CN109129456B - 一种基于折纸结构的气动双向弯曲软体驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于折纸结构的气动双向弯曲软体驱动器，包括一个限制层结构和两个结构相同的变形层结构，两个变形层结构对称布置在限制层结构两边。第一变形层结构与限制层结构组成第一驱动单元，第一驱动单元实现向下的弯曲，第二变形层结构与限制层结构组成第二驱动单元，第二驱动单元实现向上的弯曲，两个驱动单元可实现双向驱动。变形层结构是由若干个直线排列的结构相同的折纸结构组成，折纸结构可以通过折展与材料自身的超弹性实现两种不同状态的轴向伸缩，使变形层结构发生两种不同状态的轴向伸缩。变形层结构两种不同状态的轴向伸缩导致结构的刚度发生变化，则驱动器可利用变形层结构不同状态的刚度变化实现变刚度驱动。

Description

一种基于折纸结构的气动双向弯曲软体驱动器

技术领域

本发明涉及软体机器人领域，尤其涉及一种软体驱动器，主要应用于机械手、软体机器人、仿生机械、医疗康复等高尖端科学技术领域。

背景技术

随着现代科学技术的发展，柔性驱动在仿生机器人、机械抓取、医疗康复等领域的应用越来越广。传统的刚性驱动器常采用缓冲装置、并联机构、欠驱动机构等方法实现柔性驱动，驱动器的结构和控制方法都较为复杂，且通用性能较差、成本高，在实际运用当中依然存在许多问题。

软体驱动器采用形状记忆合金、弹性体、水凝胶等软体物质材料构成，采用电、液、气、温度等方式激励驱动，具有优良的自适应性与容差率，非常适用于各种复杂的驱动环境。相比于电、液、温度等驱动方法，采用气动驱动的软体驱动器具有较好的仿生性和柔顺性8，可以较好的模拟生物肌肉的特点，同时具有体积小、结构简单、能量易获取、状态稳定等特点。

现有的气动软体驱动器结构主要为多腔体型和纤维增强型。多腔体型弯曲变形大但末端力较小，腔体结构复杂易导致壁厚不均、气孔等缺陷，影响驱动器的运动性能。纤维增强型末端力较大但弯曲变形较小且制作工艺复杂。在实际运用当中，末端力和弯曲程度严重限制了气动软体驱动器的应用范围。为此，结合传统的折纸结构与软体机器人技术提出一种基于折纸结构的气动双向弯曲软体驱动器，具有易制作、结构简单，承受负载大、弯曲变形大、可实现双向弯曲运动的特点。

发明内容

本发明提出了一种基于折纸结构的气动双向弯曲软体驱动器，所设计的软体驱动器具有承受负载大、弯曲变形大、可实现双向弯曲运动的特点。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于折纸结构的气动双向弯曲软体驱动器，其结构示意图如图1所示，包括一个限制层结构1和两个结构相同的变形层结构，即第一变形层结构2和第二变形层结构3，第一变形层结构2和第二变形层结构3对称布置在限制层结构1两边。第一变形层结构2与限制层结构1组成第一驱动单元，第一驱动单元实现向下的弯曲，变形层3与限制层结构1组成第二驱动单元，第二驱动单元实现向上的弯曲。

所述的第一变形层结构2结构示意图如图2所示，第一变形层结构2是由若干个直线排列的结构相同的折纸结构4组成。折纸结构4由平面折纸结构5沿着折痕进行折叠得到。平面折纸结构5为一矩形，由4条边界、8条折痕和被该折痕分割而成的8个板块组成。4条边界表示为AC、DF、CD、AF，其中AC、DF为上下边界，AF、CD为左右边界；8条折痕分别表示为GH、HI、BG、AH、HE、GE、BH、HF，实线表示的BG、AH、HE、GE、BH、HF为正向折痕，虚线表示的HI、GH为反向折痕,正向折痕与反向折痕表示折叠方向相反。折痕与边界之间的几何关系应满足下面条件：(1)AB＝EF＝GH＝2HI＝2BC＝2DE，AF＝CD＝2CG＝2GD＝2AI＝2IF；(2)AC、GI、DF互相平行；(3)所有正向折痕与反向折痕之间的夹角相同，该夹角表示为θ，θ应满足0°<θ<90°。8个板块分别表示为①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧，且板块①和⑤、②和⑥、③和⑦、④和⑧之间形成的4个夹角均相等，表示为α。当夹角α为180°时，折纸结构4折展为平面折纸结构5；当平面折纸结构5进行折展形成折纸结构4，夹角α为0°<α<180°。也就是说，当夹角α不同时，平面折纸结构5折展的程度不同，α决定了折纸结构4的折展程度。同时，如图2所示，当夹角α不同时，上下边界AF、CD之间距离d会变化，夹角α越大，距离d越大，这就说明折纸结构4在折展过程中会产生轴向伸缩运动，所以第一变形层结构2能通过折纸结构4的折展变化实现轴向伸缩运动。第一变形层结构2可利用折纸结构4的两种不同形态实现轴向伸缩运动，第一种状态为折纸结构4处于折展状态，即当α为0°<α<180°，第一变形层结构的轴向伸缩运动通过折纸结构4的折展变化实现，变形层结构易发生伸缩，刚度较小；第二种状态为折纸结构4接近于平面折纸结构5时的形态，即α趋近于180°时，处于此状态时难以利用折纸结构4的折展变化实现伸缩，仅能通过材料自身的超弹性变形实现，第一变形层结构较第一种状态更难发生伸缩，刚度较大。第二变形层结构与第一变形层结构的结构和功能相同。

所述的限制层结构1结构图如图3所示，限制层结构1为一扁平型长方体结构，限制层结构的轴向拉伸变形比变形层结构的轴向变形要小。

所述的第一驱动单元结构示意图如图4所示，第一驱动单元结构由第一变形层结构2与限制层结构1呈上下层关系相联接而成，它们之间形成一个具有折纸结构特征的腔体6，腔体6通过气体进出口7与气源相连通。当气体进入腔体6，在腔体内部产生正压，在该气压作用下第一变形层结构2中折纸结构4的平面夹角α会增大，则折纸结构4的轴向距离d增大，使得第一变形层结构2产生轴向拉伸。由于限制层结构1的轴向拉伸变形比第一变形层结构2的轴向变形要小，两者轴向伸长量不一样，则第一驱动单元可实现向下的弯曲。同理，第二驱动单元可向上的弯曲。

所述的气动柔性双向弯曲驱动器如图5所示，驱动器由变形层结构2、变形层结构3和限制层结构1组成，限制层结构1位于第一变形层结构2和第二变形层结构3中间，第一变形层结构2和第二变形层结构3对称布置在限制层结构1两边,第一变形层结构2与限制层结构1形成第一驱动单元，第二变形层结构3与限制层结构1形成第二驱动单元。当变形层结构处于第一种状态时，由于变形层结构易发生伸缩，刚度较小，驱动器易弯曲，能产生较大的弯曲角度；当变形层结构处于第二种形态时，由于变形层结构难发生伸缩，刚度较大，驱动器难弯曲，但能承受较大的负载。所以，驱动器可利用变形层结构的刚度变化实现变刚度驱动。驱动器具有两种工作状态：第一种工作状态为当压缩气体通过气体进出口7进入腔体6产生正压，第一驱动单元工作，驱动器实现方向向下的弯曲驱动。第二种工作状态为当压缩气体通过气体进出口8进入变形层腔体9产生正压，第二驱动单元工作，驱动器实现方向向上的弯曲驱动。所以，驱动器能实现双方向弯曲驱动。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明设计的软体驱动器，驱动器采用折纸结构实现变形层结构的拉伸变形，当折纸结构未完全折展为平面时，变形层结构的拉伸依靠折纸结构的折展，具有变形大的特点，驱动器在相同气压下具有大的弯曲角度；当折纸结构完全折展为平面时，变形层的拉伸依靠材料自身的超弹性，具有末端力大的特点，驱动器在相同气压下具有更大的末端力。

(2)本发明设计的软体驱动器，驱动器利用折纸结构的状态变化实现其变刚度。

(3)本发明设计的软体驱动器，采用两个对称布置的驱动单元，具有双向驱动特点。

附图说明

图1是基于折纸结构的气动柔性双向弯曲驱动器的结构示意图；

图2是第一变形层结构示意图；

图3是限制层结构结构图；

图4是第一驱动单元结构示意图；

图5是软体驱动器结构图；

图1中，1、限制层结构；2、第一变形层结构；3、第二变形层结构

图2中，4、折纸结构；5平面折纸结构；

图4中，6、腔体；7、气体进出口；8、气体进出口；9、腔体。

图5中，1、限制层结构；2、第一变形层结构；3、第二变形层结构；6、腔体；7、气体进出口；8、气体进出口；9、腔体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的一种基于折纸结构的气动双向弯曲软体驱动器，如图5所示，包括一个限制层结构1和两个结构相同的变形层结构，即第一变形层结构2和第二变形层结构3，第一变形层结构2和第二变形层结构3对称布置在限制层结构1两边。第一变形层结构2与限制层结构1组成第一驱动单元，第一驱动单元实现向下弯曲；变形层3与限制层结构1组成第二驱动单元，第二驱动单元实现向上弯曲；两个驱动单元可实现2个方向的弯曲运动。

所述的第一变形层结构2结构示意图如图2所示，第一变形层结构2是由若干个直线排列的结构相同的折纸结构4组成，即变形层结构的轴向长度与变形层结构中折纸结构4的数量及轴向长度有关。折纸结构4由平面折纸结构5沿着折痕进行折叠得到。平面折纸结构5为一矩形，由4条边界、8条折痕和被该折痕分割而成的8个板块组成。4条边界表示为AC、DF、CD、AF，其中AC、DF为上下边界，AF、CD为左右边界；8条折痕分别表示为GH、HI、BG、AH、HE、GE、BH、HF，实线表示的BG、AH、HE、GE、BH、HF为正向折痕，虚线表示的HI、GH为反向折痕,正向折痕与反向折痕表示折叠方向相反。折痕与边界之间的几何关系应满足下面条件：(1)AB＝EF＝GH＝2HI＝2BC＝2DE，AF＝CD＝2CG＝2GD＝2AI＝2IF；(2)AC、GI、DF互相平行；(3)所有正向折痕与反向折痕之间的夹角相同，该夹角表示为θ，θ应满足0°<θ<90°。8个板块分别表示为①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧，且板块①和⑤、②和⑥、③和⑦、④和⑧之间形成的4个夹角均相等，表示为α。当夹角α为180°时，折纸结构4折展为平面折纸结构5；当平面折纸结构5进行折展形成折纸结构4，夹角α为0°<α<180°。也就是说，当夹角α不同时，平面折纸结构5折展的程度不同，α决定了折纸结构4的折展程度。同时，如图2所示，当夹角α不同时，上下边界AF、CD之间距离d会变化，夹角α越大，距离d越大，这就说明折纸结构4在折展过程中会产生轴向伸缩运动，所以第一变形层结构2能通过折纸结构4的折展变化实现轴向伸缩运动。第一变形层结构2可利用折纸结构4的两种不同形态实现轴向伸缩运动，第一种状态为折纸结构4处于折展状态，即当α为0°<α<180°，第一变形层结构的轴向伸缩运动通过折纸结构4的折展变化实现，变形层结构易发生伸缩，刚度较小；第二种状态为折纸结构4接近于平面折纸结构5时的形态，即α趋近于180°时，处于此状态时难以利用折纸结构4的折展变化实现伸缩，仅能通过材料自身的超弹性变形实现，第一变形层结构较第一种状态更难发生伸缩，刚度较大。第二变形层结构与第一变形层结构的结构和功能相同。

在实物制作当中，取一设定角度α后的折纸构型，用硅胶注入3D打印的模具中后固化成型后得到变形层，α不同的取值决定着变形层的轴向拉伸的能力，取值越小，可实现轴向拉伸量越大；反之则越小，α的取值区间最好在15°—150°的区间内取值。在本发明的变形层结构当中，可以改变折纸结构4的数量，调整变形层结构的长度，从而满足不同的使用需求。

限制层结构1的立体结构图如图3所示，为一扁平型长方体，具有拉伸变形量极小、柔顺性较好的特性。该结构采用与变形层结构同种的硅胶与纤维编织网混合制成。

气动柔性双向弯曲驱动器如图5所示，驱动器由第一变形层结构2、第二变形层结构3和限制层结构1组成，限制层结构1位于第一变形层结构2和第二变形层结构3中间，第一变形层结构2和第二变形层结构3对称布置在限制层结构1两边,第一变形层结构2与限制层结构1形成第一驱动单元，第二变形层结构3与限制层结构1形成第二驱动单元。驱动器具有两种工作状态：第一种工作状态为当压缩气体通过气体进出口7进入腔体6产生正压，第一驱动单元工作，驱动器实现向下的弯曲驱动。第二种工作状态为当压缩气体通过气体进出口8进入腔体9产生正压，第二驱动单元工作，驱动器实现向上的弯曲驱动。所以，驱动器能实现双方向弯曲驱动。

当向腔体6与7通入不同压强的压缩气体时，可以实现驱动器的不同刚度、角度的弯曲运动。

驱动器采用的材料可以采用硅橡胶、天然硅胶、橡胶等材料制作，便于操作，在室温常压条件下硫化并要求具有弹性大、耐磨、抗拉强度高、抗撕裂等优良的物理性能以及较好的化学稳定性、无毒、无腐蚀性。

Claims (1)

1.一种基于折纸结构的气动双向弯曲软体驱动器，其特征在于，包括一个限制层结构和两个结构相同的变形层结构，限制层结构位于两个变形层结构中间，两个变形层结构对称布置在限制层结构两边；第一变形层结构与限制层结构组成第一驱动单元，第一驱动单元实现向下的弯曲，第一变形层结构与限制层结构之间形成一个具有折纸结构特征的腔体，腔体通过气体进出口与气源相连通，第二变形层结构与限制层结构组成第二驱动单元，第二驱动单元实现向上的弯曲，第二变形层结构与限制层结构之间形成一个具有折纸结构特征的腔体，腔体通过气体进出口与气源相连通，两个驱动单元可实现双向驱动，限制层结构为一扁平型长方体结构，限制层结构的轴向拉伸变形比变形层结构的轴向变形小；

变形层结构是由若干个直线排列的结构相同的折纸结构组成，折纸结构由平面折纸结构沿着折痕进行折叠得到，平面折纸结构为一矩形，由4条边界、8条折痕和被该折痕分割而成的8个板块组成，8个板块分别表示为板块①、板块②、板块③、板块④、板块⑤、板块⑥、板块⑦、板块⑧，且板块①和板块⑤、板块②和板块⑥、板块③和板块⑦、板块④和板块⑧之间形成的4个夹角均相等，表示为α，α的取值区间在15°—150°，折纸结构通过自身结构的折展和材料的超弹性实现两种不同的轴向伸缩变形，同时，变形层结构能通过折纸结构的伸缩变形实现轴向伸缩运动；

变形层结构可利用折纸结构的两种不同状态实现两种状态的轴向伸缩运动，第一种状态为折纸结构处于折展状态，轴向伸缩运动通过折纸结构的折展变化实现，变形层结构易发生伸缩，刚度小；第二种状态为折纸结构接近于平面折纸结构时的形态，该状态难以利用折展变化实现伸缩，仅能通过材料自身的超弹性变形实现，变形层结构较第一种状态更难发生伸缩，刚度大；

当变形层结构处于第一种状态时，由于变形层结构易发生伸缩，刚度小，驱动器易弯曲，能产生大的弯曲角度；当变形层结构处于第二种状态时，由于变形层结构难发生伸缩，刚度大，驱动器难弯曲，则驱动器可利用变形层结构不同状态的刚度变化实现变刚度驱动。

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