面向特定结构几何形状的折纸衍生机构拓扑规划方法与设计理论研究

Origami is an ancient art as well a new rising scientific topic. Through diversified folding pattern, variable origami-oriented mechanisms are obtained; it is a leading topic in current research field. By distributing the creases and planning motion sequence, in this project, origami which can transform between compact folding configurations and three dimensional functional shapes is explored. On the basis of that, topology planning method of the origami-oriented mechanism is discussed. The folding patterns can effectively offer new ideas and solutions to the configuration design of supporting framework, especially for the deployable mechanisms of spacecraft..Taking the advantages of theoretical achievements of origami, by utilizing mechanical methods, this project aims to propose the design and analysis method of origami-derived mechanism oriented to specific deployed shape. Analyzing and inducing the geometric, kinematic, and connective feature of the pattern node, and combing with the geometric characteristics of desired shape to propose the configuration synthesis method of origami-derived mechanism. Kinematic model will be built with considering the geometric feature of bar components in order to solve the design of motion sequence. Design parameters will be optimized on the basis of motion demand and structure performance. A prototype of the origami-derived mechanism will be developed; demonstration of the prototype will be performed. The proposed research is of great significance to development of both theory and application.

折纸是一项古老的东方艺术，也是一门新兴的前沿科学。通过其多样化的折叠方式，可获得多样的折纸衍生机构模型，这是当前研究的主流。而本项目则通过折痕分布和折叠序列规划，探索可在紧凑收拢构型与特定三维展开结构几何形状之间变换的折纸模型，进而研究折纸衍生机构的拓扑规划方法，为建筑物支撑骨架，特别是航天器可展机构的构型设计提供新的思路和解决方案。.本项目拟吸纳折纸的理论研究成果，利用机构学分析方法，探索并提出面向特定几何形状的折纸衍生机构的拓扑规划和设计方法。通过分析归纳典型折痕节点单元特性，联接目标形状约束条件，提出折纸衍生机构的构型综合方法。建立包含构件几何信息的运动学模型，完成机构的序列运动设计，联合机构与结构状态的整体性能要求优化设计参数，设计一新型机构原理样机并进行相关性能的演示验证。该研究工作具有重要理论与实际意义。

折纸通过其多样化的折叠方式，可获得多样的折纸衍生机构模型。通过对折纸得折痕分布和折叠序列规划研究，能够获得紧凑收拢构型与特定三维展开结构几何形状之间变换的折纸模型，可为新型航天器展收机构的构型设计提供新的思路和解决方案。.面向空间可展太阳翼支撑机构的实际应用，选择flasher折纸模型和twist折纸模型为研究对象，开展了考虑板厚的刚性折纸设计及分析研究。基于对flasher折痕节点单元的几何约束分析和建模，实现了该折纸模型的参数化设计。借助于旋量理论对flasher折纸衍生的展收机构的自由度进行优化，实现了机构的同步展开，并通过厚板化处理获得了刚性可折的flasher厚板折纸模型。提出并设计了一类以twist折痕为基本单元的刚性可折组合折痕。研究了由菱形twist单元以及梯形twist单元的几何约束，得到由两种单元分别组合形成的折纸模型。建立了具有中心正六边形的twist折纸模型。开展了其刚性可折性判断研究，得到了不同折痕单元组合构成的折纸的刚性可折性，获得了正六边形twist单元刚性可折时需要满足的条件。卫星天线形面广泛选用方向性强、易于信号自动扫描的柱面。针对这一实际需求，开展了面向柱面拟合的折纸衍生展收机构研究。Bennett机构为单顶点4折痕厚板折纸的等价机构，具有杆件少、自由度为1的特点。设计中选择以其为单元进行特定形面的拟合设计。基于对Bennett机构单元的运动学分析，得到了机构单元组合的几何和运动约束。提出了该组合机构能够完全收拢成一束且展开拟合柱面的设计方法。综合考虑展收机构/结构的不同性能需求，进行了空间大尺度展收机构的组装及展开驱动绳和收拢驱动绳的设计。建立了包含杆件和张紧绳的系统刚度模型，分析了机构固定点对变形的影响，进行了设计参数对形面精度的敏感性分析。最后建立了系统优化模型，得到了使得系统变形最小的最优设计参数，并开展了原理样机的展收功能实验。该研究工作对于折纸衍生机构在航天领域的应用和发展具有重要指导意义。