可折展六面体结构的制作方法

本实用新型涉及单自由度、大折展比的可折叠多面体结构，具体的说，是涉及一种由单一驱动实现十四面体与六面体之间的变换。

背景技术：

多面体结构因其较好的对称性，在航空航天、建筑结构、艺术品和日常生活中得到广泛地应用，但由于体积大、不利于运输，多面体结构常常只能用于固定场合。被SCIENCE期刊评为2014年年度十大科技突破的立方小卫星就是航空航天领域追求小型化低成本发射的典型代表，但其在轨状态工作空间狭小的缺点也制约着它的进一步应用。

空间可折展结构是随着航天科技的发展而诞生的一种新型结构，它在发射过程中处于折叠收纳状态，体积容量最小；入轨后，可折展结构可按设计展开成较大的运营工作状态；返回或回收时，该结构可再次折叠收拢进入飞船。采用过约束机构为基本单元的空间可展结构有着高刚性，制造简单，成本低，可靠性高等优势。

现有的空间可折展结构主要涉及平面或曲面上的折展，如太阳能帆板、卫星天线，而涉及体积方面的折展机构主要采用非刚性变形得到，变形过程不利于控制且不易重复操作，现有采用刚性变形的可折展多面体要么结构复杂，如C.M.Gosselin和D.Gagnon-Lachance在2006年提出的用正多边形机构驱动的可折展多面体结构；要么不能实现完全折叠，如Kiper and在2009年提出的可折展多面体的折展比不足1.1。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服已有技术的不足，提供一种能够实现折叠和展开两种稳态的且安装和操作过程简单的可折展六面体结构，该结构是含有刚性过约束机构的拥有两种稳定状态的特殊多面体，折叠时体积较小便于发射或运输，展开时具有较大的工作空间；整个结构只具有一个自由度，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、土木工程等众多领域中具有重要意义和广泛的应用前景。

为了解决上述技术问题，本实用新型通过以下的技术方案予以实现：

一种可折展六面体结构，包括六个折叠单元、十二个杆单元和一个对称轴线；每个折叠单元均具有平面等边四边形的轮廓，该平面等边四边形的四个顶点分别称为每个折叠单元的第一顶点、第二顶点、第三顶点、第四顶点；每个杆单元两端分别称为其第一端点和第二端点；六个折叠单元的平面等边四边形的边长均相等，且与十二个杆单元的长度也相等；

六个折叠单元分别为第一折叠单元、第二折叠单元、第三折叠单元、第四折叠单元、第五折叠单元、第六折叠单元；其中所述第一折叠单元、所述第二折叠单元、所述第三折叠单元的结构完全相同，其中所述第四折叠单元、所述第五折叠单元、所述第六折叠单元的结构完全相同；

十二个杆单元分别为第一杆单元、第二杆单元、第三杆单元、第四杆单元、第五杆单元、第六杆单元、第七杆单元、第八杆单元、第九杆单元、第十杆单元、第十一杆单元、第十二杆单元；

所述第一折叠单元的第一顶点与所述第一杆单元的第一端点通过第一转动副连接；所述第一杆单元的第二端点与所述第二折叠单元的第二顶点通过第二转动副连接；所述第二折叠单元的第一顶点与所述第二杆单元的第一端点通过第三转动副连接；所述第二杆单元的第二端点与所述第三折叠单元的第二顶点通过第四转动副连接；所述第三折叠单元的第一顶点与所述第三杆单元的第一端点通过第五转动副连接；所述第三杆单元的第二端点与所述第一折叠单元的第二顶点通过第六转动副连接；所述第一折叠单元的第四顶点与所述第四杆单元的第一端点通过第七转动副连接；所述第二折叠单元的第三顶点与所述第五杆单元的第一端点通过第一球副连接；所述第二折叠单元的第四顶点与所述第六杆单元的第一端点通过第八转动副连接；所述第三折叠单元的第三顶点与所述第七杆单元的第一端点通过第二球副连接；所述第三折叠单元的第四顶点与所述第八杆单元的第一端点通过第九转动副连接；所述第一折叠单元的第三顶点与所述第九杆单元的第一端点通过第三球副连接；所述第四折叠单元的第四顶点与所述第四杆单元的第二端点通过第四球副连接；所述第四折叠单元的第三顶点与所述第五杆单元的第二端点通过第五球副连接；所述第五折叠单元的第四顶点与所述第六杆单元的第二端点通过第六球副连接；所述第五折叠单元的第三顶点与所述第七杆单元的第二端点通过第七球副连接；所述第六折叠单元的第四顶点与所述第八杆单元的第二端点通过第八球副连接；所述第六折叠单元的第三顶点与所述第九杆单元的第二端点通过第九球副连接；所述第四折叠单元的第二顶点与所述第十杆单元的第二端点通过第十转动副连接；所述第十杆单元的第一端点与所述第五折叠单元的第一顶点通过第十一转动副连接；所述第五折叠单元的第二顶点与所述第十一杆单元的第二端点通过第十二转动副连接；所述第十一杆单元的第一端点与所述第六折叠单元的第一顶点通过第十三转动副连接；所述第六折叠单元的第二顶点与所述第十二杆单元的第二端点通过第十四转动副连接；所述第十二杆单元的第一端点与所述第四折叠单元的第一顶点通过第十五转动副连接；

所述第一折叠单元、所述第二折叠单元和所述第三折叠单元关于所述对称轴线三重对称；所述第一杆单元、所述第二杆单元和所述第三杆单元关于所述对称轴线三重对称；所述第四杆单元、所述第六杆单元和所述第八杆单元关于所述对称轴线三重对称；所述第五杆单元、所述第七杆单元和所述第九杆单元关于所述对称轴线三重对称；所述第四折叠单元、所述第五折叠单元和所述第六折叠单元关于所述对称轴线三重对称；所述第十杆单元、所述第十一杆单元和所述第十二杆单元关于所述对称轴线三重对称；

所述第一转动副、所述第三转动副和所述第五转动副关于所述对称轴线三重对称；所述第二转动副、所述第四转动副和所述第六转动副关于所述对称轴线三重对称；所述第七转动副、所述第八转动副和所述第九转动副关于所述对称轴线三重对称；所述第十转动副、所述第十二转动副和所述第十四转动副关于所述对称轴线三重对称；所述第十一转动副、所述第十三转动副和所述第十五转动副关于所述对称轴线三重对称；

所述第一球副、所述第二球副和所述第三球副关于所述对称轴线三重对称；所述第四球副、所述第六球副和所述第八球副关于所述对称轴线三重对称；所述第五球副、所述第七球副和所述第九球副关于所述对称轴线三重对称；

所述第二转动副、所述第四转动副、所述第六转动副、所述第七转动副、所述第八转动副、所述第九转动副、所述第十转动副、所述第十二转动副和所述第十四转动副的轴线交汇于第一交汇点；所述第十一转动副、所述第十三转动副和所述第十五转动副的轴线交汇于第二交汇点；所述第一转动副、所述第三转动副和所述第五转动副的轴线交汇于第三交汇点；所述第一交汇点、第二交汇点、第三交汇点均在所述对称轴线上，所述第二交汇点、所述第三交汇点分别位于所述第一交汇点两侧，且所述第一交汇点、所述第二交汇点之间的距离与所述第一交汇点、所述第三交汇点之间的距离相等。

其中，所述转动副为铰链、合页或轴承。

优选地，六个折叠单元均为平面等边四边形片体结构，十二个杆单元均为直杆结构。

进一步优选地，六个折叠单元均为正方形片体结构。

本实用新型的有益效果是：

(一)本实用新型为具有单一自由度的可折叠结构，通过一个驱动可以实现多面体的折叠和展开，安装及使用方便，且本实用新型不存在机构运动奇异现象，该驱动可根据实际需求安装在任意运动副位置；

(二)本实用新型具有较大的折展比率，其折展比率可达11.3倍，折叠后可以得到体积较小的稳定状态，便于运输和保存；

(三)本实用新型可以根据实际需求设计折叠单元的形状和尺寸；

(四)本实用新型结构简单，以较少数目的运动副实现多面体之间的变换，在展开状态多面体的每个顶点处仅设置一个转动副或球副即可，无需在多面体的边或面上安装其它连接结构，这样可以减少因过多连接而产生的安装和操控的不稳定性；

(五)本实用新型结构为功能性设计，可根据实际需要设计不同外观轮廓，也可以根据实际运用场合的需求设计各个单元的尺寸。

附图说明

图1是本实用新型所提供的可折展六面体结构实施方式的结构示意图；

图2-1至图2-12为图1中十二个杆单元的结构示意图；

图3-1至图3-6为图1中六个折叠单元的结构示意图；

图4-1至图4-6为图1中六个折叠单元与杆单元之间的连接关系示意图；

图5为图1所示的可折展六面体结构中设置的运动副的位置关系示意图；

图6-1至图6-4为图1所示的可折展六面体结构的折叠过程示意图，其中图6-1和图6-4为图1所示的可折展六面体结构的两个稳定状态示意图。

图中：

1-第一对称轴线；I-第一交汇点，II-第二交汇点，III第三交汇点；

F1-第一折叠单元，F2-第二折叠单元；F3-第三折叠单元，F4-第四折叠单元，F5-第五折叠单元，F6-第六折叠单元；

B1-第一杆单元，B2-第二杆单元，B3-第三杆单元，B4-第四杆单元，B5-第五杆单元，B6-第六杆单元，B7-第七杆单元，B8-第八杆单元，B9-第九杆单元，B10-第十杆单元，B11-第十一杆单元，B12-第十二杆单元；

V11-第一折叠单元与第一杆单元的连接点，V21-第二折叠单元与第一杆单元的连接点，V22-第二折叠单元与第二杆单元的连接点，V32-第三折叠单元与第二杆单元的连接点，V33-第三折叠单元与第三杆单元的连接点，V13-第一折叠单元与第三杆单元的连接点，V14-第一折叠单元与第四杆单元的连接点，V25-第二折叠单元与第五杆单元的连接点，V26-第二折叠单元与第六杆单元的连接点，V37-第三折叠单元与第七杆单元的连接点，V38-第三折叠单元与第八杆单元的连接点，V19-第一折叠单元与第九杆单元的连接点，V44-第四折叠单元与第四杆单元的连接点，V45-第四折叠单元与第五杆单元的连接点，V56-第五折叠单元与第六杆单元的连接点，V57-第五折叠单元与第七杆单元的连接点，V68-第六折叠单元与第八杆单元的连接点，V69-第六折叠单元与第九杆单元的连接点，V410-第四折叠单元与第十杆单元的连接点，V510-第五折叠单元与第十杆单元的连接点，V511-第五折叠单元与第十一杆单元的连接点，V611-第六折叠单元与第十一杆单元的连接点，V612-第六折叠单元与第十二杆单元的连接点，V412-第四折叠单元与第十二杆单元的连接点；

S1-第一球副，S2-第二球副，S3-第三球副，S4-第四球副，S5-第五球副，S6-第六球副，S7-第七球副，S8-第八球副，S9-第九球副；

H1-第一转动副，H2-第二转动副，H3-第三转动副，H4-第四转动副，H5-第五转动副，H6-第六转动副，H7-第七转动副，H8-第八转动副，H9-第九转动副，H10-第十转动副，H11-第十一转动副，H12-第十二转动副，H13-第十三转动副，H14-第十四转动副，H15-第十五转动副。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1所示，本实施例提供了一种可折展六面体结构，包括六个折叠单元、十二个杆单元和一个对称轴线1；每个折叠单元均具有平面等边四边形的轮廓，该平面等边四边形的四个顶点分别称为每个折叠单元的第一顶点、第二顶点、第三顶点、第四顶点；每个杆单元两端分别设称为其第一端点和第二端点；六个折叠单元的平面等边四边形的边长均相等，且与十二个杆单元的长度也相等。优选地，六个折叠单元均为平面等边四边形片体结构，十二个杆单元均为直杆结构。进一步优选地，六个折叠单元均为正方形片体结构。

六个折叠单元分别为第一折叠单元F1、第一折叠单元F1、第三折叠单元F3、第四折叠单元F4、第五折叠单元F5、第六折叠单元F6。其中，第一折叠单元F1、第一折叠单元F1、第三折叠单元F3的结构完全相同；其中，第四折叠单元F4、第五折叠单元F5、第六折叠单元F6的结构完全相同。

十二个杆单元分别为第一杆单元B1、第二杆单元B2、第三杆单元B3、第四杆单元B4、第五杆单元B5、第六杆单元B6、第七杆单元B7、第八杆单元B8、第九杆单元B9、第十杆单元B10、第十一杆单元B11、第十二杆单元B12。其中，第一杆单元B1、第二杆单元B2、第三杆单元B3、第十杆单元B10、第十一杆单元B11、第十二杆单元B12的结构完全相同；其中，第五杆单元B5、第七杆单元B7、第九杆单元B9的结构完全相同；其中，第四杆单元B4、第六杆单元B6、第八杆单元B8的结构完全相同。

该可展多面体结构存在一个对称线，即对称轴线1。

结合图2-1至图2-8，图3-1至3-6和图4-1至图4-6所示，第一折叠单元F1的第一顶点(V11处)与第一杆单元B1的第一端点(V11处)通过第一转动副H1连接；第一杆单元B1的第二端点(V21处)与第二折叠单元F2的第二顶点(V21处)通过第二转动副H2连接；第二折叠单元F2的第一顶点(V22处)与第二杆单元B2的第一端点(V22处)通过第三转动副H3连接；第二杆单元B2的第二端点(V32处)与第三折叠单元F3的第二顶点(V32处)通过第四转动副H4连接；第三折叠单元F3的第一顶点(V33处)与第三杆单元B3的第一端点(V33处)通过第五转动副H5连接；第三杆单元B3的第二端点(V13处)与第一折叠单元F1的第二顶点(V13处)通过第六转动副H6连接。第一折叠单元F1的第四顶点(V14处)与第四杆单元B4的第一端点(V14处)通过第七转动副H7连接；第二折叠单元F2的第三顶点(V25处)与第五杆单元B5的第一端点(V25处)通过第一球副S1连接；第二折叠单元F2的第四顶点(V26处)与第六杆单元B6的第一端点(V26处)通过第八转动副H8连接；第三折叠单元F3的第三顶点(V37处)与第七杆单元B7的第一端点(V37处)通过第二球副S2连接；第三折叠单元F3的第四顶点(V38处)与第八杆单元B8的第一端点(V38处)通过第九转动副H9连接；第一折叠单元F1的第三顶点(V19处)与第九杆单元B9的第一端点(V19处)通过第三球副S3连接；第四折叠单元F4的第四顶点(V44处)与第四杆单元B4的第二端点(V44处)通过第四球副S4连接；第四折叠单元F4的第三顶点(V45处)与第五杆单元B5的第二端点(V45处)通过第五球副S5连接；第五折叠单元F5的第四顶点(V56处)与第六杆单元B6的第二端点(V56处)通过第六球副S6连接；第五折叠单元F5的第三顶点(V57处)与第七杆单元B7的第二端点(V57处)通过第七球副S7连接；第六折叠单元F6的第四顶点(V68处)与第八杆单元B8的第二端点(V68处)通过第八球副S8连接；第六折叠单元F6的第三顶点(V69处)与第九杆单元B9的第二端点(V69处)通过第九球副S9连接。第四折叠单元F4的第二顶点(V410处)与第十杆单元B10的第二端点(V410处)通过第十转动副H10连接；第十杆单元B10的第一端点(V510处)与第五折叠单元F5的第一顶点(V510处)通过第十一转动副H11连接；第五折叠单元F5的第二顶点(V511处)与第十一杆单元B11的第二端点(V511处)通过第十二转动副H12连接；第十一杆单元B11的第一端点(V611处)与第六折叠单元F6的第一顶点(V611处)通过第十三转动副H13连接；第六折叠单元F6的第二顶点(V612处)与第十二杆单元B12的第二端点(V612处)通过第十四转动副H14连接；第十二杆单元B12的第一端点(V412处)与第四折叠单元F4的第一顶点(V412处)通过第十五转动副H15连接。

以上各转动副可采用能够提供转动功能的零件，如铰链、合页、轴承装配。

如图5所示，第一折叠单元F1、第二折叠单元F2和第三折叠单元F3关于对称轴线1三重对称；第一杆单元B1、第二杆单元B2和第三杆单元B3关于对称轴线1三重对称；第四杆单元B4、第六杆单元B6和第八杆单元B8关于对称轴线1三重对称；第五杆单元B5、第七杆单元B7和第九杆单元B9关于对称轴线1三重对称；第四折叠单元F4、第五折叠单元F5和第六折叠单元F6关于对称轴线1三重对称；第十杆单元B10、第十一杆单元B11和第十二杆单元B12关于对称轴线1三重对称。

第一转动副H1、第三转动副H3和第五转动副H5关于对称轴线1三重对称；第二转动副H2、第四转动副H4和第六转动副H6关于对称轴线1三重对称；第七转动副H7、第八转动副H8和第九转动副H9关于对称轴线1三重对称；第十转动副H10、第十二转动副H12和第十四转动副H14关于对称轴线1三重对称；第十一转动副H11、第十三转动副H13和第十五转动副H15关于对称轴线1三重对称。

第一球副S1、第二球副S2和第三球副S3关于对称轴线1三重对称；第四球副S4、第六球副S6和第八球副S8关于对称轴线1三重对称；第五球副S5、第七球副S7和第九球副S9关于对称轴线1三重对称。

第二转动副H2、第四转动副H4、第六转动副H6、第七转动副H7、第八转动副H8、第九转动副H9、第十转动副H10、第十二转动副H12和第十四转动副H14的轴线交汇于第一交汇点I，第十一转动副H11、第十三转动副H13和第十五转动副H15的轴线交汇于第二交汇点II，第一转动副H1、第三转动副H3和第五转动副H5的轴线交汇于第三交汇点III。第一交汇点I、第二交汇点II、第三交汇点III均在对称轴线1上，第二交汇点II、第三交汇点III分别位于第一交汇点I两侧，且第一交汇点I、第二交汇点II之间的距离与第一交汇点I、第三交汇点III之间的距离相等。

如图6-1至图6-4所示，利用本实施例所提供的六个折叠单元和十二个杆单元以及所提供的连接方式，可以构成空间可折叠十四面体结构，其折叠变化由各个折叠单元的形状、尺寸及转动副轴线方位决定。图6-1示出了可折展六面体结构的一个稳定状态，即空间展开态，为具有十四面的立方八面体。本实施例中的可折展六面体结构分别由两个空间过约束Bricard 6R机构，三个RRRSSS机构和三个RRSRSS机构实现上下两个六边形和侧面六个六边形的折展运动。图6-1至图6-4示出了可折展六面体结构的折叠过程，最终达到另一稳定态，即折叠态，为六面体，如图6-4所示。在任一运动副上通过单一驱动可使本实施例的可折展六面体结构由展开态向折叠态变换，在此过程中，各个转动副及球副协作使得第一杆单元B1、V11与V14之间连线和V22与V21之间连线相互靠近直至重叠，第二杆单元B2、V22与V26之间连线与V33和V32之间连线相互靠近直至重叠，第三杆单元B3、V33与V38之间连线和V11与V13之间连线相互靠近直至重叠，第九杆单元B9、V19与V13之间连线和V612与V69之间连线相互靠近直至重叠，V14与V19之间连线、第四杆单元B4和V45与V44之间连线相互靠近直至重叠，第五杆单元B5、V25与V21之间连线和V410与V45之间连线相互靠近直至重叠，第六杆单元B6、V26与V25之间连线和V57与V56之间连线相互靠近直至重叠，第七杆单元B7、V37与V32之间连线和V511与V57之间连线相互靠近直至重叠，第八杆单元B7、V38与V37之间连线和V69与V68之间连线相互靠近直至重叠，第十二杆单元B12、V612与V412之间连线与V68与V611之间连线相互靠近直至重叠，V410与V412、第十杆单元B10之间连线与V56与V510之间连线相互靠近直至重叠，第十一杆单元B11、V511与V510之间连线与V68V与611之间连线相互靠近直至重叠。(也就是说，第一折叠单元F1与第一杆单元B1的连接点V11、第二折叠单元F2与第五杆单元B5的连接点V25和第四折叠单元F4与第四杆单元B4的连接点V44逐渐靠近直至重合，第一折叠单元F1与第三杆单元B3的连接点V13、第二折叠单元F2与第一杆单元B1的连接点V21和第三折叠单元F3与第二杆单元B2的连接点V32逐渐靠近直至重合，第一折叠单元F1与第九杆单元B9的连接点V19、第三折叠单元F3与第三杆单元B3的连接点V33和第六折叠单元F6与第八杆单元B8的连接点V68逐渐靠近直至重合，第一折叠单元F1与第四杆单元B4的连接点V14、第四折叠单元F4与第十二杆单元B12的连接点V412和第六折叠单元F6与第九杆单元B9的连接点V69逐渐靠近直至重合，第二折叠单元F2与第二杆单元B2的连接点V22、第三折叠单元F3与第七杆单元B7的连接点V37和第五折叠单元F5与第六杆单元B6的连接点V56逐渐靠近直至重合，第二折叠单元F2与第六杆单元B6的连接点V26、第四折叠单元F4与第五杆单元B5的连接点V45和第五折叠单元F5与第十杆单元B10的连接点V510逐渐靠近直至重合，第三折叠单元F3与第八杆单元B8的连接点V38、第五折叠单元F5与第七杆单元B7的连接点V57和第六折叠单元F6与第十一杆单元B1的连接点V611逐渐靠近直至重合，第四折叠单元F4与第十杆单元B10的连接点V410、第五折叠单元F5与第十一杆单元B11的连接点V511和第六折叠单元F6与第十二杆单元B12的连接点V612逐渐靠近直至重合)，同时完成十四面体中八个六边形的折叠以实现多面体的折叠变换。该可折展六面体结构具有一个自由度，能够实现大比率的折展运动，可以用作卫星的骨架结构或建筑物轮廓结构等。

可见，上述可折展六面体结构只要满足上述约束条件，即可达到本实用新型要求的折展效果，其结构形式和折展方式并不受折叠单元的具体结构影响，因此折叠单元的结构不限于正方形轮廓，其形状、大小、尺寸、材料等均可根据实际应用要求做一定的变换，需注意防止折展过程中各折叠单元相互造成干涉。

综上所述，由于本实用新型所提出的可折展六面体结构具有单一自由度，折展比率大，因此具有安装简单、操作方便、易于运输等方面的优点，尤其适于在航空航天等领域中应用。

尽管上面结合附图对本实用新型的优选实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本实用新型的保护范围之内。