CN114800466B - 一种基于折纸结构的软体模块及软体机器人 - Google Patents
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Abstract
一种基于折纸结构的软体模块及软体机器人，包含应变层结构、隔板、侧板和底板；隔板两侧分别布置有与隔板相连的一个应变层结构，两个应变层结构形成人字形构造，人字形构造的两侧和底部分别设置有侧板和底板，侧板和底板分别与隔板和应变层结构固接；隔板、底板和应变层结构分出两个内腔，所述应变层结构、隔板、侧板和底板均为弹性体，每个应变层结构由若干个折纸单元阵列而成，折纸单元为五折痕折纸单元，每个应变层结构的若干个折纸单元的顶点在同一条直线上，人字形构造折叠后其轴向呈五边形，侧板上开有与两个内腔贯通的通气孔，应变层结构实现形变。本发明结构简便，软体模块可连接自由组合成多种软体机器人构型。
Description
技术领域
本发明涉及一种软体模块及机器人，尤其涉及一种基于折纸结构的软体模块及软体机器人。
背景技术
刚性机器人一般表现为通过关节连接的机械臂或由机械结构装配而成的应用型机器人，本身功率很大且动力充足、性能稳定。然而传统意义上的刚性机器人，因为受到自身刚性结构和结构装配等因素影响，导致其体积较大、灵活性不足，存在自由度偏低、难以适应复杂的工作环境、进行人机交互时不够安全等缺点，使其大部分应用于结构化环境当中[1 , 2 , 3]，无法在复杂环境或狭小空间中应用，这给人们的工作和生活都带来了许多不便。在一些比较特殊的应用环境下需要性能更优的机器人，例如辅助医生对脆弱的人体进行临床医疗、对人们难以进入的狭小管道进行检测维修、对一些柔软物体或者易碎品的抓取以及搬运。因此，对软材料制作而成的软体机器人的研究便显得尤为重要。软体机器人自身可以连续变形，自由度非常高，可以减小刚性机器人适应性、安全性、自由度不足所带来的影响，具备很大的市场需求和广阔的应用前景。
软体机器人是一个学科交叉的研究领域，囊括生物学、材料力学、控制学、机器人机构学等学科和精密机械仪器设计制造与智能材料等工业领域以及有限元分析、3D打印等尖端技术，意在通过模仿生物的运动(主要是软体动物)，设计出近似的形态结构并模拟出运动方式，以便于在复杂的外部环境中通过弯曲、膨胀、收缩等变形实现期望的动作或完成预期的任务，对环境的适应性强。传统刚性机器人主要依赖各种电机和气缸等进行驱动，通过各个刚性模块之间的连接组合成工作空间对末端执行器进行控制，一般精度比较高，但也会因为其刚性结构产生许多工作限制。软体机器人则模仿生物的驱动方式，生物的运动主要依赖肌肉组织驱动，通过设计出模仿生物形态结构软体驱动器可以从根本上实现仿生学的要求，所以在驱动方式和结构设计上进行研究是仿生软体机器人设计的关键。
软体机器人实现运动主要依赖于结构设计，现有的结构主要为腔体设计，应用较多的是圆柱形内腔、方形内腔和其衍生设计，通过多腔设计实现弯曲性能，但这样的结构存在制作工艺复杂、弯曲角度小的问题。
发明内容
本发明为克服现有技术不足，提供一种基于折纸结构的软体模块及软体机器人。
一种基于折纸结构的软体模块包含应变层结构、隔板、侧板和底板；隔板两侧分别布置有与隔板相连的一个应变层结构，两个应变层结构形成人字形构造，人字形构造的两侧和底部分别设置有侧板和底板，侧板和底板分别与隔板和应变层结构固接；隔板、底板和应变层结构分出两个内腔，所述应变层结构、隔板、侧板和底板均为弹性体，每个应变层结构由若干个折纸单元阵列而成，折纸单元为五折痕折纸单元，每个应变层结构的若干个折纸单元的顶点在同一条直线上，人字形构造折叠后其轴向呈五边形，侧板上开有与两个内腔贯通的通气孔，用于将内腔与外界连通，通过通气孔向内腔充气或抽气时应变层结构实现形变。
所述软体机器人为两个软体模块相连而成的S型构型。
所述软体机器人为三个软体模块相连而成的Ω型构型。
本发明相比现有技术的有益效果是：
引入折纸结构设计软体模块，使软体机器人具有更大的折展比和响应率；软体模块具有运动能力，可以改变自身构型，制作简便；单个软体模块具有对称双腔，可以实现转向和大弯曲等多种运动，软体模块可以通过连接自由组合成各种需要的构型，能够实现多种仿生运动和多种任务，软体模块对操作人员具有友好性。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
图1为本发明软体模块的整体结构立体图；
图2为从下往上看的软体模块的立体图；
图3为去掉底板后的软体模块的立体图；
图4为软体模块的侧视图；
图5为折纸单元的平面图；
图6为折纸单元的折展状态图；
图7为五折痕应变层结构的折痕排布图；
图8为S型构型的软体机器人结构图；
图9为Ω型构型的软体机器人结构图。
具体实施方式
如图1-图4所示，一种基于折纸结构的软体模块，包含应变层结构1、隔板2、侧板3和底板4；
隔板2两侧分别布置有与隔板2相连的一个应变层结构1，两个应变层结构1形成人字形构造，人字形构造的两侧和底部分别设置有侧板3和底板4，侧板3和底板4分别与隔板2和应变层结构1固接；隔板2、底板4和应变层结构1分出两个内腔，所述应变层结构1、隔板2、侧板3和底板4均为弹性体，每个应变层结构1由若干个折纸单元1-1阵列而成，折纸单元1-1为五折痕折纸单元，每个应变层结构1的若干个折纸单元1-1的顶点在同一条直线上，人字形构造折叠后其轴向呈五边形，侧板3上开有与两个内腔贯通的通气孔，用于将内腔与外界连通，通过通气孔向内腔充气或抽气时应变层结构1实现形变。
通过对部分折纸结构进行比较分析，发现单顶点五折痕结构在单一方向具有较大的拉伸比且结构简单等优势，可以以此结构为基础对软体驱动器的应变层结构进行设计。本发明的单顶点五折痕结构的折纸单元及折痕排布分别如图5-图7所示，所述折纸单元1-1为矩形结构，矩形结构的两条对角线的交点为可折展点A，可折展点A分别与四角边界点B和宽边的中间点C之间形成直线折痕，折纸单元1-1的长边为边界折痕CD，该边界折痕CD为一个折纸单元1-1与相邻的折纸单元1-1之间共有的直线折痕，其中可折展点A与四角边界点B之间的直线折痕为山线，可折展点A与宽边中间点C之间的直线折痕为谷线。图中，实线代表山线，虚线代表谷线。由图5和图6可以看出，在折纸单元1-1几何参数固定的情况下，折纸单元1-1的轴向长度会随着折纸结构的折叠而发生变化，其伸长量取决于折纸单元1-1的折叠角度。
通过改变折纸结构的初始折叠角度，可以使得折纸结构在轴向具有较大的折展比。基于单顶点六折痕结构大折展特点，在单顶点六折痕结构的基础上进行衍生设计，并将其应用在气动软体机器人的应变层结构1设计当中，提高应变层的轴向拉伸比，图1-图3是基于折纸结构的软体机器人模块单元，该模块单元含有对称的两个腔体，带折痕的为应变层结构1，主要进行形变和完成转向功能，基于单顶点五折痕的折纸单元设计的应变层结构1加大了腔体的形变能力，假设整个模型长度为单位1，折痕的设计使应变层折叠展开比更大，软体模块单元弯曲性能更好。
优选地，整个软体模块中应变层结构1、隔板2、侧板3和底板4的材质均为硅胶。如图2所示，采用气压驱动，向单个内腔充气时，软体模块实现转向运动。向两个内腔同时充气时，软体模块实现弯曲运动。可以适用于多种仿生运动。
图7的软体模块可以自动完成“一字形”与“C字形”的构型转换；
还可以进行多种排列组合，例如：如图8所示，所述软体机器人为两个软体模块相连而成的S型构型。两个软体模块串联实现“S形”蛇行仿生运动。
或者，如图9所示，所述软体机器人为三个软体模块相连而成的Ω型构型。三个软体模块串联可组成尺蠖构型，实现Ω型仿生尺蠖运动。五个软体模块进行“躯干”与“四足”组装。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。
Claims (6)
1.一种基于折纸结构的软体模块，其特征在于：包含应变层结构(1)、隔板(2)、侧板(3)和底板(4)；
隔板(2)两侧分别布置有与隔板(2)相连的一个应变层结构(1)，两个应变层结构(1)形成人字形构造，人字形构造的两侧和底部分别设置有侧板(3)和底板(4)，侧板(3)和底板(4)分别与隔板(2)和应变层结构(1)固接；隔板(2)、底板(4)和应变层结构(1)分出两个内腔，所述应变层结构(1)、隔板(2)、侧板(3)和底板(4)均为弹性体，每个应变层结构(1)由若干个折纸单元(1-1)阵列而成，折纸单元(1-1)为五折痕折纸单元，所述折纸单元(1-1)为矩形结构，矩形结构的两条对角线的交点为可折展点A，可折展点A分别与四角边界点B和宽边的中间点C之间形成直线折痕，折纸单元(1-1)的长边为边界折痕CD，该边界折痕CD为一个折纸单元(1-1)与相邻的折纸单元(1-1)之间共有的直线折痕，其中可折展点A与四角边界点B之间的直线折痕为山线，可折展点A与宽边中间点C之间的直线折痕为谷线，折纸单元(1-1)的轴向长度会随着折纸结构的折叠而发生变化，使得折纸结构在轴向具有较大的折展比，每个应变层结构(1)的若干个折纸单元(1-1)的顶点在同一条直线上，人字形构造折叠后其轴向呈五边形，侧板(3)上开有与两个内腔贯通的通气孔(3-1)，用于将内腔与外界连通，通过通气孔(3-1)向内腔充气或抽气时应变层结构(1)实现形变。
2.根据权利要求1所述一种基于折纸结构的软体模块，其特征在于：所述应变层结构（1）、隔板（2）、侧板（3）和底板（4）的材质均为硅胶。
3.根据权利要求1所述一种基于折纸结构的软体模块，其特征在于：向单个内腔充气时，软体模块实现转向运动。
4.根据权利要求1所述一种基于折纸结构的软体模块，其特征在于：向两个内腔同时充气时，软体模块实现弯曲运动。
5.利用权利要求1-4任一项所述基于折纸结构的软体模块制成的软体机器人，其特征在于：所述软体机器人为两个软体模块相连而成的S型构型。
6.利用权利要求1-4任一项所述基于折纸结构的软体模块制成的软体机器人，其特征在于：所述软体机器人为三个软体模块相连而成的Ω型构型。
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