CN108136585A - 从平面基板的机器人机构和系统的设计和制造 - Google Patents

从平面基板的机器人机构和系统的设计和制造 Download PDF

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Abstract

一种机器人配置,使用低成本、相对轻重量的梁和连杆的系统，该梁和连杆通过一系列切口和折叠由平面材料制造。该梁沿折线被折叠以从二维基板形成三维结构，该二维基板诸如聚酯或其它半刚性片材。被切割到平面材料中的突出部和附件、或键接合被切割到相邻的构件中的槽或孔口以限定连杆。该连杆包括以单向方式可插入的突出部使得移除被防止，但平面片材的弹性和柔性性质允许关节和旋转运动。梁和连杆的布置基于被施加在单个平面片材上的图案被切割且形成。该梁和连杆布置限定机器人配置，该机器人配置根据诸如马达的致动源用于运输和其它行动。

Description

从平面基板的机器人机构和系统的设计和制造
相关申请
本专利申请根据35 U.S.C.§119(e)要求2015年4月10日提交的题为“PLANARMATERIAL BASED DESIGN AND FABRICATION OF FOLDABLE ROBOTS,MECHANISMS,ANDDEVICES”的美国临时专利申请No.62/145679的权益，该美国临时专利申请通过引用整体并入。
背景技术
机器人单元的制造和组装典型地与精密制造和耐用材料的机加工关联，需要大量的时间和工程工作来设计、组装和部署每一个机器人单元。执行诸如组装、材料搬运和机器人走动的机器人功能的活动的构件经常由高强度钢、铝或钛的原材料形成。机器人构件的焊接和螺栓连接是常见的组装媒介，并且驱动机构包括齿轮、轴和/或基于液压的致动机构。
机器人元件、特征和部件的开发经常需要元件的制造和模制，和与机械硬件的集成以实现移动的接头。用来生产机器人特征的技术经常涉及昂贵的且费时的模制、切割和组装技术以在实现任何机器人特征之前建立物理结构。此外，设计的任何改变倾向于具有连锁效应，这是由于附接到改变的部件或与改变的部件相互作用的互补的部件通常也需要改变。
发明内容
一种机器人配置，使用低成本、相对轻重量的梁和连杆的系统，该梁和连杆通过一系列切口和折叠由平面材料制造。该梁沿折线被折叠以从二维基板形成三维结构，该二维基板诸如聚酯或其它半刚性片材。被切割到平面材料中的突出部和附件、或键接合被切割到相邻的构件中的槽或孔口以限定连杆。该连杆包括突出部，该突出部通过折叠的布置以单向方式可插入，使得移除被防止，但平面片材的弹性和柔性性质允许关节和旋转运动。梁和连杆的布置基于被施加在单个平面片材上的图案被切割且形成。该梁和连杆布置限定机器人配置，该机器人配置根据诸如马达的致动源通过驱动互连的梁中的一个或更多个梁用于运输和其它行动。
这里的配置部分地基于以下观察：用来部署自主的可移动的机器人单元的机器人配置使用协作的构件的系统来运输机器人单元，诸如枢转地连接的细长构件的组件，该枢转地连接的细长构件仿效“腿”以便交替地接触地面以便向前布置机器人单元。不幸的是，机器人构件设计和制造的常规方法使用精密机加工来精确控制机器人构件，因此需要相当大的每单元成本和设计工作来产生机器人配置。因此，这里的配置通过提供平面材料制造和设计方法基本上克服上述缺点，该平面材料制造和设计方法使用以平面或片状物品形式的轻重量材料，使用大量折叠和切口来形成且连接诸如梁和连杆的功能单元，允许梁构件的枢转、旋转和关节运动。大量独立的机器人配置可以被快速地开发且以相对低成本被部署。特别的配置对使用所谓的“一大群”机器人单元(机器人)来完成定向任务的任务起反应。
附图说明
根据如附图中示出的在这里公开的特别实施例的以下描述，前述和其它特征将是显然的，其中贯穿不同的视图，相同的附图标记指的是相同的部分。该附图不一定是按比例的，而是强调示出本发明的原理。
图la是由基于平面材料的结构部件形成的机器人配置的透视图；
图lb是图1a的梁和连杆的三维运动模型；
图lc是限定图1b的模型中的运动的线段和弧段的示意图；
图2是限定用于图1a的机器人配置的切口和折叠(折痕)的图案的图；
图3a-图3e示出各种类型的连杆；
图4是限定图1a的机器人配置的图案的设计的流程图；
图5a-图5c示出具有三角形基部平台的机器人配置的替代配置；
图6示出限定图5a-图5c的机器人配置的图案的图；
图7是在细长框架中包括两个马达的无人机配置；并且
图8是包括矩形布置的四个马达的无人机配置。
具体实施方式
在下面的例子中，从平面基板的结构构件的制造用于构造机器人配置。对于这里公开的制造方法，可以设想其它应用和用途。具有位于侧面的3腿组件的矩形机器人平台以第一配置被示出。第二配置描绘三角形基部，在等边三角形的每一边上具有双腿机构。在每一种配置中，公开的制造机器人构件和作为结果的设备的方法包括在平面材料上产生图案使得该图案包括平面材料上的折痕和切口以便限定可用于机器人运动的功能单元。
平面材料可以包括片状物品的任何合适组成，该片状物品诸如具有充分的强度以支撑用于走动运动的机器人配置，还足够弹性以允许连杆(在下面被另外讨论)的挠曲位移的聚酯片材或PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)。冲模或切割工艺沿产生的切口切割平面材料。折痕或折叠可以由周期性的切割间隔(诸如交替的切口)和沿折线的实心部分限定。平面材料沿产生的折痕折叠，并且互连的功能构件基于切割的且折叠的平面材料形成。功能单元通常是梁或用来互连该梁的连杆(在下面被另外讨论)。
在下面的例子中，设计和制造方法和设备从二维(2D)的折叠的平面材料形成三维(3D)刚性和半刚性的连接的结构。设计机械系统的方法包括确定运动结构，该运动结构限定子部分并限定子部分之间的关系，其中该关系标识连接和运动，并且对于每一个子部分，标识限定该子部分的至少一个基本结构。基本结构包括刚性构件、挠曲接头和连接器，诸如三角梁、挠曲转动接头、和键-槽紧固件。功能机器人是由该基本结构的一个或更多个形成的单元。该方法计算折痕图案以便形成对应于该子部分的功能单元，使得该折痕图案可应用于形成该子部分的基本结构。折痕图案被施加在诸如低成本聚酯片材的平面材料上，但可以扩展到更坚固的材料(诸如碳纤维和金属片材)。
机电一体化和机器人发展需要新的设计和制造技术以便机械系统解决关于组装工艺、速度和传统方法的成本的公开的难题。电子行业的发展和部件的减小的尺寸提供在统一的组装工艺中组合机械和电子子系统的可能性。虽然逐层3D打印可以制造高度复杂的部件和组件，但制造和组装工艺是费时的且昂贵的。作为潜在的方案，折纸启发的可折叠结构使用平面制造和后续的折叠技术由薄片的原材料制造。该工艺包括切割折痕图案和基于给定的设计图折叠该结构。通过片材切割折痕图案(例如，可以通过激光切割机被执行)是快速的且廉价的工艺。
更详细地，在公开的方法中，标识基本结构还可以包括查询基本结构的数据库以便标识对应于该基本结构的折痕图案，并且如果没有发现，则定义对应于基本结构的折痕图案，使得该基本结构对根据用来形成子部分的折痕图案的折叠起反应。因此，基本结构或模块的数据库可以被开发用来积累普通建造块的可用的库以便促进快速开发。
开发可以包括确定是否多个基本结构对应于该子部分，和计算用来形成多个基本结构的折痕图案的最小数量，以便从同一材料块产生许多基本结构。
用于机器人或其它结构的完整的机械系统的实现以迭代工艺被执行，该迭代工艺包括：对于来自运动结构的限定的折痕图案的每一个，将折痕图案施加到对折叠起反应的平面材料；和根据为运动结构中的子部分的每一个限定的折痕图案形成功能单元的每一个，典型地包括从共同的一块材料切割多个基本结构。该子部分的连接实现确定的运动结构的产生。
图la是由基于平面材料的结构部件形成的机器人配置10的透视图。图lb是图1a的梁和连杆的三维模型，并且图1c是限定图1b的模型的线段和弧段的示意图。参考图la、lb和lc，腿组件112-1、112-2(总体上为112)位于平台100的侧面。每一个腿组件112具有通过连杆附接的多个梁。梁和连杆的任何合适的布置可以用于限定可用于走动或其它操作的机器人构件的系统。在图1a-1c的配置中，每一个组件包括梁120-1..120-5(总体上为120)。连接器梁120-1基本上纵向地延伸平台100的长度。前腿120-3在顶部枢转地连接到连接器梁120-1的前端部122，并且在中间部分126枢转地连接到平台100，底端部也用作腿。后腿梁120-2在顶部枢转地附接到连接器梁120-1的向后端部121，并且在中间部分125枢转地附接到平台的向前侧。底端部用作腿，该腿与其它腿一起与行走表面同步接触。横向梁120-4将梁120-1和120-3的枢转连杆124连接到旋转驱动梁120-5，并且也延伸到远端部129以形成中间腿。驱动马达140旋转驱动梁120-5以便摆动限定前腿、中间腿和后腿的梁120-2、120-3和120-4以便平台100的走动运动。驱动梁可以具有更坚固的形式以提供充足的旋转力，这涉及通过横向梁120-4中的孔口的旋转销连接。以这种方式，互连的功能构件限定一组机器人构件，该一组机器人构件可用于由机器人构件的循环铰接造成的可动性以从每一个腿组件112沿基本上水平的表面产生行走类型的运动。
在图案产生时，产生的图案被施加到平面材料的连续片材以便形成互连的功能构件。功能构件包括梁和连杆，使得梁的刚性大于展开的平面材料并且连杆以关节或旋转布置固定多个梁。示例布置包括通过沿产生的折痕折叠而形成梁以限定具有三角形横截面的细长构件。可以预期，三角形横截面提供作为结果的梁的最佳的强度重量比，虽然可以使用其它多边形横截面(例如，正方形或矩形)。折叠的聚酯片材的三角形横截面典型地具有比钢梁大的强度重量比，主要是由于该材料的轻重量性质。制造成本也大大减小。
图2是限定用于图1a的机器人配置的切口和折叠(折痕)的图案的图。参考图la-2，平面片材1000将折痕表示为虚线且将切口表示为实线以便限定梁120和连杆。突出部200接合槽202以便建立连接以限定梁120和连杆。主体图案1100限定平台100，并且包括侧体支撑件1110，该侧体支撑件通过沿侧部侧向延伸而帮助支撑马达外壳140。前腿切块1120-3限定前腿120-3，并且在枢转点1124与中间腿切块1120-4和连接器梁切块1120-1共享连续性。连接器梁切块1120-1在枢转点1121与后腿切块1120-2连接。前腿突出部1126附接到平台1100并且限定中间部分126，并且后腿突出部1125在中间部分125枢转地附接后腿1120-2。
图3a-图3e示出各种类型的连杆。参考图3a-图3e，图3a示出用于梁120的图案。折线150限定用来形成三角形梁的折叠图案。可以使用任何合适的多边形形状，然而，三角形图案典型地是最高效的。槽152限定用来接合突出部156或键的切块。该连杆包括连接梁上的平面附件和被连接梁上的对应的孔口，其中该平面附件在插入到孔口中之后具有扩展尺寸。插入的附件提供被连接梁之间的弹性连通，使得平面附件的扩展尺寸阻止从该孔口移除。
突出部154具有分离地铰接的翼156，该翼在突出部附近折叠以便减小突出部154的尺寸以便插入到槽152中，并且在插入之后展开到大于槽的尺寸以便维持插入并且提供“单向”插入能力。图3b示出在翼156展开时具有扩展的突出部154的组装的(折叠的)梁120。铰接的(折叠的)翼156足够小以便插入对应的槽，并且在展开时变成固定的以阻止移除，这是由于展开的形状不与插入槽对齐。该连杆因此包括可折叠的附件，其中该可折叠的附件具有折叠状态和展开状态，使得折叠状态具有小于该孔口的尺寸以便插入该孔口，并且展开状态具有大于该孔口或与该孔口不对齐的尺寸以便在插入之后保持。虽然翼的展开状态不需要与突出部直线地对齐，但连杆由在其相对侧上具有折叠突出部的基本上矩形的突起限定，使得折叠突出部在展开状态中延伸超过该孔口的长度。通常充分的是，该翼相对于该槽以一定角度扩展使得移除被阻止。
在示例配置中，达到180°的铰接接头由连杆实现，该连杆由梁中的三角形横截面限定(当该横截面沿连杆的多个侧部被分离时)，使得单个剩余的柔性平面部分限定铰接附接。
图3b示出梁120中的铰接连杆。延伸通过梁的除了一个平面侧外的所有平面侧(在三角形梁的情况中，3侧中的2侧)的切口离开枢转铰链160，这是由于该梁具有在该铰链处保持附接的铰接部分120'和120"。
图3d示出使用突出部154的转动接头，该突出部从梁120-10面162的齐平或内部部分而不是如图3a-b中的边缘被切割。连接的梁120-11中的槽202接合突出部154以便在限定突出部154的可变形弹性的平面材料内提供枢转连杆。
图3e示出类似于多面连杆的插入锁，该插入锁具有多个突出部154，该多个突出部通过接合梁120中的相应的槽202插入梁120的每一个面162。在这个功能单元中，连杆由多边形孔口限定，该多边形孔口具有突出部，该突出部由多边形的边限定并且适合于接合该梁，使得该梁在共同横截面具有适合于插入突出部的细长孔口。
基于机器人配置的总结构的复杂性，从统一的折痕图案构造它可能是不可行的。在同样的情况下，可能希望从多组子单元制造该结构。这种理由可能基于存储和制造工艺的空间和复杂性要求。图4是限定图1a的机器人配置的图案的设计的流程图。参考图4，设计工艺从该系统的结构和运动分析(如在步骤400描绘的)开始。在这个阶段中，设计工艺省略与折叠技术关联的约束条件以便定案最初构思。该工艺之后是将该结构分解成功能子部分，诸如：独立地致动的机构、支撑结构、马达外壳和连杆，如在步骤401示出的。下一步骤是为该子部分的每一个设计(或再用已有的)折痕图案，如在步骤402描绘的。如上面讨论的，用于每一个子部分的折痕图案限定功能单元并且可以由基本机构和其它功能单元(诸如梁和连杆)的组合构造。
在这个阶段，基于与折叠技术相关的约束条件评估该设计的可行性，如在步骤403描绘的。如果使用折叠技术构造功能单元不是可取的或高效的，则总设计应当被再考虑，或者特别的单元需要通过替代工艺被制造并且作为离散的部件被组装(通过返回到步骤400)。在设计所有的功能单元之后，在步骤404检查以评估将分离的折痕图案组合到统一的图案中(如在步骤406示出的)。替代地，在该步骤的检查可能推断希望从离散的折痕图案制造该组件，下一步骤将是使用键-槽紧固件和插入设计功能单元之间的对应连接和接头(如在步骤405描绘的)。
图5a-5c示出具有三角形基部平台的机器人配置的替代配置。三角形基部平台500在三个侧部的每一个上具有腿组件。每一个腿组件具有两个腿，与图1a-1c的矩形基部100的每个腿组件3个腿形成对比。如图3a-3e中的包括梁120和连杆的功能单元的布置以走动方式展开该腿。参考图5a-5c，框架梁120-20限定或附接到三角形基部500。铰链梁120-27和120-28垂直地附接到框架梁120-20。横向梁120-21和120-22将铰链梁120-27和120-28连接到腿枢转梁120-25和120-26。腿梁120-23和120-24在中间部分连接到腿枢转梁120-25和120-26，并且在铰接接头510处连接到驱动马达140的驱动臂512。腿梁120-23和120-24的下端部限定用来走过表面的腿。驱动构件512可以是梁120，或者可以是更适合于来自马达140的驱动力的实心构件，并且通过驱动销和孔口连接到铰接接头510以便给予旋转运动。
图6示出限定图5a-5c的机器人配置的图案的图。参考图5a-6，框架梁120-20包括马达组件140。铰链梁120-27、120-28接合框架梁120-20中的插入锁切块627和628。类似地，腿梁120-23、120-24具有插入锁切块625和626，以便接合腿枢转梁120-25和120-26。铰接接头510连接腿梁120-23、120-24。
图7是在细长框架中包括两个马达的无人机配置。参考图7，机器人配置的轻重量特征适合于无人机的空中操作。多个平行梁120-70由横向垂直梁120-72稳定以便支撑马达组件140-1..140-2。
图8是包括矩形布置的四个马达的无人机配置。参考图8，中心垂直梁120-80被周围梁120-82包围，限定象限结构，在每一个象限中具有马达组件140-1..140-4。
虽然这里限定的系统和方法已经参考其实施例被特别地示出且描述，但本领域技术人员将理解，在这里可以作出形式和细节的各种改变而不偏离所附权利要求包括的本发明的范围。

Claims (20)

1.一种制造机器人构件的方法，
在平面材料上产生图案，所述图案包括所述平面材料上的折痕和切口，所述折痕和切口用来限定可操作用于机器人运动的功能单元；
沿产生的切口切割所述平面材料；
沿产生的折痕折叠所述平面材料；
基于切割的且折叠的平面材料形成互连的功能构件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述互连的功能构件限定一组机器人构件，所述一组机器人构件可操作用于由所述机器人构件的循环铰接引起的可动性。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括将产生的图案施加到所述平面材料的连续的片材以便形成所述互连的功能构件。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述功能构件包括梁和连杆，所述梁的刚性大于展开的平面材料并且所述连杆以铰接或旋转布置固定多个梁。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括通过沿产生的折痕折叠以限定具有三角形横截面的细长构件而形成所述梁。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述连杆包括连接梁上的平面附件和被连接梁上的对应的孔口，所述平面附件在插入所述孔口之后具有扩展尺寸，插入的附件提供所述被连接梁之间的弹性连通，所述平面附件的扩展尺寸阻止从所述孔口的移除。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述连杆包括可折叠附件，所述可折叠附件具有折叠状态和展开状态，
所述可折叠附件在所述折叠状态具有小于所述孔口的尺寸以便插入所述孔口；并且
所述可折叠附件在所述展开状态具有大于所述孔口的尺寸以便在插入之后保持。
8.根据权利要求4所述的方法，其中，所述连杆由基本上矩形的突起限定，所述基本上矩形的突起在所述矩形的突起的相对侧上具有折叠突出部，所述折叠突出部在展开状态中延伸超过所述孔口的长度。
9.根据权利要求4所述的方法，其中，所述连杆由所述梁中的三角形横截面限定，所述横截面沿所述连杆的多个侧部分离使得柔性的平面部分限定铰接附接。
10.根据权利要求4所述的方法，其中，所述连杆由多边形孔口限定，所述多边形孔口具有突出部，所述突出部由所述多边形孔口的边限定并且适合于与所述梁接合，所述梁在共同横截面具有适合插入所述突出部的细长孔口。
11.一种机器人配置设备，所述机器人配置设备包括：
在平面材料上限定的图案，所述图案包括在所述平面材料上的折痕和切口以限定可操作用于机器人运动的功能单元，所述平面材料沿产生的图案被切割和穿孔；
通过沿所产生的折痕折叠所述平面材料而形成的多个折叠的构件；和
基于切割的且折叠的平面材料的多个互连的功能构件。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述互连的功能构件限定一组机器人构件，所述一组机器人构件可操作用于由所述机器人构件的循环铰接引起的可动性。
13.根据权利要求12所述的设备，还包括所述平面材料的连续的片材，所述连续的片材用来接纳所产生的图案，互连的功能构件由所产生的图案形成。
14.根据权利要求11所述的设备，其中，所述功能构件包括梁和连杆，所述梁的刚性大于展开的平面材料的刚性并且所述连杆以铰接或旋转布置固定多个梁。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述连杆包括连接梁上的平面附件和被连接梁上的对应的孔口，所述平面附件在插入所述孔口之后具有扩展尺寸，插入的附件提供所述被连接梁之间的弹性连通，所述平面附件的扩展尺寸阻止从所述孔口的移除。
16.根据权利要求14所述的设备，其中，所述连杆由所述梁中的三角形横截面限定，所述横截面沿所述连杆的多个侧部分离使得柔性的平面部分限定铰接附接。
17.一种在从二维(2D)折叠的平面材料来形成三维(3D)刚性和半刚性连接的结构的设计环境中设计机械系统的方法，所述方法包括：
确定运动结构，所述运动结构限定子部分并限定所述子部分之间的关系，所述关系标识连接和运动；
为每一个子部分标识至少一个基本结构，所述至少一个基本结构限定所述子部分；和
计算用来形成对应于所述子部分的功能单元的折痕图案，所述折痕图案可用于形成所述子部分的基本结构。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，标识所述基本结构还包括：
查询基本结构的数据库以便标识对应于所述基本结构的折痕图案，并且如果没有找到，
限定对应于所述基本结构的折痕图案，所述基本结构对根据用来形成所述子部分的所述折痕图案的折叠起反应。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
确定多个基本结构是否对应于所述子部分；
计算用来形成所述多个基本结构的最小数量的折痕图案，所述基本结构包括刚性构件、挠曲接头和连接器。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括：
对于来自所述运动结构的所限定的折痕图案的每一个，将所述折痕图案应用于对所述折叠起反应的平面材料；
根据为所述运动结构中的子部分的每一个限定的折痕图案形成所述功能单元的每一个；和
连接所述子部分以产生所确定的运动结构。
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