆角或半圆角。
[0009]所述柔性丝线由钓鱼线或钢丝绳构成。
[0010]与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是:
[0011](— )本发明为具有单一自由度的可折叠厚板结构，可通过一个驱动实现厚板的折叠与展开，安装及使用方便；
[0012](二)本发明具有较大的折展比率，折叠后面积可以缩至最小，便于运输和保存；
[0013](三)本发明中滚动铰链包括设置在所述厚板单元上的连接结构，连接结构由与所述厚板单元一体形成的圆角构成，所述圆角上设置有用于通过柔性丝线连接所述连接结构的通孔和凹槽;这种设置运动精度高、摩擦力小且连接方式安装简单，能够对结构的折叠与展开精确控制，并可重复使用，还可应用于小型机器人等领域；
[0014](四)本发明中厚板单元所具有的刚度、滚动铰链连接的高精度以及过约束机构自身的几何过约束增强了本结构的刚度和稳定性；
[0015](五)本发明可根据实际需求设计厚板单元的形状和尺寸。
【附图说明】
[0016]图1-1是本发明的结构示意图。
[0017]图1-2是图1-1的仰视结构示意图。
[0018]图2-1至图2-6为图1-1和图1-2中六个厚板单元的结构示意图。
[0019]图3是本发明所提供的滚动铰链的结构示意图。
[0020]图4-1至图4-4为图1-1所示的采用滚动铰链的可折叠厚板结构的折叠过程示意图。
[0021]附图标记:
[0022]X-第一对称平面Y-第二对称平面Z-第三对称平面
[0023]1-第一厚板单元2-第二厚板单元3-第三厚板单元4-第四厚板单元5-第五厚板单元6-第六厚板单元
[0024]Rl-第一滚动铰链R2-第二滚动铰链R3-第三滚动铰链R4-第四滚动铰链R5-第五滚动铰链R6-第六滚动铰链R7-第七滚动铰链
[0025]Cij-第i厚板单元中第j连接结构(i = l，2，3，…，6; j = l，2，3)
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发明作进一步的描述:
[0027]如图1-1和图1 - 2所示的一种采用滚动铰链的可折叠厚板结构，包括六个厚板单元，分别为第一厚板单元1、第一厚板单元2、第三厚板单元3、第四厚板单元4、第五厚板单元
5、第六厚板单元6。六个厚板单元由滚动铰链相互连接，分别为第一滚动铰链R1、第二滚动铰链R2、第三滚动铰链R3、第四滚动铰链R4、第五滚动铰链R5、第六滚动铰链R6、第七滚动铰链R7。
[0028]滚动铰链包括设置在所述厚板单元上的连接结构，结合图2-1至图2-6所示，第一厚板单元1、第三厚板单元3、第四厚板单元4、第六厚板单元6上均设置有两个连接结构，分别为第一连接结构、第二连接结构，第二厚板单元2、第五厚板单元5上均设置有三个连接结构，分别为第一连接结构、第二连接结构、第三连接结构，连接结构由与厚板单元一体形成的圆角构成，每一个连接结构的圆角为半圆角或四分之一圆角，本实施例中每个连接结构均包含一个相同半径的四分之一圆角，该圆角半径不大于厚板单元最大厚度的一半，相对应的圆角的轴线分别为第一连接结构轴线、第二连接结构轴线、第三连接结构轴线。
[0029]第一厚板单元I轮廓为四边形，第一连接结构CU与第二连接结构C12分别沿着四边形相邻两边设置，长度与相应边长相等，这两条边形成的四边形内角为钝角a，C12的对边与Cl I形成的四边形内角为α-JT，其余两个四边形内角均为直角。第二厚板单元2轮廓为等腰梯形，其四条边分别为上底边、下底边、第一腰边、第二腰边，第一连接结构C21、第二连接结构C22、第三连接结构C23分别沿着下底边、第一腰边、第二腰边设置，且长度与相应边长相等，第一腰边与下底边形成的等腰梯形内角为η-a。第一厚板单元I与第六厚板单元6关于第一对称平面I对称，第二厚板单元2与第五厚板单元5关于第一对称平面I对称，第三厚板单元3与第四厚板单元4关于第一对称平面对称I，第一厚板单元I与第三厚板单元3关于第二对称平面对称2，第四厚板单元4与第六厚板单元6关于第二对称平面2对称，第二厚板单元2自身关于第二对称平面2对称，所述第五厚板单元5自身关于第二对称平面2对称。
[0030]第一厚板单元I的第一连接结构CU与第二厚板单元2的第一连接结构C21通过第一滚动铰链Rl连接