基于折纸机构的模块化高伸缩率机器人制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
基于折纸机构的模块化高伸缩率机器人
本专利技术涉及一种机器人，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。本专利技术属于可伸缩机器人

技术介绍
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。
技术实现思路
鉴于上述原因，本专利技术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，本专利技术采用以下技术方案：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专利技术的优点：1、折纸模块具有高伸缩率，且结构牢固不易损坏。由于本专利技术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，本专利技术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、模块化设计使本专利技术具有较好的拓展性。由于本专利技术采用模块化设计，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，故本专利技术具有较好的拓展性、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。本专利技术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，实现本专利技术轴向的较高伸缩率及较好的柔顺性、自适应性。本专利技术可广泛地应用于探测、救援等领域。附图说明图1为本专利技术实施例一机器人伸长状态立体结构示意图；图2为本专利技术实施例一伸长状态正视图；图3为本专利技术实施例一压缩状态正视图；图4为本专利技术折纸模块立体结构示意图图5为构成本专利技术的折纸模块折痕示意图；图6为本专利技术实施例二机器人伸长状态立体结构示意图；图7为本专利技术实施例二伸长状态正视图；图8为本专利技术实施例二压缩状态正视图；图9为构成本专利技术的基座结构示意图；图10为本专利技术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为本专利技术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，为便于描述本专利技术结构特征和简化描述，在本专利技术的描述中，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，本专利技术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，构成本专利技术的折纸模块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，在轴向伸长时会本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵延治，魏显贺，徐东阳，于海波，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13