专利名称：具有多边形链节的可逆伸展结构的制作方法
技术领域：
本申请是1998年9月16日递交的美国专利09／154，482的部分继续申请。
可援引在此以供参考的美国专利4，942，700和5，024，031揭示了一种能构造可逆伸展的、具有各种形状的构架结构的方法，其中揭示的内容已经被用于各种用途，包括建筑、公开展示和独特的可收拢玩具等。
根据’700专利的揭示，合成的结构是由基本上直线的、但有角度的支柱元件以及可枢转连接的、较小的毂件构成。带角度的支柱总是具有基本垂直于结构表面的三个枢转点。利用’700专利的方法可以构造出具有各种形状的可收拢结构。然而，为了维持一个合理的构件数量、具有优良的结构整体性以及便于移动，某些特定的形状更加实用一些。特别是，该方法更适合于那些具有平缓曲率而不是尖角的结构。还有，组成某一特定结构形状的各构件通常专门用于这种形状。因此，要制成一些可用于不同形状结构的可互换构件并不是一件简单的事情。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种可逆伸展结构，包括多个组装成链节对的链节，其中，每个链节均为多边形形状，具有至少三个角部、一个中间接点、和靠近至少一个所述角部以便将两个相邻链节枢转连接起来的至少一个角部枢接点。
根据本实用新型的可逆伸展结构是由若干个环组件组成的，而这些环组件是由相互连接的、基本位于结构所在平面或处在平行于结构所在平面的平面内的多边形链节对构成的。环组件内的多边形链节具有至少三个枢接点。然而，至少一些多边形链节具有三个以上的枢接点。各链节上的枢接点之一是一个用于连接另一个链节以形成一个链节对的中间枢接点。各链节还具有至少一个内枢接点和一个外周枢接点。内枢接点用于连接相邻的链节对，以形成环组件。最后，环组件可以通过各外周接点相互结合和／或连接于其它链节对来形成各种结构。
在本实用新型的另一个较佳实施例中，链节对可以通过毂件连接于一个环组件内的相邻链节对，所述毂件连接在两个链节对各自的内枢接点上。类似地，毂件可以通过外周枢接点将环组件连接到一起或者连接于其它链节对，藉以形成各种结构。在本实用新型的另一个实施例中，枢接点被设计成活铰链(living hinge)。
根据本实用新型构造而成的结构具有特别有利的性质，包括a)能采用高刚度的材料而不是容易弯曲或扭曲的机械链节，从而允许进行平滑和灵活的张开过程；b)采用了紧凑、结构上有利的并且低廉的接头，即简单的枢接点；c)由于结构的所有移动都是因为实际的展开过程而造成的，在结构内没有柔性，因而可以在结构的收拢和展开的过程中保持其强度和稳定性；d)具有很宽范围的几何结构；e)可以借助与链节相连续的灵便的铰链来低成本地制造该结构；f)便于利用必须的组件来组装具有很多不同形状的结构；和g)通过将链节布置在一个立体的矩阵内而产生一个‘空间填满(space-filling)’结构。
下面将结合附图来进一步地描述本实用新型。附图中
图1是根据本实用新型的基本的多边形链节元件的平面图；图2-3是相互链接的一对多边形链节的平面图；图4-6是根据本实用新型的多边形链节的一种平面环组件的平面图，它们分别处于收拢、部分张开和完全张开的位置；图7-9是根据本实用新型的多边形链节的另一种平面环组件的平面图，它们分别处于收拢、部分张开和完全张开位置；
图10-12是根据本实用新型的多边形链节的一种立体环组件的立体图，它们也分别处于三个位置；
图13-15是根据本实用新型的多边形链节的一种立体的可逆伸展结构的立体图，它们分别处于收拢、部分张开和完全张开位置；
图16是根据另一个实施例的多边形链节组件的平面图；
图17-19是本实用新型的一个利用了如
图16所示的一对多边形链节组件的平面实施例的平面图，它们分别处于部分张开、完全张开和收拢位置；图20-21是根据本实用新型的一个圆柱形的多边形链节组件的立体图，它们分别处于收拢和张开位置；图22-24是根据本实用新型的一个具有二十面体形状的利用了多边形链节的立体可逆伸展结构的立体图，它们分别处于收拢、部分张开和完全张开的位置；
图25A示出了一个多边形链节；图25B示出了一对链节；图25C示出了一个环组件；图26示出了处于收拢位置的结构900；图27示出了处于完全张开位置的结构900；图28示出了由单种材料构成的一对链节；图29示出了八个链节对组成的一个环组件；图30示出了由三十二个多边形链节对组成的结构1000；图31示出了处于完全张开位置的结构1000；图32-34分别示出了处于收拢位置、部分张开位置和完全张开位置的环组件1200；图35A和35B示出了另一个实施例，其中毂件被一个球-槽型配置所代替；图36-37示出了本实用新型的另一个实施例，它是一个三角形环组件，具有若干个其本身枢转连接于多边形链节的外周角枢转点；图38-39是本实用新型的上述实施例处于其闭合和打开状态的立体图；图40示出了外周角部接点的细节；图41-42是一个处于闭合和张开状态的方形环组件的前视图；图43-44是所述方形环组件的立体图；图45-50示出了具有特殊外周角部接点的环形组件是如何充当用于制造可逆伸展结构的“(喀嗒一声)卡配”一套构件中的一个部件的；图51-52示出了一个处于闭合和打开状态的棱柱形结构；图53-54示出了用于制造可逆伸展结构的一套构件中的另一个部件，即可以附连于环组件的剪形对；图55-56分别示出了结合有所述剪形对的一个棱柱形结构的闭合和打开状态；图57-59示出了将两个环组件连接成叠置状态的情况，并示出了将分开的毂件附连到环组件上以提供附加连接点的装置。
本实用新型涉及一种通过连接至少三个链节对而形成的新的可逆伸展环组件，以及凭借多个相互连接的环组件和／或链节对而产生的可逆伸展结构。每个链节对包括两个链节(多边形链节)，每个链节都是具有三个或多个角的多边形形状；一中间接点；以及一靠近所述三个或多个角中的至少两个的角部枢接点。中间接点用于将两个链节相互连接起来。角部枢接点包括至少一个内角部枢接点和至少一个外周角部枢接点。为了形成环组件，每个链节对通过它的至少一个内角部枢接点连接于至少两个相邻的链节对。
当环组件单独存在时，链节的外周角部接点不与任何东西连接。然而，这些外周角部接点可以将各环组件相互连接起来和／或将环组件连接于链节对而形成可伸展结构。
本实用新型的多边形链节可以用熟悉本技术领域的人员所能确定的任何合适的材料制成。合适材料的例子包括金属、塑料和木材。
根据本实用新型形成的环组件可以伸展或收缩。在很多情况下，环组件的外周几何形状在所有位置上都保持恒定，只是在尺寸上有变化。每个环组件可以由通过链节对的外周角部接点的相互交叉而形成的一圈线段来确定。该特性是由于这样来构造环组件而造成的，即，在相应于环组件的处于某一位置上的两个特殊的链节对的任何两个线段之间所形成的角度与在相应于环组件的处于其它任何位置上的同样两个链节对的两个线段之间类似形成的角度是相同的。
要找到枢接点的正确位置以获得该特殊性质，涉及两个方面。
首先，必须获得一种能使环组件自由收拢(即不会锁住)的链节配置方式。这种可收拢的能力并不是保证有的。例如，通过应用公式来确定一普通平面环组件的自由度，结果将是负的，这表示一种过度确定(即锁定)状态。
因此，可收拢能力取决于特定的几何条件。当构造一个平面环组件时，一种有助于确定枢接点可能位置的方法是，画出一个四边形，它是将一个链节对的中间接点连接于其内角部接点中的两个，然后将这两个内角部接点连接于相邻链节对的中间接点。按照一种通常的构造，类似地在一个环组件内画出的所有四边形都应该是平行四边形。
如果这些平行四边形都相似(具有相同的角度)，那么该环组件就肯定能收拢。然而，也可以借助不相似的平行四边形来构造可收拢的环组件，实际上可以借助四边形来形成可收拢的环组件，甚至用完全不是平行四边形的四边形来形成可收拢的环组件。这些变化型的构造需要其它的几何结构，这要通过更深一步的研究和调查才能发现。
一旦构造出一个可收拢的环组件，就必须考虑外周角部接点的位置。目的是为了当环组件收拢时，能确保经过成对外周角部接点画出的线段能在相互之间维持一个恒定的角度。
在一种寻找可收拢环组件之构造规则的类似方式中，我们可以发现用于定位总是在工作的外周角度接点的规则。例如，如果一特定可收拢环组件内的每个链节对都是由外周和内角部接点的相对位置相同的两个多边形链节组成，则线段之间的角度将保持恒定。通常，形状相似但尺寸不同的成对多边形链节也具有上述性质。然而，还有另外可供选用的配置。
如上所述，对环组件的功能和本实用新型的结构而言，枢接点的位置是非常重要的。然而，链节的外形的重要性稍低，而设计方面显得更重要。本技术领域的普通技术人员应该明白，只要枢转孔相同，链节可以采取绝大多数可能的几何形状。因此，几何形状的选择可以是一种有创造性的选择。然而，熟悉本技术领域的人员应该清楚，某些特定的多边形形状可能会限制结构到达完全张开或完全收拢位置的能力，根据本实用新型的各环组件或结构具有很多应用，包括医疗装置、玩具、建筑设计和展示。
现请参见各附图，
图1中示出了一个具有三角形形状和四个枢转孔的链节10。枢转孔2位于链节的中间区域，在文中称作“中间接点”，枢转孔4、6和8靠近链节的角部。虚线25将角部枢转孔4、6和8的中心点(在文中称作“角部接点”)连接起来，形成一个三角形。
参见图2，
图1所示的多边形链节10通过中间接点2枢接于一第二多边形链节20。链节10和20具有基本相同的形状和枢接孔位置。一虚线24经过成对角部接点4、14的中心点。类似地，虚线26经过6、16，而虚线28经过8、18。线24、26和28所形成的三角形30的形状与
图1中虚线三角形25的形状相同。
图3示出了链节对10、20围绕它们的中心接点相对枢转到一个新位置上的情况。其中示出了分别经过成对的角部接点4、14；6、16；8、18的三根虚线34、36和38。虚线34和36所形成的夹角等于图2中的虚线24和26所形成的夹角。同样地，虚线36、38和38、34所形成的夹角分别等于图2中虚线26、28和28、24所形成的夹角。因此，三角形35与图2中的三角形30具有相同的形状，只是尺寸比较大。
参见图4，通过形成一个由多边形链节40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90和95所构成的环组件38，就能将可伸展的直角三角形扩展成一个可伸展的六边形。这些多边形链节通过中心接点41、51、61、71、81和91连接成六个链节对49、59、69、79和99。环组件38是这样形成的，即，将每个上层的内角部接点接合于两侧的两个相邻下层多边形的相邻内角部接点。这些内角部接点很容易从图5中看到。
因此，参见图5，环组件38在张开到一个不同位置的同时，可维持由每个多边形的外接点的连线所限定的总的六边形形状，如下文所述。在这个新的位置上，更容易看到相邻的多边形链节是如何连接的。例如，链节对49通过两个角部接点42和43连接于链节对59。由于这些角部接点位于环组件39的内部，所以被称作内角部接点。同样地，链节对59和69通过内角部接点52和53相互连接。类似地，链节对69、79；79、89；89、99；和99、49分别通过内角部接点62、63；72、73；82、83；和92、93相互连接。
一虚线44经过角部接点46和48。当环组件38处于张开位置时，这两个角部接点靠近环组件的外边缘。此类接点是环组件的外周角部接点。同样地，一虚线54经过外周角部接点56和58，而虚线64、74、84和94则分别经过外周角部接点66、68；76、78；86、88；和96、98。这些经过外周角部的虚线可限定如上所述的张开的六边形100的各边缘。
参见图6，环组件38进一步张开到另一个位置，同时维持一总的六边形形状。虚线47、57、67、77、87和97分别经过外周角部接点46、48；56、58；66、68；76、78；86、88；和96、98，形成了六边形105。两个六边形100和105的相同之处在于，虚线47和57之间的夹角等于图5中的虚线44和54之间的夹角。同样地，相应于图6中任何两个链节对的虚线之间的夹角等于如图5所示的相应于同样两个链节对所形成的夹角。
现请参见图7，其中示出了由六个多边形链节110、120、130、140、150和160组成的另一个三角形环组件108。这些多边形链节分别通过中间接点114、134和154结合成三个链节对119、139和159。链节110、120在接点134处结合成一个链节对119。链节130、140在接点114处结合成一个链节对139，而链节150、160在接点154处结合成一个链节对159。在图8中，环组件108像图4-6所示的那样张开至另一个位置，并保持总的三角形形状。链节对119通过内角部接点131和141连接于链节对139，链节对139通过内角部接点161连接于链节对159，而链节对159通过内角部接点121和151连接于链节对119。
如图8所示，环组件的三角环外周轮廓线170包括线段114、134和154。虚线114经过外周角部接点115和125，虚线134和154分别经过外周角部接点135、145和155、165。
在图9中，环组件108处于进一步张开的位置。虚线117、137和157分别经过成对的外周角部接点115、125；135、145；和155、165，形成了一个尺寸大于图8所示环170的三角环180。
虚线段117、137之间的夹角等于图8中虚线114、134之间的夹角。类似地，虚线137、157和虚线157、117之间的夹角分别等于图8中的虚线134、154和154、114之间的夹角。
图中所示的环组件都是通过将相邻的链节对在内枢转点上直接结合而形成的。结果是一个环组件的所有链节对都处在平行的平面上。还可以通过在相邻链节对的内角部枢接点之间引入毂件来相对增大环组件的尺寸。请参见
图10所示的环组件208，其中利用诸如299的毂件将每个链节对连接于相邻的链节对。此外，借助各毂件，可以在一单个连接点上链节两个以上的链节对。
除了毂件之外，环组件208完全类似于上述的其它环组件。实际上，应该认识到，
图10-12所示的环组件类似于图4-6所示的环组件。在图4-6中，没有毂件，并且各链节对处在相互平行的平面上。在
图10-12中，各毂件将同样的链节对定位在非平行的平面上。环组件208包含多边形链节，每个链节都具有三个盖接点和一个中间接点，它们借助这些接点连成链节对249、259、269、279、289和299。
毂件可以是具有至少两个彼此不同轴的、分开的枢接点的连接材料。毂件可以具有角度，或者可以是直的。各毂件枢接点的轴线可以相互平行、垂直或形成其它角度。每一种变化都是对环组件的创造性设计元件造成影响，例如对其运动范围造成影响。
毂件的尺寸及其所用的材料也会对环组件的耐用性造成影响。
图11示出了在环组件208张开至另一个位置的同时，穿过多边形链节各外周接点的直线维持相同的多边形形状。可以看到，链节对249枢转连接于毂件252和253，这两个毂件再连接于链节对259。同样地，链节对259通过毂件262和263连接于链节对269。类似地，链节对269、279；279、289；289、299；和299、249分别通过毂件272、273；282、283；292、293；和242、243连续地连接。如上所述，这些毂件可以在相邻链节对的平面之间引入一定的角度。
虚线344、354、364、374、384和394分别处在与它们相应的链节对349、359、369、379、389和399的平面上，并且形成了一个立体的环400。这些直线都穿过相应连接的外周角接点用于链节对249的接点240、245；用于链节对259的接点250、255；用于链节对269的接点260、265；用于链节对279的接点270、275；用于链节对289的接点280、285；和用于链节对299的接点290、295。
在
图12中，环208进一步地张开至另一个位置。虚线444、454、464、474、484和494分别经过多边形链节240、245；250、255；260、265；270、275；280、285；和290、295。与上述的其它环组件一样，这些线段形成了一个环450，其尺寸大于
图11所示的环400。然而，虚线444和454之间的夹角等于
图11中的虚线344和354之间的夹角。同样地，形成在相应于
图12中的任何两个相邻链节对的虚线之间的夹角等于类似地形成在
图11中的同样两个相邻链节对的虚线之间的夹角。
如上所述，根据本实用新型的环组件可以用来形成立体的封闭结构。在某些情况下，只要将两个或更多些环组件连接起来即可。在另一些情况下，需要将附加的链节对连接于环组件来封闭整个结构。
通常，环组件和／或链节对是如上所述的那样在外周枢接点上相互连接。不必总是要用所有可用的外周枢接点。然而，要进行相互连接只能采用外周角部接点。虽然直接用枢转连接以及如下所述的活铰链连接也是可行的，但各环组件之间的互联通常会涉及到毂件。
重要的且需注意的是，外周角部接点只是相对于某一给定的环组件而言。一旦将一结构组装完毕，就可以任意地选择链节对来勾画环组件的外轮廓线，因为该结构是固定对称的。
参见
图13，其中示出了处于张开位置的结构500。结构500是由互锁的环组件内的20个链节对构成的，每个链节对包括两个多边形链节。结构500内的一个环组件510包括五个链节对520、530、540、550和560。链节对520通过两个毂件522和523可枢转地连接于链节对530。类似地，链节对530、540、550和560分别通过毂件532、533；542、543；和552、553一个接一个地相互连接。链节对560通过毂件562和563连接于链节对520。应该可以认识到，环组件510类似于
图10-12所示，只是它仅采用了五个链节对，并且各毂件具有不同的角度。
按照本实用新型的结构可以像一个创造性设计的构件一样包括一具有连续表面的结构。如
图13所示，在收拢位置上，结构500可形成一基本封闭和连续的表面。连续程度取决于链节的多边形形状、环组件内的链节数量和各毂件的角度。
图14示出了张开至一较大位置的结构500。虚线524经过链节对520的外周角部接点。类似地，虚线534、544、554和564分别经过链节对530、540、550和560的外周角部接点。虚线段524、534、544、554和564形成了一个五边形的环。
在
图15中，结构500进一步地张开。虚线524、534、544、554和564分别经过链节对520、530、540、550和560的外周角部接点，形成了一个五边形的环580，其尺寸大于
图14中的环570。形成在相应于
图15中的任何两个相邻链节对的虚线之间的角度等于类似形成在相应于
图14中的同样两个链节对的虚线之间的角度。在这个完全张开的位置上，可以看到另一个由组成结构500的各多边形链节所形成的另一个创造性设计的构件。即，各链节对分开，并产生五边形的开口。
除了上述的用于互联的简单枢接点之外，无论是毂件连接还是直接连接，都可以包括活铰链连接。活铰链是一材料的柔性部分，它与该材料的两个或多个硬质部分相连续，并将硬质部分连接起来。硬质部分的尺寸变化将使柔性部分发生变化。
图16示出了一片材料601，该材料由可充当多边形链节的三角形硬质区域构成，这些硬质区域通过材料的可充当角部接点的较薄的柔性区域连接起来。虽然有很多材料都适合用作本实用新型的活铰链，并且熟悉本技术领域的人员很容易就能确定该材料，但可以相信聚丙烯和nitemol是特别适合于形成活铰链的材料。
图17示出了由上述的一片材料601和与其镜像对称的另一片材料602组成的一个平面结构600。片材601通过36个枢接点接合于片材602，从而产生36个链节对。
图19示出了这种结构的收拢位置。这些链节对布置在互锁的环组件内。这样的一个环组件605是由六个链节对610、620、630、640、650和660组成。虚线615经过链节对610的外周角部接点。类似地，虚线625、635、645、655和665分别经过链节对620、630、640、650和660的外周角部接点。
虽然
图18示出了可用在内角部枢接点上的活铰链，但也可以将活铰链用在中间枢接点上。下文中结合图28说明了一个具有活铰链中间枢接点的链节对的例子。
在
图18中，结构600处在一个张开较大的位置上。虚线616经过链节对610的外周角部接点。类似地，虚线626、636、646、656和666分别经过链节对620、630、640、650的外周角部接点。虚线616和626之间的夹角等于
图17中的虚线615和625之间的夹角，然而，与前图所示的环组件不同，由于在收拢和张开时各边缘的尺寸不是成正比地变化，因而该环组件在收拢和张开时的形状也是变化的。类似地，虚线626、636；636、646；646、656；和656、666之间所形成的夹角分别等于
图17中的虚线625、635；635、645；645、655；和655、665之间的夹角。
图20所示的结构700也是由两片材料701和702构成。与
图16所示的片材601、602相似，片材701、702是由可充当多边形链节的材料的三角形硬质区域构成，这些链节由可充当角部接点的材料的较薄柔性区域连接。片材701和702已通过多个中间枢接点相互结合，并且形成为圆筒形。
圆筒形结构可以通过将非常类似于
图17-19所示的环组件的两个相对的平行边缘相互结合而形成。或者，可以通过从具有非常类似于
图16的链节缺口的连续的圆筒形材料来形成两个圆筒。将一个圆筒围绕一通过中间枢接点结合的第二圆筒来布置。还有第三种方法是，从具有活铰链中间枢接点的单个圆筒形材料上切除链节对。熟悉本技术领域的人员应该可以认识到同样落入本实用新型的精神和保护范围内的其它实施例。
可以看到，在收拢位置上，组成结构700的多边形链节对形成了一个非常类似于
图13所示的连续表面。图中有六根虚线710、720、730、740、750和760分别经过链节对的六个外周角部接点。
图21示出了处于张开位置的结构700，该结构保持其总的圆筒形形状。六根虚线715、725、735、745、755和765经过六个链节对的外周角部接点。虚线715和725之间的夹角等于如图20所示的虚线710和720之间的夹角。类似地，图21中相应于任何两个相邻链节对的虚线之间的夹角等于图20中相应于同样两个链节对的虚线之间的夹角。
图22示出了由互联的若干个环组件构成的另一个结构800，它处于收拢位置。该结构由20个环组件构成，其中的一个环组件810类似于图8所示的环组件108。
图23示出了结构800处于部分张开位置的情况。可以看到，环组件810是由三个链节对820、830和840组成。虚线825经过链节对820的外周角部接点，而虚线835和845则分别经过链节对830和840的外周角部接点。
图24示出了结构800处于完全张开位置的情况，其中虚线826经过链节对820的外周角部接点，而虚线836和846则分别经过链节对830和840的外周角部接点。虚线826和836之间的夹角等于图23中所示的虚线825和835之间的夹角。同样地，图24中其它相邻虚线之间的夹角等于图23中类似虚线之间的夹角。
图25A示出了一个多边形链节901，它具有一个中间枢接点957、两个内枢接点954和956和一个外周枢接点955。
图25B示出了由两个多边形链节901和902组成的链节对903，所述的两个链节分享中间枢接点957。图中还示出了分别用于多边形链节901和902的内枢接点952、956、958和959。最后，用于链节902和903的外周枢接点分别是954和955。
图25C示出了一个处于部分张开位置的环组件910。环组件910由四个链节对903、913、923和933组成，每个链节对包括两个多边形链节。一虚线906经过属于链节对903的外周接点954和955。类似地，虚线916、926和936分别经过外周接点964、965和974、975以及984、985，形成了一个四边形。
环组件910(图26)说明了各链节对相互连接的另一种实施例。不是所有的内角部接点都是由相邻的链节对形成的，某些内角部接点连接于非相邻的链节对。
具体地说，链节对903(图27)通过其内角部接点958连接于相邻的链节对913，并通过内角部接点956连接于相邻的链节对933。然而，链节对903还通过两个内角部接点952和959连接于非相邻的链节对923。
图26示出了处于张开位置的结构900。该结构由六个链节对组成，其中之一是环组件910。
图27示出了处于完全张开位置的结构900。虚线907经过链节对903的外周角部接点。同样地，虚线917、927和937分别经过链节对913、923和933的外周角部接点。虚线907和917之间的夹角等于图25C中的虚线906和916之间的夹角。类似地，图27中相应于任何两个相邻链节对的虚线之间的夹角等于图25C中相应于同样两个链节对的虚线之间的夹角。
图28示出了由单件材料制成的一个链节对1001，该材料被切割成两个多边形链节1002和1003。中间接点1004由与链节1003和1004形成一体的柔性材料区域构成。通过使中间接点1004挠曲，就可以让链节1003相对于链节1004转动。
在图29中，环组件1005由八个链节对1011、1021、1031、1041、1051、1061、1071和1081组成。类似于图28所示的链节对1001，每个链节对都是由通过一中心接点连接的两个多边形链节组成，中心接点是由与多边形链节相连续的一个柔性材料区域构成。
链节对1071通过两个内角部接点1022和1023连接于相邻的链节对1081。接点1022是由与链节1072和1082相连续的一个柔性材料区域构成。同样地，接点1023与链节1073和1083相连续。
因此，环组件1005是由单件材料构成的，该材料包括可作为多边形链节的刚性区域和可作为枢接点的柔性区域。
如图29所示，一虚线1015经过链节对1011的外周角部接点。类似地，虚线1025、1035、1045、1055、1065、1075和1085分别经过链节对1011、1021、1031、1041、1051、1061、1071和1081的外周角部接点，形成了一个由虚线围成的八边形环。
在图30中，结构1000由32个多边形链节对组成，每个链节对都类似于图28所示的链节对1001。这些链节对被分成每组8个共四个组。结构1000的环组件之一1005处于完全张开位置。
结构1000是由一单件材料制成，该材料包括可作为多边形链节的刚性区域和可作为角部接点或中间接点的相对柔性区域。
在图31中，结构1000处于完全张开位置，虚线1016经过链节对1011的两个外周中间接点。类似地，虚线1026、1036、1046、1056、1066、1076和1086分别经过链节对1021、1031、1041、1051、1061、1071和1081的外周接点。环组件1005的外周接点是接合于相邻环组件1006(在图中以阴影区域来表示)的活铰链接点。
虚线1016和1026之间的夹角等于图29中的虚线1015和1025之间的夹角。同样地，图31中每根虚线与其相邻虚线所成的夹角等于图30中的相应虚线之间的夹角。
可以看到链节对1051的内角部接点枢转接合于相邻链节对1061的内角部接点。此外，各内角部接点接合于属于相邻环组件1006的链节对1091和1101，该相邻环组件如图31中的阴影部分所示。因此，属于链节对1051、1061、1091和1101的每个多边形链节对与其它三个多边形链节相接合。因此，结构1000中的多边形链节之间的类似的多个接点就形成了一个链节对的立体矩阵。
图32示出了处于收拢位置的环组件1200。环组件1200部分地由四个链节对1210、1230、1250和1270组成。除了这四个链节对之外，环组件1200还包含八个连接链节1221、1222、1241、1242、1261、1262、1281和1282。
图33示出了处于部分张开位置的环组件1200。链节对1210由两个多边形链节1211和1212组成，这两个链节对通过中间接点1215连接。链节1211具有一将它连接于多边形链节1272的内角部接点1213，链节1212通过角部接点1214连接于链节1231。类似地，链节对1230、1250和1270分别通过它们的内角部接点相互连接。
除了所述的内角部连接点之外，组成环组件1200的四个链节对通过八个附加的连接用链节相互连接。具体地说，链节对1210通过可相互枢转的连接链节1221和1282连接于链节对1270。类似地，链节对1270通过链节1281和1262连接于链节对1250。除了这四个连接点之外，还可以看到，连接链节1221可枢转地附连于连接链节1222。同样地，连接链节1241、1242和1261、1262和1281、1282可枢转地相互连接。因此，八个连接链节形成了一个在八个位置上可枢转地连接于四个链节对的闭合环。每个连接链节具有连接于一个多边形链节的枢转连接点，每个连接链节具有一个中间接点和两个末端接点，并且通过其末端接点之一连接于相邻的链节，从而形成一个闭合环。这八个连接链节可以使环组件的运动同步。这在多边形链节只通过单个内角部接点连接(如对组件1200)的情况下是必要的。
虚线1218经过属于链节对1210的外周接点1216和1217。类似地，虚线1238、1258和1278分别经过链节对1230、1250和1270。
图34示出了处于完全张开位置的环组件1200。虚线1219、1239、1259和1279分别经过链节对1230、1250和1270的外周接点。虚线1219和1239之间的夹角等于图33中的虚线1218和1238之间的夹角。这种夹角的相似性对其它虚线也是一样的。
图35A和35B示出了四个环组件，图35A中的环组件处于收拢状态，而图35B中的环组件处于张开状态。在该实施例中，环组件之间的接点包括如图中1301和1302所示的、分开的毂件，这些毂件将相邻的组件连接于每个多边形链节的外周接点，它们可以是球或承座。该实施例允许环组件直接连接，不需要分开的毂件。该特定实施例可以减少构件数量(即没有毂件)，并且由于各组件之间的力传递是直接而不是间接进行的，所以具有理想的结构特性。
图36示出了由多边形链节1401、1402、1403、1404、1405和1406组成的三角形环组件1400。外周角部接点1411是一个可枢转地连接于链节1401的分开的构件。枢接点的轴线基本位于链节1401所在的平面。类似地，外周角部接点1412、1413、1414、1415和1416分别可枢转地连接于多边形链节1402、1403、1404、1405和1406，每根轴线都位于相应链节所在的平面内。虚线1410经过六个外周角部接点。
图37示出了处于打开状态的环组件1400。经过所有六个外周角部接点的虚线1420所包含的夹角类似于虚线1410所成的夹角。
图38和39示出了处于收拢和张开状态的环组件的立体图。
图40是具有相应外周角部接点1413、1414的链节1403、1404的立体图。角部接点1413具有一连接于链节1403的枢接点，其轴线基本位于链节1403所在的平面内。因此，角部接点可以如箭头1432所示的那样转动。角部接点1414以类似的方式可枢转地连接于链节1404，并且如箭头1431所示的那样转动。
图41和42示出了本实用新型的另一个实施例，即分别处于收拢和张开状态的方形环组件1500。与图32-34所示的环组件1200相似，环组件是由八个多边形链节和八个附加的连接链节组成。
图42示出了分别枢转连接于多边形链节1501和1502的外周角部接点1511和1512。所述枢接点的轴线基本位于这两个多边形链节所在的平面内。
图41和42还示出了分别经过环组件1500的各外周角部接点的虚线1510和1520。虚线1501和1520包含彼此相似的夹角。
图43和44分别是处于收拢和张开状态的环组件1500的立体图。
图45至图50示出了环组件1400和1500是如何作为用于建造可逆伸展结构的一组构件的。在图45中，将环组件1400放到靠近环组件1500的位置，使角部接点1413靠近角部接点1511。类似地，接点1414靠近1512。
图46示出了角部接点1414压到角部接点1512上的情况。随着接点1414受压，两个柔性区域1415、1416扩开，而接点1512的两个柔性区域1515、1516被压到一起。
图47示出了角部接点1414和1512已经对准并相互结合后的情况，这两个接点都已经弹回到其未受力的状态。于是，接点1414和1512就可以如箭头1622所示的那样彼此相对的转动。已经相互连接的外周角部接点1414和1512的组合可以被认为是形成了一个组合的毂件1650。所述组件具有由箭头1621、1622、1623表示的三根交叉的轴线，就其运动范围而言，基本上可以作为一个球接头。
图48示出了已经连接起来的环组件1400和1500，角部接点1511和1512分别连接于接点1413和1414，从而分别形成了组合的毂件1650、1651。环组件1400可以如箭头1620所示的那样相对于环组件1500自由地枢转。
图49示出了已经相对于环组件1500枢转的环组件1400，因而在两个环组件的平面之间形成了一个夹角。组合的毂件1650、1651可以如箭头1630和1640所示的那样相互面对地受到挤压。
图50示出了在组合的毂件1650、1651已经被挤在一起之后，环组件1400和1500处于张开状态的情况。
图51示出了两个三角形环组件1401、1402，它们通过其外周角部接点连接于三个方形环组件1501、1502、1503，从而形成了一个棱柱形结构1600。图44示出了处于收拢状态的结构1600。
图52示出了处于张开状态的结构1600。
图53示出了由两个相互枢转连接的链节1731和1732组成的剪形对，所述枢接点位于各链节的中心区域内。端部枢接点1710和1711本身枢转连接于链节1732；末端枢接点1720和1721枢转连接于链节1731。所有的端部接点都能围绕剪形对1700所在平面内的轴线枢转。
图54是剪形对1700的立体图，其中箭头1725和1726分别表示端部接点1710和1720的转动轴线。
图55示出了处于收拢位置的棱柱形结构1750。结构1750是由三个方形的环组件1501、1502、1503；两个三角形的组件1401、1402；和六个剪形对1700、1701、1702、1703、1704和1705组成。环组件1402在两个点上分别连接于三个剪形对1700、1701、1702，这些剪形对再在两个点上分别连接于三个环组件1501、1502和1503。同样地，环组件1401分别在两个点上连接于剪形对1703、1704、1705，这些剪形对再在两个点上分别连接于环组件1501、1502和1503。
图56示出了处于张开状态的结构1750。可以看到的是，附加的剪形对使结构1750尺寸相对于图52所示的处于张开状态的结构1600变大。
图57示出了两个相邻的方形环组件1501、1502，每个组件所在的平面相互平行。组件1501、1502之间是八个管形件1800。所述管形件可以通过压配在组件1501、1502中的结构(例如柱1505)上而附连于组件1501、1502。
图57还示出了两个分开的毂件1530、1531，它们可以通过压配在诸如柱1506之类的结构上而附连于环组件1501。
在图58中，环组件1501、1502通过八个管形件1800相互连接，因而八个多边形链节中每一个都连接于组件1502中的一个相应多边形链节对。这两个环组件相互平行，形成了一个层叠结构。
图58还示出了附连于组件1501的分开的毂件1530、1531，以便为环组件提供附加的连接点。
图59示出了处于张开状态的环组件1501、1502，其中管形件1800可以使两个组件的运动同步。
应该理解，虽然已经通过本说明书和权利要求书对本实用新型进行了非限制性的描述，但在不偏离本实用新型精神和实质的情况下还可以作出各种变型和改动。
权利要求1．一种可逆伸展结构，包括多个组装成链节对的链节，其特征在于，每个链节均为多边形形状，具有至少三个角部、一个中间接点、和靠近至少一个所述角部以便将两个相邻链节枢转连接起来的至少一个角部枢接点。
2．如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述至少一个角部枢接点包括至少一个内角部枢接点和至少一个靠近所述环组件外边缘的外周角部枢接点；所述多个链节中的每一个链节都在所述中间枢接点上连接于所述多个链节中的另一个链节，从而形成一个链节对，至少三个链节对形成一个环组件；所述至少三个链节对中的每一个链节对都通过至少一个所述内角部枢接点而连接于至少另外两个链节对。
3．如权利要求2所述的结构，其特征在于，所述环组件具有一由若干个线段组成的特别的多边形外轮廓，每个线段都是由经过所述链节对之一的两个外周角部接点的直线构成，所述线段的数量等于所述环组件内的链节对的数量；以及相应于在环组件的某个给定位置上的特定的两个链节对的任何两个线段之间的夹角等于相应于在环组件的任何其它位置上的同样两个链节对的线段之间类似形成的夹角，因而由线段组成的环的尺寸随着所述环组件的伸展而增大，随着环组件的收拢而减小。
4．如权利要求1所述的结构，其特征在于，相邻的两个链节对之间的所述接点是所述相邻链节对的所述内角部枢接点之间的直接枢接点。
5．如权利要求4所述的结构，其特征在于，所述外周角部枢接点本身具有一连接于其相应多边形链节对的枢接点，所述枢接点的轴线基本位于所述多边形链节对所在的平面内。
6．如权利要求5所述的结构，其特征在于，每个外周角部枢接点具有一个或多个柔性区域，当所述角部枢接点的所述柔性区域与属于另一个环组件的角部枢接点的柔性区域接触时，它应该能弹性变形，接着，随着两个角部枢接点的相互对准，所述的两个柔性区域弹回其原来未受力的状态，因而在所述两个外周角部枢接点之间形成一枢转连接，从而形成了一个可作为一具有三根交叉转动轴线的球接头的毂件。
7．如权利要求1所述的结构，其特征在于，该环组件还包括一个或多个毂件，用于连接所述相邻链节对的所述内角部枢接点。
8．如权利要求1所述的结构，其特征在于，该结构还包括至少另一个环组件，两个环组件之间通过所述外周角部枢接点相互连接。
9．如权利要求1所述的结构，其特征在于，该结构还包括一个或多个具有至少一个外周枢接点的链节对，这些链节对通过所述外周枢接点连接于所述环组件。
10．如权利要求8所述的结构，其特征在于，该结构具有立体形状。
11．如权利要求10所述的结构，其特征在于，该结构还包括多个环组件，这些环组件通过它们的所述链节的角部接点相互连接，所述多个环组件的所述接点中的至少一个将三个或多个所述链节结合起来，从而形成一个可逆伸展的立体链节矩阵。
12．如权利要求10所述的结构，其特征在于，所述环组件中的至少一个包括至少两个位于不同平面内的链节对，所述环组件的任何两个链节对的任何两个平面之间的夹角在所述结构的任何位置上都基本保持恒定。
13．如权利要求8所述的结构，其特征在于，它还包括用于将两个环组件连接成叠置状态的装置。
14．如权利要求8所述的结构，其特征在于，它还包括若干个分开的毂件，它们可以附连于各环组件上的点，藉以提供附加的连接点。
15．如权利要求1所述的结构，其特征在于，它还包括至少一个片材，所述片材包括多个可形成环组件链节的刚性区域以及可形成所述环组件的角部枢转接点的薄的柔性区域，所述各刚性区域通过一个或多个所述薄的柔性区域连接在一起。
16．如权利要求15所述的结构，其特征在于，该环组件还包括两个片材，所述两个片材通过多个中间枢接点相互连接。
17．如权利要求16所述的结构，其特征在于，所述中间接点是活铰链。
18．如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述外周角部枢接点包括一种球和承槽的配置。
19．如权利要求1所述的结构，其特征在于，它还包括一由连接链节组成的附加环，所述各连接链节均为细长形状，并且都具有一中间接点和两个端部接点，其中每个连接链节的每个端部接点可枢转地连接于一个相邻的连接链节，从而形成一个环；以及每个连接链节的每个中间接点可枢转地连接于所述环组件内的一个多边形链节。
20．如权利要求1所述的结构，其特征在于，它还包括至少一个剪形对，所述剪形对是由在一中间枢接点上枢转连接的两个链节组成，所述两个链节中的每个链节的两端都具有一末端枢接点，用于可枢转地连接于其相应的链节，所述枢转连接的轴线大致位于由所述剪形对形成的平面内。
21．如权利要求1所述的结构，其特征在于，还包括至少一个剪形对，其中，每个剪形对的每个末端枢接点均具有一个或多个柔性区域，因此，当所述角部枢接点与环组件的角部枢接点接触时，它应该能弹性变形，接着，随着两个角部枢接点的相互对准，所述的两个柔性区域弹回其原来未受力的状态，因而在所述两个外周角部枢接点之间形成一枢转连接，从而形成了一个可作为一具有三根交叉转动轴线的球接头的毂件。
专利摘要借助由相互连接的多边形链节所构成的若干个环组件来形成可逆伸展的结构。每个环组件具有多边形链节,每个链节具有至少三个枢接点,至少一些多边形链节具有三个以上的枢接点。每个多边形链节均具有一中间枢接点,用于连接另一个链节而形成一个链节对。每个链节还具有至少一个内枢接点和一个外周枢接点。内枢接点用于将链节对连接于相邻链节对,以形成一环组件。环组件可以通过外周枢接点相互结合和/或结合于其它链节对,以形成各种结构。
文档编号E04B1/32GK2427259SQ99256270
公开日2001年4月25日 申请日期1999年12月23日 优先权日1999年7月27日
发明者查理斯·霍夫曼 申请人:查理斯·霍夫曼