[发明专利]可折叠多面体结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种单自由度、大折展比的可折叠多面体结构，具体的说，是涉及一种由单一驱动实现十四面体与八面体之间的变换。

背景技术

多面体结构因其较好的对称性，在航空航天、建筑结构、艺术品和日常生活中得到广泛地应用，但由于体积大、不利于运输，多面体结构常常只能用于固定场合。被SCIENCE期刊评为2014年年度十大科技突破的立方小卫星就是航空航天领域追求小型化低成本发射的典型代表，但其在轨状态工作空间狭小的缺点也制约着它的进一步应用。

空间可折展结构是随着航天科技的发展而诞生的一种新型结构，它在发射过程中处于折叠收纳状态，体积容量最小；入轨后，可折展结构可按设计展开成较大的运营工作状态；返回或回收时，该结构可再次折叠收拢进入飞船。采用过约束机构为基本单元的空间可展结构有着高刚性，制造简单，成本低，可靠性高等优势。

现有的空间可折展结构主要涉及平面或曲面上的折展，如太阳能帆板、卫星天线，而涉及体积方面的折展机构主要采用非刚性变形得到，变形过程不利于控制且不易重复操作，现有采用刚性变形的可折展多面体要么结构复杂，如C.M.Gosselin和D.Gagnon-Lachance在2006年提出的用正多边形机构驱动的可折展多面体结构；要么不能实现完全折叠，如Kiper and 在2009年提出的可折展多面体的折展比不足1.1。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种能够实现折叠和展开两种稳态的且安装和操作过程简单的可折叠多面体结构，该结构是含有刚性过约束机构的拥有两种稳定状态的特殊多面体，折叠时体积较小便于发射或运输，展开时具有较大的工作空间；整个结构只具有一个自由度，运动控制简单；具有生产加工简单，运动控制方便，高可靠性等优点，在航空航天、土木工程等众多领域中具有重要意义和广泛的应用前景。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

第一种可折叠多面体结构，包括八个完全相同的折叠单元，分别为第一折叠单元、第二折叠单元、第三折叠单元、第四折叠单元、第五折叠单元、第六折叠单元、第七折叠单元、第八折叠单元；每个所述折叠单元均在同样的位置处设置有三个不在同一直线上的连接位置，分别为第一连接位置、第二连接位置和第三连接位置；该可折叠多面体结构存在三个相互垂直的对称平面，分别为第一对称平面、第二对称平面和第三对称平面；

所述第一折叠单元的第二连接位置与所述第二折叠单元的第一连接位置通过第一转动副连接，所述第二折叠单元的第二连接位置与所述第三折叠单元的第一连接位置通过第二转动副连接，所述第三折叠单元的第二连接位置与所述第四折叠单元的第一连接位置通过第三转动副连接，所述第四折叠单元的第二连接位置与所述第一折叠单元的第一连接位置通过第四转动副连接；

所述第五折叠单元的第二连接位置与所述第六折叠单元的第一连接位置通过第五转动副连接，所述第六折叠单元的第二连接位置与所述第七折叠单元的第一连接位置通过第六转动副连接，所述第七折叠单元的第二连接位置与所述第八折叠单元的第一连接位置通过第七转动副连接，所述第八折叠单元的第二连接位置与所述第五折叠单元的第一连接位置通过第八转动副连接；

所述第一折叠单元的第三连接位置与所述第五折叠单元的第三连接位置通过第一球副连接，所述第二折叠单元的第三连接位置与所述第六折叠单元的第三连接位置通过第二球副连接，所述第三折叠单元的第三连接位置与所述第七折叠单元的第三连接位置通过第三球副连接，所述第四折叠单元的第三连接位置与所述第八折叠单元的第三连接位置通过第四球副连接，所述第一球副、第二球副、第三球副和第四球副的中心均在所述第三对称平面内；

所述第一折叠单元与所述第二折叠单元、所述第三折叠单元与所述第四折叠单元、所述第五折叠单元与所述第六折叠单元、所述第七折叠单元与所述第八折叠单元分别关于所述第一对称平面对称；所述第一折叠单元与所述第四折叠单元、所述第二折叠单元与所述第三折叠单元、所述第五折叠单元与所述第八折叠单元、所述第六折叠单元与所述第七折叠单元分别关于所述第二对称平面对称；所述第一折叠单元与所述第五折叠单元、所述第二折叠单元与所述第六折叠单元、所述第三折叠单元与所述第七折叠单元、所述第四折叠单元与所述第八折叠单元分别关于所述第三对称平面对称；