一种菱形十二面体的空间可展耦合机构技术领域
本发明是基于菱形十二面体的对称结构得到的一种具有多自由度的多环耦合可
展机构，涉及机构学应用技术领域，尤其涉及了一种具有可展折叠机构的航天机器人领域。
背景技术
随着机构由简单向复杂、平面向空间、单环向多环的不断发展，机构创新始终是机
器装备创新的关键和研究热点。现有的并联机构具有承载能力强，刚度大，惯性低等优点，
但是工作空间有限；串联机构工作空间大，结构简单灵巧，但是不能进行多种变换，给人们
带来生活乐趣。随着人们对于携带方便和生活多样化的追求，空间耦合机构应运而生。这类
机构兼容了串联机构和并联机构的优点，弥补了两种机构各自明显的缺陷，有其特定的应
用场合，具有巨大的应用价值和理论研究价值。结构组成复杂但外观新颖的耦合机构，其定
平台和动平台之间的连接支链相互耦合，彼此之间并不独立，通常以多个相同的环结构连
接成网状耦合机构的形式呈现，使得该类机构具备了结构功能及外观的双重优点，符合机
构的发展趋势。
发明内容
基于以上背景，本发明提供了一种基于菱形十二面体的对称结构得到的一种具有
多自由度的多环耦合机构。该机构具有工作空间大、结构灵巧、可展开折叠的多样化特点，
为国内企业及研究机构提供专利信息和技术支持。
为实现上述目的，本发明基于菱形十二面体结构组成框架的特点，采用一种对称
耦合机构的技术方案。根据组成多面体几何要素的特点，一个菱形十二面体包含二十四条
棱、十四个顶点，十四个顶点中，有八个为三个钝角组成的公共顶点，有六个为四个角组成
的公共顶点；二十四条棱中，每条棱的两端分别连接十四个顶点中的不同种类顶点，十二面
体为十二个完全相同菱形围成，每个菱形的对角线之比为
将由三个钝角组成的公共顶点和由四个锐角组成的公共顶点，分别看作一类几何
要素。由三个钝角组成的顶点分别表示为A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8，由四个锐角组成的顶
点分别表示为B1、B2、B3、B4、B5、B6。由三个钝角组成的八个顶点以正三角形构件作为节点
构件，由四个锐角组成的六个顶点以菱形构件作为节点构件。用二十四个两杆三转动副杆
组代替菱形十二面体的二十四条棱边，两杆三转动副杆组简称为杆组；根据菱形十二边形
所有棱边和顶点的几何结构特点，用二十四个杆组连接十四个节点构件得到耦合机构。每
个杆组由两个二副杆串联得到，所述二副杆均为结构相同的同一类连接杆件，每个二副杆
包含的两个连接运动副为转动副，并且这两个转动副轴线相平行，与二副杆本身垂直。
选择正三角形构件为动平台和定平台，用D1代表定平台，M1代表动平台，则该机构
包括定平台、动平台以及连接定平台与动平台的三个分支和三个耦合支链单元，每一个耦
合支链单元包含四个杆组和一个等边三角形节点构件，三个分支包括第一分支、第二分支、
第三分支，三个耦合支链单元包括第一耦合支链单元、第二耦合支链单元、第三耦合支链单
元。每个耦合支链单元与其中两个相邻分支连接，三个分支和三个耦合支链单元间隔连接
形成网状耦合结构。将除去动平台和定平台外的六个等边三角形构件和六个菱形构件均定
义为节点构件，与动平台直接连接的三个节点构件对应各自所在的分支，分别为动平台的
第一节点构件L1、动平台的第二节点构件L2、动平台的第三节点构件L3，与定平台直接连接
的三个节点构件对应各自所在的分支，分别为定平台的第一节点构件L4、定平台的第二节
点构件L5、定平台的第三节点构件L6。
第一分支包括动平台的第一杆组G11、动平台的第一节点构件L1、第一分支的第二
杆组G12、三角形的第六节点构件S6、第一分支的第三杆组G13、定平台第一节点构件L4、第
一分支的第四杆组G14；其中第一分支的第一杆组G11与第一分支的第二杆组G12通过动平
台的第一节点构件L1用转动副连接，第一分支的第二杆组G12与第一分支的第三杆组G13通
过三角形的第六节点构件S6用转动副连接，第一分支的第三杆组G13与第一分支的第四杆
组G14通过定平台的第一节点构件L4用转动副连接，第一分支的第四杆组G14与定平台通过
转动副连接，第一分支表示为简单串联运动链-G11-L1-G12-S6-G13-L4-G14-。
第二分支包括动平台的第二杆组G21、动平台的第二节点构件L2、第二分支的第二
杆组G22、三角形的第二节点构件S2、第二分支的第三杆组G23、定平台的第二节点构件L5、
第二分支的第四杆组G24；动平台的第二杆组G21与第二分支的第二杆组G22通过动平台的
第二节点构件L2用转动副连接，第二分支的第二杆组G22与第二分支的第三杆组G23通过三
角形的第二节点构件S2用转动副连接，第二分支的第三杆组G23与第二分支的第四杆组G24
通过定平台的第二节点构件L5用转动副连接，第二分支的第四杆组G24与定平台通过转动
副连接，第二分支表示为简单串联运动链-G21-L2-G22-S2-G23-L5-G24-。
第三分支包括动平台的第三杆组G31、动平台的第三节点构件L3、第三分支的第二
杆组G32、三角形的第四节点构件S4、第三分支的第三杆组G33、定平台的第三节点构件L6、
第三分支的第四杆组G34；动平台的第三杆组G31与第三分支的第二杆组G32通过定平台的
第三节点构件L6用转动副连接，第三分支的第二杆组G32与第三分支的第三杆组G33通过三
角形的第四节点构件S4用转动副连接，第三分支的第三杆组G33与第三分支的第四杆组G34
通过定平台的第三节点构件L6用转动副连接，第三分支的第四杆组G34与定平台通过转动
副连接，第三分支表示为简单串联运动链-G31-L3-G32-S4-G33-L6-G34-。
第一分支通过动平台的第一转动副R11连接到动平台，第一分支通过定平台的第
一转动副R12连接到定平台。第二分支通过动平台的第二转动副R21连接到动平台，通过定
平台的第二转动副R22连接到定平台。第三分支通过动平台的第三转动副R31连接到动平
台，通过定平台的第三转动副R32连接到定平台。另外，第一分支和第二分支通过第一耦合
支链单元耦合连接，第二分支和第三分支之间通过第二耦合支链单元耦合连接，第三分支
和第一分支之间通过第三耦合支链单元耦合连接，第一耦合支链单元包含两条耦合支链分
别为-G64-L4-G63-S1-G61-和-G64-L4-G63-S1-G62-。
第一耦合支链单元的第一杆组G61通过动平台的第一节点构件L1和第一分支用转
动副连接，第一耦合支链单元的第二杆组G62通过动平台的第二节点构件L2和第二分支连
接，第一耦合支链单元的第三杆组G63通过定平台的第一节点构件L4和第二分支连接，第一
耦合支链单元的第一杆组G61、第一耦合支链单元的第二杆组G62和第一耦合支链单元的第
三杆组G63通过三角形的第一节点构件S1分别用转动副连接。第二耦合支链单元包含两条
耦合支链分别为-G54-L5-G53-S3-G51-和-G54-L5-G53-S3-G52-，第二耦合支链单元的第二
杆组G52通过动平台的第二节点构件L2和第二分支用转动副连接，第二耦合支链单元的第
一杆组G51通过动平台的第三节点构件L3和第三分支连接，第二耦合支链单元的第四杆组
G54分别通过三角形的第四节点构件S4用转动副第三分支连接，第二耦合支链单元的第一
杆组G51、第二耦合支链单元的第二杆组G52和第二耦合支链单元的第三杆组G53通过三角
形的第三节点构件S3分别用转动副连接。第三耦合支链单元包含两条耦合支链分别为-
G44-L4-G43-S5-G41-和-G44-L4-G43-S5-G41-。第三耦合支链单元的第一杆组G41通过动平
台的第三节点构件L3和第三分支用转动副连接，第三耦合支链单元的第二杆组G42通过动
平台的第一节点构件L1和第一分支连接，第三耦合支链单元的第四杆组G44通过三角形的
第六节点构件S6用转动副和第一分支连接，第三耦合支链单元的第一杆组G41、第三耦合支
链单元的第二杆组G42和第三耦合支链单元的第三杆组G43通过三角形的第五节点构件S5
分别用转动副连接。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、该机构各分支结构组成相同且对称分布，仅有两种形式的节点构件和杆组装配
得到，并且整个机构是基于菱十二面体空间结构设计得到的对称耦合机构；
2、与实现同样运动性质的机构相比，其内部结构呈多环网状结构，兼备串并联机
构的优点，具灵活度大以及工作空间大等特点，适用于制作魔方等类玩具的制作；
3、该机构特定的驱动条件下，与定平台直接连接的节点构件和与动平台直接连接
的节点构件分别交替的实现指向机构几何中心的伸展和收缩运动，属于一种多面体可展耦
合机构，根据工作条件及环境需求伸展收拢，便于运输，能更好的适应特殊场合，有良好的
应用前景。
附图说明
图1为菱十二面体空间结构示意图。
图中：菱十二面体是由十二个完全相同的菱形围成的空间实体，一个菱十二面体
包含十四个顶点和二十四条棱边。其中十四个顶点分别为A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、和
B1、B2、B3、B4、B5、B6。
图2为基于空间菱十二面体结构设计的对称可展耦合机构的示意图。
图中：M1、动平台 D1、定平台 G11、动平台的第一杆组G21、动平台的第二杆组
G31、动平台的第三杆组 G12、第一分支的第二杆组 G13、第一分支的第三杆组 G14、第一分
支的第四杆组 G22、第二分支的第二杆组 G23、第二分支的第三杆组 G24、第二分支的第四
杆组 G32、第三分的支第二杆组G33、第三分支的第三杆组 G34、第三分支的第四杆组 L1、
动平台的第一节点构件 L2、动平台的第二节点构件 L3、动平台的第三节点构件 L4、定平
台的第一耦合节点 L5、定平台的第二耦合节点
L4、定平台的第三耦合节点 S1、三角形的第一节点构件 S2、三角形的第二节点构
件 S3、三角形的第三节点构件 S4、三角形的第四节点构件 S5、三角形的第五节点构件
S6、三角形的第六节点构件 G61、第一耦合支链单元的第一杆组 G62、第一耦合支链单元的
第二杆组 G63、第一耦合支链单元的第三杆组 G64、第一耦合支链单元的第四杆组 G51、第
二耦合支链单元的第一杆组 G52、第二耦合支链单元的第二杆组G53、第二耦合支链单元的
第三杆组 G54、第二耦合支链单元的第四杆组 G41、第三耦合支链单元的第一杆组 G42、第
三耦合支链单元的第二杆组 G43、第三耦合支链单元的第三杆组 G44、第三耦合支链单元
的第四杆组 R11、动平台的第一转动副 R21、动平台的第二转动副 R31、动平台的第三转动
副 R12、定平台的第一转动副 R22、定平台的第二转动副 R32、定平台的第三转动副
具体实施方式
如图1-2所示，第一分支包括动平台的第一杆组G11、动平台的第一节点构件L1、第
一分支的第二杆组G12、三角形的第六节点构件S6、第一分支的第三杆组G13、定平台第一节
点构件L4、第一分支的第四杆组G14；其中第一分支的第一杆组G11与第一分支的第二杆组
G12通过动平台的第一节点构件L1用转动副连接，第一分支的第二杆组G12与第一分支的第
三杆组G13通过三角形的第六节点构件S6用转动副连接，第一分支的第三杆组G13与第一分
支的第四杆组G14通过定平台的第一节点构件L4用转动副连接，第一分支的第四杆组G14与
定平台通过转动副连接，第一分支表示为简单串联运动链-G11-L1-G12-S6-G13-L4-G14-。
第二分支包括动平台的第二杆组G21、动平台的第二节点构件L2、第二分支的第二
杆组G22、三角形的第二节点构件S2、第二分支的第三杆组G23、定平台的第二节点构件L5、
第二分支的第四杆组G24；动平台的第二杆组G21与第二分支的第二杆组G22通过动平台的
第二节点构件L2用转动副连接，第二分支的第二杆组G22与第二分支的第三杆组G23通过三
角形的第二节点构件S2用转动副连接，第二分支的第三杆组G23与第二分支的第四杆组G24
通过定平台的第二节点构件L5用转动副连接，第二分支的第四杆组G24与定平台通过转动
副连接，第二分支表示为简单串联运动链-G21-L2-G22-S2-G23-L5-G24-。
第三分支包括动平台的第三杆组G31、动平台的第三节点构件L3、第三分支的第二
杆组G32、三角形的第四节点构件S4、第三分支的第三杆组G33、定平台的第三节点构件L6、
第三分支的第四杆组G34；动平台的第三杆组G31与第三分支的第二杆组G32通过定平台的
第三节点构件L6用转动副连接，第三分支的第二杆组G32与第三分支的第三杆组G33通过三
角形的第四节点构件S4用转动副连接，第三分支的第三杆组G33与第三分支的第四杆组G34
通过定平台的第三节点构件L6用转动副连接，第三分支的第四杆组G34与定平台通过转动
副连接，第三分支表示为简单串联运动链-G31-L3-G32-S4-G33-L6-G34-。
第一分支通过动平台的第一转动副R11连接到动平台，第一分支通过定平台的第
一转动副R12连接到定平台。第二分支通过动平台的第二转动副R21连接到动平台，通过定
平台的第二转动副R22连接到定平台。第三分支通过动平台的第三转动副R31连接到动平
台，通过定平台的第三转动副R32连接到定平台。另外，第一分支和第二分支通过第一耦合
支链单元耦合连接，第二分支和第三分支之间通过第二耦合支链单元耦合连接，第三分支
和第一分支之间通过第三耦合支链单元耦合连接，第一耦合支链单元包含两条耦合支链分
别为-G64-L4-G63-S1-G61-和-G64-L4-G63-S1-G62-。
第一耦合支链单元的第一杆组G61通过动平台的第一节点构件L1和第一分支用转
动副连接，第一耦合支链单元的第二杆组G62通过动平台的第二节点构件L2和第二分支连
接，第一耦合支链单元的第三杆组G63通过定平台的第一节点构件L4和第二分支连接，第一
耦合支链单元的第一杆组G61、第一耦合支链单元的第二杆组G62和第一耦合支链单元的第
三杆组G63通过三角形的第一节点构件S1分别用转动副连接。第二耦合支链单元包含两条
耦合支链分别为-G54-L5-G53-S3-G51-和-G54-L5-G53-S3-G52-，第二耦合支链单元的第二
杆组G52通过动平台的第二节点构件L2和第二分支用转动副连接，第二耦合支链单元的第
一杆组G51通过动平台的第三节点构件L3和第三分支连接，第二耦合支链单元的第四杆组
G54分别通过三角形的第四节点构件S4用转动副第三分支连接，第二耦合支链单元的第一
杆组G51、第二耦合支链单元的第二杆组G52和第二耦合支链单元的第三杆组G53通过三角
形的第三节点构件S3分别用转动副连接。第三耦合支链单元包含两条耦合支链分别为-
G44-L4-G43-S5-G41-和-G44-L4-G43-S5-G41-。第三耦合支链单元的第一杆组G41通过动平
台的第三节点构件L3和第三分支用转动副连接，第三耦合支链单元的第二杆组G42通过动
平台的第一节点构件L1和第一分支连接，第三耦合支链单元的第四杆组G44通过三角形的
第六节点构件S6用转动副和第一分支连接，第三耦合支链单元的第一杆组G41、第三耦合支
链单元的第二杆组G42和第三耦合支链单元的第三杆组G43通过三角形的第五节点构件S5
分别用转动副连接。