基于变胞原理的多构态折纸立方体设计与研究

doi:10.3901/JME.260408

机械工程学报 ›› 2026, Vol. 62 ›› Issue (9): 75-87.doi: 10.3901/JME.260408

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基于变胞原理的多构态折纸立方体设计与研究

金路¹, 裴俊洁¹, 田大可², 刘荣强³, 钟林森¹

1. 沈阳建筑大学土木工程学院沈阳 110168;
2. 沈阳建筑大学机械工程学院沈阳 110168;
3. 哈尔滨工业大学宇航空间机构全国重点实验室哈尔滨 150001

收稿日期:2025-10-08 修回日期:2026-01-14 发布日期:2026-07-08
作者简介:金路，女，1982年出生，教授。主要研究方向为宇航空间折展机构、折纸机构、大型航天器在轨感知、高层与轻型钢结构。E-mail：jinlu@sjzu.edu.cn;裴俊洁，男，2000年出生，硕士研究生。主要研究方向为折纸机构、厚板折纸。E-mail：peijunjie@stu.sjzu.edu.cn;田大可(通信作者)，男，1981年出生，教授。主要研究方向为宇航空间折展机构、变胞折纸机构、空天变体飞行器、空间抓捕机械手。E-mail：tiandake@sjzu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金联合基金(U2341237)、东北大学航空动力装备振动及控制教育部重点实验室研究基金(VCAME202207)、宇航空间机构全国重点实验室开放课题和辽宁省教育厅基本科研(LJ222410153096,JYTMS20231592)资助项目。

Design and Research of Multi-state Origami Cube Based on Metamorphic Principle

JIN Lu¹, PEI Junjie¹, TIAN Dake², LIU Rongqiang³, ZHONG Linsen¹

1. School of Civil Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168;
2. School of Mechanical Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168;
3. National Key Laboratory of Aerospace Machanism, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001

Received:2025-10-08 Revised:2026-01-14 Published:2026-07-08

摘要/Abstract

摘要： 折纸立方体是一种利用折痕和剪痕设计的能够实现折叠与展开功能的空间封闭多面体结构。因其具有互换性好、模块化率高、拓展灵活等优点，在空间在轨组装、可重构机器人、应急救援装备等航天及民用领域具有重要的应用价值。针对有限的装载及运输空间、多任务及多工况的应用需求，基于变胞原理提出一种可实现二维与三维互逆、大平面-立体盒-小平面变换的多构态折纸立方体结构及设计方法。首先，根据变胞原理，通过构件的合并与分离改变机构的拓扑结构，使立体盒具有大平面展开和小平面折叠两个运动阶段；其次，基于图论理论分析单环机构之间的连接关系，采用D-H法和矢量法建立机构的运动学模型；再次，采用顶点分裂法将六折痕分裂为两个五折痕的组合形式，进而减少机构运动的自由度，以优化运动过程；最后，结合偏置面板法和轴移法设计厚板变胞折纸立方体，建立参数化厚板模型。研究结果表明：厚板变胞折纸立方体具有两个单自由度运动阶段，并且在立方体状态下，机构出现了自锁特性。该研究可为折纸工程学的基础研究和应用研究提供一定的借鉴和参考。

关键词: 变胞机构, 刚性折纸, 多构态变换, 立方体, 机构运动学

Abstract: Origami cubes are spatially enclosed polyhedral structures designed with creases and slits to achieve functions of folding and deployment. The advantages of good interchangeability, high modularity, and flexible scalability render the cubes valuable in aerospace and civil applications such as on-orbit assembly, reconfigurable robotics, and emergency rescue equipment. To address the needs for limited transportation space, multi-task and multi-condition applications, a multi-state origami cube structure and design method that can reverse between two and three dimensions and transform between large plane, box, and small plane are proposed based on the metamorphic principle. Firstly, according to the metamorphic principle, the topological structure of the mechanism is changed by merging and separating components, enabling the box to have two motion stages: large plane deployment and small plane folding. Secondly, based on graph theory, the connections between single-loop mechanisms are analyzed, and the kinematic model of the mechanism is established using the D-H method and vector method. Thirdly, the vertex-splitting method is used to split the six-crease into a combination of two five-creases, thereby reducing the DOF of the mechanism's motion to optimize the motion process. Finally, the thick-panel metamorphic origami cube is designed by combining the offset panel method and the axis shifting method, and a parameterized thick-panel model is established. The research results show that the thick-panel metamorphic origami cube has two single-DOF motion stages, and the mechanism exhibits self-locking characteristics in the cube state. This study can provide reference and guidance for the basic and applied research of origami engineering.

Key words: metamorphic mechanism, rigid origami, multi-state transformation, cube, mechanism kinematics

中图分类号:

TH112

金路, 裴俊洁, 田大可, 刘荣强, 钟林森. 基于变胞原理的多构态折纸立方体设计与研究[J]. 机械工程学报, 2026, 62(9): 75-87.

JIN Lu, PEI Junjie, TIAN Dake, LIU Rongqiang, ZHONG Linsen. Design and Research of Multi-state Origami Cube Based on Metamorphic Principle[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2026, 62(9): 75-87.

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Design and Research of Multi-state Origami Cube Based on Metamorphic Principle

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