專利名稱：一種正四面體對稱型可展機構單元的制作方法
技術領域：
本發明涉及機構與可展結構，尤其涉及一種正四面體對稱型可展機構單元。
背景技術：
可展結構可由緊湊的折疊狀態快速展開成型，引起設計師和工程師的廣泛關注， 并已逐漸得到了工程應用。近年來，研究學者已提出了幾種類型的可展結構單元，其中剪鉸式單元是可展結構中較為常見的基本單元，Bennett單元及所衍生的Bricard單元屬于另一類經典的閉合環形機構。以上幾類基本單元均具有單自由度運動特性，且結構的多自應力模態可提供額外的結構剛度，已在可展結構設計中發揮了重要作用。但是，現階段的機構單元類型仍然較少，給新型可展結構的設計與工程應用帶來了較大的困難。因此，設計一種新型的可展機構單元對于豐富可展結構的多樣性將具有重要的意義。發明內容
技術問題本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供一種運動過程連續、可逆，便于折疊和展開的正四面體對稱型可展機構單元。
技術方案本發明的正四面體對稱型可展機構單元，包括16個三桿相交連接節點和24根等長的連桿單元，每個三桿相交連接節點上均設置有三個轉動副，三桿相交連接節點通過三個轉動副分別與三根連桿單元連接，每個連桿單元的兩端分別與不同的三桿相交連接節點通過轉動副連接；每個三桿相交連接節點上的三個轉動副的軸心線位于同一平面，且三個轉動副的軸心線相交而成的三角形為等邊三角形，轉動副的連桿安裝位置位于所在等邊三角形邊的中點處，連桿單元垂直于所連接的轉動副的軸心線。
本發明中，16個三桿相交連接節點分別為第一節點、第二節點、……第十六節點， 24根連桿單元分別為第一連桿、第二連桿、……第二十四連桿，第一節點與第一連桿、第二連桿和第三連桿連接，第二節點與第四連桿、第五連桿和第六連桿連接，第三節點與第七連桿、第八連桿和第九連桿連接，第四節點與第十連桿、第十一連桿和第十二連桿連接，第五節點與第八連桿、第十三連桿和第十四連桿連接，第六節點與第十一連桿、第十四連桿和第十五連桿連接，第七節點與第二連桿、第十三連桿和第十五連桿連接，第八節點與第六連桿、第十六連桿和第十八連桿連接，第九節點與第三連桿、第十六連桿和第十七連桿連接， 第十節點與第十二連桿、第十七連桿和第十八連桿連接，第十一節點與第四連桿、第十九連桿和第二十一連桿連接，第十二節點與第七連桿、第十九連桿和第二十連桿連接，第十三節點與第一連桿、第二十連桿和第二十一連桿連接，第十四節點與第五連桿、第二十二連桿和第二十四連桿連接，第十五節點與第九連桿、第二十二連桿和第二十三連桿連接，第十六節點與第十連桿、第二十三連桿和第二十四連桿連接。
有益效果本發明與現有技術相比，具有以下優點
目前工程應用中的可展機構主要來自于采用剪鉸式單元構成的二維體系，而新型空間可展機構單元類型較少，且大多采用復雜的連接節點或單元方式，無法獲得較理想的收納率，或不能保證單元折疊_展開過程中始終具有單一運動自由度。與之相比，本發明機構單元基于正四面體幾何，屬于三維可展結構體系，并具有單自由度運動特性，能夠由緊湊的折疊狀態轉換為大體積完全展開狀態，且整個運動過程具有連續性和可逆向性；本機構單元折疊-展開過程中，結構產生剛體平移及剛體轉動，并始終保持正四面體型對稱，其中第一節點、第二節點、第三節點、和第四節點之間的相對方位保持不變，所有連桿不產生非協調變形。此外，由于本機構單元僅由連桿和轉動副構成，結構簡單，造型美觀，制作方便， 便于折疊和展開。


圖I為本發明正四面體對稱型可展機構單元的三維示意圖。
圖2a為本發明正四面體對稱型可展機構單元的連接節點示意圖。
圖2b為本發明正四面體對稱型可展機構單元的連桿示意圖。
圖3為本發明正四面體對稱型可展機構單元的不同連接節點和連桿的示意圖。
圖4a為本發明正四面體對稱型可展機構單元在第一、二、三、和四節點相交狀態下的幾何構型圖。
圖4b為本發明正四面體對稱型可展機構單元在折疊_展開過程中的示意圖。
圖4c為本發明正四面體對稱型可展機構單元在完全展開狀態下的示意圖。
圖4d為本發明正四面體對稱型可展機構單元在完全折疊狀態下的示意圖。
其中1為三桿相交連接節點，2為連桿，3為轉動副，31為轉動副軸心線，101為第一節點，102為第二節點，103為第三節點，104為第四節點，105為第五節點，106為第六節點，107為第7節點，108為第8節點，109為第9節點，110為第10節點，111為第4^一節點， 112為第十二節點，113為第十三節點，114為第十四節點，115為第十五節點，116為第十六節點，201為第一連桿，202為第二連桿，203為第三連桿，204為第四連桿，205為第五連桿， 206為第六連桿，207為第七連桿，208為第八連桿，209為第九連桿，210為第十連桿，211為第H^一連桿，212為第十二連桿，213為第十三連桿，214為第十四連桿，215為第十五連桿， 216為第十六連桿，217為第十七連桿，218為第十八連桿，219為第十九連桿，220為第二十連桿，221為第二i^一連桿，222為第二十二連桿，223為第二十三連桿，224為第二十四連桿。
具體實施方式
下面結合具體的實施例，并參照附圖，對本發明做進一步的說明
圖I、圖2分別為本發明一種正四面體對稱型可展機構單元的結構示意圖和主要組成部分的示意圖。
本發明的正四面體對稱型可展機構單元，它包括16個三桿相交連接節點I和24 根等長的連桿單元2，每個三桿相交連接節點I上均設置有三個轉動副3，三桿相交連接節點I通過三個轉動副3分別與三根連桿單元2連接，每個連桿單元2的兩端分別與不同的三桿相交連接節點I通過轉動副3連接。如圖2所示,本發明可展機構單元中每個連接節點I上均設置有三個轉動副3，三個轉動副3的軸心線位于同一平面，且三個轉動副3的軸心線相交而成的三角形為等邊三角形，轉動副3的連桿安裝位置位于所在等邊三角形邊的中點處，連桿單元2垂直于所連接的轉動副3的軸心線。連桿2可由不銹鋼等硬質材料制作而成。
本發明可展機構單元完全展開后的結構幾何構型為切割正四面體結構，具有正四面體結構相同的對稱屬性，因此該結構可稱作正四面體對稱型可展機構單元。本發明中，轉動副的軸心線31不但垂直于與之相連接的連桿2，且垂直于可展機構單元的結構中心點與連桿2中點間的連線。如圖3所示，正四面體對稱型可展機構單元的16個三桿相交連接節點中，第一節點101、第二節點102、第三節點103、第四節點104分別為三個不同的六邊形的共用頂點，而其余12個節點分別為一個等邊三角形與兩個六邊形的共用頂點，六邊形及三角形是指由不同的連桿2構成的閉合的幾何構形。由第一節點101、第二節點102、第三節點103、第四節點104所構成的正四面體與可展機構單元具有相同的結構中心點。
按照圖3，具體描述本發明的可展機構單元結構如下16個三桿相交連接節點I分別為第一節點101、第二節點102、……，直至第十六節點116，24根連桿單元2分別為第一連桿201、第二連桿202、……，直至第二十四連桿224，第一節點101與第一連桿201、第二連桿202和第三連桿203連接，第二節點102與第四連桿204、第五連桿205和第六連桿 206連接，第三節點103與第七連桿207、第八連桿208和第九連桿209連接，第四節點104 與第十連桿210、第i^一連桿211和第十二連桿212連接，第五節點105與第八連桿208、第十三連桿213和第十四連桿214連接，第六節點106與第i^一連桿211、第十四連桿214和第十五連桿215連接，第七節點107與第二連桿202、第十三連桿213和第十五連桿215連接，第八節點108與第六連桿206、第十六連桿216和第十八連桿218連接，第九節點109與第三連桿203、第十六連桿216和第十七連桿217連接，第十節點110與第十二連桿212、第十七連桿217和第十八連桿218連接，第i^一節點111與第四連桿204、第十九連桿219和第二H^一連桿221連接，第十二節點112與第七連桿207、第十九連桿219和第二十連桿220 連接，第十三節點113與第一連桿201、第二十連桿220和第二i^一連桿221連接，第十四節點114與第五連桿205、第二十二連桿222和第二十四連桿224連接，第十五節點115與第九連桿209、第二十二連桿222和第二十三連桿223連接，第十六節點116與第十連桿210、 第二十三連桿223和第二十四連桿224連接。
圖4所示為本發明可展機構單元的運動過程示意圖。圖4c為本發明正四面體對稱型可展機構單元在完全展開狀態下的示意圖，此時機構單元所占有的空間最大；當結構處于完全折疊狀態時，如圖4d所示，機構單元占用空間小，便于存儲和運輸，且此時與第一節點101相連的三根連桿相互接觸，與第二節點102、第三節點103、或第四節點104相連的連桿亦相互接觸，結構具有較好的安全性。當機構單元中第一節點101、第二節點102、第三節點103、第四節點104相交于同一點時，如圖4a所示，結構所占有的空間亦較小。圖4b為可展機構單元在折疊-展開過程中的示意圖，綜合圖4a—圖4d可以發現，可展機構單元的整個折疊_展開運動過程是連貫、可逆向的，即可由圖4a所示狀態依次運動到圖4d所示狀態，同樣可由圖4d所示狀態運動到圖4a所示狀態，并且結構始終保持正四面體型對稱，只產生剛體平移及轉動，各連桿未產生變形。本發明機構單元僅由連桿和轉動副構成，結構簡單，由于具有正四面體型幾何，造型美觀，制作方便，便于折疊和展開，可應用于空間可展結構中，亦可作為可展結構中的基本組成單元，用于構建新型可展結構體系。
權利要求
1.一種正四面體對稱型可展機構單元，其特征在于，該機構單元包括16個三桿相交連接節點(I)和24根等長的連桿單元(2)，每個所述三桿相交連接節點(I)上均設置有三個轉動副(3 )，三桿相交連接節點(I)通過三個轉動副(3 )分別與三根連桿單元(2 )連接，每個所述連桿單元(2)的兩端分別與不同的三桿相交連接節點(I)通過轉動副(3)連接；每個三桿相交連接節點(I)上的三個轉動副(3)的軸心線位于同一平面，且三個轉動副(3)的軸心線相交而成的三角形為等邊三角形，轉動副(3)的連桿安裝位置位于所在等邊三角形邊的中點處，連桿單元(2)垂直于所連接的轉動副(3)的軸心線。
2.根據權利要求I所述的正四面體對稱型可展機構單元，其特征在于，所述16個三桿相交連接節點(I)分別為第一節點(101 )、第二節點(102)、……第十六節點(116)，24根連桿單元(2)分別為第一連桿(201)、第二連桿(202)、……第二十四連桿(224)，所述第一節點(101)與第一連桿(201 )、第二連桿(202)和第三連桿(203)連接，所述第二節點(102)與第四連桿(204)、第五連桿(205)和第六連桿(206)連接，所述第三節點(103)與第七連桿 (207)、第八連桿(208)和第九連桿(209)連接，所述第四節點(104)與第十連桿(210)、第 i^一連桿(211)和第十二連桿(212)連接，所述第五節點(105)與第八連桿(208)、第十三連桿(213)和第十四連桿(214)連接，所述第六節點(106)與第i^一連桿(211)、第十四連桿 (214)和第十五連桿(215)連接，所述第七節點(107)與第二連桿(202)、第十三連桿(213) 和第十五連桿(215)連接，所述第八節點(108)與第六連桿(206)、第十六連桿(216)和第十八連桿(218)連接，所述第九節點(109)與第三連桿(203)、第十六連桿(216)和第十七連桿(217)連接，所述第十節點(110)與第十二連桿(212)、第十七連桿(217)和第十八連桿(218)連接，所述第i^一節點(111)與第四連桿(204)、第十九連桿(219)和第二i^一連桿(221)連接，所述第十二節點(112)與第七連桿(207)、第十九連桿(219)和第二十連桿(220)連接，所述第十三節點(113)與第一連桿(201)、第二十連桿(220)和第二i^一連桿(221)連接，所述第十四節點(114)與第五連桿(205)、第二十二連桿(222)和第二十四連桿 (224)連接，所述第十五節點(115)與第九連桿(209 )、第二十二連桿(222 )和第二十三連桿(223)連接，所述第十六節點(116)與第十連桿(210)、第二十三連桿(223)和第二十四連桿(224)連接。
全文摘要
本發明公開了一種正四面體對稱型可展機構單元，包括16個三桿相交連接節點和24根等長的連桿單元，每個三桿相交連接節點上均設置有三個轉動副，三桿相交連接節點通過三個轉動副分別與三根連桿單元連接，每個連桿單元的兩端分別與不同的三桿相交連接節點通過轉動副連接；每個三桿相交連接節點上的三個轉動副的軸心線位于同一平面，且三個轉動副的軸心線相交而成的三角形為等邊三角形，轉動副的連桿安裝位置位于所在等邊三角形邊的中點處，連桿單元垂直于所連接的轉動副的軸心線。本發明的可展機構單元僅由連桿和轉動副構成，結構簡單，造型美觀，制作方便，便于折疊和展開。
文檔編號E04B1/344GK102912852SQ201210397908
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月18日 優先權日2012年10月18日
發明者陳耀, 馮健 申請人:東南大學