可折叠多面体结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种单自由度、大折展比的可折叠多面体结构，具体的说，是设及一种 由单一驱动实现十四面体与八面体之间的变换。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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犹进入飞船。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。
[0004] 现有的空间可折展结构主要设及平面或曲面上的折展，如太阳能帆板、卫星天线， 而设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 S0yL'nuv在2009年提出的可折展多面体的折展比不足1.1。
【发明内容】
[0005] 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、±木工程等众多领域中具有重要意义和广泛的应用前景。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明通过W下的技术方案予W实现：
[0007] 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Ξ折叠单元、第四折叠单元、第五折叠单元、第六折叠单元、第屯折叠单 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Ξ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Ξ连接位置;该可折叠多面体结构存在Ξ 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Ξ对称平面；
[0008] 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Ξ折叠单元的第一连接位置通 过第二转动副连接，所述第Ξ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Ξ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；
[0009] 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屯折叠单元的第一连接位置通 过第六转动副连接，所述第屯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 置通过第屯转动副连接，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；
[0010] 所述第一折叠单元的第Ξ连接位置与所述第五折叠单元的第Ξ连接位置通过第 一球副连接，所述第二折叠单元的第Ξ连接位置与所述第六折叠单元的第Ξ连接位置通过 第二球副连接，所述第Ξ折叠单元的第Ξ连接位置与所述第屯折叠单元的第Ξ连接位置通 过第Ξ球副连接，所述第四折叠单元的第Ξ连接位置与所述第八折叠单元的第Ξ连接位置 通过第四球副连接，所述第一球副、第二球副、第Ξ球副和第四球副的中屯、均在所述第Ξ对 称平面内；
[0011] 所述第一折叠单元与所述第二折叠单元、所述第Ξ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、所述第屯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Ξ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 第屯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Ξ折叠单元与所述第屯折叠单元、所述第 四折叠单元与所述第八折叠单元分别关于所述第Ξ对称平面对称；
[0012] 所述第一转动副、所述第Ξ转动副、所述第五转动副和所述第屯转动副的轴线均 在所述第一对称平面内，所述第二转动副、所述第四转动副、所述第六转动副和所述第八转 动副的轴线均在所述第二对称平面内；所述第一转动副的轴线与所述第五转动副的轴线、 所述第二转动副的轴线与所述第六转动副的轴线、所述第Ξ转动副的轴线与所述第屯转动 副的轴线、所述第四转动副的轴线与所述第八转动副的轴线分别关于所述第Ξ对称平面对 称;所述第二转动副的轴线与所述第四转动副的轴线、所述第六转动副的轴线与所述第八 转动副的轴线分别关于所述第一对称平面对称;所述第一转动副的轴线与所述第Ξ转动副 的轴线、所述第五转动副的轴线与所述第屯转动副的轴线分别关于所述第二对称平面对 称。
[0013] 第二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Ξ折叠单元、第四折叠单元、第五折叠单元、第六折叠单元、第屯折叠单 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Ξ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Ξ连接位置;还包括四组连接机构，分别 为第一连接机构、第二连接机构、第Ξ连接机构和第四连接机构;每组所述连接机构由两个 连接组件通过一个中部转动副连接而成，运两个连接组件分别通过一个侧部转动副与相邻 的所述折叠单元连接，每组所述连接机构的一个所述中部转动副的轴线和两个所述侧部转 动副的轴线过一公共点，即每组所述连接机构可提供绕该转动副轴线公共点的Ξ个轴线转 动;该可折叠多面体结构存在Ξ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Ξ对称平面；
[0014] 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Ξ折叠单元的第一连接位置通 过第二转动副连接，所述第Ξ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Ξ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；
[0015] 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屯折叠单元的第一连接位置通 过第六转动副连接，所述第屯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 置通过第屯转动副连接，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；
[0016] 所述第一折叠单元、所述第五折叠单元分别与所述第一连接机构的两个连接组件 分别通过侧部转动副连接，所述第二折叠单元、所述第六折叠单元分别与所述第二连接机 构的两个连接组件分别通过侧部转动副连接，所述第Ξ折叠单元、所述第屯折叠单元分别 与所述第Ξ连接机构的两个连接组件分别通过侧部转动副连接，所述第四折叠单元、所述 第八折叠单元分别与所述第四连接机构的两个连接组件分别通过侧部转动副连接，所述第 一连接机构、所述第二连接机构、所述第Ξ连接机构和所述第四连接机构的转动副轴线公 共点均在所述第Ξ对称平面内；
[0017] 所述第一折叠单元与所述第二折叠单元、所述第Ξ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、所述第屯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Ξ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 第屯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Ξ折叠单元与所述第屯折叠单元、所述第 四折叠单元与所述第八折叠单元分别关于所述第Ξ对称平面对称；
[0018] 所述第一转动副、所述第Ξ转动副、所述第五转动副和所述第屯转动副的轴线均 在所述第一对称平面内，所述第二转动副、所述第四转动副、所述第六转动副和所述第八转 动副的轴线均在所述第二对称平面内；所述第一转动副的轴线与所述第五转动副的轴线、 所述第二转动副的轴线与所述第六转动副的轴线、所述第Ξ转动副的轴线与所述第屯转动 副的轴线、所述第四转动副的轴线与所述第八转动副的轴线分别关于所述第Ξ对称平面对 称;所述第二转动副的轴线与所述第四转动副的轴线、所述第六转动副的轴线与所述第八 转动副的轴线分别关于所述第一对称平面对称;所述第一转动副的轴线与所述第Ξ转动副 的轴线、所述第五转动副的轴线与所述第屯转动副的轴线分别关于所述第二对称平面对 称。
[0019] 优选地，上述两种可折叠多面体结构，所述折叠单元具