CN114274163A - 基于折纸结构的全向多自由度模块化软体机器人 - Google Patents
基于折纸结构的全向多自由度模块化软体机器人 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于折纸结构的全向多自由度模块化软体机器人，其包括头部传感器、弯曲折纸单元和伸缩折纸单元，头部传感器设于弯曲折纸单元的一端，弯曲折纸单元包括多个折纸模块、连接壳体和弯曲驱动组件，伸缩折纸单元包括多个折纸模块、连接壳体和伸缩驱动组件，且每个折纸模块均包括变异吉村模式折纸机构和变异三浦模式折纸机构，多组变异三浦模式折纸机构圆周均布设于变异吉村模式折纸机构上，且弯曲驱动组件及伸缩驱动组件分别通过控制每组变异三浦模式折纸机构中液体的流通方向带动折纸模块产生弯曲及伸缩运动。本发明具有多自由度柔顺性、自驱简洁性和模块化独立性等优点，可应用于灾后极端环境搜救、管道多曲率爬行等领域。
Description
技术领域
本发明属于软体机器人技术领域，特别涉及一种基于折纸结构的全向多自由度模块化软体机器人。
背景技术
近年来，随着材料科学、3D打印技术等相关领域的发展，机器人技术衍生出一个新兴的分支，即软体机器人技术。相较于传统的刚性机器人而言，软体机器人表现出其优异的柔顺性和环境自适应性，可广泛应用于灾后搜救、探测等领域。
如中国专利CN202010978966.8提出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。中国专利CN201811305802.8提出了一种基于管状折纸结构的脉冲喷射式水下机器人，该机器人由脉冲喷射机构和两个转向推进机构组成，其中脉冲喷射机构实现储水-喷水-储水-喷水的重复过程，采用脉冲式喷射推进方式实现机器人运动；两个转向推进机构的结构相同，可实现左右转向功能。现有的基于折纸结构的软体机器人可进行伸缩或左右转向运动，但还未能体现出软体机器人多自由度柔顺性等特点，针对于复杂多曲率环境下软体机器人的运动情况，目前还未有成熟的解决方案。因此本发明提供一种基于折纸结构的全向多自由度模块化软体机器人，用于解决以上问题。
发明内容
针对以上情况，本发明提供了一种基于折纸结构的全向多自由度模块化软体机器人，解决了现有技术的不足，具有多自由度柔顺性、自驱简洁性和模块化独立性等优点，可应用于灾后极端环境搜救、管道多曲率爬行等领域。
本发明采用的技术方案是一种基于折纸结构的全向多自由度模块化软体机器人，其包括头部传感器、弯曲折纸单元和伸缩折纸单元，所述头部传感器设于所述弯曲折纸单元的一端，所述弯曲折纸单元包括多个折纸模块、连接壳体以及设于所述连接壳体中的弯曲驱动组件，所述伸缩折纸单元包括多个折纸模块、连接壳体以及设于所述连接壳体中的伸缩驱动组件，且所述弯曲折纸单元中每个折纸模块之间、所述伸缩折纸单元中每个折纸模块之间以及所述弯曲折纸单元与所述伸缩折纸单元之间均通过连接壳体连接；所述每个折纸模块均包括变异吉村模式折纸机构和变异三浦模式折纸机构，所述变异吉村模式折纸机构由若干个折纸单元折叠连接阵列组合而成，且所述变异吉村模式折纸机构折叠后其轴向呈多边形形状，所述变异三浦模式折纸机构是由折纸单元折叠并裁剪而成的腔体结构，多组所述变异三浦模式折纸机构绕所述变异吉村模式折纸机构圆周均布设于所述变异吉村模式折纸机构的折叠贴合面之间，且同组中相邻两个所述变异三浦模式折纸机构之间采用软管相连通；所述弯曲驱动组件包括第一液压微型齿轮泵和两位三通电磁阀，且所述第一液压微型齿轮泵通过所述两位三通电磁阀分别与所述弯曲折纸单元中每个折纸模块最底部的变异三浦模式折纸机构相连通，所述伸缩驱动组件包括第二液压微型齿轮泵和夹管阀，且所述第二液压微型齿轮泵通过所述夹管阀分别与所述弯曲折纸单元中每个折纸模块最底部的变异三浦模式折纸机构相连通，所述弯曲驱动组件及伸缩驱动组件分别通过控制每组所述变异三浦模式折纸机构中液体的流通方向带动所述折纸模块产生弯曲及伸缩运动。
优选地，所述变异吉村模式折纸机构的折叠贴合面处设有柔性折板层，且所述变异吉村模式折纸机构与所述变异三浦模式折纸机构通过所述柔性折板层连接。
优选地，所述变异三浦模式折纸机构的外侧面均布置有磁贴薄片。
进一步地，多组所述变异三浦模式折纸机构包括第一变异三浦模式折纸机构、第二变异三浦模式折纸机构以及第三变异三浦模式折纸机构，所述第一变异三浦模式折纸机构、第二变异三浦模式折纸机构以及第三变异三浦模式折纸机构均布设于所述变异吉村模式折纸机构的外侧圆周处。
进一步地，所述弯曲驱动组件包括第一液压微型齿轮泵、两位三通电磁阀、控制器和电池组，所述第一液压微型齿轮泵的第一油口通过软管与所述弯曲折纸单元中第一变异三浦模式折纸机构的入口相连通，且所述第一液压微型齿轮泵的第二油口通过所述两位三通电磁阀与所述弯曲折纸单元中第二变异三浦模式折纸机构以及第三变异三浦模式折纸机构的入口相连通，所述控制器和电池组均设于连接壳体中，通过所述控制器的协调控制，能实现所述弯曲驱动单元的弯曲运动。
进一步地，所述伸缩驱动组件包括三组伸缩驱动组件，且每组所述伸缩驱动组件均包括第二液压微型齿轮泵、夹管阀、控制器和电池组，所述第二液压微型齿轮泵的第一油口连接有储囊，且所述第二液压微型齿轮泵的第二油口通过所述夹管阀与所述伸缩折纸单元中第一变异三浦模式折纸机构、第二变异三浦模式折纸机构以及第三变异三浦模式折纸机构的入口相连通，所述控制器和电池组均设于连接壳体中，通过所述控制器的协调控制，能实现所述伸缩驱动单元的伸缩运动。
优选地，所述连接壳体包括壳体本体、上盖板和下盖板，所述上盖板和下盖板分别设于所述壳体本体的第一端和第二端，且所述折纸模块的两端分别与所述上盖板和下盖板相连接。
本发明的特点和有益效果是：
1、本发明提供的一种基于折纸结构的全向多自由度模块化软体机器人，设置有弯曲折纸单元及伸缩折纸单元，通过驱动弯曲折纸单元及伸缩折纸单元动作，可以实现可实现机器人空间范围内全向弯曲和伸缩，具有多自由度柔顺性的特点。
2、本发明提供的一种基于折纸结构的全向多自由度模块化软体机器人，基于折纸模块的模块化组合，可以根据实际工作要求设置多个弯曲折纸单元及伸缩折纸单元，有利于适用于不同工况，具有适用性强、通用性高等优点。
3、本发明提供的一种基于折纸结构的全向多自由度模块化软体机器人，折纸模块采用若干个折纸单元进行构造制作，在制造工艺上具有高效实用性特点。
4、本发明提供的一种基于折纸结构的全向多自由度模块化软体机器人，采用液体驱动控制系统，通过弯曲驱动组件以及伸缩驱动组件控制软体机器人的弯曲和伸缩，其驱动方式具有自驱简洁性特点，同时采用液体驱动以及在变异三浦模式折纸机构外侧设置的磁贴薄片，可以实现弯曲折纸单元或伸缩折纸单元位置方向的锁定，在软体形态上具有模块化独立性特点。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的弯曲折纸单元的结构示意图；
图3是本发明的伸缩折纸单元的结构示意图；
图4是本发明的伸缩折纸单元的折叠示意图；
图5是本发明变异吉村模式折纸机构的折痕示意图；
图6是本发明变异三浦模式折纸机构的折痕示意图。
主要附图标记：
头部传感器1；折纸模块2；变异吉村模式折纸机构21；变异三浦模式折纸机构22；柔性折板层23；磁贴薄片24；软管6；弯曲折纸单元7；伸缩折纸单元8；连接壳体9；壳体本体91；上盖板92；下盖板93；折痕峰线11；折痕谷线12；裁剪线13；变异吉村模式折纸机构21的二维折痕点集14；变异吉村模式折纸机构21的三维折痕点集15；变异三浦模式折纸机构22的二维折痕点集16；变异三浦模式折纸机构22的三维折痕点集17。
具体实施方式
为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。
本发明提供一种基于折纸结构的全向多自由度模块化软体机器人，如图1所示，其包括头部传感器1、弯曲折纸单元7和伸缩折纸单元8，头部传感器1设于弯曲折纸单元7的一端，弯曲折纸单元7包括多个折纸模块2、连接壳体9以及设于连接壳体9中的弯曲驱动组件，伸缩折纸单元8包括多个折纸模块2、连接壳体9以及设于连接壳体9中的伸缩驱动组件，且弯曲折纸单元7中每个折纸模块2之间、伸缩折纸单元8中每个折纸模块2之间以及弯曲折纸单元7与伸缩折纸单元8之间均通过连接壳体9连接。
在一种优选方式中，连接壳体9包括壳体本体91、上盖板92和下盖板93，上盖板92和下盖板93分别设于壳体本体91的第一端和第二端，且折纸模块2的两端分别与上盖板92和下盖板93相连接。
如图2～图4所示，其每个折纸模块2均包括变异吉村模式折纸机构21和变异三浦模式折纸机构22，变异吉村模式折纸机构21由若干个折纸单元折叠连接阵列组合而成，且变异吉村模式折纸机构21折叠后其轴向呈多边形形状，变异三浦模式折纸机构22是由折纸单元折叠并裁剪而成的腔体结构，多组变异三浦模式折纸机构22绕变异吉村模式折纸机构21圆周均布设于变异吉村模式折纸机构21的折叠贴合面之间，且同组中相邻两个变异三浦模式折纸机构22之间采用软管6相连通，弯曲驱动组件包括第一液压微型齿轮泵和两位三通电磁阀，且第一液压微型齿轮泵通过两位三通电磁阀分别与弯曲折纸单元7中每个折纸模块2最底部的变异三浦模式折纸机构22相连通，伸缩驱动组件包括第二液压微型齿轮泵和夹管阀，且第二液压微型齿轮泵通过夹管阀分别与弯曲折纸单元7中每个折纸模块2最底部的变异三浦模式折纸机构22相连通，弯曲驱动组件及伸缩驱动组件分别通过控制每组变异三浦模式折纸机构22中液体的流通方向带动折纸模块2产生弯曲及伸缩运动。
优选地，变异吉村模式折纸机构21的折叠贴合面处设有柔性折板层23，且变异吉村模式折纸机构21与变异三浦模式折纸机构22通过柔性折板层23连接。变异三浦模式折纸机构22的外侧面均布置有磁贴薄片24，当变异吉村模式折纸机构21发生压缩或弯曲运动时，变异三浦模式折纸机构22外侧的磁贴薄片24相互吸附，即产生对应运动状态锁定效果。其中变异吉村模式折纸机构21采用刚性PET薄板折叠制成，变异三浦模式折纸机构22采用超弹性硅胶材料制成。
进一步地，弯曲驱动组件包括第一液压微型齿轮泵、两位三通电磁阀、控制器和电池组，第一液压微型齿轮泵的第一油口通过软管与弯曲折纸单元7中第一变异三浦模式折纸机构的入口相连通，且第一液压微型齿轮泵的第二油口通过两位三通电磁阀与弯曲折纸单元7中第二变异三浦模式折纸机构以及第三变异三浦模式折纸机构的入口相连通，控制器和电池组均设于连接壳体9中，通过控制器输出电压信号进而协调控制第一液压微型齿轮泵的启停以及两位三通电磁阀不同油口的开闭，即例如当液体通路方向为由第一变异三浦模式折纸结构的油路至第二变异三浦模式折纸机构以及第三变异三浦模式折纸机构的油路时，弯曲折纸单元7表现为向第一变异三浦模式折纸结构弯曲状态，通过控制器的协调控制，可采取不同控制策略进而使弯曲折纸单元7产生不同方向弯曲状态，其中电池组用于为控制器和第一液压微型齿轮泵供电。
进一步地，伸缩驱动组件包括三组伸缩驱动组件，且每组伸缩驱动组件均包括第二液压微型齿轮泵、夹管阀、控制器和电池组，第二液压微型齿轮泵的第一油口连接有储囊，且第二液压微型齿轮泵的第二油口通过夹管阀与伸缩折纸单元8中第一变异三浦模式折纸机构、第二变异三浦模式折纸机构以及第三变异三浦模式折纸机构的入口相连通，此时第一变异三浦模式折纸机构、第二变异三浦模式折纸机构以及第三变异三浦模式折纸机构分别与储囊形成了液体通路，控制器和电池组均设于连接壳体9中，通过控制器输出电压信号进而协调控制第二液压微型齿轮泵的启停以及夹管阀的开闭，当液体通路方向为由变异三浦模式折纸机构22至储囊时，折纸耦合模块呈现为压缩状态，相反即为伸长状态，其中电池组用于为控制器和第二液压微型齿轮泵供电。
如图2～图4所示，多组变异三浦模式折纸机构22包括第一变异三浦模式折纸机构、第二变异三浦模式折纸机构以及第三变异三浦模式折纸机构，第一变异三浦模式折纸机构、第二变异三浦模式折纸机构以及第三变异三浦模式折纸机构均布设于变异吉村模式折纸机构21的外侧圆周处。
如图5和图6所示，变异吉村模式折纸机构21的三维折痕点集15对应变异吉村模式折纸机构21的二维折痕点集14，该变异吉村模式折纸机构21的三维形态由变异吉村模式折纸机构21的二维形态沿折痕峰线11向外翻折和折痕谷线12向内翻折构成。且变异三浦模式折纸机构22的三维折痕点集17对应变异三浦模式折纸机构22的二维折痕点集16，先经由两组变异三浦模式折纸结构22的二维形态沿折痕峰线11向外翻折和折痕谷线12向内翻折对称构成Q1-Q9形态，再经由裁剪线13裁剪构成最终变异三浦模式折纸结构的三维形态。
进一步地，在本发明中，面P1P4P7和面P3P6P9和所构成的二面角应为120度，折纸模块2中变异吉村模式折纸结构21的三维形态P1-P9沿轴向圆周阵列和线性阵列得到。变异三浦模式折纸结构22的三维形态中的锐角∠Q3Q6Q9为90度。特殊的，变异吉村模式折纸结构21的三维形态中的二面角∠P3-P5P6-P9应该与变异三浦模式折纸结构22的三维形态中的二面角∠Q3-Q5Q5'-Q9满足如下关系：
tan(∠P3-P5P6-P9)＝tan(∠Q3-Q5Q'5-Q9)
本发明的具体操作步骤如下：
如图1～图5所示，本发明的一种基于折纸结构的全向多自由度模块化软体机器人，其包括头部传感器1、弯曲折纸单元7和伸缩折纸单元8，且弯曲折纸单元7和伸缩折纸单元8中的每个折纸模块2均包括变异吉村模式折纸机构21和变异三浦模式折纸机构22，多组变异三浦模式折纸机构22绕变异吉村模式折纸机构21圆周均布设于变异吉村模式折纸机构21的折叠贴合面之间。在具体工作过程中，通过控制弯曲驱动组件中的第一液压微型齿轮泵和两位三通电磁阀，可以使得部传感器1后部折纸模块2产生弯曲运动，有利于机器人头部传感器1实现自由灵活运动；同时通过控制伸缩驱动组件中的第二液压微型齿轮泵和夹管阀，可以实现机器人的折叠和伸展运动，可应用于灾后极端环境搜救、管道多曲率爬行等领域。
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)
1.一种基于折纸结构的全向多自由度模块化软体机器人，其特征在于，其包括头部传感器、弯曲折纸单元和伸缩折纸单元，
所述头部传感器设于所述弯曲折纸单元的一端，所述弯曲折纸单元包括多个折纸模块、连接壳体以及设于所述连接壳体中的弯曲驱动组件，所述伸缩折纸单元包括多个折纸模块、连接壳体以及设于所述连接壳体中的伸缩驱动组件，且所述弯曲折纸单元中每个折纸模块之间、所述伸缩折纸单元中每个折纸模块之间以及所述弯曲折纸单元与所述伸缩折纸单元之间均通过连接壳体连接；
所述每个折纸模块均包括变异吉村模式折纸机构和变异三浦模式折纸机构，所述变异吉村模式折纸机构由若干个折纸单元折叠连接阵列组合而成，且所述变异吉村模式折纸机构折叠后其轴向呈多边形形状，所述变异三浦模式折纸机构是由折纸单元折叠并裁剪而成的腔体结构，多组所述变异三浦模式折纸机构绕所述变异吉村模式折纸机构圆周均布设于所述变异吉村模式折纸机构的折叠贴合面之间，且同组中相邻两个所述变异三浦模式折纸机构之间采用软管相连通；
所述弯曲驱动组件包括第一液压微型齿轮泵和两位三通电磁阀，且所述第一液压微型齿轮泵通过所述两位三通电磁阀分别与所述弯曲折纸单元中每个折纸模块最底部的变异三浦模式折纸机构相连通，所述伸缩驱动组件包括第二液压微型齿轮泵和夹管阀，且所述第二液压微型齿轮泵通过所述夹管阀分别与所述弯曲折纸单元中每个折纸模块最底部的变异三浦模式折纸机构相连通，所述弯曲驱动组件及伸缩驱动组件分别通过控制每组所述变异三浦模式折纸机构中液体的流通方向带动所述折纸模块产生弯曲及伸缩运动。
2.根据权利要求1所述的基于折纸结构的全向多自由度模块化软体机器人，其特征在于，所述变异吉村模式折纸机构的折叠贴合面处设有柔性折板层，且所述变异吉村模式折纸机构与所述变异三浦模式折纸机构通过所述柔性折板层连接。
3.根据权利要求1所述的基于折纸结构的全向多自由度模块化软体机器人，其特征在于，所述变异三浦模式折纸机构的外侧面均布置有磁贴薄片。
4.根据权利要求1所述的基于折纸结构的全向多自由度模块化软体机器人，其特征在于，多组所述变异三浦模式折纸机构包括第一变异三浦模式折纸机构、第二变异三浦模式折纸机构以及第三变异三浦模式折纸机构，所述第一变异三浦模式折纸机构、第二变异三浦模式折纸机构以及第三变异三浦模式折纸机构均布设于所述变异吉村模式折纸机构的外侧圆周处。
5.根据权利要求1所述的基于折纸结构的全向多自由度模块化软体机器人，其特征在于，所述弯曲驱动组件包括第一液压微型齿轮泵、两位三通电磁阀、控制器和电池组，所述第一液压微型齿轮泵的第一油口通过软管与所述弯曲折纸单元中第一变异三浦模式折纸机构的入口相连通，且所述第一液压微型齿轮泵的第二油口通过所述两位三通电磁阀与所述弯曲折纸单元中第二变异三浦模式折纸机构以及第三变异三浦模式折纸机构的入口相连通，所述控制器和电池组均设于连接壳体中，通过所述控制器的协调控制，能实现所述弯曲驱动单元的弯曲运动。
6.根据权利要求1所述的基于折纸结构的全向多自由度模块化软体机器人，其特征在于，所述伸缩驱动组件包括三组伸缩驱动组件，且每组所述伸缩驱动组件均包括第二液压微型齿轮泵、夹管阀、控制器和电池组，所述第二液压微型齿轮泵的第一油口连接有储囊，且所述第二液压微型齿轮泵的第二油口通过所述夹管阀与所述伸缩折纸单元中第一变异三浦模式折纸机构、第二变异三浦模式折纸机构以及第三变异三浦模式折纸机构的入口相连通，所述控制器和电池组均设于连接壳体中，通过所述控制器的协调控制，能实现所述伸缩驱动单元的伸缩运动。
7.根据权利要求1所述的基于折纸结构的全向多自由度模块化软体机器人，其特征在于，所述连接壳体包括壳体本体、上盖板和下盖板，所述上盖板和下盖板分别设于所述壳体本体的第一端和第二端，且所述折纸模块的两端分别与所述上盖板和下盖板相连接。
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