[发明专利]具有一个刚性自由度的可折叠管状结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种可折叠结构，尤其涉及具有一个刚性自由度的可折叠管状结构。

背景技术

由平面单元组成的可展开可折叠的管状结构具有多种用途，例如，用于宇宙空间站的大型构件，甚至月球基地的建设，或者用作人体血管、消化道等的支架，或者代替板房作为严重自然灾害后的大中小型临时居所。这样的管状结构在展开后构建一个具有指定容积的空间。同时这样的管状结构可以通过折叠收起的方式将自身体积降到最小，便于存储和运输。近年来，分别由Hoberman（US4780344,US4981732,US5234727），Guest和Pellegrino，Sogame（US6233880B1）和Furuya，以及Nojima等研究人员提出的不同形式的可折叠管状结构具备了上述的展开和折叠的功能，但是由于这些结构的折展功能依赖于所使用材料的弹塑性大变形，对其折叠和展开的过程很难做到精确的控制，这就限制了它们的用途。并且，由于结构组成单元的形变造成整体形状的变化使得现有的管状折叠结构通常被用作一次性结构来使用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种可以做到对结构的折叠和展开过程精确控制、降低了结构展开和折叠的复杂程度、可重复使用的具有一个刚性自由度的可折叠管状结构。

本发明的具有一个刚性自由度的可折叠管状结构，它为由多个单层环状单元首尾连接形成的管状结构，每一个单层环状单元为具有2N个侧面的棱柱体，相邻的两个具有2N个侧面的棱柱体由共用位于首尾连接形成的相交面上的2N边形交线的方式连接组成，每一个所述的具有2N个侧面的棱柱体由2N个刚性平面四边形单元组成，相邻的两个所述的单层环状单元包括2N个有且仅有四个平面四边形单元相交于一个顶点形成的球面机构，相邻的两个所述的单层环状单元在相交面形成的2N边形为具有一条对称轴的线对称2N边形或者中心对称平面2N边形，每一个所述的具有2N个侧面的棱柱体的棱线相互平行，所述的管状结构中首尾相连的棱线位于同一平面内，当相邻的两个所述的单层环状单元在相交面形成的2N边形为只具有一条对称轴的线对称2N边形时，所述的管状结构的首尾相连的棱线所在平面都垂直于对称轴，所述的N为大于1的整数。

采用本发明的装置具有以下优点：

以不会发生形变的平面单元和两个相邻平面单元的连接线为转动副的转动中心相结合组成的可折叠管状结构，可以做到对结构的折叠和展开过程精确控制；而且，本结构为仅具有一个刚性自由度的机构，更是降低了结构展开和折叠的复杂程度，进而本结构比目前已有结构更为可靠而且可重复使用。

本发明所述的管状结构设计方法简单，装配方便。由于可以被完全折叠成体积很小的状态，使结构的存放和运输都十分便捷。并不局限某一特定形状或大小的管状结构，还可以满足构建不同用途的结构需要。

附图说明

图1为本发明的具有一个刚性自由度的可折叠管状结构的第一种实施方式，即由四棱柱单层单元组成的可折叠管状结构处于展开状态示意图，此结构中相邻两层的交线为线对称四边形，即筝形，具有一条对称轴；

图2为图1所示的可折叠管状结构处于完全折叠状态的结构示意图；

图3为组成图1所示的可折叠管状结构的相邻两层环状结构的示意图；

图4为图3所示环状结构的俯视图；

图5为图3所示环状结构的凹折叠状态，相邻两层的交线由凸筝形变形为了凹筝形；

图6为图5所示环状结构的凹折叠状态的俯视图；

图7为图1所示可折叠管状结构的凹折叠状态，同时也是图5所示环状结构叠加连接的结果图；

图8为图7所示可折叠管状结构处于完全折叠状态的结构示意图；

图9为本发明的具有一个刚性自由度的可折叠管状结构的第二种实施方式，即由四棱柱单层组成的可折叠管状结构处于展开状态的示意图，此结构中相邻两层的交线为中心对称四边形，对称中心位于四边形对角线的交点。

图10为图9所示的可折叠管状结构处于完全折叠状态的示意图；

图11为组成图9所示可折叠管状结构的相邻两层环状结构的示意图；

图12为图11所示环状结构的俯视图；

图13为本发明的具有一个刚性自由度的可折叠管状结构的第三种实施方式，即由六棱柱单层组成的可折叠管状结构处于展开状态示意图，此结构中相邻两层的交线为线对称六边形，具有一条对称轴；

图14为图13所示的可折叠管状结构处于完全折叠状态的示意图；