CN113199464B - 基于折纸机构的模块化高伸缩率机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于折纸机构的模块化高伸缩率机器人，它包括机器人末端执行器、连接模块、折纸模块、基座和驱动模块；折纸模块和驱动模块分别安装在基座的两侧，机器人末端执行器通过连接模块安装在折纸模块的末端，驱动模块通过驱动折纸模块的伸缩，带动机器人末端执行器移动。所述折纸模块为吉村模式管状折纸机构，所述驱动导丝为镍钛记忆合金丝。本发明在轴向上实现较高伸缩率，且具有较好的柔顺性及自适应性，可应用于探测、搜救等领域。

Description

基于折纸机构的模块化高伸缩率机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，具体地说，涉及一种可用于探测、搜救的、基于折纸机构的模块化高伸缩率的机器人。本发明属于可伸缩机器人技术领域。

背景技术

常见的机器人多为刚性身形机器人，广泛地应用于生产、生活等领域，但是，对于一些特殊情况，比如对未知、极端环境的探测、特殊环境的搜救等情形，刚性身形机器人就不太适合，故，对可变形软体机器人的研究越来越广泛。

如申请号为20200978966.8的专利申请公开了一种基于折纸理论的高收纳率仿生气动软体蠕虫机器人，它包括柔性驱动器、前后端盖板、气动足、充气及抽气系统。柔性驱动器两端分别与前后端盖板粘接，通过充气系统向柔性驱动器充气的方式实现伸展，驱动前排气动足向前运动；通过抽气系统从柔性驱动器抽气的方式实现收缩，驱动后排气动足向前运动，从而实现轴向的大行程仿生爬行。申请号为201910740410.2的专利申请公开了一种基于折纸理论的高收纳率自折叠气动软体机械臂，它包括软体驱动器、上下端盖板及充气系统，所述软体驱动器为类圆柱壳，两端与上下端盖板密封固定，内腔可充气，壳体为多层软体层合结构，由内向外依次是气密层、弹性层、限制层和热防护层。软体驱动器壳体基于折纸理论设计拓扑形式，可实现轴向的大行程伸缩驱动，通过充气系统向内腔充气的方式驱动展开，通过内腔排气后弹性层弹性势能释放的方式实现自折叠。

上述专利申请公开的基于折纸机构的高收纳率机器人其驱动方式多为气动，这种驱动方式的弊端是：1、结构复杂、故障率高；2、限制了机器人的应用范围，对于地形复杂、环境恶劣的情况，首先需要考虑是否能够满足气动驱动的工作条件；3、机器人的运动方式为蠕动，对地形情况有一定要求。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种可用于探测、搜救的、驱动方式简单、易操控的基于折纸机构的模块化高伸缩率的机器人。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于折纸机构的模块化高伸缩率机器人，它包括机器人末端执行器、折纸模块、基座和驱动模块；折纸模块和驱动模块分别安装在基座的两侧，机器人末端执行器安装在折纸模块的末端，驱动模块通过驱动折纸模块的伸缩，带动机器人末端执行器移动；

所述折纸模块为吉村模式管状折纸机构，它由若干个折纸单元阵列而成，所述折纸模块折叠后其轴向呈正多边形，正多边形的每个角上各开有一个导向孔；每个折纸单元的内折痕线上剪裁有若干个菱形孔；

所述驱动模块由若干组驱动机构构成，一组驱动机构对应折纸模块的一个角；每组驱动机构包括一根驱动导丝、一个导丝推杆和一个导丝筒；若干个导丝筒间隔地垂直固定在基座侧壁上；每个导丝筒内穿设有一根驱动导丝，驱动导丝的一端与安装在导丝筒侧壁上的导丝推杆相连，另一端穿过折纸单元的导向孔，贯穿整个折纸模块固定在折纸模块的末端。

优选地，所述折纸单元在两两相邻相互交叉的四根外折痕线围成的每个最小区域内，在其内折痕线的中心处剪裁出菱形孔。

优选地，所述驱动导丝为镍钛记忆合金丝。

优选地，所述折纸模块用塑胶覆膜纸折叠而成。

优选地，所述折纸模块的初始状态为压缩状态；

所述折纸模块轴向截面呈正六边形，其六个角上各开有一个导向孔；每个折纸单元二维折痕上的几何关系表现为外折痕线之间的钝角为120度，外折痕线与内折痕线之间的锐角为30度。

优选地，所述驱动模块由六组驱动机构构成；六个导丝筒等间隔地固定在基座侧壁上，六根驱动导丝分别穿过构成折纸模块的每个折纸单元六个犄角处的导向孔，固定在折纸模块的末端。

优选地，所述基于折纸机构的模块化高伸缩率机器人还包括N个连接模块，所述连接模块的形状与所述折纸模块的外形相同，为正多边形，其为双层镂空结构，与所述折纸模块相对应的每个角处开有导向孔和安装孔；

还包括有N个折纸模块，所述折纸模块彼此之间通过所述连接模块串联连接；

所述驱动导丝穿过每个所述折纸模块和每个所述连接模块的导向孔固定在最后一个所述折纸模块的末端；

所述机器人末端执行器通过所述连接模块安装在最后一个折纸模块的末端本发明的优点：

1、折纸模块具有高伸缩率，且结构牢固不易损坏。

由于本发明在折纸模块的每个折纸单元的内折痕线上开有若干个菱形孔，通过菱形孔消除折纸机构的负泊松比特性，将径向的等同性膨胀作用到内折痕上的压力通过菱形剪裁的挤压余量进行释放，故，本发明折纸模块不仅具有较高的伸缩率，且减小折纸面突起，结构牢固不易损坏。

2、模块化设计使本发明具有较好的拓展性。

由于本发明采用模块化设计，可根据实际需要，通过连接模块将N个折纸模块彼此串联起来，增加折纸模块的总长度，故本发明具有较好的拓展性、灵活性

3、驱动方式简单，操作灵活，具有较好的柔顺性和自适应性。

本发明采用镍钛记忆合金丝作为驱动导丝，驱动折纸模块运动，再结合折纸模块的折纸机构，实现本发明轴向的较高伸缩率及较好的柔顺性、自适应性。本发明可广泛地应用于探测、救援等领域。

附图说明

图1为本发明实施例一机器人伸长状态立体结构示意图；

图2为本发明实施例一伸长状态正视图；

图3为本发明实施例一压缩状态正视图；

图4为本发明折纸模块立体结构示意图

图5为构成本发明的折纸模块折痕示意图；

图6为本发明实施例二机器人伸长状态立体结构示意图；

图7为本发明实施例二伸长状态正视图；

图8为本发明实施例二压缩状态正视图；

图9为构成本发明的基座结构示意图；

图10为本发明横截面上折纸模块与驱动导丝之间的几何约束示意图；

图11为本发明纵截面上折纸模块与驱动导丝之间的几何约束示意图。

图中：1、机器人末端执行器；2、折纸模块，21、折纸单元，22、导向孔，23、外折痕线，24、内折痕线，25、菱形孔，26、剪裁线，27、剪裁辅助线，28、粘合面，29、密集约束、20、轴向压力；3、基座，31、底座，32、法兰盘；4、驱动模块，41、驱动导丝，42、导丝推杆，43、导丝筒；5、第二折纸模块；6、第三折纸模块；7、连接模块。

具体实施方式

需要说明的是，为便于描述本发明结构特征和简化描述，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，而不是指结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。

如图1～图3所示，本发明公开的基于折纸机构的模块化高伸缩率机器人包括机器人末端执行器1、折纸模块2、基座3和驱动模块4。折纸模块2和驱动模块4分别安装在基座3的两侧，机器人末端执行器1通过连接模块7安装在折纸模块2的末端，驱动模块4通过驱动折纸模块2的伸缩，带动机器人末端执行器1移动。

如图4、图5所示，构成本发明的折纸模块2为吉村模式管状折纸机构，它是由若干个折纸单元21阵列而成，折纸模块2折叠后其轴向呈正六边形且六个角上各开有一个导向孔22。

由于吉村模式管状折纸机构是典型的负泊松比折纸机构，在轴向伸长时会伴随径向扩张现象，在伸长时会由于折纸面、节点的耦合现象导致轴向伸长率较低且会造成折纸机构沿节点的褶皱破坏，故，如图5所示，每个折纸单元21在两两相邻相互交叉的四根外折痕线23围成的每个最小区域内，内折痕线24的中心处均剪裁出一个菱形孔25，其目的是消除折纸机构负泊松比特性，将径向的等同性膨胀作用到内折痕上的压力通过菱形剪裁的挤压余量进行释放，通过折纸机构柔顺性实现折纸机构的高伸长率，减小折纸面突起。

折纸模块2的初始状态为压缩状态(参见图3)，压缩状态的吉村模式管状折纸机构在二维折痕上的几何关系表现为外折痕线23之间的钝角为120度，外折痕线23与内折痕线24之间的锐角为30度。图5中的附图标号26表示剪裁线，附图标号27为剪裁辅助线，附图标号28为粘合面。

为解决气动驱动存在的弊端，本发明驱动模块4采用机械驱动方式，如图1-图3所示，驱动模块4由若干组驱动机构构成，每组驱动机构包括一根驱动导丝41、一个导丝推杆42和一个导丝筒43。若干个导丝筒43间隔地垂直固定在基座3侧壁上。每个导丝筒43内穿设有一根驱动导丝41，驱动导丝41的一端与固定在导丝筒43侧壁上的导丝推杆42相连，另一端穿过构成折纸模块2的每个折纸单元21各犄角处的导向孔22，贯穿折纸模块2固定在折纸模块的末端。在导丝筒43的侧壁上，贯穿导丝筒的首尾开有一条滑槽，导丝推杆42可沿该滑槽移动。本发明就是通过操控每个驱动机构的导丝推杆42，分别牵引每根贯穿折纸模块的驱动导丝41驱动折纸模块2沿不同方向、角度伸长或压缩。

在本发明的较佳实施例中，所述折纸模块2用塑胶覆膜纸折叠而成，其轴向截面为正六边形且其六个角上各开有一个导向孔22，故，所述驱动模块4由六组驱动机构构成，即六根驱动导丝41、六个导丝推杆42和六个导丝筒43。六个导丝筒43等间隔地固定在基座2侧壁上，每个导丝筒43内穿设一根驱动导丝41，六根驱动导丝41分别穿过构成折纸模块的每个折纸单元41六个犄角处的导向孔22，固定在折纸模块2的末端。

在本发明的较佳实施例中，所述折纸模块为轴向正六边形，当然，构成本发明的折纸模块不局限于正六边形，也可以是正八边形、正九边形。相应的，驱动折纸模块伸缩的驱动模块4由八组或九组驱动机构构成，每组驱动机构对应折纸模块的一个角，即构成驱动机构的驱动导丝穿过折纸模块一角处的导向孔，贯穿折纸模块固定在折纸模块的末端。

在实际应用过程中，不仅可以根据实际需要设计折纸模块的形状，设计驱动折纸模块的驱动模块包括的驱动机构的组数，还可以根据实际需要设计构成本发明的折纸模块的个数，拓展折纸模块的总长度。如图6-图8所示，本发明还可以包括第二个折纸模块5、第三折纸模块6、……、第N个折纸模块。折纸模块之间通过连接模块7相连。相应地，驱动模块的每根驱动导丝穿过每个折纸模块的每个折纸单元的导向孔固定在最后一个折纸模块的末端。

将N个折纸模块相互串联起来的连接模块7的形状与折纸模块的外形相同，也为正多边形，其为双层镂空结构，与折纸模块相对应每个角开有导向孔和安装孔。

如图6-图8所示，当本发明包括有N个折纸模块时，机器人末端执行器1安装在最后一个折纸模块的末端。

如图9所示，基座3包括底座31和法兰盘32，底座31通过螺栓固定在外部设备上，法兰盘32安装固定在底座31上。驱动模块4通过螺栓和螺母固定在法兰盘32的一侧，第一折纸模块2固定在法兰盘的另一侧；驱动导丝41穿过法兰盘、第一折纸模块2、第二折纸模块5、第三折纸模块6……固定在最后一个折纸模块的末端。在驱动导丝41的牵引下串联在一起的各折纸模块可朝不同的方向伸长或压缩或弯曲。

在本发明较佳实施例中，驱动导丝41为镍钛记忆合金丝，其具有超弹性特点，与折纸模块构成几何约束，使机器人机体具有柔顺性及自承性特点。如图10驱动导丝41与折纸模块2形成的几何约束示意图所示，在折纸模块2的横截面上，由于折纸模块的横截面为正多边形，各导向孔22等间隔地设置在正多边形各个角处，驱动导丝41与折纸模块2之间构成的几何约束为固定的几何分布，从而保证折纸模块精确的驱动方向。如图11所示，驱动导丝41与折纸模块2之间形成的几何约束在纵截面上表现为每一根驱动导丝41在沿轴向方向上分布有指向径向方向的密集约束29，导致单根驱动导丝7由轴向弹性体转变为轴向刚体。当驱动导丝41在轴向方向上施加沿径向的密集约束，在受到轴向压力20时，其弯曲变形受到限制，从而能够实现在轴向上承受一定压力，进而实现轴向伸长驱动。

折纸模块2与驱动导丝41之间相互影响，折纸模块为驱动导丝提供几何约束，驱动导丝为折纸模块提供驱动力，从而实现机器人的伸长、压缩、弯曲等运动形式。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于折纸机构的模块化高伸缩率机器人，它包括机器人末端执行器、折纸模块、基座和驱动模块；折纸模块和驱动模块分别安装在基座的两侧，机器人末端执行器安装在折纸模块的末端，驱动模块通过驱动折纸模块的伸缩，带动机器人末端执行器移动；其特征在于：

所述折纸模块为吉村模式管状折纸机构，它由若干个折纸单元阵列而成，所述折纸模块折叠后其轴向呈正多边形，正多边形的每个角上各开有一个导向孔；每个折纸单元的内折痕线上剪裁有若干个菱形孔；

所述驱动模块由若干组驱动机构构成，一组驱动机构对应折纸模块的一个角；每组驱动机构包括一根驱动导丝、一个导丝推杆和一个导丝筒；若干个导丝筒间隔地垂直固定在基座侧壁上；每个导丝筒内穿设有一根驱动导丝，驱动导丝的一端与安装在导丝筒侧壁上的导丝推杆相连，另一端穿过折纸单元的导向孔，贯穿整个折纸模块固定在折纸模块的末端。

2.根据权利要求1所述的基于折纸机构的模块化高伸缩率机器人，其特征在于：所述折纸单元在两两相邻相互交叉的四根外折痕线围成的每个最小区域内，在其内折痕线的中心处剪裁出菱形孔。

3.根据权利要求1或2所述的基于折纸机构的模块化高伸缩率机器人，其特征在于：所述驱动导丝为镍钛记忆合金丝。

4.根据权利要求3所述的基于折纸机构的模块化高伸缩率机器人，其特征在于：所述折纸模块用塑胶覆膜纸折叠而成。

5.根据权利要求4所述的基于折纸机构的模块化高伸缩率机器人，其特征在于：所述折纸模块的初始状态为压缩状态；

所述折纸模块轴向截面呈正六边形，其六个角上各开有一个导向孔；

每个折纸单元二维折痕上的几何关系表现为外折痕线之间的钝角为120度，外折痕线与内折痕线之间的锐角为30度。

6.根据权利要求5所述的基于折纸机构的模块化高伸缩率机器人，其特征在于：所述驱动模块由六组驱动机构构成；

六个导丝筒等间隔地固定在基座侧壁上，六根驱动导丝分别穿过构成折纸模块的每个折纸单元六个犄角处的导向孔，固定在折纸模块的末端。

7.根据权利要求6所述的基于折纸机构的模块化高伸缩率机器人，其特征在于：还包括N个连接模块，所述连接模块的形状与所述折纸模块的外形相同，为正多边形，其为双层镂空结构，与所述折纸模块相对应的每个角处开有导向孔和安装孔；

还包括有N个折纸模块，所述折纸模块彼此之间通过所述连接模块串联连接；

所述驱动导丝穿过每个所述折纸模块和每个所述连接模块的导向孔固定在最后一个所述折纸模块的末端；

所述机器人末端执行器通过所述连接模块安装在最后一个折纸模块的末端。

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