一種可折展四棱柱框架結(jié)構(gòu)的制作方法

本實用新型涉及一種可折展的框架結(jié)構(gòu)，具體的說，是涉及一種單自由度、大折展比的可折展四棱柱框架結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

多面體結(jié)構(gòu)有構(gòu)成簡單、對稱性好等優(yōu)點，在建筑、航天航空、藝術(shù)、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮著支撐、變形、美化等重要的作用，其中的典型代表是“水立方”的基于氣泡理論的多面體空間鋼架結(jié)構(gòu)。

框架結(jié)構(gòu)自重輕，延展性好等優(yōu)點。在此基礎(chǔ)上，空間可折展框架在逐步的發(fā)展成熟，就星載可展天線而言，框架結(jié)構(gòu)追求重量盡可能輕并且收攏體積盡可能小，以便裝載入飛船和運輸，在特定位置按要求打開為中作狀態(tài)，工作空間較大，回收時折疊收攏為小體積狀態(tài)，由飛船載回?？臻g可展框架因其優(yōu)越的折展性能，越來越受到航天航空領(lǐng)域的青睞。采用過約束機構(gòu)為基本單元的空間可展框架自由度少，剛性高，結(jié)構(gòu)簡單便于制造，制造成本低，可靠性高。

現(xiàn)有的空間可折展結(jié)構(gòu)主要包括鉸鏈可展結(jié)構(gòu)、桿狀可展結(jié)構(gòu)、面狀可展結(jié)構(gòu)和體狀可展結(jié)構(gòu)，其中桿狀可展結(jié)構(gòu)目前應(yīng)用最為廣泛，應(yīng)用于定位以及支撐，如太陽能帆、星載天線、建筑頂棚、磁強針等，而體狀可展結(jié)構(gòu)目前應(yīng)用還比較少，并且存在不能完全折疊和折疊展開比例不大等不足。

2009年，Chen和You提出了一種線面對稱的Bricard 6R結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在折展過程中運動路徑唯一，折展過程可靠，如若作為太陽能毯的支撐結(jié)構(gòu)，展開后工作空間較小。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種單自由度、大折展比的可折展四棱柱框架結(jié)構(gòu)。該框架結(jié)構(gòu)是剛性過約束機構(gòu)且可以完全折疊和展開，折疊時體積較小便于運輸，按要求打開為中作狀態(tài)時，工作空間較大；整個框架只具有一個自由度，運動控制簡單；具有生產(chǎn)加工簡單，運動控制方便，高可靠性等優(yōu)點，在航空航天等眾多領(lǐng)域中具有重要意義和廣泛的應(yīng)用前景。

本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種可折展四棱柱框架結(jié)構(gòu)，包括四個依次相連的桿件結(jié)構(gòu)，分別為第一桿件結(jié)構(gòu)、第二桿件結(jié)構(gòu)、第三桿件結(jié)構(gòu)和第四桿件結(jié)構(gòu)，所述桿件結(jié)構(gòu)是由兩根相同的長桿和四根相同的短桿通過轉(zhuǎn)動副相互連接構(gòu)成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，相鄰的桿件結(jié)構(gòu)之間公用一根由長桿構(gòu)成的公共桿，所述公共桿為四棱柱框架結(jié)構(gòu)的母線且為相鄰兩個桿件結(jié)構(gòu)中的剛體。

所述第一桿件結(jié)構(gòu)和第三桿件結(jié)構(gòu)內(nèi)的短桿在折疊過程中均向框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)部移動，所述第二桿件結(jié)構(gòu)和第四桿件結(jié)構(gòu)內(nèi)的短桿在折疊過程中均向框架結(jié)構(gòu)的外部移動。

相鄰兩個桿件結(jié)構(gòu)的夾角在0度到180度之間。

所述桿件結(jié)構(gòu)中長桿兩端轉(zhuǎn)動副的夾角在90度到180度之間。

所述可折展四棱柱框架結(jié)構(gòu)可將桿件結(jié)構(gòu)設(shè)計為沒有分叉的線面對稱結(jié)構(gòu)，使自由度為1，可通過設(shè)置單一驅(qū)動用以完成框架結(jié)構(gòu)的折疊與展開。

所述轉(zhuǎn)動副由鉸鏈、合頁或軸承其中的一種構(gòu)成。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的技術(shù)方案所帶來的有益效果是：

(一)本實用新型自由度為1，可以通過單一驅(qū)動完成折疊和展開動作，結(jié)構(gòu)較簡單，安裝使用較方便，運動過程確定，不會有特殊現(xiàn)象發(fā)生。

(二)本實用新型以功能性為目的設(shè)計，可以根據(jù)實際需求設(shè)計框架四個桿件結(jié)構(gòu)的尺寸，轉(zhuǎn)動副大小可以隨要求調(diào)節(jié)，可以在實際要求下任意安裝驅(qū)動位置。

(三)本實用新型具有較大的折展比率，其折展比率可根據(jù)實際設(shè)計尺寸變化。

(四)本實用新型展開后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，剛度較強，便于支撐和工作，折疊后體積較小且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，便于運輸和保存。

(五)本實用新型各個桿件各個轉(zhuǎn)動副的參數(shù)可以根據(jù)實際情況設(shè)定為折展過程中各個桿件各個轉(zhuǎn)動副之間沒有干涉發(fā)生。

附圖說明

圖1是本實用新型具體實施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是桿件結(jié)構(gòu)內(nèi)各個轉(zhuǎn)動副、桿件以及設(shè)計參數(shù)的示意圖。

圖3-1至圖3-3是本實用新型中公共桿的三視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4-1、圖4-2和圖4-3是圖1中第一桿件結(jié)構(gòu)內(nèi)短桿的結(jié)構(gòu)三視圖。

圖5-1、圖5-2和圖5-3是圖1中第二桿件結(jié)構(gòu)內(nèi)短桿的結(jié)構(gòu)三視圖。

圖6-1、圖6-2和圖6-3是本實用新型可折展四棱柱框架結(jié)構(gòu)的折疊過程示意圖。

圖7-1、圖7-2和圖7-3分別是圖6-1、圖6-2和圖6-3的俯視結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖7-2是圖6-2的俯視立體結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步的描述：

如圖1所示，本實施例提供了一種可折展四棱柱框架結(jié)構(gòu)，包括四個依次相連的桿件結(jié)構(gòu)，分別為第一桿件結(jié)構(gòu)1、第二桿件結(jié)構(gòu)2、第三桿件結(jié)構(gòu)3和第四桿件結(jié)構(gòu)4，桿件結(jié)構(gòu)是由兩根相同的長桿和四根相同的短桿通過轉(zhuǎn)動副相互連接構(gòu)成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，兩根長桿相互平行對稱等高放置，四根短桿里相連的兩根為一組分為兩組，每組短桿的相連端以一個轉(zhuǎn)動副相連，每組短桿的分離端分別與兩根放置好的長桿的同一端相連，組成一個環(huán)；相鄰的桿件結(jié)構(gòu)之間公用一根由長桿構(gòu)成的公共桿，該公共桿為相鄰兩個桿件結(jié)構(gòu)中的長桿并排組成的剛體，公共桿在所述四棱柱框架中位于四個母線上，相鄰兩個桿件結(jié)構(gòu)的夾角在0度到180度之間。四個桿件結(jié)構(gòu)即第一桿件結(jié)構(gòu)1、第二桿件結(jié)構(gòu)2、第三桿件結(jié)構(gòu)3和第四桿件結(jié)構(gòu)4分別為可折展四棱柱框架結(jié)構(gòu)的四個側(cè)面，四個側(cè)面桿件結(jié)構(gòu)的角度參數(shù)都對應(yīng)相等，但尺寸參數(shù)不同，本實施例中第一桿件結(jié)構(gòu)1和第三桿件結(jié)構(gòu)3的尺寸是相同的，第二桿件結(jié)構(gòu)2和第四桿件結(jié)構(gòu)4的尺寸是相同的，每個桿件結(jié)構(gòu)內(nèi)的六個桿件都用轉(zhuǎn)動副相連。

進一步的，上述桿件結(jié)構(gòu)可以設(shè)計為滿足沒有分叉的線面對稱桿件結(jié)構(gòu)的參數(shù)條件，使得可折展四棱柱框架運動路徑唯一，參數(shù)條件為各個桿件、相鄰桿件的距離、轉(zhuǎn)動副、相鄰轉(zhuǎn)動副之間的距離和夾角關(guān)于對稱面和對稱線對稱，所述對稱面為四根短桿之間的兩個轉(zhuǎn)動副在折展過程中一直所在的面，所述對稱線在對稱面上，并且垂直于兩根長桿所在平面，位于結(jié)構(gòu)的中心，所述長桿兩端轉(zhuǎn)動副的夾角在90度到180度之間，當(dāng)結(jié)構(gòu)折展過程中，兩根長桿上四個轉(zhuǎn)動副運動到同一平面時，一根長桿兩端轉(zhuǎn)動副夾角的兩邊與另一根長桿兩端轉(zhuǎn)動副夾角的兩邊不相交，各個桿件可以根據(jù)實際要求設(shè)計成不同的橫截面形狀。如可以通過改變第一桿件結(jié)構(gòu)1和第三桿件結(jié)構(gòu)3的短桿形狀和短桿之間轉(zhuǎn)動副的長度來避免第一桿件結(jié)構(gòu)1和第三桿件結(jié)構(gòu)3在折疊過程中向框架內(nèi)部轉(zhuǎn)動的8根短桿之間發(fā)生干涉。

桿件結(jié)構(gòu)可以根據(jù)實際應(yīng)用具體設(shè)計，由于公共桿可以是相鄰兩個桿件結(jié)構(gòu)中公用的長桿構(gòu)成，因此第一桿件結(jié)構(gòu)和第三桿件結(jié)構(gòu)內(nèi)的短桿在折疊過程中均向框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)部移動，第二桿件結(jié)構(gòu)和第四桿件結(jié)構(gòu)內(nèi)的短桿在折疊過程中均向框架結(jié)構(gòu)的外部移動。

進一步的，上述可折展四棱柱框架結(jié)構(gòu)中，其自由度為1，可通過設(shè)置單一驅(qū)動用以完成框架結(jié)構(gòu)的折疊與展開；其中轉(zhuǎn)動副為鉸鏈、合頁或軸承。

如圖2所示，第一桿件結(jié)構(gòu)1、第二桿件結(jié)構(gòu)2、第三桿件結(jié)構(gòu)3和第四桿件結(jié)構(gòu)4的各個轉(zhuǎn)動副分別為h₁、h₂、h₃、h₄、h₅和h₆，桿件分別為桿5、桿6、桿7、桿8、桿9、桿10，轉(zhuǎn)動副h₁和h₂之間為桿5，長度為l₁₂，轉(zhuǎn)動副h₁和h₂的距離為a₁₂，轉(zhuǎn)動副h₂和h₃之間為桿6，長度為l₂₃，轉(zhuǎn)動副h₂和h₃的距離為a₂₃，轉(zhuǎn)動副h₃和h₄之間為桿7，長度為l₃₄，轉(zhuǎn)動副h₃和h₄的距離為a₃₄，轉(zhuǎn)動副h₄和h₅之間為桿8，長度為l₄₅，轉(zhuǎn)動副h₄和h₅的距離為a₄₅，轉(zhuǎn)動副h₅和h₆之間為桿9，長度為l₅₆，轉(zhuǎn)動副h₅和h₆的距離為a₅₆，轉(zhuǎn)動副h₆和h₁之間為桿10，長度為l₆₁，轉(zhuǎn)動副h₆和h₁的距離為a₆₁，轉(zhuǎn)動副h₂和h₃之間的夾角和轉(zhuǎn)動副h₅和h₆之間的夾角均為α，轉(zhuǎn)動副h₁和h₂與轉(zhuǎn)動副h₄和h₅之間的夾角均為-π/2，轉(zhuǎn)動副h₃和h₄與轉(zhuǎn)動副h₆和h₁之間的夾角均為π/2，a₁₂與a₂₃、a₂₃與a₃₄、a₄₅與a₅₆和a₅₆與a₆₁之間的距離均為R，其余均為零。

為方便理解和示意清楚，下文中用上角標(biāo)來區(qū)分第一桿件結(jié)構(gòu)1、第二桿件結(jié)構(gòu)2、第三桿件結(jié)構(gòu)3和第四桿件結(jié)構(gòu)4。

如圖3-1至圖3-3所示，公共桿關(guān)于中間橫截面上下對稱，是相鄰兩個桿件結(jié)構(gòu)中的桿6并排組成的剛體，其中尺寸較大的桿件結(jié)構(gòu)的桿6中間被切除，切口可以使面一的短桿在完全折疊時不與公共桿干涉，之后再沿它的橫截面對角線切割，切口可以使公共桿之間在折展過程中不發(fā)生干涉，上下對稱沿角α兩邊的延長線挖出一直角邊長為n的兩個三角形缺口，用來安裝第一桿件結(jié)構(gòu)1或第三桿件結(jié)構(gòu)3的短桿，第一桿件結(jié)構(gòu)1或第三桿件結(jié)構(gòu)3的短桿與公共桿相連接的轉(zhuǎn)動副位于n上，第二桿件結(jié)構(gòu)2或第四桿件結(jié)構(gòu)4的短桿與公共桿相連接的轉(zhuǎn)動副位于p上，l₂₃¹是第一桿件結(jié)構(gòu)1中長桿的長度，l₂₃²是第二桿件結(jié)構(gòu)2中長桿的長度，兩端切出角ω是為了第二桿件結(jié)構(gòu)2的短桿在折展過程中不發(fā)生干涉。

如圖4-1至圖4-3所示，第二桿件結(jié)構(gòu)2的桿5橫截面為正方形，圖3-1中所示公共桿上的p處的轉(zhuǎn)動副與圖4-1中p處相連，第二桿件結(jié)構(gòu)2的短桿的長度為l₁₂²，一端的角β和圖3-1和圖3-2中角α的邊與豎直方向夾角相等，即β＝(180°-α)/2。

如圖5-1至圖5-3所示，第一桿件結(jié)構(gòu)1的短桿橫截面為矩形，圖3-2中所示公共桿上的n處的轉(zhuǎn)動副與圖5-1中n處相連，圖5-1中的β與圖4-1中的β相等，第一桿件結(jié)構(gòu)1短桿長為l₁₂¹，圖5-3中f為框架結(jié)構(gòu)在折疊過程中向內(nèi)部移動的轉(zhuǎn)動副的長度，可以通過在折疊過程中短桿離它所在的側(cè)面的最大距離小于短桿所在側(cè)面與相對側(cè)面距離的一半來求出。

圖3-3、4-2、5-3中的c均相等。

如圖6-1至圖6-3所示，本實用新型中四棱柱框架在折疊過程中四個公共桿沿豎直方向轉(zhuǎn)過180度，第一桿件結(jié)構(gòu)1和第三桿件結(jié)構(gòu)3中一共8根短桿向四棱柱框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)部移動，第二桿件結(jié)構(gòu)2和第四桿件結(jié)構(gòu)4中一共8根短桿向四棱柱框架結(jié)構(gòu)的外部移動，由圖7-1至圖7-3所示，向內(nèi)部移動的8根短桿在折疊過程中沒有干涉發(fā)生。

綜上，上述可折展四棱柱框架只要滿足上述約束條件，即可達到本實用新型要求的折展效果，根據(jù)實際情況可以設(shè)計不同尺寸和不同折展比的框架，該可折展四棱柱框架具有單一自由度，能夠通過一個輸入驅(qū)動實現(xiàn)大比率的折展運動，可以用作太陽能毯子支撐結(jié)構(gòu)或建筑物輪廓結(jié)構(gòu)等。