CN110919690A - 一种多自由度折纸关节结构 - Google Patents

Abstract

一种多自由度的折纸关节结构，该关节结构包括多层单元结构，多层单元结构由多层的单层单元结构组成，每个单层单元结构包括M(M≥4)个相邻的基本单元，每个基本单元包括两个底边连接的对称的等腰三角形折叠单元，形成四节点的具有两个等腰三角形面的空间结构，所述基本单元中的底边为谷线折痕，其余四边均为山线折痕，相邻的基本单元按照山线折痕首尾相连构成单层单元结构，单层单元结构进一步通过基本单元的山线折痕与相邻的单层单元结构连接形成所述的多层单元结构。所述关节结构可以同时实现关节结构轴向扭转和多向弯曲。

Description

一种多自由度折纸关节结构

技术领域

本发明涉及一种折纸关节结构领域，特别是涉及一种可同时实现轴向扭转和多向弯曲的多自由度折纸关节结构。

背景技术

在地外空间探测、深海资源开发等特殊环境与应用领域，需要开展个体防护装备、无人探测机器人等研制。对于个体防护装备，如在地外探测时使用的航天服装备，需提供一个密闭的拟人腔体，为人类提供必要的身存空间，同时为保障在特因环境下的作业任务，在肢体对应部位需配备合理的关节结构；对于无人探索，开发轻质的柔性充气或者充液机器人，需有效开展活动关节设计，从而提升无人作业能力。

目前在个体防护装备和柔性机器人中最常见的关节结构为波纹管式关节，该结构在充压状态下不具备沿轴向的扭转能力，而且在弯曲方向运动时通常具有较大的活动阻力，在个体防护装备设计中，有时也会采用褶片式结构对关节进行低阻力设计，但这样的结构限制了关节只具备一个方向的弯曲自由度。对于弯扭组合的复杂运动，当前需要通过密封轴承和多个关节串联实现，增加了系统的复杂性，同时密封轴承在特因环境中使用还存在泄漏的风险。

本发明设计了一种多自由度的折纸关节结构，利用折纸方法可以同时实现关节结构轴向扭转和多向弯曲。作为一种不使用密封轴承的多自由度关节结构，可以提高系统的安全性和可靠性。该关节结构可在个体防护装备和柔性机器人的设计中应用，也可推广应用于各类需要具备多自由度活动能力的密封连接装置。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有结构设计的不足，应用折纸方法，提供一种可同时实现轴向扭转和多向弯曲的多自由度关节结构。

为实现以上目的，本发明的技术方案如下：

一种多自由度的正多边形棱柱状关节结构，该关节结构包括多层单元结构，每个单层单元结构包括M(M≥4)个相邻的基本单元，每个基本单元包括两个相同的等腰三角形折叠单元，两个相同的所述等腰三角形折叠单元在底边连接并折叠，形成四节点的具有两个等腰三角形面的空间结构，所述基本单元中连接等腰三角形折叠单元的底边为谷线折痕，其余四边均为山线折痕，其中相对的两条山线折痕作为相邻的基本单元的连接线，相邻的基本单元通过山线折痕首尾相连构成单层单元结构，单层单元结构进一步通过各个基本单元的另两条相对的山线折痕与相邻的单层单元结构连接形成所述的多层单元结构。

进一步的，根据基本单元谷线折痕的方向，将基本单元分为左向基本单元和右向基本单元，其中，谷线折痕连接左上与右下节点的为左向基本单元，谷线折痕连接右上与左下节点的为右向基本单元，单层单元结构的各个基本单元的谷线折痕方向相同。

进一步的，由左向基本单元构成的单层单元结构为左旋单层单元结构，由右向基本单元构成的单层单元结构为右旋单层单元结构，相邻的单层单元结构的旋向相同或不相同，即相邻的单层单元结构是左旋单层单元结构和左旋单层单元结构，或者是，右旋单层单元结构和右旋单层单元结构，或者是，左旋单层单元结构和右旋单层单元结构。

进一步的，多层单元结构的层数由关节结构的轴向长度确定，为使正多边形棱柱结构在沿轴向扭转时总长度不发生变化，层数优选设置为偶数层，并且左旋单层单元结构和右旋单层单元结构各为一半，优选的，层数为4-20层，更优选的，层数为8层。

进一步的，多层单元结构中左旋单层单元结构和右旋单层单元结构呈上下对称分布，或者是，左旋单层单元结构和右旋单层单元结构交替分布。

进一步的，当关节结构顺时针轴向扭转时，左旋单层单元结构沿轴向缩短，右旋单层单元结构沿轴向伸长；当结构逆时针轴向扭转时，左旋单层单元结构沿轴向伸长，右旋单层单元结构沿轴向缩短。

进一步的，所述的关节结构还包括两个正多边形连接段，所述正多边形的边数为M，所述连接段分别位于多层单元结构的上下两端。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明的关节结构基于折纸方法，设计参数多样，可以基于不同的应用需求改变结构设计参数。

(2)本发明的关节结构可以实现轴向扭转，在一定程度上减少密封轴承使用，降低系统安全风险。

(3)本发明的关节结构可以同时实现扭转和弯曲的多自由度运动，无需进行关节、轴承的串联，减少了系统的复杂性。

附图说明

图1-1是本发明所提供的折纸关节结构折叠单元；

图1-2是本发明所提供的折纸关节结构左向基本单元；

图1-3是本发明所提供的折纸关节结构右向基本单元；

图2-1是本发明所提供的折纸关节结构的左旋单层单元结构；

图2-2是本发明所提供的折纸关节结构的右旋单层单元结构；

图3-1是本发明所提供的一种正六棱柱多层单元展开结构；

图3-2是本发明所提供的一种正六棱柱折纸关节结构；

图4-1是本发明所提供的一种正八棱柱多层单元展开结构；

图4-2是本发明所提供的一种正八棱柱折纸关节结构。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例的核心构思在于，通过折纸方法构造一种可同时实现轴向扭转和多向弯曲的正多边形棱柱状关节结构。折纸结构由基本单元堆叠形成，每个基本单元按照一定方向排成一层，单层单元结构按照一定的组合方式排列成多层单元结构，通过折叠最终形成正多边形棱柱结构。

图1-1所示为构成基本单元的折叠单元1，折叠单元为等腰三角形，两个相同的折叠单元1和折叠单元2在底边V1连接构成图1-2和图1-3所示的基本单元E1(L)和E1(R)。在基本单元中，连接等腰三角形折叠单元的底边V1为谷线折痕，用虚线表示，其余四边H1、H2、H3、H4均为山线折痕，用实线表示，基本单元通过四周的山线折痕与相邻单元连接。在图1-2中，谷线折痕V1连接左上节点A与右下节点C的为左向基本单元E1(L)；在图1-3中，谷线折痕V1连接右上节点B与左下节点D的为右向基本单元E1(R)。

如图2-1和图2-2所示，单层单元结构L1(L)和L1(R)分别由相同方向的基本单元E1(L)、E2(L)......EM(L)或E1(R)、E2(R)......EM(R)排成一列构成，每个基本单元相对的两条山线折痕H2、H4作为相邻基本单元之间的连接线。单层单元结构L1中基本单元的数量等于正多边形棱柱的多边形的边数M(M≥4)，基本单元E1(L)或E1(R)的山线折痕(H1、H2、H3、H4)与谷线折痕(V1)的夹角为α＝180°/M。在图2-1中，由左向基本单元构成的为左旋单层单元结构L1(L)，由右向基本单元构成的为右旋单层单元结构L1(R)。

在本发明的一种优选实施例中，构造一种正六棱柱折纸关节。

图3-1所示为多层单元展开结构，由8层单元结构组成，每层由6个基本单元组成，一共48个基本单元。其中，8层单元结构中分别有L1(L)、L2(L)、L3(L)和L4(L)4个左旋单层单元结构和L5(R)、L6(R)、L7(R)和L8(R)4个右旋单层单元结构，左旋和右旋单层单元结构呈上下对称分布，各层单元结构之间通过各个基本单元的另一对相对的山线折痕H1、H3连接，谷线折痕均在各基本单元内部，山线折痕与谷线折痕的夹角为α＝30°。多层单元展开结构左右两侧折线状轮廓为折叠结构的连接线。

根据山线折痕和谷线折痕折叠，并将左右两侧轮廓线连接，最终形成图3-2所示的一种正六棱柱折纸关节结构。关节的截面结构中心对称，具备向任意方向弯曲的能力，同时具备沿轴向扭转的能力，由于左旋和右旋单层单元结构数量相等且呈上下对称分布，当关节结构沿顺时针方向扭转时呈现出上半部分单元沿轴向缩短、下半部分单元沿轴向伸长的特征，但关节结构总长度不发生改变。

在本发明的一种优选实施例中，构造一种正八棱柱折纸关节。

图4-1所示为多层单元展开结构，由8层单元结构组成，每层由8个基本单元组成，一共64个基本单元。其中，8层单元中分别有L1(L)、L3(L)、L5(L)和L7(L)4个左旋单层单元结构和L2(R)、L4(R)、L6(R)和L8(R)4个右旋单层单元结构，且左旋和右旋单层单元结构交替排列，各层单元之间通过山线折痕连接，谷线折痕均在各基本单元内部，山线折痕与谷线折痕的夹角为α＝22.5°。多层单元展开结构左右两侧锯齿状轮廓为折叠结构的连接线。

根据山线折痕和谷线折痕折叠，并将左右两侧轮廓线连接，最终形成图4-2所示的一种正八棱柱折纸关节结构。关节的截面结构中心对称，具备向任意方向弯曲的能力，同时具备沿轴向扭转的能力，由于左旋和右旋单层单元结构交替排列且数量相等，当关节结构沿顺时针方向扭转时呈现出一层单元沿轴向缩短、一层单元沿轴向伸长的特征，但关节结构总长度不发生改变。

另外，在多层单元的上下两端设有正多边形连接段，该正多边形的边数等于正多边形棱柱的边数M，该连接段与多层单元共同构成关节结构，用于将关节结构连接至个体防护装备或柔性机器人的相关位置中，或者连接至充气、充液管路中。

本发明所述的折纸关节结构不限于个体防护装备和柔性机器人的关节结构设计，也可应用于充气、充液管路的密封连接，使管路具备多自由度活动能力和较强的接口适应性。

以上对本发明所提供的一种多自由度的折纸关节结构进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施时可以做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种多自由度的正多边形棱柱状关节结构，该关节结构包括多层单元结构，每个单层单元结构包括M个相邻的基本单元，其中M≥4，每个基本单元包括两个相同的等腰三角形折叠单元，两个相同的所述等腰三角形折叠单元在底边连接并折叠，形成四节点的具有两个等腰三角形面的空间结构，所述基本单元中连接等腰三角形折叠单元的底边为谷线折痕，其余四边均为山线折痕，其中相对的两条山线折痕作为相邻的基本单元的连接线，相邻的基本单元通过山线折痕首尾相连构成单层单元结构，单层单元结构进一步通过各个基本单元的另两条相对的山线折痕与相邻的单层单元结构连接形成所述的多层单元结构。

2.根据权利要求1所述的多自由度的正多边形棱柱状关节结构，根据基本单元谷线折痕的方向，将基本单元分为左向基本单元和右向基本单元，其中，谷线折痕连接左上与右下节点的为左向基本单元，谷线折痕连接右上与左下节点的为右向基本单元，单层单元结构的各个基本单元的谷线折痕方向相同。

3.根据权利要求2所述的多自由度的正多边形棱柱状关节结构，由左向基本单元构成的单层单元结构为左旋单层单元结构，由右向基本单元构成的单层单元结构为右旋单层单元结构，相邻的单层单元结构的旋向相同或不相同，即相邻的单层单元结构是左旋单层单元结构和左旋单层单元结构，或者是，右旋单层单元结构和右旋单层单元结构，或者是，左旋单层单元结构和右旋单层单元结构。

4.根据权利要求2或3所述的多自由度的正多边形棱柱状关节结构，多层单元结构的层数由关节结构的轴向长度确定，为使正多边形棱柱结构在沿轴向扭转时总长度不发生变化，层数优选设置为偶数层，并且左旋单层单元结构和右旋单层单元结构各为一半，优选的，层数为4-20层，更优选的，层数为8层。

5.根据权利要求4所述的多自由度的正多边形棱柱状关节结构，多层单元结构中左旋单层单元结构和右旋单层单元结构呈上下对称分布，或者是，左旋单层单元结构和右旋单层单元结构交替分布。

6.根据权利要求5所述的多自由度的正多边形棱柱状关节结构，当关节结构顺时针轴向扭转时，左旋单层单元结构沿轴向缩短，右旋单层单元结构沿轴向伸长；当结构逆时针轴向扭转时，左旋单层单元结构沿轴向伸长，右旋单层单元结构沿轴向缩短。

7.根据权利要求1所述的多自由度的正多边形棱柱状关节结构，所述的关节结构还包括两个正多边形连接段，所述正多边形的边数为M，所述连接段分别位于多层单元结构的上下两端。

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