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 Pel legrino, Sogame (US6233880B1 )和 Furuya, 以及 No j ima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� ��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� ��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� �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� �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� �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� �示意图；

图 9为本发明的具有一个刚性自由度的可折叠管� �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� �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� �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� ��意图；

图 15为组成图 13所示的可折叠管状结构的相邻两层环状结构� ��示意图；

图 16为图 15所示环状结构的俯视图；

图 17为图 15所示环状结构的凹折叠状态，相邻两层的交� ��由凸六边形变形为凹六边形； 图 18为图 17所示环状结构的俯视图；

图 19为图 13所示可折叠管状结构的凹折叠状态， 同时也是图 17所示环状结构叠加相 连的结果图；

图 20为图 19所示可折叠管状结构处于完全折叠状态的示� ��图；

图 21 为本发明的具有一个刚性自由度的可折叠管状 结构的第四种实施方式， 即由六棱 柱单层组成的可折叠管状结构处于展开状态的 示意图， 此结构中相邻两层的交线为中心对称 六边形， 对称中心位于六边形对角线的交点；

图 22为图 21所示的可折叠管状结构处于完全折叠状态的� ��意图；

图 23为组成图 21所示的可折叠管状结构的环状结构的示意图� ��

图 24为图 23所示环状结构的俯视图；

图 25 为本发明的具有一个刚性自由度的可折叠管状 结构的第六种实施方式， 即由八棱 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八边 形， 具有一条对称轴；

图 26为图 25所示的可折叠管状结构处于完全折叠状态的� ��意图； 图 27为组成图 25所示的可折叠管状结构的相邻两层环状结构� ��示意图； 图 28为图 27所示环状结构的俯视图；

图 29 为本发明的具有一个刚性自由度的可折叠管状 结构的第六种实施方式， 即由八棱 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 八边形， 对称中心位于八边形对角线的交点；

图 30为图 29所示的可折叠管状结构处于完全折叠状态的� ��意图；

图 31为组成图 29所示的可折叠管状结构的相邻两层环状结构� ��示意图；

图 32为图 31所示环状结构的俯视图；

图 33 为本发明的具有一个刚性自由度的可折叠管状 结构的第七种实施方式， 即由交线 夹角对应相同的单层单元组成的可折叠弯管结 构处于展开状态的示意图；

图 34为图 33所示的可折叠弯管结构处于完全折叠状态的� ��意图；

图 35为构建图 33所示结构的开始阶段， 由两个交线夹角对应相同的单层组成一个环状 结构作为图 33所示结构的基础；

图 36为在图 35所示结构基础之上添加新的单层环状单元的� ��意图；

图 37为在图 36所示结构基础之上添加新的单层环状单元的� ��意图；

图 38 为本发明的具有一个刚性自由度的可折叠管状 结构的第八种实施方式， 即由任意 单层单元组成的可折叠弯管结构的正视图；

图 39为图 38所示的由任意单层单元组成的可折叠弯管结� ��的左视图；

图 40为图 38所示的由任意单层单元组成的可折叠弯管结� ��的俯视图；

图 41为图 38所示的由任意单层单元组成的可折叠弯管结� ��的示意图；

图 42 为本发明的具有一个刚性自由度的可折叠管状 结构的第九种实施方式， 即由六棱 柱单层组成的可折叠弯管结构处于展开状态的 示意图；

图 43为图 42所示的可折叠弯管结构处于完全折叠状态的� ��意图；

其中：

1- 由四棱柱单层组成的可折叠管状结构， 相邻两层的交线为线对称四边形， 具有一条 对称轴

2- 由四棱柱单层组成的可折：叠管状结构， 相邻两层的交线为中心对称四边形

3- 由六棱柱单层组成的可折叠管状结构， 相邻两层的交线为线对称六边形， 具有一条 对称轴

4- 由六棱柱单层组成的可折：叠管状结构， 相邻两层的交线为中心对称六边形

5- 由八棱柱单层组成的可折叠管状结构， 相邻两层的交线为线对称八边形， 具有一条 对称轴

6-由八棱柱单层组成的可折叠管状结构， 相邻两层的交线为中心对称八边形。

7- 由交线夹角对应相同的单层单元组成的可折叠 弯管

8- 由任意单层单元组成的可折叠弯管

9- 由六棱柱单层组成的可折叠弯管结构实例

11- 结构 i的展开状态 （ i=l， 2， 3， 4， 5， 6， 7， 8， 9)

12- 结构 i的完全折叠状态（ i=l， 2， 3， 4， 5， 6， 7， 8， 9)

i3_组成结构 i的环状结构， 由两个相邻的单层环状单元组成（ i=l， 2， 3， 4， 5， 6， 7) i4-环状结构 i3处于凹折叠状态（ i=l， 3)

15- 处于凹折叠状态时的结构 i的展开状态（ i=l，3)

16- 处于凹折叠状态时的结构 i的折叠状态（ i=l，3)

iX-结构 i中四个平面单元的交点， 代表球面机构的中心， 同时也是环状结构中相邻两 层交线的顶点 (X=A, B， C， D， E， F， G， H)

iXj_结构 i中交于顶点 X的交线 j， 环状结构中相邻两层交线的边线 （ j=l， 2， 3， 4)。 从管状结构的外面看， 四条交线绕顶点 iX按逆时针方向编号。

iXj (j+D - 结构 i中交于顶点 X的交线 j与交线 j+1的夹角

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作以详细 描述。 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� ��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� ��在平 面都垂直于对称轴， 所述的 N为大于 1的整数。

所述的管状结构可以为直管结构， 所述的平面四边形单元为平行四边形。 所述的直管结 构包括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筝形或 凹筝形、 中心对称四边形、 具有一条对称轴的线对称六边形或凹六边形、 中心对称六边形、 线对称八边形或中心对称八边形。

所述的管状结构可以为具有弯曲轴线的弯管结 构。 所述的弯管结构的平面四边形单元全 部为梯形或者部分为梯形。

在本发明结构中， 相邻的平面四边形单元的交线相当于一个转动 副的旋转中心轴， 而且 有且仅有四条交线交于同一个顶点， 相当于一个球面 4R机构， 具有一个刚性自由度。 所述 有且仅有四个平面四边形单元相交于一个顶点 的连接保证了相邻两层环状单元的折展运动 仅具有一个刚性自由度。 进而保证了所组成管状结构具有一个刚性自由 度。 所述的管状结构 在轴向展开和折叠的同时发生径向展开和折叠 。 所述管状结构的完全展开状态在结构中某一 基本组合发生最大展开时达到。 所述管状结构的完全折叠状态在平面四边形单 元与相邻单元 发生面接触时达到。

下面再结合每一附图对本发明加以详细说明：

图 1为本发明的以四棱柱单层组成的具有一个刚� �自由度的可折叠管状结构 1处于展开 状态 11的示意图， 图 2为结构 1处于完全折叠状态 12的示意图。 图 3为组成图 1所示结构 的两个相邻两层环状单元 13的示意图。 图 3中相邻的两个单层环状单元由两个四棱柱共� � 位于同一平面上的交线的方式连接组成， 每一个所述的四棱柱由四个刚性平形四边形单 元组 成。 相邻的两个所述的单层环状单元包括 4个有且仅有四个平面四边形单元相交于一个� �点 形成的球面机构， 顶点分别有 1A， IB, 1C和 1D。 相邻的两个所述的单层环状单元在相交面 形成的多边形为如图 3所示的筝形 1A1B1C1D, 具有一条对称轴， 对称轴如图 4所示与对角线 1A1C重合。

每个四棱柱单层的四条棱线相互平行， 即如图 3所示棱线 1A1、 1B3 、 1C1和 1D3相互 平行。 同时， 除了需满足平行关系之外， 每组首尾棱线需位于同一平面上， 并且此平面必须 垂直于对称轴 1A1C, 例如图 3中两条棱线所在的平面 1A11A3 ( 1A3为其中一层单层的棱线， 在图中未示出）、 1B31BU 1C11C3以及 1D31D1都垂直于对称轴 1A1C。 图中 1A2、 1A4、 1B4、 1B2、 1C2、 1C4、 1D4分别为图 3中两个四棱柱在该视图下可以看到的棱线。

图 5和图 6所示环状结构 14是图 3所示环状结构 13中的顶点 1C在向顶点 1A靠近的运 动过程中的构型， 环状结构 13通过展开到完全展开状态后进入具有凹筝形� ��截面的折叠状 态 14中。 图 7和图 8所示分别为处于凹折叠状态的可折叠管状结� � 1的展开状态 15和完全 折叠状态 16。相较之下， 图 8所示的完全折叠状态 16比图 2所示的完全折叠状态 12进一步 地减少了结构所占用的空间。

图 9所示为由四棱柱单层组成的可折叠管状结构 2的展开状态 21。 图 10、 图 11和图 12 所示分别为结构 2的完全折叠状态 22，组成结构 2的环状结构 23以及环状结构 23的俯视图。 如图 11所示， 环状结构 23同图 3所示环状结构 13—样由两个相邻的四棱柱共用位于同一 平面上的交线的方式连接组成。 所述每个四棱柱的棱线平行， 如图上层四棱柱单层中的棱线 2A1、 2B3、 2C1、 2D3平行； 下层四棱柱单层中的棱线 2A3、 2B1、 2C3、 2D1平行。 每组首尾 相连的棱线同样位于同一平面上。 不同的是两个所述的相邻四棱柱交线为如图 12所示的中 心对称四边形 2A2B2C2D, 其对称中心如图 12所示为对角线 2A2C和 2B2D的交点。

图 13所示为本发明的由六棱柱单层组成的可折叠� ��状结构 3处于展开状态 31。 图 14、 图 15和图 16所示分别为结构 3处于完全折叠状态 32， 组成结构 3的环状结构 33以及环状 结构 33的俯视图。 如图 15所示， 环状结构 33由两个相邻六棱柱相连组成， 交线为线对称 六边形 3A3B3C3D3E3F, 对称轴如图 16所示通过顶点 3A和 3D。 每个六棱柱的六条棱线相互 平行， 即如图 15所示， 棱线 3A1， 3B3 , 3C1 , 3D3 , 3E1和 3F3平行， 同时 3A3， 3B1 , 3C3 , 3D1， 3E3和 3F1平行 （图中未示出序号）。 图 13所示的管状结构 31上每组首尾相连的棱线 位于同一平面上， 并且所在平面垂直于相邻六棱柱交线的对称轴 。

图 17所示为图 15中的环状结构 33处于凹折叠状态 34。 图 18、 图 19和图 20所示分别 为环状结构 34的俯视图， 环状结构 34所组成的管状结构的展开状态 35以及完全折叠状态 36。

图 21所示为本发明的由六棱柱单层组成的可折叠� ��状结构 4的展开状态 41， 图 22、 图

23和图 24所示分别为管状结构 4处于完全折叠状态 42， 组成结构 4的环状结构 43以及环 状结构 43的俯视图。 与结构 3不同的是， 如图 23所示， 组成环状结构 43的相邻六棱柱的 交线为中心对称六边形 4A4B4C4D4E4F,对称中心为如图 24所示的对角线 4A4D， 4B4E和 4C4F 的交点。 环状结构 43中的六棱柱的棱线分别平行， 即 4A1， 4B3 , 4C1 , 4D3 , 4E1和 4F3平 行， 同时 4A3， 4B1 , 4C3 , 4D1 , 4E3和 4F1平行 （图中未示出序号）。 管状结构 41中各顶点 的相连棱线必须位于同一平面上。 结构 4在功能上也同样具有完全展开状态以及凹或� �的折 叠状态。

图 25、 图 26、 图 27和图 28所示分别为本发明的由八棱柱单层组成的可� ��叠管状结构 5 处于展开状态 51， 处于完全折叠状态 52， 组成结构 5的环状结构 53以及环状机构 53的俯 视图。 如图 27所示的相邻八棱柱单元交线为八边形 5A5B5C5D5E5F5G5H, 具有一条对称轴， 通过图 28所示的顶点 5A和 5E。与前述结构相同， 结构 5在功能上也同样具有完全展开状态 以及凹或凸的折叠状态。 每个八棱柱的八条棱线相互平行， 即 5A1、 5B3、 5C1、 5D3、 5E1、 5F3、 5G3、 5H3相互平行。 同前述具有一条对称轴横截面的结构相同， 结构 51每组首尾相连 的棱线位于同一平面， 这些平面都垂直于相邻八棱柱交线的对称轴。 结构 5在功能上也同样 具有完全展开状态以及凹或凸的折叠状态。 图 29、 图 30、 图 31和图 32所示分别为本发明的由八棱柱单层组成的可� ��叠管状结构 6 处于展开状态 61， 处于完全折叠状态 62， 组成结构 6的环状结构 63以及环状结构 63的俯 视图。 结构 6与结构 5—样具有相同的展开折叠功能， 每个单层中棱线的平行条件以及相连 棱线的共面条件。 棱线 6A1、 6B3、 6C1、 6D3、 6E1、 6F3、 6G3、 6H3相互平行。 与结构 5不 同的是， 如图 31和图 32所示， 结构 63中的两个相邻八棱柱单层交线 6A6B6C6D6E6F6G6H为 中心对称， 对称中心为对角线 6A6E， 6B6F, 6C6G以及 6D6H的交点。 结构 6在功能上也同样 具有完全展开状态以及凹或凸的折叠状态。

由四棱柱， 六棱柱以及八棱柱单层组成的可折叠管状结构 可引申出由 2N棱柱单层组成 的可折叠管状结构， 并具有相应的展开折叠功能， 每个单层中棱线的平行条件以及相连棱线 的共面条件。 当相邻 2N棱柱的交线具有一条对称轴时， 每组首尾相连的棱线所在的面同样 需要垂直于此对称轴。

从图 33到图 41通过列举由四棱柱单层组成的弯管结构的具� ��实例介绍可折叠弯管结构 的构建结构。 这些构建弯管的结构同样适用于由六棱柱， 八棱柱以至于 2N棱柱单层组成的 可折叠弯管结构的构建。

图 33和图 34所示分别为由交线夹角对应相同的单层单元� ��成的可折叠弯管结构 7的展 开状态 71和完全折叠状态 72。 73为组成本结构的环状结构。 图 35、 图 36和图 37所示为构 建结构 7的过程， 从上到下依次在前面结构基础之上添加一个单 层。 在弯管结构 7中的单层 单元由 4个平面梯形相连形成环状结构。 结构 7中每一个单层都是在前一单层的基础上构建 的， 并不一定与其他单层相同。 单层构建所遵循的规律如下： 1 ) 所构建单层的交线夹角与 前一单层对应夹角相同， 例如， 图 36中的 7B23=7B12， 7C12=7C23， 7C41=7C34， 7D34=7C41。 因为前一单层中的棱线 7A3 (图中未标注）、 7B1、 7C3和 7D1相互平行，此单层中的棱线 7A1、 7B3、 7C1和 7D3也相互平行。 7B2、 7D4为相邻的两个棱柱相交面上的交线。 2 ) 所构建单层 与前一单层的交线始终是线对称或者中心对称 平面 2N边形， 如图 35中的横截面 7A7B7C7D 为线对称四边形。 3 ) 构建单层时要满足棱线应位于与之相连的前一 单层的棱线的同一平面 中， 当相邻两层的交线为只具有一条对称轴的线对 称 2N边形时， 这些平面都必须垂直于对 称轴。

图 38、 图 39、 图 40和 41所示分别为由任意单层单元组成的可折叠弯� ��结构 8的正视 图， 左视图， 俯视图和结构外观示意图。 和结构 7类似， 结构 8的也是通过单层添加的方式 构建而成， 所构建的结构须满足如下的条件： 1 ) 每个单层单元与前一单层单元的交线为线 对称或中心对称的平面 2N边形， 如图 41所示的线对称的四边形 8A8B8C8D。 2 ) 每个单层单 元中棱线相互平行 3 ) 整个管状结构中每组首尾相连的棱线位于同一 平面上， 当相邻两层单 元的交线 2N边形只具有一条对称轴时， 这些平面都必须垂直于对称轴。 结构 8与 7不同之 处在于， 结构 8中的每一单层中的交线夹角并不与相邻两层� �对应夹角相同， 结构 8也因此 不总能达到相邻平面单元面接触的完全折叠状 态， 通常仅有可折叠范围最小的单层达到完全 折叠或者完全展开的状态。 同弯管结构 7相比， 结构 8的构建约束条件最少， 因而结构 8是 可折叠弯管结构的最普通情况， 结构 8的构建规律也包含了构建本发明中前述所有� �折叠直 管结构的规律。

图 42、 图 43列举了利用前述构建弯管方法设计建立的一� ��弯管结构， 分别为由六棱柱 单层组成的弯管结构 9的展开状态 91和完全折叠状态 92。

同时需要说明： 1 ) 当结构中所有的平面四边形均为平行四边形时 ， 所构建的以 2N棱柱 为单层的管状结构表现为可折展的直管结构， 例如结构 1， 2， 3， 4， 5， 和 6; 2) 当结构中 部分或所有的平面四边形为梯形时， 所构建的以 2N棱柱为单层的管状结构表现为可折展的 弯管结构， 例如结构 7， 8， 和 9。 因而直管结构是弯管结构的特例， 两者均在本发明保护范 围内。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描 述， 该描述没有限制性， 附图中所示的也 只是本发明的实施方式之一， 实际的结构并不局限于此。 所以， 如果本领域的技术人员受其 启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采 用不同材料的平面四边形单元构建本发明结构 ， 或采用其它形式的连接组合方式不经创造性的 设计与该发明结构相似的结构方式及实施例， 均应属于本发明的保护范围。