单自由度折叠变形机构包括:三个杆组I(A)、三个杆组II(B)、三个杆组III(C)、三个中长轴(1)和三个长轴(2)。杆组I(A)由第一连接杆(4)和第二连接杆(5)组成,杆组II(B)由第一连接杆(4)和第三连接杆(6)组成,杆组III(C)由第三连接杆(6)和第四连接杆(7)组成。第一连接杆(4)和第四连接杆(7)的首端设置有通孔a,末端与通孔a轴线成逆时针55°的方向处设有通孔b;第二连接杆(5)和第三连接杆(6)的首端设置有通孔a,末端与通孔a轴线成顺时针55°的方向处设有通孔b。杆组I(A)和杆组II(B)的两端分别通过中长轴和长轴与其他杆组相连,三个杆组III(C)的两端通过长轴与其他杆组相连。单自由度折叠变形机构可以实现平面三角形和空间四面体间的相互转换。
1.单自由度折叠变形机构,其特征在于:单自由度折叠变形机构包括三个杆组I(A)、三个杆组II(B)、三个杆组III(C)、三个中长轴(1)和三个长轴(2);杆组I(A)包含第一连接杆(4)、第二连接杆(5)和短轴(3),第一连接杆(4)的首端设置有通孔a,末端与第一连接杆(4)上通孔a轴线成逆时针方向处设有通孔b,第二连接杆(5)的首端设置有通孔a,末端与第二连接杆(5)上通孔a轴线成顺时针方向处设有通孔b,短轴(3)穿过第一连接杆(4)的通孔b和第二连接杆(5)的通孔b,用卡簧进行轴向固定,使第一连接杆(4)和第二连接杆(5)间形成一个转动副;杆组II(B)包含第一连接杆(4)、第三连接杆(6)和短轴(3),第三连接杆(6)的首端设置有通孔a,末端与第三连接杆(6)上通孔a轴线成顺时针方向处设有通孔b,短轴(3)穿过第三连接杆(6)的通孔b和第一连接杆(4)的通孔b,用卡簧进行轴向固定,使第三连接杆(6)和第一连接杆(4)间形成一个转动副;杆组III(C)包含第三连接杆(6)、第四连接杆(7)和短轴(3),第四连接杆(7)的首端设置有通孔a,末端与第四连接杆(7)上通孔a轴线成逆时针方向处设有通孔b,短轴(3)穿过第四连接杆(7)的通孔b和第三连接杆(6)的通孔b,用卡簧进行轴向固定,使第四连接杆(7)和第三连接杆(6)间形成一个转动副;第一连接杆(4)上通孔a与通孔b间的距离和角度、第二连接杆(5)上通孔a与通孔b间的距离和角度、第三连接杆(6)上通孔a与通孔b间的距离和角度以及第四连接杆(7)上通孔a与通孔b间的距离和角度相同;第一个中长轴(1)穿过第一个杆组II(B)的第三连接杆(6)上的通孔a,和第一个杆组I(A)的第一连接杆(4)上的通孔a,用卡簧进行轴向固定,使第三连接杆(6)和第一连接杆(4)间形成转动副;第二个中长轴(1)穿过第二个杆组II(B)的第三连接杆(6)上的通孔a,和第二个杆组I(A)的第一连接杆(4)上的通孔a,用卡簧进行轴向固定,使第三连接杆(6)和第一连接杆(4)间形成转动副;第三个中长轴(1)穿过第三个杆组II(B)的第三连接杆(6)上的通孔a,和第三个杆组I(A)的第一连接杆(4)上的通孔a,用卡簧进行轴向固定,使第三连接杆(6)和第一连接杆(4)间形成转动副;第一个长轴(2)依次穿过第一个杆组I(A)的第二连接杆(5)上的通孔a,第一个杆组III(C)的第三连接杆(6)上的通孔a,第二个杆组II(B)的第一连接杆(4)上的通孔a和第二个杆组III(C)的第四连接杆(7)上的通孔a,用卡簧进行轴向固定,使第二连接杆(5)、第三连接杆(6)、第一连接杆(4)和第四连接杆(7)间形成转动副;第二个长轴(2)依次穿过第二个杆组I(A)的第二连接杆(5)上的通孔a,第三个杆组III(C)的第三连接杆(6)上的通孔a,第三个杆组II(B)的第一连接杆(4)上的通孔a和第一个杆组III(C)的第四连接杆(7)上的通孔a,用卡簧进行轴向固定,使第二连接杆(5)、第三连接杆(6)、第一连接杆(4)和第四连接杆(7)间形成转动副;第三个长轴(2)依次穿过第三个杆组I(A)的第二连接杆(5)上的通孔a,第二个杆组III(C)的第三连接杆(6)上的通孔a,第一个杆组II(B)的第一连接杆(4)上的通孔a和第三个杆组III(C)的第四连接杆(7)上的通孔a,用卡簧进行轴向固定,使第二连接杆(5)、第三连接杆(6)、第一连接杆(4)和第四连接杆(7)间形成转动副。
2.根据权利要求1所述的单自由度折叠变形机构,其特征在于:所述的第一连接杆(4)上通孔a与通孔b间的角度、第二连接杆(5)上通孔a与通孔b间的角度、第三连接杆(6)上通孔a与通孔b间的角度以及第四连接杆(7)上通孔a与通孔b间的角度都约为55°。
3.根据权利要求1所述的单自由度折叠变形机构,其特征在于:所述的第一连接杆(4),第一连接杆(4)首端的左侧为圆弧面,第一连接杆(4)首端的右侧为平面,第一连接杆(4)末端的前侧与第一连接杆(4)侧端面共面,第一连接杆(4)的侧端面处于第一连接杆(4)的右侧;所述的第二连接杆(5),第二连接杆(5)首端的右侧为圆弧面,第二连接杆(5)首端的左侧为平面,第二连接杆(5)末端的前侧至第二连接杆(5)侧端面的距离与第二连接杆(5)末端的厚度相同,第二连接杆(5)的侧端面处于第二连接杆(5)的左侧;所述的第三连接杆(6),第三连接杆(6)首端的右侧为圆弧面,第三连接杆(6)首端的左侧为平面,第三连接杆(6)末端的前侧至第三连接杆(6)侧端面的距离与第三连接杆(6)末端的厚度相同,第三连接杆(6)的侧端面处于第三连接杆(6)的左侧;所述的第四连接杆(7),第四连接杆(7)首端的左侧为圆弧面,第四连接杆(7)首端的右侧为平面,第四连接杆(7)末端的前侧与第四连接杆(7)侧端面共面,第四连接杆(7)的侧端面处于第四连接杆(7)的右侧;第一至第四连接杆(4、5、6、7)末端的厚度相同;第一至第四连接杆(4、5、6、7)首端的厚度总和与第一至第四连接杆(4、5、6、7)上前端面至后端面的距离相等;长轴(2)连接第一至第四连接杆(4、5、6、7)时,第一至第四连接杆(4、5、6、7)的前端面朝向相同。技术领域
本发明涉及一种折叠机构。具体涉及一种单自由度折叠变形机构,实现平面三角形和空间四面体间的相互转换。
背景技术
折叠机构自身具有大范围的空间变形能力,机构空间变形可以是空间体积的改变,也可以是外观几何形状的改变。因折叠机构易于存放、运输以及模块化,使其在太空和建筑设计中具有很高的实用性和经济性,更因为很强的变形能力和变形时的美观而受到广泛重视。德国费斯托公司将一种单自由度六杆机构,通过折叠变形功能将其应用于一种新型飞行器。Hoberman利用剪刀式缩放单元构造出空间环形缩放机构,并将其设计成变形玩具和建筑装饰。
发明内容
本发明要就解决的技术问题:折叠变形机构大多只能在平面内进行变换或只能在空间内进行变换。本发明的技术方案:单自由度折叠变形机构包括三个杆组I、三个杆组II、三个杆组III、三个中长轴和三个长轴。每个杆组包含两个连接杆和一个短轴,第一连接杆和第四连接杆的首端设置有通孔a,末端与通孔a轴线成逆时针55°的方向处设有通孔b;第二连接杆和第三连接杆的首端设置有通孔a,末端与通孔a轴线成顺时针55°的方向处设有通孔b。短轴穿过第一个连接杆的通孔b和第二个连接杆的通孔b,用卡簧进行轴向固定,使两个连接杆间形成一个转动副.组成单自由度折叠变形机构的九个杆组中,六个杆组两端的通孔a分别通过中长轴和长轴与其他杆组相连,三个杆组两端的通孔a通过长轴与其他杆组相连。三个中长轴穿过两个杆组上的通孔a,用卡簧进行轴向固定,使两个杆组间形成一个转动副;三个长轴穿过四个杆组上的通孔a,用卡簧进行轴向固定,使两个杆组间形成一个转动副。本发明的有益效果:本发明所述的单自由度折叠变形机构,通过只有一个自由度的折叠变形动作,实现平面三角形和空间四面体之间的相互转换。并且通过杆件机构的设计消除了变形动作过程中的杆件干涉。该机构结构简单,成本低廉,易于制造和工程实现。可作为教学模具应用于教学实验,也可作为空间可展机构应用于建筑屋顶等。
附图说明
图1单自由度折叠变形机构的整体三维图图2单自由度折叠变形机构的杆组I三维图图3单自由度折叠变形机构的杆组II三维图图4单自由度折叠变形机构的杆组III三维图图5单自由度折叠变形机构平面三角形状态下长轴连接四个连接杆的局部装配图图6单自由度折叠变形机构空间四面体状态下长轴连接四个连接杆的局部装配图图7第一连接杆的三维图图8第二连接杆的三维图图9第三连接杆的三维图图10第四连接杆的三维图图11(a)、图11(b)、图11(c)、图11(d)、图11(e)是单自由度折叠变形机构的变形过程图
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。单自由度折叠变形机构如图1所示,包括三个杆组I(A)、三个杆组II(B)、三个杆组III(C)、三个中长轴(1)和三个长轴(2)。本发明的实施方式:如图7所示,第一连接杆(4)的首端设置有通孔a,末端与第一连接杆(4)上通孔a轴线成逆时针方向处设有通孔b;如图8所示,第二连接杆(5)的首端设置有通孔a,末端与第二连接杆(5)上通孔a轴线成顺时针方向处设有通孔b;如图9所示,第三连接杆(6)的首端设置有通孔a,末端与第三连接杆(6)上通孔a轴线成顺时针方向处设有通孔b;如图10所示,第四连接杆(7)的首端设置有通孔a,末端与第四连接杆(7)上通孔a轴线成逆时针方向处设有通孔b。第一连接杆(4)上通孔a与通孔b间的距离和角度、第二连接杆(5)上通孔a与通孔b间的距离和角度、第三连接杆(6)上通孔a与通孔b间的距离和角度以及第四连接杆(7)上通孔a与通孔b间的距离和角度相同。如图2所示,杆组I(A)包含第一连接杆(4)、第二连接杆(5)和短轴(3),短轴(3)穿过第一连接杆(4)的通孔b和第二连接杆(5)的通孔b,用卡簧进行轴向固定,使第一连接杆(4)和第二连接杆(5)间形成一个转动副;如图3所示,杆组II(B)包含第一连接杆(4)、第三连接杆(6)和短轴(3),短轴(3)穿过第三连接杆(6)的通孔b和第一连接杆(4)的通孔b,用卡簧进行轴向固定,使第三连接杆(6)和第一连接杆(4)间形成一个转动副;如图4所示,杆组III(C)包含第三连接杆(6)、第四连接杆(7)和短轴(3),短轴(3)穿过第四连接杆(7)的通孔b和第三连接杆(6)的通孔b,用卡簧进行轴向固定,使第四连接杆(7)和第三连接杆(6)间形成一个转动副。如图1所示,第一个中长轴(1)穿过第一个杆组II(B)的第三连接杆(6)上的通孔a,和第一个杆组I(A)的第一连接杆(4)上的通孔a,用卡簧进行轴向固定,使第三连接杆(6)和第一连接杆(4)间形成转动副;第二个中长轴(1)穿过第二个杆组II(B)的第三连接杆(6)上的通孔a,和第二个杆组I(A)的第一连接杆(4)上的通孔a,用卡簧进行轴向固定,使第三连接杆(6)和第一连接杆(4)间形成转动副;第三个中长轴(1)穿过第三个杆组II(B)的第三连接杆(6)上的通孔a,和第三个杆组I(A)的第一连接杆(4)上的通孔a,用卡簧进行轴向固定,使第三连接杆(6)和第一连接杆(4)间形成转动副;如图5和图6所示,第一个长轴(2)依次穿过第一个杆组I(A)的第二连接杆(5)上的通孔a,第一个杆组III(C)的第三连接杆(6)上的通孔a,第二个杆组II(B)的第一连接杆(4)上的通孔a和第二个杆组III(C)的第四连接杆(7)上的通孔a,用卡簧进行轴向固定,使第二连接杆(5)、第三连接杆(6)、第一连接杆(4)和第四连接杆(7)间形成转动副;第二个长轴(2)依次穿过第二个杆组I(A)的第二连接杆(5)上的通孔a,第三个杆组III(C)的第三连接杆(6)上的通孔a,第三个杆组II(B)的第一连接杆(4)上的通孔a和第一个杆组III(C)的第四连接杆(7)上的通孔a,用卡簧进行轴向固定,使第二连接杆(5)、第三连接杆(6)、第一连接杆(4)和第四连接杆(7)间形成转动副;第三个长轴(2)依次穿过第三个杆组I(A)的第二连接杆(5)上的通孔a,第二个杆组III(C)的第三连接杆(6)上的通孔a,第一个杆组II(B)的第一连接杆(4)上的通孔a和第三个杆组III(C)的第四连接杆(7)上的通孔a,用卡簧进行轴向固定,使第二连接杆(5)、第三连接杆(6)、第一连接杆(4)和第四连接杆(7)间形成转动副。如图7至图10所示,所述的第一连接杆(4)上通孔a与通孔b间的角度、第二连接杆(5)上通孔a与通孔b间的角度、第三连接杆(6)上通孔a与通孔b间的角度以及第四连接杆(7)上通孔a与通孔b间的角度都约为55°。所述的第一连接杆(4),第一连接杆(4)首端的左侧为圆弧面,第一连接杆(4)首端的右侧为平面,第一连接杆(4)末端的前侧与第一连接杆(4)侧端面共面,第一连接杆(4)的侧端面处于第一连接杆(4)的右侧。所述的第二连接杆(5),第二连接杆(5)首端的右侧为圆弧面,第二连接杆(5)首端的左侧为平面,第二连接杆(5)末端的前侧至第二连接杆(5)侧端面的距离与第二连接杆(5)末端的厚度相同,第二连接杆(5)的侧端面处于第二连接杆(5)的左侧。所述的第三连接杆(6),第三连接杆(6)首端的右侧为圆弧面,第三连接杆(6)首端的左侧为平面,第三连接杆(6)末端的前侧至第三连接杆(6)侧端面的距离与第三连接杆(6)末端的厚度相同,第三连接杆(6)的侧端面处于第三连接杆(6)的左侧。所述的第四连接杆(7),第四连接杆(7)首端的左侧为圆弧面,第四连接杆(7)首端的右侧为平面,第四连接杆(7)末端的前侧与第四连接杆(7)侧端面共面,第四连接杆(7)的侧端面处于第四连接杆(7)的右侧。第一至第四连接杆(4、5、6、7)末端的厚度相同。第一至第四连接杆(4、5、6、7)首端的厚度总和与第一至第四连接杆(4、5、6、7)上前端面至后端面的距离相等。长轴(2)连接第一至第四连接杆(4、5、6、7)时,第一至第四连接杆(4、5、6、7)的前端面朝向相同。具体的使用方法:单自由度折叠变形机构可以实现三角形向四面体的几何转换。选择两个具有相对转动关系的连杆进行手动驱动,以杆组I(A)中的第一连杆(4)和第二连杆(5)为例,图11(a)所示,为单自由折叠变形机构初始位置,外形为一个三角形;手动第一连杆(4)和第二连杆(5),使第一连杆(4)相对于第二连杆(5)进行逆时针转动,如图11(b)所示;继续使第一连杆(4)相对于第二连杆(5)进行逆时针转动实现图11(c)和图11(d)的折叠变形过程,最终达到如图11(e)所示的四面体外形。向相反方向转动杆件,便可以实现四面体向三角形转换的过程。