CN114261459B

CN114261459B - 基于渐变Miura折纸弹性曲梁的形状记忆弹簧仿生机器人

Info

Publication number: CN114261459B
Application number: CN202111564720.7A
Authority: CN
Inventors: 楚铭帅; 巫天越; 方倩艺; 庄国志
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2023-03-21
Anticipated expiration: 2041-12-20
Also published as: CN114261459A

Abstract

本发明公开了一种基于渐变Miura折纸弹性曲梁的形状记忆弹簧仿生机器人，其包括呈曲梁形态的Miura折纸基体、形状记忆弹簧、左足和右足；所述的形状记忆弹簧的两端分别固定在折纸基体的两端，所述左足和右足分别连接在折纸基体的左端和右端，其中，左足和右足的底部均设置有齿条结构，所述齿条结构提供单向摩擦机制使仿生机器人仅能朝设定的方向运动。本发明利用渐变Miura折纸能够储存弹性能的特性，将其与动力元件形状记忆弹簧配合，制作出能够提供双程运动的机器人，本发明的Miura折纸基体具有不易疲劳、质量轻等优势。

Description

基于渐变Miura折纸弹性曲梁的形状记忆弹簧仿生机器人

技术领域

本发明属于仿生机器人设计领域，具体涉及一种基于渐变Miura折纸弹性曲梁的形状记忆弹簧仿生机器人。

背景技术

折纸是一种源自中国的古老手工艺术，而近几年，其特殊的运动学与动力学性能正在被逐渐挖掘，并广泛地应用于软体仿生机器人的设计中。其中，Miura ori折纸是一种可以实现近似完全折叠与完全展开的刚性折纸，而渐变Miura折纸作为Miura ori折纸的一种变形，可以实现具有一定曲率的折叠自弯曲，其弯曲程度可由折痕图参数决定，同时，渐变Miura折叠过程中存在明显的刚性折纸向非刚性折纸的过渡过程，这使得其具有丰富的力学性质。

然而目前折纸在仿生机器人结构中的应用大多表现为刚性折叠，很少有研究利用非刚性折纸的性质，这使得需要设计双程动力元件来完成机器人的周期性运动以支持其爬行、跳跃等。故本发明利用在非刚性折叠时呈现高弹性且不易疲劳的渐变Miura折纸来创造应力不匹配机构，与单程形状记忆弹簧协作完成仿尺蠖机器人的双程运动。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于渐变Miura折纸弹性曲梁的形状记忆弹簧仿生机器人。本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种基于渐变Miura折纸弹性曲梁的形状记忆弹簧仿生机器人，其包括呈曲梁形态的Miura折纸基体、形状记忆弹簧、左足和右足；所述的呈曲梁形态的Miura折纸基体采用如下方法制作：在平面纸上按Miura折痕线规划折痕，所述Miura折痕线包括竖向折痕和横向折痕，其中竖向折痕呈直线，且相邻竖向折痕之间的距离沿横向方向呈设定比例缩小或增大；横向折痕呈齿状，横向折痕之间以等间距排列；按折痕折叠得到呈曲梁形态的Miura折纸基体，其中，矩形平面纸的竖向方向即为折纸基体的长度方向，横向方向上相邻竖向折痕距离小的一端作为折纸基体的内侧；

所述的形状记忆弹簧的两端分别固定在折纸基体的两端，所述左足和右足分别连接在折纸基体的左端和右端，其中，左足和右足的底部均设置有齿条结构，所述齿条结构提供单向摩擦机制使仿生机器人仅能朝设定的方向运动。

作为本发明的优选方案，所述形状记忆弹簧与折纸基体相连的左右两个固定点均位于折纸基体的内侧。

作为本发明的优选方案，所述的齿条结构的齿部作为仿生机器人支撑面的接触部位，左足和右足的底部包含一个或多个齿条结构。

作为本发明的优选方案，所述齿条结构为棘轮齿条结构，所述棘轮齿条结构的齿的斜面朝向同一侧，且左足和右足的棘轮齿条结构的齿的斜面朝向相同。

作为本发明的优选方案，所述左足、右足及其上的齿条结构的材质为纸。

作为本发明的优选方案，所述的形状记忆弹簧为预拉伸的形状记忆弹簧，所述形状记忆弹簧在通电或加热状态下收缩，断电或冷却状态下恢复形状。

作为本发明的优选方案，所述平面纸为矩形纸，所述竖向折痕的数量为8-20条；所述横向折痕的数量6-16条。所述竖向折痕和横向折痕所围的区域(除平面纸四周边沿的区域外)均为平行四边形结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是；本发明利用渐变Miura折纸能够储存弹性能的特性，将其与动力元件形状记忆弹簧配合，制作出能够提供双程运动的执行器；同时当渐变Miura折叠程度较高时，其具有曲梁的形态，通过为该驱动器提供合适的摩擦机制，实现了可模仿尺蠖爬行的仿生机器人。本发明的仿生机器人可以自然呈现曲梁的形状，这使得机器人的站立与爬行较为稳定；且该软体机器人利用在进行非刚性折叠时抗疲劳能力较强的渐变Miura折纸结构使结构具有可持续性循环储存能量与释放能量的能力；同时，该结构施加于形状记忆弹簧的适当大小的弹性力恰好能够与形状记忆弹簧形成有效竞争，完成双程运动。

附图说明

图1为本发明机器人的整体结构示意图；

图2为本发明机器人的A示意图；

图3为折纸平面状态；

图4为折纸左足；

图5为折纸右足；

图6为左足试验周期内位移-时间变化图像。

图中，Miura折纸基体1、形状记忆弹簧2、左足3、右足4、齿条结构5。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

如图1-5所示，本发明的一种基于渐变Miura折纸弹性曲梁的形状记忆弹簧仿生机器人，其包括呈曲梁形态的Miura折纸基体1、形状记忆弹簧2、左足3和右足4；所述的呈曲梁形态的Miura折纸基体采用如下方法制作：在平面纸上按Miura折痕线规划折痕，所述Miura折痕线包括竖向折痕和横向折痕，其中竖向折痕呈直线，且相邻竖向折痕之间的距离沿横向方向呈设定比例缩小或增大；横向折痕呈齿状，横向折痕之间以等间距排列；按折痕折叠得到呈曲梁形态的Miura折纸基体，其中，矩形平面纸的竖向方向即为折纸基体的长度方向，横向方向上相邻竖向折痕距离小的一端作为折纸基体的内侧；

如图3所示，所述折痕线为Miura折痕线。其横向折痕由峰折线(实线)和谷折线(虚线)交替排列组成，即相邻的两条横向折痕中，一条为峰折线，另一条为谷折线。每条竖向折痕均被横向折痕划分为若干段，且沿竖向折痕方向，峰折线、谷折线交替排列。相邻的两条竖向折痕中，被相同的两条横向折痕划分的折痕段中，一段为峰折线，另一段为谷折线。即竖向折痕和横向折痕所围的区域平行四边形结构的四条边，两条为峰折线，两条为谷折线。

所述的形状记忆弹簧的两端分别固定在折纸基体的两端，所述左足和右足分别连接在折纸基体的左端和右端，其中，左足和右足的底部均设置有齿条结构5，所述齿条结构提供单向摩擦机制使仿生机器人仅能朝设定的方向运动。

渐变Miura折纸结构是一种在折叠时具有从平面展开状态过渡到折叠后呈曲梁形态的运动学特征的新式折纸结构。如图2和3所示，本发明的Miura折纸基体由图2所示的矩形纸折叠而得，用激光雕刻机分别雕刻出已规划设计的竖向折痕和横向折痕；其在折叠过程中首先进行刚性折叠，而在达到一定折叠程度后其从刚性折纸快速演变为非刚性折纸，呈现较高的弹性，并在无外力情况下无法保持稳态。利用这一阶段的非刚性折叠特性，并结合加热后能够实现两端间距变化的形状记忆弹簧，可以实现基于应力不匹配原理的双程制动器：在形状记忆弹簧通电时，Miura折纸受到其作用发生较大程度的折叠并储存弹性能；在形状记忆弹簧冷却时，Miura折纸释放弹性能并向某一稳定折叠态转变。受尺蠖运动方式的启发，本发明使用折叠程度较大的呈现曲梁形态的Miura折纸作为机器人的基体。

在本发明的一个具体实施例，如图1所示，本发明将预拉伸的形状记忆弹簧两端通过恰当的连接方式连接在高度折叠态渐变Miura折纸基体内侧的曲面的两端，并通过缝合、捆绑折纸的方式限制渐变Miura折纸的两端的局部折叠能力，以保证渐变Miura折纸在折叠过程保持非刚性折叠态；即渐变Miura折纸只有靠近中间的一部分在运动过程中发生相对显著的非刚性折叠。

如图4和5所示，通过将卡纸裁剪成锯齿状并紧密排列，本发明为机器人制作了能够提供单向摩擦机制的足。在本发明的一个具体实施例中，锯齿有多条，且为棘轮齿条结构，左足和右足的棘轮齿条结构的齿的斜面朝向相同，提供单向摩擦机制使仿生机器人仅能朝设定的方向运动。

在本发明的一个具体实施例中，利用仿生机器人前后两足与地面的摩擦力不同实现折纸机器人的前进，足部与地面接触的结构设计已有图4和图5给出。足部改变摩擦力的方法是通过类棘轮结构的齿条粘结在折纸机器人两端实现的。当足部的类棘轮齿条倾斜方向与运动方向一致时，足部抓紧粗糙地面，此时摩擦力很大；当足部的类棘轮齿条倾斜方向与运动方向相反时，足部释放地面。以如图1所示的仿生机器人结构为例，当对形状记忆合金弹簧加热时，其收缩会带动折纸结构收缩储能，因为形状记忆合金弹簧是两端向内收缩的，此时右侧的足运动方向和类棘轮齿条的倾斜方向是一致的，右足抓紧地面，而左侧的足运动方向和类棘轮齿条倾斜方向是相反的，左足会释放地面，这个过程最终结果是折纸机器人结构左侧整体向前，右侧保持不动，当加热弹簧收缩到某个状态，折纸结构存储了大量弹性势能，此时，断开电源，折纸结构存储的弹性势能将会慢慢释放，把弹簧向两端拉开，而折纸结构也向两端舒张放能，从而导致左足的运动方向和类棘轮齿条倾斜方向相反，左足牢牢抓紧地面，右足运动方向和类棘轮齿条倾斜方向一致，右足释放地面，这样折纸机器人的左侧部分位置保持不变，而右侧向前。循环这样一个周期，折纸机器人就可以向前爬行。

接着本发明对仿生机器人的爬行过程进行了试验记录，实验中采用4V直流电源进行通电，加热30s之后，断电20s作为一个周期，在一个周期内，加热阶段仿生机器人的左足向前运动，右足保持不动，断电阶段，左足保持不动，右足向前运动，通过对实验数据分析，仿生机器人在一个周期内稳定爬行过程左足的位移-时间图像如图6所示。

右足的运动其实是在重复左足的运动，两者相差一个加热时间周期30s。根据图中数据可以分析：刚开始加热的时候，由于要加热到弹簧的相变温度，故需要一点时间，此时左足的位移变化率，也既速度是相对较小的，达到相变温度以后，由于弹簧的快速变化，其左足的速度也是变化较快的，到达30s时由于断电，此时左足位移不再继续变化。通过上述的分析过程，可以看出，本发明验证了利用了渐变Miura折纸结构在由刚性折叠变化为非刚性折叠过程中结构的储能变化可以用来构建新型驱动器结构。

Claims

1.一种基于渐变Miura折纸弹性曲梁的形状记忆弹簧仿生机器人，其特征在于包括呈曲梁形态的Miura折纸基体、形状记忆弹簧、左足和右足；所述的呈曲梁形态的Miura折纸基体采用如下方法制作：在平面纸上按Miura折痕线规划折痕，所述Miura折痕线包括竖向折痕和横向折痕，其中竖向折痕呈直线，且相邻竖向折痕之间的距离沿横向方向呈设定比例缩小或增大；横向折痕呈齿状，横向折痕之间以等间距排列；按折痕折叠得到呈曲梁形态的Miura折纸基体，其中，平面纸的竖向方向即为折纸基体的长度方向，横向方向上相邻竖向折痕距离小的一端作为折纸基体的内侧；所述平面纸为矩形纸，所述竖向折痕的数量为8-20条；所述横向折痕的数量6-16条；

所述的形状记忆弹簧的两端分别固定在折纸基体的两端，所述左足和右足分别连接在折纸基体的左端和右端，其中，左足和右足的底部均设置有齿条结构，所述齿条结构提供单向摩擦机制使仿生机器人仅能朝设定的方向运动;

所述齿条结构为棘轮齿条结构，所述棘轮齿条结构的齿的斜面朝向同一侧，且左足和右足的棘轮齿条结构的齿的斜面朝向相同；

所述的形状记忆弹簧为预拉伸的形状记忆弹簧，所述形状记忆弹簧在通电或加热状态下收缩，断电或冷却状态下恢复形状。

2.根据权利要求1所述的基于渐变Miura折纸弹性曲梁的形状记忆弹簧仿生机器人，其特征在于，所述形状记忆弹簧与折纸基体相连的左右两个固定点均位于折纸基体的内侧。

3.根据权利要求1所述的基于渐变Miura折纸弹性曲梁的形状记忆弹簧仿生机器人，其特征在于，所述的齿条结构的齿部作为仿生机器人支撑面的接触部位，左足和右足的底部包含一个或多个齿条结构。

4.根据权利要求1所述的基于渐变Miura折纸弹性曲梁的形状记忆弹簧仿生机器人，其特征在于，所述左足、右足及其上的齿条结构的材质为纸。