一种基于三浦折纸的双稳态折展结构 |
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| 申请号 | CN202410021660.1 | 申请日 | 2024-01-05 | 公开(公告)号 | CN117963160A | 公开(公告)日 | 2024-05-03 |
| 申请人 | 武汉大学; | 发明人 | 刘胜; 李洋; 王鹤鸣; 何祥洪; | ||||
| 摘要 | 本 申请 涉及可展结构领域，具体公开了一种基于三浦折纸的双稳态折展结构，其包括四个面板和四个柔性 铰链 ，柔性铰链连接于相邻的两个面板之间，一组呈相对设置的铰链高度之和与另一组呈相对设置的铰链高度之和相等，且各铰链的高度差需规避四铰链过约束机构条件。本申请提供的双稳态折展结构在完全折叠及展开两稳态下具有良好的 刚度 ，通过结构的几何约束提升稳态刚度，无需多余的 锁 定装置；当双稳态结构 变形 越过中间 能量 势垒后，能够自驱动到达另一稳态，具有驱动简单、可重复折展、简并度高的优点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于三浦折纸的双稳态折展单元，其特征在于：包括： |
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| 说明书全文 | 一种基于三浦折纸的双稳态折展结构技术领域[0001] 本申请涉及可展结构领域，尤其是涉及一种基于三浦折纸的双稳态折展结构。 背景技术[0003] 传统的机械伸展式结构主要是通过刚性折叠展开的方式，在相邻两个面板之间设置铰接结构，并设计驱动及锁定装置，使相邻两个面板通过铰接结构相对转动并可在展开状态下保持稳定，因此结构比较复杂，所需额外零件较多且不能重复折展。 [0004] 此外，卫星的工作环境较为恶劣，传统的机械伸展式结构的简并性较差，因此需要航天可展结构进行设计改造，使其在保证良好的可展比情况下，通过几何约束增加其稳态的刚度，并使其在结构上具有一定简并性，即在部分铰链出现故障的情况下，仍能维持稳定运作，有效的防止其出现因结构复杂而导致展开失败的现象。发明内容 [0005] 为了改善传统的机械伸展式结构自身刚度不足、不能重复折展、简并度低等问题，本申请提供一种基于三浦折纸的双稳态折展结构。 [0006] 本申请提供的一种基于三浦折纸的双稳态折展结构采用如下的技术方案： [0007] 一种基于三浦折纸的双稳态折展单元，包括： [0008] 四个面板，分别为第一面板、第二面板、第三面板和第四面板，四个所述面板以一轴线为中心两两相邻分布； [0009] 四个柔性铰链，分别为第一铰链、第二铰链、第三铰链和第四铰链； [0010] 所述第一铰链连接于所述第一面板和所述第四面板之间，所述第二铰链连接于所述第一面板和所述第二面板之间，所述第三铰链连接于所述第二面板和所述第三面板之间，所述第四铰链连接于所述第三面板和所述第四面板之间； [0011] 四个所述铰链中，其中三个所述铰链均位于所述面板的同一侧，另一个所述铰链位于所述面板的另一侧。 [0012] 进一步地，所述第一铰链与第二铰链的夹角、所述第二铰链与第三铰链的夹角、所述第三铰链与第四铰链的夹角、所述第四铰链与第一铰链的夹角分别为a1、a2、a3和a4，各夹角之间的关系满足：a1+a2＝a3+a4＝180°。 [0013] 进一步地，各夹角之间的关系满足：a1＝a4，a2＝a3。 [0014] 进一步地，所述铰链为橡胶材质。 [0015] 进一步地，所述铰链为TPU橡胶材质。 [0016] 折叠时，相邻的两块面板向着其间铰链所在的一侧折叠：第一面板和第四面板绕第一铰链向下折叠，第一面板和第二面板绕第二铰链向上折叠，第二面板和第三面板绕第三铰链向上折叠，第三面板和第四面板绕第四铰链向上折叠，如此可将折展结构由展开状态变为折叠状态。 [0017] 进一步地，当所述折展单元展开时，以平行于任一所述面板的任一平面为基准面，将所述第一铰链、所述第二铰链、所述第三铰链和所述第四铰链与所述基准面之间的垂直距离分别记为h1、h2、h3和h4，各垂直距离之间的关系满足：h1+h3＝h2+h4。 [0018] 通过以上几何约束，使得折展结构在折叠状态下不易发生形变，从而提高折叠状态下折展结构的稳定性。 [0019] 进一步地，各所述夹角和各所述垂直距离之间的关系满足：|h1‑h2|与|h2‑h3|的比值不等于sina1与sina2的比值。 [0020] 如此，规避了过约束机构条件，使得折展结构在折叠状态与展开状态之间存在能量势垒；当不存在外力作用时，折叠状态和展开状态均为稳定状态，结构具有良好的刚度，无需多余的锁定装置；在外力的作用下，折展结构可以越过能量势垒，然后自驱动从一个稳态到达另一稳态，具有驱动简单，可重复折展的优点。 [0021] 本申请提供一种基于三浦折纸的双稳态折展结构，包括一个或多个基于三浦折纸的双稳态折展单元。 [0022] 综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果： [0023] 1.本申请提供的双稳态折展结构在完全折叠及展开两稳态下具有良好的刚度，通过结构的几何约束提升稳态刚度，无需多余的锁定装置； [0024] 2.当双稳态结构变形越过中间能量势垒后，能够自驱动到达另一稳态，具有驱动简单、可重复折展的优点； [0026] 图1是本申请实施例1中折展单元展开状态的俯视结构示意图； [0027] 图2是本申请实施例1中主要用于展示折展单元展开状态顶面的结构示意图； [0028] 图3是本申请实施例1中主要用于展示折展单元展开状态底面的结构示意图； [0029] 图4是本申请实施例1中折展单元折叠状态的整体结构示意图； [0030] 图5是本申请实施例1中折展单元折叠状态另一角度的整体结构示意图； [0031] 图6是本申请实施例2中折展结构展开状态的俯视结构示意图； [0032] 图7是本申请实施例2中主要用于展示折展结构展开状态顶面的结构示意图； [0033] 图8是本申请实施例2中主要用于展示折展结构展开状态底面的结构示意图； [0034] 图9是本申请实施例2中折展结构展开状态的左视结构示意图； [0035] 图10是本申请实施例2中折展结构折叠状态的整体结构示意图。 [0036] 附图标记：11、第一面板；12、第二面板；13、第三面板；14、第四面板；15、第五面板；16、第六面板；17、第七面板；18、第八面板；19、第九面板；21、第一铰链；22、第二铰链；23、第三铰链；24、第四铰链；3凸台。 具体实施方式[0037] 以下结合附图1‑10对本申请作进一步详细说明。 [0038] 实施例1 [0039] 本申请实施例公开一种基于三浦折纸的双稳态折展单元。参照图1、图2和图3，基于三浦折纸的双稳态折展单元包括四个面板和四个柔性铰链。四个面板分别为第一面板11、第二面板12、第三面板13和第四面板14，四个面板以一轴线为中心两两相邻分布。 [0040] 本实施例中，四个面板均为扇形，在其他可行的实施方式中，四个面板也可以是三角形。当折展单元完全展开时，第一面板11、第二面板12、第三面板13和第四面板14的顶面均相互平行，底面也相互平行。 [0041] 参照图2和图3，四个柔性铰链分别为第一铰链21、第二铰链22、第三铰链23和第四铰链24，第一铰链21连接于第一面板11和第四面板14之间，第二铰链22连接于第一面板11和第二面板12之间，第三铰链23连接于第二面板12和第三面板13之间，第四铰链24连接于第三面板13和第四面板14之间。柔性铰链呈薄层状，可以采用橡胶类材料制成，例如TPU橡胶等。 [0042] 参照图1、图2和图3，第一铰链21与第二铰链22的夹角为a1，第二铰链22与第三铰链23的夹角为a2，第三铰链23与第四铰链24的夹角为a3，第四铰链24与第一铰链21的夹角为a4，各夹角之间的关系满足：a1+a2＝a3+a4＝180°，a1＝a4，a2＝a3。本实施例中，a1和a4为锐角，第一铰链21位于面板的底面一侧，第二铰链22、第三铰链23和第四铰链24均位于面板的顶面一侧。 [0043] 折叠时，相邻的两块面板向着其间铰链所在的一侧折叠：第一面板11和第四面板14绕第一铰链21向下折叠，第一面板11和第二面板12绕第二铰链22向上折叠，第二面板12和第三面板13绕第三铰链23向上折叠，第三面板13和第四面板14绕第四铰链24向上折叠，如此可将折展单元由展开状态变为折叠状态，折叠状态的折展单元如图4和图5所示。 [0044] 进一步地，当折展单元展开时，以平行于任一面板的任一平面为基准面，将第一铰链21、第二铰链22、第三铰链23和第四铰链24与基准面之间的垂直距离分别记为h1、h2、h3和h4，各垂直距离之间的关系满足：h1+h3＝h2+h4，即每一组相对的两个铰链高度之和相等。 [0045] 本实施例中，参照图2，当折展单元完全展开时，第一面板11、第二面板12、第三面板13和第四面板14的底面均位于同一平面上，以该平面为基准面，h2、h3和h4如图2所示，由于第一铰链21位于基准面上，h1＝0，因此h1在图2中未示出。 [0046] 为了使各垂直距离之间的关系满足h1+h3＝h2+h4，参照图2，第二面板12和第三面板13的顶面均设置有凸台，第三铰链23连接于两个凸台的顶面之间。 [0047] 通过以上几何约束，参照图4和图5，折叠后，第一面板11和第四面板14的板面相贴合，同时两个凸台的顶面相贴合，使得折展单元在折叠状态下不易发生形变，从而提高折叠状态下折展单元的稳定性。 [0048] 进一步地，各铰链夹角和各垂直距离之间的关系满足：|h1‑h2|与|h2‑h3|的比值不等于sina1与sina2的比值。 [0049] 如此，规避了过约束机构条件，使得折展单元在折叠状态与展开状态之间存在能量势垒；当不存在外力作用时，折叠状态和展开状态均为稳定状态，结构具有良好的刚度，无需多余的锁定装置；在外力的作用下，折展单元可以越过能量势垒，然后自驱动从一个稳态到达另一稳态，具有驱动简单，可重复折展的优点。 [0050] 本申请实施例一种基于三浦折纸的双稳态折展单元的实施原理为：折叠时，相邻的两块面板向着其间铰链所在的一侧折叠，如此可将折展单元由展开状态变为折叠状态；通过结构的几何约束提升稳态刚度，无需多余的锁定装置；当双稳态结构变形越过中间能量势垒后，能够自驱动到达另一稳态，具有驱动简单、可重复折展的优点；且可在部分铰链损坏的情况下维持稳态刚度使其稳定运行，具有良好的简并性。 [0051] 实施例2 [0052] 本申请实施例公开一种基于三浦折纸的双稳态折展结构，包括多个基于三浦折纸的双稳态折展单元。具体的，参照图6、图7和图8，折展结构包括9个平行四边形的面板：第一面板11、第二面板12、第三面板13、第四面板14、第五面板15、第六面板16、第七面板17、第八面板18和第九面板19。相邻的两个面板之间连接有柔性铰链，柔性铰链呈薄层状，可以采用橡胶类材料制成，例如TPU橡胶等。 [0053] 参照图6、图7和图8，每四个面板以一轴线为中心两两相邻分布并组成一个折展单元，本实施例共包括四个折展单元。具体的，第一面板11、第二面板12、第三面板13和第四面板14组成一个折展单元，第二面板12、第三面板13、第五面板15和第六面板16组成一个折展单元，第三面板13、第四面板14、第七面板17和第八面板18组成一个折展单元，第三面板13、第六面板16、第八面板18和第九面板19组成一个折展单元。当折展结构完全展开时，所有面板的顶面均相互平行，底面也相互平行。 [0054] 下面以第一面板11、第二面板12、第三面板13和第四面板14组成的折展单元为例，说明每个折展单元中各个面板之间的约束关系： [0055] 参照图7和图8，第一面板11和第四面板14之间连接有第一铰链21，第一面板11和第二面板12之间连接有第二铰链22，第二面板12和第三面板13之间连接有第三铰链23，第三面板13和第四面板14之间连接有第四铰链24。 [0056] 参照图6、图7和图8，第一铰链21与第二铰链22的夹角为a1，第二铰链22与第三铰链23的夹角为a2，第三铰链23与第四铰链24的夹角为a3，第四铰链24与第一铰链21的夹角为a4，各夹角之间的关系满足：a1+a2＝a3+a4＝180°，a1＝a4，a2＝a3。本实施例中，a2和a3为锐角，第三铰链23位于面板的顶面一侧，第一铰链21、第二铰链22和第四铰链24均位于面板的底面一侧。 [0057] 进一步地，当折展单元展开时，参照图9，第一面板11和第二面板12的底面位于同一平面上，第三面板13和第四面板14的底面位于同一平面上。以平行于任一面板的任一平面为基准面，将第一铰链21、第二铰链22、第三铰链23和第四铰链24与基准面之间的垂直距离分别记为h1、h2、h3和h4，各垂直距离之间的关系满足：h1+h3＝h2+h4，即每一组相对的两个铰链高度之和相等。 [0058] 为了使各垂直距离之间的关系满足h1+h3＝h2+h4，参照图7，第二面板12和第三面板13的顶面均设置有凸台，第三铰链23连接于两个凸台的顶面之间。参照图8，第一面板11和第四面板14的底面均设置有凸台，第一铰链21连接于两个凸台的底面之间。 [0059] 通过以上几何约束，使得折展结构在折叠状态下不易发生形变，从而提高折叠状态下折展结构的稳定性。 [0060] 进一步地，各铰链夹角和各垂直距离之间的关系满足：|h1‑h2|与|h2‑h3|的比值不等于sina1与sina2的比值。 [0061] 如此，规避了过约束机构条件，使得折展结构在折叠状态与展开状态之间存在能量势垒；当不存在外力作用时，折叠状态和展开状态均为稳定状态，结构具有良好的刚度，无需多余的锁定装置；在外力的作用下，折展结构可以越过能量势垒，然后自驱动从一个稳态到达另一稳态，具有驱动简单，可重复折展的优点。 [0062] 与第一面板11、第二面板12、第三面板13和第四面板14组成的折展单元相类似，本实施例提供的双稳态折展结构中，其他的各个折展单元均满足以上约束关系。 [0063] 折叠时，相邻的两块面板向着其间铰链所在的一侧折叠：例如，第一面板11和第四面板14绕第一铰链21向下折叠，第一面板11和第二面板12绕第二铰链22向下折叠，第二面板12和第三面板13绕第三铰链23向上折叠，第三面板13和第四面板14绕第四铰链24向下折叠。各个折展单元同时折叠，可将折展结构由展开状态变为折叠状态，折叠状态的折展结构如图10所示。 [0064] 本申请实施例一种基于三浦折纸的双稳态折展结构的实施原理为：折叠时，相邻的两块面板向着其间铰链所在的一侧折叠，如此可将折展结构由展开状态变为折叠状态；通过结构的几何约束提升稳态刚度，无需多余的锁定装置；当双稳态结构变形越过中间能量势垒后，能够自驱动到达另一稳态，具有驱动简单、可重复折展的优点；且可在部分铰链损坏的情况下维持稳态刚度使其稳定运行，具有良好的简并性。 [0065] 以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。 |
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