基于折纸思想的自折展机器人机构演变与运动规律研究

Self-folding robot mechanisms can be achieved by transferring two-dimensional origami structures into three dimensional self-folding mechanisms based on the idea of origami, and which can be assembled into a robot with different structure and motion characteristics according to the specific task. The robot has a wide application prospect in reconnaissance, detection, rescue and medical fields. It is the key issues to design the origami mechanism, mechanism evolution and movement rules that can be realized through folding deformation. The self-folding crease structure can be designed based on the intelligent performance of shape memory polymer. The geometric origami algorithm is used to explore the crease distribution of tabular origami structure with different folding deformation. The design method of self-folding robot mechanisms is obtained. The adjacency matrix is applied to describe the configuration of the origami mechanism at different folding conditions. The relationship between the folding deformation and the configuration change is built by applying the mathematical method of matrix calculus. The law on evolution of the tabular origami mechanism is explored which can realize different motion. The viscoelastic mechanics theory is applied to build the model reflecting the relationship between the folding deformation and motion law of the origami mechanism and rigid-flexible transformation properties of shape memory polymer based on the constitutive relation of shape memory polymer. The transfer relationship of force and motion between the folding units during folding deformation of origami mechanism is established based on the presented model, and the relationship between the deformation of each folding unit and robot motion is formed which the locomotion law of folding robot is revealed.

自折展机器人是基于折纸思想根据具体任务和环境将二维平板折纸结构通过折展变形自动折叠成具有不同结构和运动特性的机器人，在侦察、探测、救援及医疗等领域有广阔的应用前景。设计能通过折展变形实现运动的折纸机构、机构演变和运动规律是其关键问题。基于形状记忆聚合物的智能属性设计能实现自折叠的折痕结构，采用几何折纸算法研究能实现不同折展变形的管状折纸结构的折痕分布规律，形成折展机器人机构设计方法。采用邻接矩阵描述在不同折展状态下折纸机构构型，采用矩阵演算方法分析折展变形与构型变化之间的关系，形成实现不同运动形式的管状折纸机构演变规律。基于粘弹性力学理论和形状记忆聚合物的本构关系，建立反映形状记忆聚合物的刚柔转化效应与折纸机构折展变形和运动之间关系的非线性多场耦合力学模型。基于该模型研究折纸机构折展变形时各折展单元之间的力和运动传递关系，形成各折展单元变形与机器人运动之间的规律，揭示折展机器人的运动规律。

折纸机构能通过折展变化诱发不同于传统机构的运动和力学性能，在侦察、探测、救援及医疗等领域有广阔的应用前景。项目基于折纸思想对折展机器人的设计、运动规律、动力学行为和其应用方面进行研究。提出了一种可重构折纸机构的设计方法，依据折纸机构的折痕分布将其进行单元划分，发现利用单元的叠合可构造出不同构型的折纸机构。研究分析了折叠单元的形状与折叠单元可重叠性之间的关系，形成了可重构折纸机构的设计方法，为折纸机构应用于机器人提供设计依据。为了描述折纸机器人的力学和动力学特性，提出一种传递矩阵法建立其力学模型。将折纸机构分解成若干力学特征单元，采用传递矩阵法描述其力学状态量的传递关系。所建立的力学模型能描述折纸机构折展变形时各折展单元之间的力和运动传递关系，推导出各折展单元折展运动与机器人运动之间的关系，揭示折展机器人的力学规律。在对折纸机构的理论研究基础上，探究了折纸机构在机器人方面的应用。首先，提出一种基于Kresling折纸机构的折纸恒力机构设计方法。研究分析了Kresling折纸结构的多稳态行为，建立了该折纸结构的刚度模型，分析结构参数对其刚度的影响，探析了形成零刚度结构的可行性和条件。利用Kresling折纸结构的双稳态行为，设计了两种具有恒力特性的机构，为折纸结构在恒力机构的应用提供了思路。其次，提出了基于折纸结构的软体阀设计方法。利用折纸结构的折展变形实现软体气道的堵塞，以控制软体气道的通断。所设计的软体阀为软体机器人控制提供新思路。最后，受折纸机构的折展运动启发，设计了一种可以旋转运动的连续体机械臂，并将该连续体机械臂应用于救援机器人领域，取得较好的效果。所取得研究成果拓宽了折纸机器人研究领域，为折纸机器人在侦察、探测、救援及医疗等应用领域提供重要的理论支撑，对扩大其应用场合具有十分重要的理论和实际意义。