一种基于折纸原理的模块化软体驱动器

1.本发明涉及一种基于折纸原理的模块化软体驱动器，属于机器人领域。


背景技术：

2.软体机器人是近年来机器人领域研究的热点，它具有高柔性、质量小、安全性好等优点，在复杂非结构化环境探测、易碎品抓持以及医工结合等领域展现出巨大的潜力。与传统刚性机器人不同，软体机器人基本无刚性部件，其输出特性主要取决于软体驱动器。其中，气动软体驱动器通常具有采用柔性材料的密闭腔体，在给予一定的气压后，驱动器能够实现设定的弯曲、旋转以及伸缩等运动。由于单一驱动器运动形式固定且损坏后更换困难，突破驱动器模块化方法，构建模块化软体机器人，扩展软体机器人运动灵活性，降低易损驱动器的更换难度具有重要意义。本发明采用基于折纸原理的限制层，在保证各模块在具有相同外观的基础上，实现了弯曲、旋转以及收缩等运动，为模块化软体机器人提供了重要借鉴。


技术实现要素：

3.本发明克服已有技术的不足，提出了一种基于折纸原理的模块化软体驱动器，主要分为输出弯曲、旋转以及收缩的三类软体驱动器及其模块化连接方法，具有结构简单、制造方便、拆卸简单等特点。此外，作为一种基于折纸原理的驱动器，可对其限制层折痕进行进一步优化，让其功能更加丰富。
4.为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
5.一种基于折纸原理的模块化软体驱动器，包括主体、下底面以及模块化连接结构，所述主体胶连在下底面的上表面，从而形成一个密闭的腔室，所述模块化连接结构分别胶连在主体的上侧以及下底面的下侧。
6.所述主体包括软体外壳和纸基限制层，所述的纸基限制层胶连在软体外壳内部；所述主体为立方体抽壳形状，由五个正方形面构成。
7.所述主体中的纸基限制层分为五种构型，通过折痕的不同实现不同的运动；其中，第一构型对应逆时针旋转和收缩复合运动，第二构型对应顺时针旋转和收缩复合运动，第三构型对应单一收缩运动，第四构型和第五构型分别对应右侧弯曲和左侧弯曲运动；所述纸基限制层上的折痕由半切割折痕线以及全断开分割线组成，通过折叠半切割折痕线与软体外壳初步配合。所述的纸基限制层的加工方法，包括但不限于激光切割、刀片刻画等。
8.所述下底面包括软体基底、方纸片以及硅胶管，所述的软体基底中间有沉孔，侧面有圆孔，所述圆孔与沉孔相通，所述方纸片与软体基底直接胶连，方纸片中部开有与沉孔对应的方孔，所述硅胶管与软体基底通过圆孔胶连，硅胶管与气源连接，实现驱动器中气体交换，从而实现驱动器运动。
9.所述模块化连接结构包括凹结构和凸结构，所述的凹结构上有第一斜槽，凸凹槽上有第二斜槽，所述凹结构与凸结构之间为过渡配合，其中第一斜槽和第二斜槽接触，从而
实现模块间稳定、可靠连接。
10.所述的基于折纸原理的模块化软体驱动器可布置不同的纸基限制层，不同驱动器通过模块化连接结构中的凹结构和凸结构连接，可大大提升操作空间，通过一定的驱动器排序，可实现特定功能。
11.本发明与现有技术相比较，具有以下突出实质性特点和显著优点：
12.1.本发明中基于折纸原理的模块化驱动器可在相同的制造模具、制作工艺、几何形状的基础上，实现弯曲、收缩以及扭转与收缩复合运动等多种运动形式。
13.2.本发明具有结构简单，质量小，输出大等特点，采用负压驱动可避免气压过大导致的驱动器破损，为模块化设计提供了良好的基础。
14.3.本发明提供了软体驱动器的模块化连接方法，模块化连接简便，可根据任务进行软体模块重新布置和替换，且可通过优化折纸结构进一步丰富运动形式。
附图说明
15.图1是一种基于折纸原理的模块化软体驱动器的总体结构示意图。
16.图2是主体结构示意图。
17.图3是主体中纸基限制层的五种构型示意图。
18.图4是下底面结构示意图。
19.图5是软体驱动器模块化应用及其连接结构示意图。
20.图6是旋转收缩复合运动驱动器的变形示意图。
21.图7是收缩驱动器的变形示意图。
22.图8是弯曲驱动器的变形示意图。
具体实施方式
23.下面结合附图进一步详细说明本发明实施例的具体结构、工作原理及工作过程。
24.如图1所示，一种基于折纸原理的模块化软体驱动器，包括主体1、下底面2以及模块化连接结构3，所述主体1胶连在下底面2的上表面，从而形成一个密闭的腔室，所述模块化连接结构3分别胶连在主体1的上侧以及下底面2的下侧。
25.如图2所示，所述主体1包括软体外壳4和纸基限制层5，所述的纸基限制层5胶连在软体外壳4内部；所述主体1为立方体抽壳形状，由五个正方形面构成。其中胶连用的胶水包括但不限于未固化硅胶、环氧树脂等。
26.如图3所示，所述主体1中的纸基限制层5分为五种构型，通过折痕的不同实现不同的运动；其中，第一构型6对应逆时针旋转和收缩复合运动，第二构型7对应顺时针旋转和收缩复合运动，第三构型8对应单一收缩运动，第四构型9和第五构型10分别对应右侧弯曲和左侧弯曲运动；所述纸基限制层5上的折痕由半切割折痕线6
‑
1以及全断开分割线6
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2组成，通过折叠半切割折痕线6
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1与软体外壳4初步配合。所述的纸基限制层5的加工方法，包括但不限于激光切割、刀片刻画等。
27.如图4所示，所述下底面2包括软体基底11、方纸片15以及硅胶管13，所述的软体基底11中间有沉孔14，侧面有圆孔12，所述圆孔12与沉孔14相通，所述方纸片15与软体基底11直接胶连，方纸片15中部开有与沉孔14对应的方孔，所述硅胶管13与软体基底11通过圆孔
12胶连，硅胶管13与气源连接，实现驱动器中气体交换，从而实现驱动器运动。
28.如图5所示，所述模块化连接结构3包括凹结构16和凸结构17，所述的凹结构16上有第一斜槽16
‑
1，凸凹槽17上有第二斜槽17
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1，所述凹结构16与凸结构17之间为过渡配合，其中第一斜槽16
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1和第二斜槽17
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1接触，从而实现模块间稳定、可靠连接。所述的软体驱动器可布置有不同纸基限制层，它们通过模块化连接结构3中的凹结构16和凸结构17连接，可大大提升操作空间，通过一定的驱动器排序，可实现特定功能。
29.如图6所示，纸基限制层5的半切割折痕线6
‑
1只有边线和斜对角线，即为第一构型6，接通负压气源后，斜对角线更容易向内变形，从而引导驱动器立方体侧面折叠，产生扭转收缩复合运动。第二构型7的工作机理与第一构型6类似，但旋转方向相反。
30.如图7所示，纸基限制层5含有两个对称的米字形六折痕侧面和两个对称的一字形单折痕侧面，即为第三构型8，接通负压气源后，一字形折痕向内凹，带动米字形折痕折叠，产生收缩运动。
31.如图8所示，纸基限制层5含有两个对称的米字形六折痕侧面，一个一字形单折痕侧面和一个无折痕侧面，即为第四构型9，接通负压气源后，一字形折痕向内凹，带动米字形折痕折叠，而无折痕面变形下，从而产生弯曲运动。第五构型10的工作机理与第四构型9类似，但弯曲方向相反。
32.本发明的具体实施过程如下：
33.硅胶管13与外部真空气源连接，腔室内气体被抽出，当纸基限制层5为第一构型6或第二构型7时，驱动器侧面的斜折痕线处容易发生变形，四个侧面均发生同步折叠，从而产生扭转收缩复合运动；当纸基限制层5位为第三构型8时，驱动器两个侧面的一字形折痕线处容易变形，对应侧面沿着折痕向内凹陷，另外两个侧面的米字形折痕同时向内凹陷，从而产生收缩运动；当纸基限制层为第四构型9或第五构型10时，一个侧面有一字形折痕，这个面的对面无折痕，其余两个面有米字形折痕，一字形折痕比无折痕面更容易变形，因此驱动器向有一字形折痕的侧面弯曲；由于各类驱动器的形状完全相同，可通过模块化连接结构3，进行不同的组合，如采用两个收缩驱动器串联的方式扩大收缩行程，采用收缩和弯曲驱动器结构的方式提升操作空间；驱动后，将硅胶管13与外部大气连接，由于软体外壳4，驱动器能够回复到初始状态，也可将硅胶管13与正压气源连接，加快回复响应时间。