一种基于四个球面四连杆机构的单自由度可折展管状结构

1.本发明涉及可折展的管状结构领域，特别是涉及一种单自由度、多层的基于折纸结构的可折展管状结构。


背景技术：

2.管状结构因其中空轻质的特点，在航空航天、建筑结构、艺术品和日常生活中得到了广泛地应用，但由于其占用空间大、不变运输等特点，往往只能用于固定场合，制约了其在诸多领域的使用。
3.空间可折展结构是随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，体积容量较小；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。
4.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体状可展结构要么结构复杂，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。所以，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。


技术实现要素：

5.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、多层的可展管状结构。该可展管状结构折叠时体积较小便于运输，按要求打开为工作状态时，工作空间较大；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，可靠性高等优点，尤其适于在包装、收纳、土木结构和航空航天等众多领域中具有重要意义和广泛的应用前景。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.一种基于四个球面四连杆机构的单自由度可折展管状结构，包括八个面，依次为第一面、第二面、第三面、第四面、第五面、第六面、第七面、第八面；所述第一面、第二面、第三面、第四面首尾依次相连组成第一棱柱，所述第五面、第六面、第七面、第八面首尾依次相连形成第二棱柱，所述第二棱柱设置于第一棱柱的下方；第二棱柱顶部的四条边与第一棱柱底部的四条边相连形成一空间四边形；
8.所述第一面第二边与第二面第四边相邻并通过第一转动副相互连接；所述第二面第二边与第三面第四边相邻并通过第二转动副相互连接；所述第三面第二边与第四面第四边相邻并通过第三转动副相互连接；所述第一面第四边与第四面第二边相邻并通过第四转动副相互连接；所述第五面第二边与第六面第四边相邻并通过第五转动副相互连接；所述第六面第二边与第七面第四边相邻并通过第六转动副相互连接；所述第七面第二边与第八
面第四边相邻并通过第七转动副相互连接；所述第五面第四边与第八面第二边相邻并通过第八转动副相互连接；所述第一面第三边与第五面第一边相邻并通过第九转动副相互连接；所述第二面第三边与第六面第一边相邻并通过第十转动副相互连接；所述第三面第三边与第七面第一边相邻并通过第十一转动副相互连接；所述第四面第三边与第八面第一边相邻并通过第十二转动副相互连接；
9.所述第一转动副轴线、第二转动副轴线、第三转动副轴线、第四转动副轴线相互平行；所述第五转动副轴线、第六转动副轴线、第七转动副轴线、第八转动副轴线相互平行；
10.所述第一面、第二面、第六面、第五面依次由第一转动副、第十转动副、第五转动副、第九转动副相连构成第一球面四连杆机构，所述第二面、第三面、第七面、第六面依次由第二转动副、第十一转动副、第六转动副、第十转动副相连构成第二球面四连杆机构，所述第三面、第四面、第八面、第七面依次由第三转动副、第十二转动副、第七转动副、第十一转动副相连构成第三球面四连杆机构，所述第四面、第一面、第五面、第八面依次由第四转动副、第九转动副、第八转动副、第十二转动副相连构成第四球面四连杆机构；
11.所述第一球面四连杆机构与第二球面四连杆机构共用所述第十转动副，所述第二球面四连杆机构与第三球面四连杆机构共用所述第十一转动副，所述第三球面四连杆机构与第四球面四连杆机构共用所述第十二转动副，所述第一球面四连杆机构与第四球面四连杆机构共用所述第九转动副；
12.定义每个面的平面展开图中的左上角、右上角、右下角和左下角分别为第一角、第二角、第三角和第四角；其中第一面的第三角与第六面的第一角角度之和为180
°
，第二面的第四角与第五面的第二角角度之和为180
°
，第三面的第三角与第八面的第一角角度之和为180
°
，第四面的第四角与第七面的第二角角度之和为180
°
；
13.该单自由度可折展管状结构的折叠与展开围绕着第九转动副、第十转动副、第十一转动副与第十二转动副进行。折叠时，所述第一面、第五面绕第九转动副转动且两面间夹角逐渐减小，所述第二面、第六面绕第十转动副转动且两面间夹角逐渐减小，所述第三面、第七面绕第十一转动副转动且两面间夹角逐渐减小，所述第四面、第八面绕第十二转动副转动且两面间夹角逐渐减小。
14.进一步的，可折展管状结构的各个组成面为平行四边形、梯形或二者的组合。
15.进一步的，改变所述可折展管状结构的参数能够实现不同的展开形式与折叠形式，所述参数包括各组成面的角度及空间四边形边长。
16.进一步的，通过改变可折展管状结构中相邻面的夹角实现空间体状结构与空间体状结构、平面结构与平面结构或空间体状结构与平面结构间的相互转换。
17.进一步的，可折展管状结构能够实现在轴向上的排布延伸。
18.与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
19.1.本发明可实现空间结构与空间结构、平面结构与平面结构或空间结构与平面结构间的转换，部分情况可实现完全折叠或展开。
20.2.本发明自由度为1，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，运动可靠。
21.3.本发明是以功能性为目的设计，可以根据实际需求设计单元结构的尺寸，转动副大小可以根据要求随时调节，可以在实际要求下任意选择安装驱动位置。
22.4.本发明展开后结构稳定，具有一定的承载能力；折叠后体积较小且结构稳定，便于运输和保存。在折叠或展开过程中，管状结构存在着较大的内部空间。
附图说明
23.图1-1为本发明实施例一的一种由四个球面连杆机构组合而成的可折展管状结构的零件组成及平面展开图。
24.图1-2、图1-3分别是本发明具体实施例一的管状结构的完全展开状态和完全折叠状态的示意图。该结构完全展开状态与完全折叠状态均为多边形平面形结构。
25.图1-4至图1-7表示实施例一的管状结构由完全展开状态到完全折叠状态的折叠顺序示意图，图1-4表示完全展开状态，图1-5和图1-6表示折叠中间状态，图1-7表示完全折叠状态。
26.图1-8为将本发明实施例一的可折展管状结构作为基本单元并按照所述的布置方式和连接方式在其轴向上进行排布延伸得到的管状结构。
27.图2-1为本发明实施例二的一种由四个球面连杆机构组合而成的可折展管状结构的零件组成及平面展开图。
28.图2-2、图2-3分别是本发明具体实施例二的管状结构的完全展开状态和完全折叠状态的示意图。该结构完全展开状态与完全折叠状态均为多边形平面形结构。
29.图2-4至图2-7表示实施例二的管状结构由完全展开状态到完全折叠状态的折叠顺序示意图，图2-4表示完全展开状态，图2-5和图2-6表示折叠中间状态，图2-7表示完全折叠状态。
30.图2-8为将本发明实施例二作为基本单元并按照所述的布置方式和连接方式在其轴向上进行排布延伸得到的管状结构。
31.图3-1为本发明实施例三的一种由四个球面连杆机构组合而成的可折展管状结构的零件组成及平面展开图。
32.图3-2、图3-3分别是本发明具体实施例三的管状结构的完全展开状态和完全折叠状态的示意图。该结构完全展开状态为截面为三角形的管状结构，完全折叠状态为多边形平面形结构。
33.图3-4至图3-7表示具体实施例三的管状结构由完全展开状态到完全折叠状态的折叠顺序示意图，图3-4表示完全展开状态，图3-5和图3-6表示折叠中间状态，图3-7表示完全折叠状态。
34.图3-8为将本发明实施例三作为基本单元并按照所述的布置方式和连接方式在其轴向上进行排布延伸得到的管状结构。
35.图4-1为本发明实施例四的一种由四个球面连杆机构组合而成的可折展管状结构的零件组成及平面展开图。
36.图4-2、图4-3分别是本发明具体实施例四的管状结构的完全展开状态和完全折叠状态的示意图。该结构完全展开状态与完全折叠状态均为多边形平面形结构。
37.图4-4至图4-7表示实施例四的管状结构由完全展开状态到完全折叠状态的折叠顺序示意图，图4-4表示完全展开状态，图4-5和图4-6表示折叠中间状态，图4-7表示完全折叠状态。
38.图4-8为将本发明实施例四作为基本单元并按照所述的布置方式和连接方式在其轴向上进行排布延伸得到的管状结构。
39.附图标记：
40.对于实施例一：
41.a1-第一面，a2-第二面，a3-第三面，a4-第四面，a5-第五面，a6-第六面，a7-第七面，a8-第八面；
42.m1-第一转动副，m2-第二转动副，m3-第三转动副，m4-第四转动副，m5-第五转动副，m6-第六转动副，m7-第七转动副，m8-第八转动副，m9-第九转动副，m10-第十转动副，m11-第十一转动副，m12-第十二转动副；
43.a1k3-第一面的第三角；a2k4-第二面的第四角；a3k3-第三面的第三角；a4k4-第四面的第四角；a5k2-第五面的第二角；a6k1-第六面的第一角；a7k2-第七面的第二角；a8k1-第八面的第一角；
44.a1l2-第一面第二边；a1l3-第一面第三边；a1l4-第一面第四边；
45.a2l2-第二面第二边；a2l3-第二面第三边；a2l4-第二面第四边；
46.a3l2-第三面第二边；a3l3-第三面第三边；a3l4-第三面第四边；
47.a4l2-第四面第二边；a4l3-第四面第三边；a4l4-第四面第四边；
48.a5l1-第五面第一边；a5l2-第五面第二边；a5l4-第五面第四边；
49.a6l1-第六面第一边；a6l2-第六面第二边；a6l4-第六面第四边；
50.a7l1-第七面第一边；a7l2-第七面第二边；a7l4-第七面第四边；
51.a8l1-第八面第一边；a8l2-第八面第二边；a8l4-第八面第四边；
52.对于实施例二：
53.b1-第一面，b2-第二面，b3-第三面，b4-第四面，b5-第五面，b6-第六面，b7-第七面，b8-第八面；
54.n1-第一转动副，n2-第二转动副，n3-第三转动副，n4-第四转动副，n5-第五转动副，n6-第六转动副，n7-第七转动副，n8-第八转动副，n9-第九转动副，n10-第十转动副，n11-第十一转动副，n12-第十二转动副；
55.b1k3-第一面的第三角；b2k4-第二面的第四角；b3k3-第三面的第三角；b4k4-第四面的第四角；b5k2-第五面的第二角；b6k1-第六面的第一角；b7k2-第七面的第二角；b8k1-第八面的第一角；
56.b1l2-第一面第二边；b1l3-第一面第三边；b1l4-第一面第四边；
57.b2l2-第二面第二边；b2l3-第二面第三边；b2l4-第二面第四边；
58.b3l2-第三面第二边；b3l3-第三面第三边；b3l4-第三面第四边；
59.b4l2-第四面第二边；b4l3-第四面第三边；b4l4-第四面第四边；
60.b5l1-第五面第一边；b5l2-第五面第二边；b5l4-第五面第四边；
61.b6l1-第六面第一边；b6l2-第六面第二边；b6l4-第六面第四边；
62.b7l1-第七面第一边；b7l2-第七面第二边；b7l4-第七面第四边；
63.b8l1-第八面第一边；b8l2-第八面第二边；b8l4-第八面第四边；
64.对于实施例三：
65.c1-第一面，c2-第二面，c3-第三面，c4-第四面，c5-第五面，c6-第六面，c7-第七
面，c8-第八面；
66.p1-第一转动副，p2-第二转动副，p3-第三转动副，p4-第四转动副，p5-第五转动副，p6-第六转动副，p7-第七转动副，p8-第八转动副，p9-第九转动副，p10-第十转动副，p11-第十一转动副，p12-第十二转动副；
67.c1k3-第一面的第三角；c2k4-第二面的第四角；c3k3-第三面的第三角；c4k4-第四面的第四角；c5k2-第五面的第二角；c6k1-第六面的第一角；c7k2-第七面的第二角；c8k1-第八面的第一角；
68.c1l2-第一面第二边；c1l3-第一面第三边；c1l4-第一面第四边；
69.c2l2-第二面第二边；c2l3-第二面第三边；c2l4-第二面第四边；
70.c3l2-第三面第二边；c3l3-第三面第三边；c3l4-第三面第四边；
71.c4l2-第四面第二边；c4l3-第四面第三边；c4l4-第四面第四边；
72.c5l1-第五面第一边；c5l2-第五面第二边；c5l4-第五面第四边；
73.c6l1-第六面第一边；c6l2-第六面第二边；c6l4-第六面第四边；
74.c7l1-第七面第一边；c7l2-第七面第二边；c7l4-第七面第四边；
75.c8l1-第八面第一边；c8l2-第八面第二边；c8l4-第八面第四边；
76.对于实施例四：
77.d1-第一面，d2-第二面，d3-第三面，d4-第四面，d5-第五面，d6-第六面，d7-第七面，d8-第八面；
78.q1-第一转动副，q2-第二转动副，q3-第三转动副，q4-第四转动副，q5-第五转动副，q6-第六转动副，q7-第七转动副，q8-第八转动副，q9-第九转动副，q10-第十转动副，q11-第十一转动副，q12-第十二转动副；
79.d1k3-第一面的第三角；d2k4-第二面的第四角；d3k3-第三面的第三角；d4k4-第四面的第四角；d5k2-第五面的第二角；d6k1-第六面的第一角；d7k2-第七面的第二角；d8k1-第八面的第一角；
80.d1l2-第一面第二边；d1l3-第一面第三边；d1l4-第一面第四边；
81.d2l2-第二面第二边；d2l3-第二面第三边；d2l4-第二面第四边；
82.d3l2-第三面第二边；d3l3-第三面第三边；d3l4-第三面第四边；
83.d4l2-第四面第二边；d4l3-第四面第三边；d4l4-第四面第四边；
84.d5l1-第五面第一边；d5l2-第五面第二边；d5l4-第五面第四边；
85.d6l1-第六面第一边；d6l2-第六面第二边；d6l4-第六面第四边；
86.d7l1-第七面第一边；d7l2-第七面第二边；d7l4-第七面第四边；
87.d8l1-第八面第一边；d8l2-第八面第二边；d8l4-第八面第四边；
具体实施方式
88.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
89.实施例一
90.如图1-1所示，该图所示结构为本实施例提供的一种由四个球面连杆机构组合而成的可折展管状结构的零件组成及平面展开图。包括8个面，分别为第一面a1、第二面a2、第
三面a3、第四面a4、第五面a5、第六面a6、第七面a7、第八面a8，其中第一面a1和第三面a3为相同的平行四边形，第二面a2和第四面a4为相同的平行四边形，第五面a5和第七面a7为相同的平行四边形，第六面a6和第八面a8为相同的平行四边形。其中第一面第三边a1l3长度不等于第二面第三边长度a2l3。
91.第一面第二边a1l2与第二面第四边a2l4相邻并通过第一转动副m1相互连接，第一面a1能沿第一转动副m1轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第二面a2重叠；第二面第二边a2l2与第三面第四边a3l4相邻并通过第二转动副m2相互连接，第二面a2能沿第二转动副m2轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第三面a3共面；第三面第二边a3l2与第四面第四边a4l4相邻并通过第三转动副m3相互连接，第三面a3能沿第三转动副m3轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第四面a4重叠；第一面第四边a1l4与第四面第二边a4l2相邻并通过第四转动副m4相互连接，第一面a1能沿第四转动副m4轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第四面a4共面；第五面第二边a5l2与第六面第四边a6l4相邻并通过第五转动副m5相互连接，第五面a5能沿第五转动副m5轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第六面a6重叠；第六面第二边a6l2与第七面第四边a7l4相邻并通过第六转动副m6相互连接，第六面a6能沿第六转动副m6轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第七面a7共面；第七面第二边a7l2与第八面第四边a8l4相邻并通过第七转动副m7相互连接，第七面a7能沿第七转动副m7轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第八面a8重叠；第五面第四边a5l4与第八面第二边a8l2相邻并通过第八转动副m8相互连接，第五面a5能沿第八转动副m8轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第八面a8共面；第一面第三边a1l3与第五面第一边a5l1相邻并通过第九转动副m9相互连接，第一面a1能沿第九转动副m9轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第五面a5重叠；第二面第三边a2l3与第六面第一边a6l1相邻并通过第十转动副m10相互连接，第二面a2能沿第十转动副m10轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第六面a6重叠；第三面第三边a3l3与第七面第一边a7l1相邻并通过第十一转动副m11相互连接，第三面a3能沿第十一转动副m11轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第七面a7重叠；第四面第三边a4l3与第八面第一边a8l1相邻并通过第十二转动副m12相互连接，第四面a4能沿第十二转动副m12轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第八面a8重叠。
92.第一转动副m1轴线、第二转动副m2轴线、第三转动副m3轴线、第四转动副m4轴线相互平行；第五转动副m5轴线、第六转动副m6轴线、第七转动副m7轴线、第八转动副m8轴线相互平行。
93.第一面a1、第二面a2、第六面a6、第五面a5首尾依次由第一转动副m1、第十转动副m10、第五转动副m5、第九转动副m9相连构成第一球面四连杆机构，第二面a2、第三面a3、第七面a7、第六面a6首尾依次由第二转动副m2、第十一转动副m11、第六转动副m6、第十转动副m10相连构成第二球面四连杆机构，第三面a4、第四面a4、第八面a8、第七面a7首尾依次由第三转动副m3、第十二转动副m12、第七转动副m7、第十一转动副m11相连构成第三球面四连杆机构，第四面a4、第一面a1、第五面a5、第八面a8首尾依次由第四转动副m4、第九转动副m9、第八转动副m8、第十二转动副m12相连构成第四球面四连杆机构。
94.第一面的第三角a1k3与第六面的第一角a6k1角度之和为180
°
，第二面的第四角a2k4与第五面的第二角a5k2角度之和为180
°
，第三面的第三角a3k3与第八面的第一角a8k1角度之和为180
°
，第四面的第四角a4k4与第七面的第二角a7k2角度之和为180
°
。
95.第一球面四连杆机构与第二球面四连杆机构共用的第十转动副m10，第二球面四连杆机构与第三球面四连杆机构共用的第十一转动副m11，第三球面四连杆机构与第四球面四连杆机构共用的第十二转动副m12，第一球面四连杆机构与第四球面四连杆机构共用的第九转动副m9。
96.该结构整体的折叠与展开围绕着第九转动副m9、第十转动副m10、第十一转动副m11与第十二转动副m12进行。折叠时，所述第一面a1、第五面a5绕第九转动副m9转动且两面间夹角逐渐减小，所述第二面a2、第六面a6绕第十转动副m10转动且两面间夹角逐渐减小，所述第三面a3、第七面a7绕第十一转动副m11转动且两面间夹角逐渐减小，所述第四面a4、第八面a8绕第十二转动副m12转动且两面间夹角逐渐减小。
97.按照上述面的连接方式及其转动方向，展开状态为一平面结构，如图1-2所示，可折叠为平面结构，如图1-3所示。折叠过程及顺序如图1-4至图1-7所示，图1-4表示完全展开状态，图1-5和图1-6表示折叠中间状态，图1-7表示完全折叠状态。以管状结构为基本单元，按照上述的布置方式和连接方式在其轴向上进行排布延伸，可得到一包含多个基本单元的管状结构，如图1-8所示。
98.可见，上述管状结构只要满足上述约束条件，即只要满足转动副的连接方式。就可达到本发明要求的折展效果，其结构形式和折展方式并不受折叠单元的具体结构影响。转动副为铰链、合页或轴承；转动副的长度不限，构成转动副即可。每个单元的组成面为平面、曲面，或为由若干个面拼接成的面；每个单元的组成面上根据需求设置有任意形状的空洞。每个单元的外轮廓线为直线、曲线或折线。本发明可折展管状结构为运动过程中没有分叉的结构，自由度为1，可通过设置单一驱动用以完成可折管状结构的折叠与展开。由于本发明所提出的管状结构具有单一自由度，单元结构简单的功能，因此具有安装简单、操作方便、易于运输等方面的优点，尤其适于在包装、收纳、土木结构和航空航天等领域中应用。
99.实施例二
100.如图2-1所示，该图所示结构为本实施例提供的一种由四个球面连杆机构组合而成的可折展管状结构的零件组成及平面展开图。包括8个面，分别为第一面b1、第二面b2、第三面b3、第四面b4、第五面b5、第六面b6、第七面b7、第八面b8，其中第一面b1、第四面b4、第六面b6、第七面b7为相同的平行四边形，第二面b1、第三面b3、第五面b5、第八面b8为相同的平行四边形。其中第一面第三边b1l3长度等于第二面第三边长度b2l3。
101.第一面第二边b1l2与第二面第四边b2l4相邻并通过第一转动副n1相互连接，第一面b1能沿第一转动副n1轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第二面b2重叠；第二面第二边b2l2与第三面第四边b3l4相邻并通过第二转动副n2相互连接，第二面b2能沿第二转动副n2轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第三面b3共面；第三面第二边b3l2与第四面第四边b4l4相邻并通过第三转动副n3相互连接，第三面b3能沿第三转动副n3轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第四面b4重叠；第一面第四边b1l4与第四面第二边b4l2相邻并通过第四转动副n4相互连接，第一面b1能沿第四转动副n4轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第四面b4共面；第五面第二边b5l2与第六面第四边b6l4相邻并通过第五转动副n5相互连接，第五面b5能沿第五转动副n5轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第六面b6重叠；第六面第二边b6l2与第七面第四边b7l4相邻并通过第六转动副n6相互连接，第六面b6能沿第六转动副n6轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第七面b7共面；第七面第二边b7l2与第八面第四边
b8l4相邻并通过第七转动副n7相互连接，第七面b7能沿第七转动副n7轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第八面b8重叠；第五面第四边b5l4与第八面第二边b8l2相邻并通过第八转动副n8相互连接，第五面b5能沿第八转动副n8轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第八面b8共面；第一面第三边b1l3与第五面第一边b5l1相邻并通过第九转动副n9相互连接，第一面b1能沿第九转动副n9轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第五面b5重叠；第二面第三边b2l3与第六面第一边b6l1相邻并通过第十转动副n10相互连接，第二面b2能沿第十转动副n10轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第六面b6重叠；第三面第三边b3l3与第七面第一边b7l1相邻并通过第十一转动副n11相互连接，第三面b3能沿第十一转动副n11轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第七面b7重叠；第四面第三边b4l3与第八面第一边b8l1相邻并通过第十二转动副n12相互连接，第四面b4能沿第十二转动副n12轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第八面b8重叠。
102.第一转动副n1轴线、第二转动副n2轴线、第三转动副n3轴线、第四转动副n4轴线相互平行；第五转动副n5轴线、第六转动副n6轴线、第七转动副n7轴线、第八转动副n8轴线相互平行。
103.第一面b1、第二面b2、第六面b6、第五面b5首尾依次由第一转动副n1、第十转动副n10、第五转动副n5、第九转动副n9相连构成第一球面四连杆机构，第二面b2、第三面b3、第七面b7、第六面b6首尾依次由第二转动副n2、第十一转动副n11、第六转动副n6、第十转动副n10相连构成第二球面四连杆机构，第三面b4、第四面b4、第八面b8、第七面b7首尾依次由第三转动副n3、第十二转动副n12、第七转动副n7、第十一转动副n11相连构成第三球面四连杆机构，第四面b4、第一面b1、第五面b5、第八面b8首尾依次由第四转动副n4、第九转动副n9、第八转动副n8、第十二转动副n12相连构成第四球面四连杆机构。
104.第一面的第三角b1k3与第六面的第一角b6k1角度之和为180
°
，第二面的第四角b2k4与第五面的第二角b5k2角度之和为180
°
，第三面的第三角b3k3与第八面的第一角b8k1角度之和为180
°
，第四面的第四角b4k4与第七面的第二角b7k2角度之和为180
°
。
105.第一球面四连杆机构与第二球面四连杆机构共用的第十转动副n10，第二球面四连杆机构与第三球面四连杆机构共用的第十一转动副n11，第三球面四连杆机构与第四球面四连杆机构共用的第十二转动副n12，第一球面四连杆机构与第四球面四连杆机构共用的第九转动副n9。
106.该结构整体的折叠与展开围绕着第九转动副n9、第十转动副n10、第十一转动副n11与第十二转动副n12进行。折叠时，所述第一面b1、第五面b5绕第九转动副n9转动且两面间夹角逐渐减小，所述第二面b2、第六面b6绕第十转动副n10转动且两面间夹角逐渐减小，所述第三面b3、第七面b7绕第十一转动副n11转动且两面间夹角逐渐减小，所述第四面b4、第八面b8绕第十二转动副n12转动且两面间夹角逐渐减小。
107.按照上述面的连接方式及其转动方向，展开状态为一平面八边形结构，如图2-2所示，可折叠为平面结构，如图2-3所示。折叠过程及顺序如图2-4至图2-7所示，图2-4表示完全展开状态，图2-5和图2-6表示折叠中间状态，图2-7表示完全折叠状态。以管状结构为基本单元，按照上述的布置方式和连接方式在其轴向上进行排布延伸，可得到一包含多个基本单元的管状结构，如图2-8所示。
108.可见，上述管状结构只要满足上述约束条件，即只要满足转动副的连接方式。就可
达到本发明要求的折展效果，其结构形式和折展方式并不受折叠单元的具体结构影响。转动副为铰链、合页或轴承；转动副的长度不限，构成转动副即可。每个单元的组成面为平面、曲面，或为由若干个面拼接成的面；每个单元的组成面上根据需求设置有任意形状的空洞。每个单元的外轮廓线为直线、曲线或折线。本发明可折展管状结构为运动过程中没有分叉的结构，自由度为1，可通过设置单一驱动用以完成可折管状结构的折叠与展开。由于本发明所提出的管状结构具有单一自由度，单元结构简单的功能，因此具有安装简单、操作方便、易于运输等方面的优点，尤其适于在包装、收纳、土木结构和航空航天等领域中应用。
109.实施例三
110.如图3-1所示，该图所示结构为本实施例提供的一种由四个球面连杆机构组合而成的可折展管状结构的零件组成及平面展开图。包括8个面，分别为第一面c1、第二面c2、第三面c3、第四面c4、第五面c5、第六面c6、第七面c7、第八面c8，其中第一面c1、第六面c6为相同的平行四边形，第二面c2、第五面c5为相同的平行四边形，第三面c3、第八面c8为相同的平行四边形，第四面c4、第七面c7为相同的平行四边形。
111.第一面第二边c1l2与第二面第四边c2l4相邻并通过第一转动副p1相互连接，第一面c1能沿第一转动副p1轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第二面c2重叠；第二面第二边c2l2与第三面第四边c3l4相邻并通过第二转动副p2相互连接，第二面c2能沿第二转动副p2轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第三面c3共面；第三面第二边c3l2与第四面第四边c4l4相邻并通过第三转动副p3相互连接，第三面c3能沿第三转动副p3轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第四面c4重叠；第一面第四边c1l4与第四面第二边c4l2相邻并通过第四转动副p4相互连接，第一面c1能沿第四转动副p4轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第四面c4共面；第五面第二边c5l2与第六面第四边c6l4相邻并通过第五转动副p5相互连接，第五面c5能沿第五转动副p5轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第六面c6重叠；第六面第二边c6l2与第七面第四边c7l4相邻并通过第六转动副p6相互连接，第六面c6能沿第六转动副p6轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第七面c7共面；第七面第二边c7l2与第八面第四边c8l4相邻并通过第七转动副p7相互连接，第七面c7能沿第七转动副p7轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第八面c8重叠；第五面第四边c5l4与第八面第二边c8l2相邻并通过第八转动副p8相互连接，第五面c5能沿第八转动副p8轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第八面c8共面；第一面第三边c1l3与第五面第一边c5l1相邻并通过第九转动副p9相互连接，第一面c1能沿第九转动副p9轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第五面c5重叠；第二面第三边c2l3与第六面第一边c6l1相邻并通过第十转动副p10相互连接，第二面c2能沿第十转动副p10轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第六面c6重叠；第三面第三边c3l3与第七面第一边c7l1相邻并通过第十一转动副p11相互连接，第三面c3能沿第十一转动副p11轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第七面c7重叠；第四面第三边c4l3与第八面第一边c8l1相邻并通过第十二转动副p12相互连接，第四面c4能沿第十二转动副p12轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第八面c8重叠。
112.第一转动副p1轴线、第二转动副p2轴线、第三转动副p3轴线、第四转动副p4轴线相互平行；第五转动副p5轴线、第六转动副p6轴线、第七转动副p7轴线、第八转动副p8轴线相互平行。
113.第一面c1、第二面c2、第六面c6、第五面c5首尾依次由第一转动副p1、第十转动副
p10、第五转动副p5、第九转动副p9相连构成第一球面四连杆机构，第二面c2、第三面c3、第七面c7、第六面c6首尾依次由第二转动副p2、第十一转动副p11、第六转动副p6、第十转动副p10相连构成第二球面四连杆机构，第三面c4、第四面c4、第八面c8、第七面c7首尾依次由第三转动副p3、第十二转动副p12、第七转动副p7、第十一转动副p11相连构成第三球面四连杆机构，第四面c4、第一面c1、第五面c5、第八面c8首尾依次由第四转动副p4、第九转动副p9、第八转动副p8、第十二转动副p12相连构成第四球面四连杆机构。
114.第一面的第三角c1k3与第六面的第一角c6k1角度之和为180
°
，第二面的第四角c2k4与第五面的第二角c5k2角度之和为180
°
，第三面的第三角c3k3与第八面的第一角c8k1角度之和为180
°
，第四面的第四角c4k4与第七面的第二角c7k2角度之和为180
°
。
115.第一球面四连杆机构与第二球面四连杆机构共用的第十转动副p10，第二球面四连杆机构与第三球面四连杆机构共用的第十一转动副p11，第三球面四连杆机构与第四球面四连杆机构共用的第十二转动副p12，第一球面四连杆机构与第四球面四连杆机构共用的第九转动副p9。
116.该结构整体的折叠与展开围绕着第九转动副p9、第十转动副p10、第十一转动副p11与第十二转动副p12进行。折叠时，所述第一面c1、第五面c5绕第九转动副p9转动且两面间夹角逐渐减小，所述第二面c2、第六面c6绕第十转动副p10转动且两面间夹角逐渐减小，所述第三面c3、第七面c7绕第十一转动副p11转动且两面间夹角逐渐减小，所述第四面c4、第八面c8绕第十二转动副p12转动且两面间夹角逐渐减小。
117.按照上述面的连接方式及其转动方向，展开状态为一截面为三角形的管状结构，如图3-2所示，可折叠为平面结构，如图3-3所示。折叠过程及顺序如图3-4至图3-7所示，图3-4表示完全展开状态，图3-5和图3-6表示折叠中间状态，图3-7表示完全折叠状态。以管状结构为基本单元，按照上述的布置方式和连接方式在其轴向上进行排布延伸，可得到一包含多个基本单元的管状结构，如图3-8所示。
118.可见，上述管状结构只要满足上述约束条件，即只要满足转动副的连接方式。就可达到本发明要求的折展效果，其结构形式和折展方式并不受折叠单元的具体结构影响。转动副为铰链、合页或轴承；转动副的长度不限，构成转动副即可。每个单元的组成面为平面、曲面，或为由若干个面拼接成的面；每个单元的组成面上根据需求设置有任意形状的空洞。每个单元的外轮廓线为直线、曲线或折线。本发明可折展管状结构为运动过程中没有分叉的结构，自由度为1，可通过设置单一驱动用以完成可折管状结构的折叠与展开。由于本发明所提出的管状结构具有单一自由度，单元结构简单的功能，因此具有安装简单、操作方便、易于运输等方面的优点，尤其适于在包装、收纳、土木结构和航空航天等领域中应用。
119.实施例四
120.如图4-1所示，该图所示结构为本实施例提供的一种由四个球面连杆机构组合而成的可折展管状结构的零件组成及平面展开图。包括8个面，分别为第一面d1、第二面d2、第三面d3、第四面d4、第五面d5、第六面d6、第七面d7、第八面d8，其中第一面d1和第四面d4为相同的梯形，第二面d2、第三面d3为相同的梯形，第五面d5、第八面d8为相同的梯形，第六面d6、第七面d7为相同的梯形。
121.第一面第二边d1l2与第二面第四边d2l4相邻并通过第一转动副q1相互连接，第一面d1能沿第一转动副q1轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第二面d2重叠；第二面第二边
d2l2与第三面第四边d3l4相邻并通过第二转动副q2相互连接，第二面d2能沿第二转动副q2轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第三面d3共面；第三面第二边d3l2与第四面第四边d4l4相邻并通过第三转动副q3相互连接，第三面d3能沿第三转动副q3轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第四面d4重叠；第一面第四边d1l4与第四面第二边d4l2相邻并通过第四转动副q4相互连接，第一面d1能沿第四转动副q4轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第四面d4共面；第五面第二边d5l2与第六面第四边d6l4相邻并通过第五转动副q5相互连接，第五面d5能沿第五转动副q5轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第六面d6重叠；第六面第二边d6l2与第七面第四边d7l4相邻并通过第六转动副q6相互连接，第六面d6能沿第六转动副q6轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第七面d7共面；第七面第二边d7l2与第八面第四边d8l4相邻并通过第七转动副q7相互连接，第七面d7能沿第七转动副q7轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第八面d8重叠；第五面第四边d5l4与第八面第二边d8l2相邻并通过第八转动副q8相互连接，第五面d5能沿第八转动副q8轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第八面d8共面；第一面第三边d1l3与第五面第一边d5l1相邻并通过第九转动副q9相互连接，第一面d1能沿第九转动副q9轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第五面d5重叠；第二面第三边d2l3与第六面第一边d6l1相邻并通过第十转动副q10相互连接，第二面d2能沿第十转动副q10轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第六面d6重叠；第三面第三边d3l3与第七面第一边d7l1相邻并通过第十一转动副q11相互连接，第三面d3能沿第十一转动副q11轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第七面d7重叠；第四面第三边d4l3与第八面第一边d8l1相邻并通过第十二转动副q12相互连接，第四面d4能沿第十二转动副q12轴线沿管状结构折叠方向转动直至与第八面d8重叠。
122.第一转动副q1轴线、第二转动副q2轴线、第三转动副q3轴线、第四转动副q4轴线相互平行；第五转动副q5轴线、第六转动副q6轴线、第七转动副q7轴线、第八转动副q8轴线相互平行。
123.第一面d1、第二面d2、第六面d6、第五面d5首尾依次由第一转动副q1、第十转动副q10、第五转动副q5、第九转动副q9相连构成第一球面四连杆机构，第二面d2、第三面d3、第七面d7、第六面d6首尾依次由第二转动副q2、第十一转动副q11、第六转动副q6、第十转动副q10相连构成第二球面四连杆机构，第三面d4、第四面d4、第八面d8、第七面d7首尾依次由第三转动副q3、第十二转动副q12、第七转动副q7、第十一转动副q11相连构成第三球面四连杆机构，第四面d4、第一面d1、第五面d5、第八面d8首尾依次由第四转动副q4、第九转动副q9、第八转动副q8、第十二转动副q12相连构成第四球面四连杆机构。
124.第一面的第三角d1k3与第六面的第一角d6k1角度之和为180
°
，第二面的第四角d2k4与第五面的第二角d5k2角度之和为180
°
，第三面的第三角d3k3与第八面的第一角d8k1角度之和为180
°
，第四面的第四角d4k4与第七面的第二角d7k2角度之和为180
°
。
125.第一球面四连杆机构与第二球面四连杆机构共用的第十转动副q10，第二球面四连杆机构与第三球面四连杆机构共用的第十一转动副q11，第三球面四连杆机构与第四球面四连杆机构共用的第十二转动副q12，第一球面四连杆机构与第四球面四连杆机构共用的第九转动副q9。
126.该结构整体的折叠与展开围绕着第九转动副q9、第十转动副q10、第十一转动副q11与第十二转动副q12进行。折叠时，所述第一面d1、第五面d5绕第九转动副q9转动且两面
间夹角逐渐减小，所述第二面d2、第六面d6绕第十转动副q10转动且两面间夹角逐渐减小，所述第三面d3、第七面d7绕第十一转动副q11转动且两面间夹角逐渐减小，所述第四面d4、第八面d8绕第十二转动副q12转动且两面间夹角逐渐减小。
127.按照上述面的连接方式及其转动方向，展开状态为一平面八边形结构，如图4-2所示，可折叠为平面结构，如图4-3所示。折叠过程及顺序如图4-4至图4-7所示，图4-4表示完全展开状态，图4-5和图4-6表示折叠中间状态，图4-7表示完全折叠状态。以管状结构为基本单元，按照上述的布置方式和连接方式在其轴向上进行排布延伸，可得到一包含多个基本单元的管状结构，如图4-8所示。
128.可见，上述管状结构只要满足上述约束条件，即只要满足转动副的连接方式。就可达到本发明要求的折展效果，其结构形式和折展方式并不受折叠单元的具体结构影响。转动副为铰链、合页或轴承；转动副的长度不限，构成转动副即可。每个单元的组成面为平面、曲面，或为由若干个面拼接成的面；每个单元的组成面上根据需求设置有任意形状的空洞。每个单元的外轮廓线为直线、曲线或折线。本发明可折展管状结构为运动过程中没有分叉的结构，自由度为1，可通过设置单一驱动用以完成可折管状结构的折叠与展开。由于本发明所提出的管状结构具有单一自由度，单元结构简单的功能，因此具有安装简单、操作方便、易于运输等方面的优点，尤其适于在包装、收纳、土木结构和航空航天等领域中应用。
129.最后需要指出的是：以上实例仅用以说明本发明的计算过程，而非对其限制。尽管参照前述实例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述实例所记载的计算过程进行修改，或者对其中部分参数进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应计算方法的本质脱离本发明计算方法的精神和范围。
130.本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。