一種可折展六棱柱框架結(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，是涉及一種由單一驅(qū)動實現(xiàn)折疊和展開的大折展比的六棱柱框架結(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，提供一種由沒有分叉的線面對稱的桿件結(jié)構(gòu)構(gòu)成的實現(xiàn)折疊和展開兩種穩(wěn)態(tài)的且安裝和操作過程簡單的可折展六棱柱框架結(jié)構(gòu)，該框架結(jié)構(gòu)通過約束兩個自由度而成為單自由度結(jié)構(gòu)，是剛性過約束機構(gòu)且有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，即折疊與展開，折疊時體積較小便于儲存或運輸，按要求打開為中作狀態(tài)時，工作空間較大；整個框架架構(gòu)通過約束多余自由度使之只具有一個自由度，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：

一種可折展六棱柱框架結(jié)構(gòu)，包括六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)、第四桿件結(jié)構(gòu)、第五桿件結(jié)構(gòu)和第六桿件結(jié)構(gòu)，所述桿件結(jié)構(gòu)是由兩根長桿和四根短桿通過六個轉(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，所述公共桿為六棱柱框架結(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)、第三桿件結(jié)構(gòu)和第五桿件結(jié)構(gòu)內(nèi)的四根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)、第四桿件結(jié)構(gòu)和第六桿件結(jié)構(gòu)內(nèi)的四根短桿在折疊過程中向框架結(jié)構(gòu)的外部移動。

所述可折展六棱柱框架結(jié)構(gòu)還可將六個側(cè)面的桿件結(jié)構(gòu)設(shè)計為線面對稱的單自由度桿件結(jié)構(gòu)，并且增設(shè)有萬向節(jié)用以約束可折展六棱柱框架結(jié)構(gòu)的自由度為1，實現(xiàn)通過一個驅(qū)動完成折展過程。

所述轉(zhuǎn)動副由鉸鏈、合頁或軸承其中的一種構(gòu)成。

所述長桿兩端轉(zhuǎn)動副的夾角在90度到180度之間。

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)本實用新型自由度約束后為一，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)計框架六個側(cè)面的尺寸，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。

附圖說明

圖1是本實用新型的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是桿件結(jié)構(gòu)內(nèi)各個鉸鏈、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3-4和圖3-5是公共桿的其他方向下的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖3-5是圖3-3中A向的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4-1、圖4-2和圖4-3是本實用新型中短桿為豎直的桿件的結(jié)構(gòu)三視圖。

圖5-1、圖5-2和圖5-3是本實用新型中短桿為帶有折角的桿件的結(jié)構(gòu)三視圖。

圖6-1和圖6-2為本實用新型中萬向節(jié)的安裝位置示意圖。

圖7-1和圖7-2為圖1所示的可折展六棱柱框架的兩個穩(wěn)定狀態(tài)示意圖。

圖8是驅(qū)動的安裝位置示意圖。

具體實施方式

為能進一步了解本實用新型的內(nèi)容、特點及效果，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下：

如圖1所示，本實施例提供了一種可折展六棱柱框架結(jié)構(gòu)，包括六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、第四桿件結(jié)構(gòu)4、第五桿件結(jié)構(gòu)5和第六桿件結(jié)構(gòu)6，桿件結(jié)構(gòu)是由兩根長桿和四根短桿通過六個轉(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)的長桿并排組成的剛體，公共桿在六棱柱框架中位于六個母線上，相鄰兩個桿件結(jié)構(gòu)與公共桿相連接的轉(zhuǎn)動副的軸線所在的平面的夾角與兩個桿件結(jié)構(gòu)間的夾角相等；其中第一桿件結(jié)構(gòu)1、第三桿件結(jié)構(gòu)3和第五桿件結(jié)構(gòu)5內(nèi)的四根短桿分別為帶有折角的桿件，所述第二桿件結(jié)構(gòu)2、第四桿件結(jié)構(gòu)4和第六桿件結(jié)構(gòu)6內(nèi)的四根短桿分別為豎直的桿件。六個桿件結(jié)構(gòu)分別為可折展六棱柱框架結(jié)構(gòu)的六個側(cè)面，六個側(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、第三桿件結(jié)構(gòu)3和第五桿件結(jié)構(gòu)5的尺寸是相同的，第二桿件結(jié)構(gòu)2、第四桿件結(jié)構(gòu)4和第六桿件結(jié)構(gòu)6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，相鄰兩個桿件結(jié)構(gòu)之間成120度角。

進一步的，桿件結(jié)構(gòu)可以設(shè)計成滿足沒有分叉的線面對稱的參數(shù)條件，使得可折展四棱柱框架運動穩(wěn)定可靠，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；

桿件結(jié)構(gòu)可以根據(jù)實際應(yīng)用具體設(shè)計，第一桿件結(jié)構(gòu)1、第三桿件結(jié)構(gòu)3和第五桿件結(jié)構(gòu)5內(nèi)的四根短桿在折疊過程中均向整體框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)部移動，所述第二桿件結(jié)構(gòu)2、第四桿件結(jié)構(gòu)4和第六桿件結(jié)構(gòu)6內(nèi)的四根短桿在折疊過程中向整體框架結(jié)構(gòu)的外部移動。

本實用新型可折展六棱柱框架結(jié)構(gòu)可以通過添加萬向節(jié)來約束自由度為一，萬向節(jié)位置安裝在公共桿上，萬向節(jié)兩端分別連接到與公共桿同一端相連的相鄰兩面的短桿的轉(zhuǎn)動副上；轉(zhuǎn)動副為鉸鏈、合頁或軸承。

如圖2所示，六個側(cè)面桿件結(jié)構(gòu)的各個轉(zhuǎn)動副分別為h₁、h₂、h₃、h₄、h₅和h₆，桿件分別為桿7、桿8、桿9、桿10、桿11、桿12，轉(zhuǎn)動副h₁和h₂之間為桿7，長度為l₁，轉(zhuǎn)動副h₁和h₂的距離為a₁₂，轉(zhuǎn)動副h₂和h₃之間為桿8，長度為l₂，轉(zhuǎn)動副h₂和h₃的距離為a₂₃，轉(zhuǎn)動副h₃和h₄之間為桿9，長度為l₃，轉(zhuǎn)動副h₃和h₄的距離為a₃₄，轉(zhuǎn)動副h₄和h₅之間為桿10，長度為l₄，轉(zhuǎn)動副h₄和h₅的距離為a₄₅，轉(zhuǎn)動副h₅和h₆之間為桿11，長度為l₅，轉(zhuǎn)動副h₅和h₆的距離為a₅₆，轉(zhuǎn)動副h₆和h₁之間為桿12，長度為l₆，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、第四桿件結(jié)構(gòu)4、第五桿件結(jié)構(gòu)5和第六桿件結(jié)構(gòu)6。

如圖3-1至圖3-5所示，公共桿兩端關(guān)于中間橫截面上下對稱，以第一桿件結(jié)構(gòu)1和第二桿件結(jié)構(gòu)2之間的公共桿為例，由第一桿件結(jié)構(gòu)1和第二桿件結(jié)構(gòu)2中的桿8組成并且兩根桿在水平方向上成60度夾角，桿8的橫截面為直角梯形，其上第二桿件結(jié)構(gòu)2的兩個轉(zhuǎn)動副在桿上的位置在第一桿件結(jié)構(gòu)1的兩個轉(zhuǎn)動副位置的上下兩個外側(cè)，第一桿件結(jié)構(gòu)1兩轉(zhuǎn)動副軸線夾角為α，第二桿件結(jié)構(gòu)2也為α，同一桿件結(jié)構(gòu)上的兩個α角的邊不相交，第二桿件結(jié)構(gòu)2的桿8中間部分挖掉留兩端，以方便第一桿件結(jié)構(gòu)1的短桿折疊，公共桿同一端的兩個轉(zhuǎn)動副軸線交于一點，該點在兩轉(zhuǎn)動副中間，在兩轉(zhuǎn)動副中間沿第二桿件結(jié)構(gòu)2轉(zhuǎn)動副軸線挖一個直徑為φ的圓柱孔，以方便安裝萬向節(jié)，第一桿件結(jié)構(gòu)1和第二桿件結(jié)構(gòu)2的轉(zhuǎn)動副分別安裝在t和k所在位置，桿件上下兩端分別有兩塊擋板，使完全折疊之后的框架更美觀，形狀如圖3-3所示，第一桿件結(jié)構(gòu)1中長桿的長度為l₂¹，第二桿件結(jié)構(gòu)2中長桿的長度為l₂²，角β是為了第一桿件結(jié)構(gòu)1和第二桿件結(jié)構(gòu)2的短桿在折展過程中不會和公共桿發(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7中，橫截面邊長h與圖3-1中的h相同，c與圖3-3中的c相同，k處轉(zhuǎn)動副與圖3-1中的k處相連，第二桿件結(jié)構(gòu)2短桿的長度為l₁²，角λ和圖3-1和圖3-5中角α的邊和豎直方向的夾角相等。

如圖5-1至圖5-3所示，λ與圖4-1中的λ相同，t處轉(zhuǎn)動副與圖3-5中的t處相連，g與圖3-5中的g相同，e要小于圖3-3中的e，第一桿件結(jié)構(gòu)1短桿長度為l₁¹。

以上轉(zhuǎn)動副均用合頁。

如圖6-1所示，在箭頭所指的兩根公共桿上分別安裝等速萬向節(jié)。

如圖6-2所示，以其中一根桿為例，萬向節(jié)一端安裝在一個桿件結(jié)構(gòu)的桿7上的合頁h₂上，萬向節(jié)另一端安裝在相鄰的另一桿件結(jié)構(gòu)的桿7的合頁h₂上。

如圖7-1和7-2所示，本實用新型中六棱柱框架結(jié)構(gòu)在折疊過程中六個公共桿沿豎直方向轉(zhuǎn)過180度，第一桿件結(jié)構(gòu)1、第三桿件結(jié)構(gòu)3和第五桿件結(jié)構(gòu)5中一共12根短桿向六棱柱框架的內(nèi)部移動，第二桿件結(jié)構(gòu)2、第四桿件結(jié)構(gòu)4和第六桿件結(jié)構(gòu)6中一共12根短桿向六棱柱框架的外部移動。

如圖8所示，在箭頭所在桿的合頁上安裝驅(qū)動。

綜上，上述可折展六棱柱框架結(jié)構(gòu)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，該可折展六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。