一种可折展四棱柱框架结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种可折展四棱柱框架结构，包括四个依次相连的杆件结构，分别为第一杆件结构、第二杆件结构、第三杆件结构和第四杆件结构，所述杆件结构是由两根相同的长杆和四根相同的短杆通过转动副相互连接构成的环状结构，相邻的杆件结构之间公用一根由长杆构成的公共杆，所述公共杆为四棱柱框架结构的母线且为相邻两个杆件结构中的刚体。本发明框架结构是刚性过约束机构且可以完全折叠和展开，折叠时体积较小便于运输，按要求打开为中作状态时，工作空间较大；整个框架只具有一个自由度，运动控制简单；具有生产加工简单，运动控制方便，高可靠性等优点，在航空航天等众多领域中具有重要意义和广泛的应用前景。
【专利说明】
一种可折展四棱柱框架结构
技术领域
[0001]本发明涉及一种可折展的框架结构，具体的说，是涉及一种单自由度、大折展比的可折展四棱柱框架结构。
【背景技术】
[0002]多面体结构有构成简单、对称性好等优点，在建筑、航天航空、艺术、军事等领域发挥着支撑、变形、美化等重要的作用，其中的典型代表是“水立方”的基于气泡理论的多面体空间钢架结构。
[0003]框架结构自重轻，延展性好等优点。在此基础上，空间可折展框架在逐步的发展成熟，就星载可展天线而言，框架结构追求重量尽可能轻并且收拢体积尽可能小，以便装载入飞船和运输，在特定位置按要求打开为中作状态，工作空间较大，回收时折叠收拢为小体积状态，由飞船载回。空间可展框架因其优越的折展性能，越来越受到航天航空领域的青睐。采用过约束机构为基本单元的空间可展框架自由度少，刚性高，结构简单便于制造，制造成本低，可靠性高。
[0004]现有的空间可折展结构主要包括铰链可展结构、杆状可展结构、面状可展结构和体状可展结构，其中杆状可展结构目前应用最为广泛，应用于定位以及支撑，如太阳能帆、星载天线、建筑顶棚、磁强针等，而体状可展结构目前应用还比较少，并且存在不能完全折叠和折叠展开比例不大等不足。
[0005]2009年，Chen和You提出了一种线面对称的Bricard 6R结构，该结构在折展过程中运动路径唯一，折展过程可靠，如若作为太阳能毯的支撑结构，展开后工作空间较小。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种单自由度、大折展比的可折展四棱柱框架结构。该框架结构是刚性过约束机构且可以完全折叠和展开，折叠时体积较小便于运输，按要求打开为中作状态时，工作空间较大;整个框架只具有一个自由度，运动控制简单;具有生产加工简单，运动控制方便，高可靠性等优点，在航空航天等众多领域中具有重要意义和广泛的应用前景。
[0007]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0008]—种可折展四棱柱框架结构，包括四个依次相连的杆件结构，分别为第一杆件结构、第二杆件结构、第三杆件结构和第四杆件结构，所述杆件结构是由两根相同的长杆和四根相同的短杆通过转动副相互连接构成的环状结构，相邻的杆件结构之间公用一根由长杆构成的公共杆，所述公共杆为四棱柱框架结构的母线且为相邻两个杆件结构中的刚体。
[0009]所述第一杆件结构和第三杆件结构内的短杆在折叠过程中均向框架结构的内部移动，所述第二杆件结构和第四杆件结构内的短杆在折叠过程中均向框架结构的外部移动。
[0010]相邻两个杆件结构的夹角在O度到180度之间。
[0011]所述杆件结构中长杆两端转动副的夹角在90度到180度之间。
[0012]所述可折展四棱柱框架结构可将杆件结构设计为没有分叉的线面对称结构，使自由度为I，可通过设置单一驱动用以完成框架结构的折叠与展开。
[0013]所述转动副由铰链、合页或轴承其中的一种构成。
[0014]与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是:
[0015](— )本发明自由度为I，可以通过单一驱动完成折叠和展开动作，结构较简单，安装使用较方便，运动过程确定，不会有特殊现象发生。
[0016](二)本发明以功能性为目的设计，可以根据实际需求设计框架四个杆件结构的尺寸，转动副大小可以随要求调节，可以在实际要求下任意安装驱动位置。
[0017](三)本发明具有较大的折展比率，其折展比率可根据实际设计尺寸变化。
[0018](四)本发明展开后结构稳定，刚度较强，便于支撑和工作，折叠后体积较小且结构稳定，便于运输和保存。
[0019](五)本发明各个杆件各个转动副的参数可以根据实际情况设定为折展过程中各个杆件各个转动副之间没有干涉发生。
【附图说明】
[0020]图1是本发明具体实施例的立体结构示意图。
[0021]图2是杆件结构内各个转动副、杆件以及设计参数的示意图。
[0022]图3-1至图3-3是本发明中公共杆的三视结构示意图。
[0023]图4-1、图4-2和图4-3是图1中第一杆件结构内短杆的结构三视图。
[0024]图5-1、图5-2和图5-3是图1中第二杆件结构内短杆的结构三视图。
[0025]图6-1、图6-2和图6-3是本发明可折展四棱柱框架结构的折叠过程示意图。
[0026]图7-1、图7-2和图7-3分别是图6-1、图6-2和图6-3的俯视结构示意图，其中图7-2是图6-2的俯视立体结构示意图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本发明作进一步的描述:
[0028]如图1所示，本实施例提供了一种可折展四棱柱框架结构，包括四个依次相连的杆件结构，分别为第一杆件结构1、第二杆件结构2、第三杆件结构3和第四杆件结构4，杆件结构是由两根相同的长杆和四根相同的短杆通过转动副相互连接构成的环状结构，两根长杆相互平行对称等高放置，四根短杆里相连的两根为一组分为两组，每组短杆的相连端以一个转动副相连，每组短杆的分离端分别与两根放置好的长杆的同一端相连，组成一个环;相邻的杆件结构之间公用一根由长杆构成的公共杆，该公共杆为相邻两个杆件结构中的长杆并排组成的刚体，公共杆在所述四棱柱框架中位于四个母线上，相邻两个杆件结构的夹角在O度到180度之间。四个杆件结构即第一杆件结构1、第二杆件结构2、第三杆件结构3和第四杆件结构4分别为可折展四棱柱框架结构的四个侧面，四个侧面杆件结构的角度参数都对应相等，但尺寸参数不同，本实施例中第一杆件结构I和第三杆件结构3的尺寸是相同的，第二杆件结构2和第四杆件结构4的尺寸是相同的，每个杆件结构内的六个杆件都用转动副相连。
[0029]进一步的，上述杆件结构可以设计为满足没有分叉的线面对称杆件结构的参数条件，使得可折展四棱柱框架运动路径唯一，参数条件为各个杆件、相邻杆件的距离、转动副、相邻转动副之间的距离和夹角关于对称面和对称线对称，所述对称面为四根短杆之间的两个转动副在折展过程中一直所在的面，所述对称线在对称面上，并且垂直于两根长杆所在平面，位于结构的中心，所述长杆两端转动副的夹角在90度到180度之间，当结构折展过程中，两根长杆上四个转动副运动到同一平面时，一根长杆两端转动副夹角的两边与另一根长杆两端转动副夹角的两边不相交，各个杆件可以根据实际要求设计成不同的横截面形状。如可以通过改变第一杆件结构I和第三杆件结构3的短杆形状和短杆之间转动副的长度来避免第一杆件结构I和第三杆件结构3在折叠过程中向框架内部转动的8根短杆之间发生干涉。
[0030]杆件结构可以根据实际应用具体设计，由于公共杆可以是相邻两个杆件结构中公用的长杆构成，因此第一杆件结构和第三杆件结构内的短杆在折叠过程中均向框架结构的内部移动，第二杆件结构和第四杆件结构内的短杆在折叠过程中均向框架结构的外部移动。
[0031]进一步的，上述可折展四棱柱框架结构中，其自由度为I，可通过设置单一驱动用以完成框架结构的折叠与展开;其中转动副为铰链、合页或轴承。
[0032]如图2所示，第一杆件结构1、第二杆件结构2、第三杆件结构3和第四杆件结构4的各个转动副分别为h1、h2、h3、h4、h5和h6，杆件分别为杆5、杆6、杆7、杆8、杆9、杆10，转动副hi和h2之间为杆5，长度为1?2，转动副hi和h2的距离为ai2，转动副h2和h3之间为杆6，长度为I23，转动副h2和h3的距离为a23，转动副h3和h4之间为杆7，长度为134，转动副h3和h4的距离为a34，转动副h4和h5之间为杆8，长度为145，转动副h4和h5的距离为a45，转动副h5和h6之间为杆9，长度为156，转动副h5和h6的距离为a56，转动副h6和hi之间为杆10，长度为161，转动副h6和hi的距离为a6i，转动副h2和h3之间的夹角和转动副h5和h6之间的夹角均为α，转动副hi和h2与转动副h4和h5之间的夹角均为_π/2，转动副h3和h4与转动副h6和hi之间的夹角均为Ji/2，ai2与a23、a23与a34、a45与a56和a56与a6i之间的距1?均为R，其余均为零。
[0033]为方便理解和示意清楚，下文中用上角标来区分第一杆件结构1、第二杆件结构2、第三杆件结构3和第四杆件结构4。
[0034]如图3-1至图3-3所示，公共杆关于中间横截面上下对称，是相邻两个杆件结构中的杆6并排组成的刚体，其中尺寸较大的杆件结构的杆6中间被切除，切口可以使面一的短杆在完全折叠时不与公共杆干涉，之后再沿它的横截面对角线切割，切口可以使公共杆之间在折展过程中不发生干涉，上下对称沿角α两边的延长线挖出一直角边长为η的两个三角形缺口，用来安装第一杆件结构I或第三杆件结构3的短杆，第一杆件结构I或第三杆件结构3的短杆与公共杆相连接的转动副位于η上，第二杆件结构2或第四杆件结构4的短杆与公共杆相连接的转动副位于P上，I231是第一杆件结构I中长杆的长度，I232是第二杆件结构2中长杆的长度，两端切出角ω是为了第二杆件结构2的短杆在折展过程中不发生干涉。
[0035]如图4-1至图4-3所示，第二杆件结构2的杆5横截面为正方形，图3-1中所示公共杆上的P处的转动副与图4-1中P处相连，第二杆件结构2的短杆的长度为1122，一端的角β和图3-1和图3-2中角α的边与竖直方向夹角相等，g卩β= (180° _α)/2。
[0036]如图5-1至图5-3所示，第一杆件结构I的短杆横截面为矩形，图3-2中所示公共杆上的η处的转动副与图5-1中η处相连，图5-1中的β与图4-1中的β相等，第一杆件结构I短杆长为I121,图5-3中f为框架结构在折叠过程中向内部移动的转动副的长度，可以通过在折叠过程中短杆离它所在的侧面的最大距离小于短杆所在侧面与相对侧面距离的一半来求出。
[0037]图3-3、4-2、5-3 中的 c均相等。
[0038]如图6-1至图6-3所示，本发明中四棱柱框架在折叠过程中四个公共杆沿竖直方向转过180度，第一杆件结构I和第三杆件结构3中一共8根短杆向四棱柱框架结构的内部移动，第二杆件结构2和第四杆件结构4中一共8根短杆向四棱柱框架结构的外部移动，由图7-1至图7-3所示，向内部移动的8根短杆在折叠过程中没有干涉发生。
[0039]综上，上述可折展四棱柱框架只要满足上述约束条件，即可达到本发明要求的折展效果，根据实际情况可以设计不同尺寸和不同折展比的框架，该可折展四棱柱框架具有单一自由度，能够通过一个输入驱动实现大比率的折展运动，可以用作太阳能毯子支撑结构或建筑物轮廓结构等。
【主权项】
1.一种可折展四棱柱框架结构，其特征在于，包括四个依次相连的杆件结构，分别为第一杆件结构、第二杆件结构、第三杆件结构和第四杆件结构，所述杆件结构是由两根相同的长杆和四根相同的短杆通过转动副相互连接构成的环状结构，相邻的杆件结构之间公用一根由长杆构成的公共杆，所述公共杆为四棱柱框架结构的母线且为相邻两个杆件结构中的刚体。2.根据权利要求1所述一种可折展四棱柱框架结构，其特征在于，所述第一杆件结构和第三杆件结构内的短杆在折叠过程中均向框架结构的内部移动，所述第二杆件结构和第四杆件结构内的短杆在折叠过程中均向框架结构的外部移动。3.根据权利要求1所述一种可折展四棱柱框架结构，其特征在于，相邻两个杆件结构的夹角在O度到180度之间。4.根据权利要求1所述一种可折展四棱柱框架结构，其特征在于，所述杆件结构中长杆两端转动副的夹角在90度到180度之间。5.根据权利要求1所述一种可折展四棱柱框架结构，其特征在于，所述可折展四棱柱框架结构可将杆件结构设计为没有分叉的线面对称结构，使自由度为I，可通过设置单一驱动用以完成框架结构的折叠与展开。6.根据权利要求1所述一种可折展四棱柱框架结构，其特征在于，所述转动副由铰链、合页或轴承其中的一种构成。
【文档编号】B25J9/00GK106078680SQ201610493049
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月27日
【发明人】陈焱, 徐润平, 康荣杰
【申请人】天津大学