專利名稱：一種正六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，尤其涉及一種正六面體對稱型可展機構單元。
背景技術：
20世紀60年代，西班牙建筑師PineiO成功將結構展開-折疊的思想引入到開合屋頂的設計中。隨后，隨著大跨空間結構、航空航天技術的快速發展，可展結構的研究成為建筑結構、航空航天、軍事工程等 領域的熱點內容，而基于剪鉸式單元構建的可展結構應用較為廣泛，得到了國內外研究人員的關注。現有文獻及相關發明專利從機構學角度對一些剪鉸式單元組成的可展結構的幾何構型、可展開性能、力學性能等進行了研究。但是，除了剪鉸式單元以外，目前可作為基本組成單元構建可展結構的機構單元類型非常有限，難以設計出新型可展結構。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、拓寬可展結構的工程應用前景將具有重要的意義。

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，提供一種用于構建新型可展結構的正六面體對稱型可展機構單元。技術方案本發明的正六面體對稱型可展機構單元，由32個三桿相交連接節點和48根等長的連桿單元構建而成，包括兩個完全相同且對稱設置的空間構型，兩個空間構型之間用連桿單元連接，每個空間構型由16個三桿相交連接節點和20根連桿單元構建而成，包括一個正方形和位于正方形外側的四個六邊體，四個六邊體分別與正方形共用一個邊，兩相鄰的六邊體共用一個邊，兩相鄰六邊體共用邊的一端與正方形的頂點連接；兩個空間構型的不在共用邊上的三桿相交連接節點相對，兩相對的三桿相交連接節點之間均通過連桿單元連接，將兩個空間構型連接為整體；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三角形，轉動副的連桿安裝位置位于所在三角形邊的中點處，連桿單元垂直于所連接的轉動副的軸心線；32個三桿相交連接節點分為8個第一類型節點和24個第二類型節點，第一類型節點的三個轉動副軸心線相交而成的三角形為等邊三角形，第二類型節點的三個轉動副軸心線相交而成的三角形為等腰直角三角形；空間構型的正方形由4個第二類型節點和4根連桿單元連接而成，六邊體由2個第一類型節點、4個第二類型節點和6根連桿單元連接而成，2個第一類型節點分別位于與相鄰六邊體共用的邊上，且在不與正方形頂點連接的一端。有益效果與現有技術相比，本發明具有以下優點現有可展體系主要基于剪鉸式單元形成二維或簡單的三維體系，而本發明基于正六面體幾何，屬于三維可展體系，并具有單自由度運動特征，可由緊湊的折疊狀態轉換為大體積展開狀態，且整個運動過程連續、可重復，并保持正六面體型對稱。在完全折疊狀態下，與第一類型連接節點相連的三根連桿相互緊密接觸，收納率高，便于存儲和運輸；在完全展開狀態下，結構具有較大的工作空間，且呈現出正六面體對稱型幾何，造型美觀。本發明機構單元在展開或折疊過程中，只涉及到剛體平動與剛體轉動，未引起連接桿件的非協調應變。另一方面，本機構單元僅由連桿和轉動副構成，結構簡單，制作方便，便于折疊和展開。


圖I為本發明的正六面體對稱型可展機構單元的三維示意圖。圖2為本發明的正六面體對稱型可展機構單元的兩種不同類型連接節點的示意圖。 圖3為本發明的正六面體對稱型可展機構單元中正方形和相鄰四個六邊體構成的一個空間構型示意圖。圖4為本發明的正六面體對稱型可展機構單元的連桿示意圖。圖5為本發明的正六面體對稱型可展機構單元的第一類型連接節點示意圖。圖6為本發明的正六面體對稱型可展機構單元的第二類型連接節點示意圖。圖7a f為一種正六面體對稱型可展機構單元的運動過程示意圖，其中圖7a為完全折疊狀態，圖7b、7c為結構第一類型節點逐漸向外部伸展時的中間狀態，圖7d為完全展開狀態，圖7e為結構第二類型節點逐漸向結構中心點靠攏時的中間狀態，圖7f為結構第一類型節點運動至最外側時所形成的收攏狀態。其中1為三桿相交連接節點，2為連桿，3為轉動副，4為由連桿構成的正方形，5為由連桿組成的六邊體，11為第一類型節點，12為第二類型節點。
具體實施例方式下面結合具體實施例和附圖，對本發明做進一步的說明圖I為本發明正六面體對稱型可展機構單元的結構示意圖，包括32個三桿相交連接節點I和48根等長的連桿單元2構建而成，具體包括兩個完全相同且對稱設置的空間構型，兩個空間構型之間用連桿單元2連接，圖3為本發明中一個空間構型的示意圖，如圖所示，每個空間構型由16個三桿相交連接節點I和20根連桿單元2構建而成，包括一個正方形4和位于正方形外側的四個六邊體5，四個六邊體5分別與正方形4共用一個邊，兩相鄰的六邊體5共用一個邊，兩相鄰六邊體5共用邊的一端與正方形4的頂點連接；兩個空間構型的不在共用邊上的三桿相交連接節點I相對，兩相對的三桿相交連接節點I之間均通過連桿單元2連接，將兩個空間構型連接為整體；空間構型的正方形4由4個第二類型節點12和4根連桿單元2連接而成，六邊體5由2個第一類型節點11、4個第二類型節點12和6根連桿單元2連接而成，2個第一類型節點11分別位于與相鄰六邊體5共用的邊上，且在不與正方形4頂點連接的一端。圖4為本發明的正六面體對稱型可展機構單元的連桿示意圖，連桿單元2的兩端分別借助轉動副3連接到三桿相交連接節點I上。如圖5、圖6所示，本發明可展機構單元中連接節點I上的各個轉動副3位于同一平面，且三個轉動副3的軸心線相交而成三角形，轉動副3的連桿安裝位置位于所在三角形各邊的中點處，連桿單元2垂直于所連接的轉動副3的軸心線，從而確保與轉動副3相連的連桿相交于同一點。如圖2所示，三桿相交連接節點I包括兩種類型，其中第一類型節點11為三個六邊體5的共用頂點，第二類型節點12為正方形4與相鄰兩個六邊體5的共用頂點。本發明的正六面體對稱型可展機構單元具有8個第一類型節點11和24個第二類型節點12。第一類型節點11中三個轉動副3的軸心線互相夾角為60°，構成等邊三角形，第二類型節點12中三個轉動副3的軸心線相交構成等腰直角三角形。連桿單元2可由不銹鋼等硬質材料制作而成，且各連桿長度相等。本發明的正六面體對稱型可展機構單元中，各轉動副3的軸心線不但垂直于與之相連接的連桿單元2的軸心線，并且具有垂直于可展機構單元幾何中心與連桿單元2中點之間連線的特性。圖7a f所示為本發明正六面體對稱型可展機構單元的運動過程示意圖，其中圖·7a為結構完全折疊狀態，此時所占用空間最小，結構可靠、并便于存儲和運輸；圖7b、7c為結構第一類型節點逐漸向外部伸展時的中間狀態；圖7d為結構完全展開狀態，此時結構的工作空間最大；圖76為結構第二類型節點逐漸向結構中心點靠攏時的中間狀態，而圖7f為結構第一類型節點運動至最外側時所形成的收攏狀態。結構的整個折疊-展開運動過程是連貫、可重復的，并且結構在運動過程中始終保持正六面體型對稱。
權利要求
1.一種正六面體對稱型可展機構單元，其特征在于，該可展機構單元由32個三桿相交連接節點(I)和48根等長的連桿單元(2)構建而成，包括兩個完全相同且對稱設置的空間構型，所述的兩個空間構型之間用連桿單元(2)連接，每個空間構型由16個三桿相交連接節點(I)和20根連桿單元(2)構建而成，包括一個正方形(4)和位于所述正方形外側的四個六邊體(5)，所述四個六邊體(5)分別與正方形(4)共用一個邊，兩相鄰的六邊體(5)共用一個邊，所述兩相鄰六邊體(5)共用邊的一端與正方形(4)的頂點連接；兩個空間構型的不在共用邊上的三桿相交連接節點(I)相對，兩相對的三桿相交連接節點(I)之間均通過連桿單元(2)連接，將兩個空間構型連接為整體； 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，且三個轉動畐O (3)的軸心線相交而成三角形，轉動副(3)的連桿安裝位置位于所在三角形邊的中點處，連桿單元(2)垂直于所連接的轉動副(3)的軸心線； 32個三桿相交連接節點(I)分為8個第一類型節點(11)和24個第二類型節點(12)，所述第一類型節點的三個轉動副(3)軸心線相交而成的三角形為等邊三角形，所述第二類型節點的三個轉動副(3)軸心線相交而成的三角形為等腰直角三角形； 所述空間構型的正方形(4)由4個第二類型節點(12)和4根連桿單元(2)連接而成，六邊體(5)由2個第一類型節點(11 )、4個第二類型節點(12)和6根連桿單元(2)連接而成，所述2個第一類型節點(11)分別位于與相鄰六邊體(5)共用的邊上，且在不與正方形(4)頂點連接的一端。
全文摘要
本發明公開了一種正六面體對稱型可展機構單元，由32個三桿相交連接節點和48根連桿單元構建而成，包括兩個完全相同且對稱設置的空間構型，兩個空間構型之間用連桿單元2連接，其中各連接節點采用轉動副分別連接三根連桿單元。三桿相交節點包括8個第一類型節點和24個第二類型節點，其中第一類型節點的三根轉動副軸線構成等邊三角形，第二類型節點的三根轉動副軸線構成等腰直角三角形。本發明所公開的可展機構單元僅由連桿和轉動副構成，結構制作簡單，幾何造型美觀，可便捷、重復地進行折疊和展開。
文檔編號E04B1/344GK102912853SQ20121039807
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