基于折纸结构的软体机械臂模块及机械臂

1.本发明涉及软体机械臂结构领域，具体地，涉及基于折纸结构的软体机械臂模块及机械臂。


背景技术：

2.折纸结构泛指一切将二维薄片通过折叠形成的三维结构，由于其无穷的设计空间,突出的变形状、变大小、变拓扑特性,以及由折叠诱发的超常规力学特性而受到了教育学家、数学家、建筑学家、物理学家和工程科学家们的广泛关注。近些年来，学者们提出了许多基于折纸的结构设计：从大尺度的可展开航天结构，到中等尺度的自折叠机器人，再到小尺度的微纳折叠元件等。
3.软体机械臂由柔性材料制成，具有较高的柔性和可变形性。相比传统的机械臂，软体机械臂适应性更强，可以适应不同工况，完成更多种类的任务。例如，软体机械臂可以用于医疗机器人中的手术操作，可以在复杂的解剖结构中完成精细的操作；在智能制造中，软体机械臂可以用于物料搬运和装配，需要适应不同形状和重量的物料，并完成精准的操作。因为软体机械臂需要适应这些复杂工况，所以其结构需要有更高的空间利用率，更好的变形特性以及超常规的力学特性，而折纸结构恰恰具有这些特性。
4.目前，现有技术如cn210819563u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，包括软体驱动器、上下端盖板及充气系统，所述的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。所述的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。
5.在现有的折纸结构中，tmp(tachi-miura polyhedron)折纸结构具有独特的波纹管特征，在长宽两个维度上有较好的延展性，因此常常用作机械结构的设计。然而tmp结构只能实现长度宽度方向的拉伸，无法实现弯曲。且为了实现对于机械臂姿态的判断和控制，往往需要加装传感器或摄像头，这无疑制约了软体机械臂灵活度与柔韧性。一种可以动态自判断姿态的软体机械臂模块无疑具有更好的适用性和经济性。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于折纸结构的软体机械臂模块及机械臂。
7.根据本发明提供的一种基于折纸结构的软体机械臂模块，包括：机械臂结构单元、自供电传感单元以及运算单元；
8.所述机械臂结构单元设置为由多个折纸结构元件依次堆叠形成的折纸结构，所述折纸结构元件沿折痕贴合所述自供电传感单元，所述自供电传感单元电连接所述运算单元。
9.优选地，所述折纸结构为八边形的类波纹管结构，所述机械臂结构单元通过所述折纸结构实现轴向伸缩和周侧四个方向的弯曲。
10.优选地，相邻所述折纸结构元件连接处为沿轴向交错排列的竖向和横向的长方形；
11.多个所述折纸结构元件之间以及所述折纸结构元件本身沿堆叠方向具有延展性。
12.优选地，每个所述折纸结构元件包括两端的长方形面和连接两个长方形面的四个斜面，两个所述长方形面的长边交错排布，四个斜面两两相连，相邻两个所述斜面之间形成折痕。
13.优选地，所述自供电传感单元包括一个或多个压电元件；
14.所述折纸结构元件沿折叠位置设置有多条斜向折痕，所述压电元件贴合在所述折纸结构元件斜向折痕处。
15.优选地，所述运算单元由搭载npu的单片机构成，npu为现有的嵌入式神经网络处理器。
16.优选地，所述机械臂结构单元采用柔性弹性材料，所述自供电传感单元采用柔性压电材料。
17.优选地，所述压电元件两侧镀有银电极，所述银电极连接所述运算单元。
18.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
19.1、本发明利用压电材料的正压电效应，将机械臂姿态信号转换为电信号，解决了现有机械臂需要加装姿态传感器或摄像元件的缺陷，所设计的装置可以利用自身俘获的电信号进行姿态判断；
20.2、本发明提供的折纸结构除了具有波纹管特征，在轴向上拉伸和压缩时具有较好的线性刚度，还具有弯曲方向的多自由度，且在弯曲时各个方向的应力分布差别大，从而可以更好地提供差异性的电信号，基于本发明制作的机械臂具有更好的柔韧性和灵活度，更有利于后续通过机器学习进行姿态自判断；
21.3、本发明利用柔性pvdf压电材料对应变率敏感的特点，可反映机械臂细微的姿态变化，为机械臂更好的姿态控制提供数据基础；
22.4、本发明结构简单，实用性强，且相同模块可自由首尾组装，具有更好的适用性。
附图说明
23.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
24.图1为机械臂结构单元结构示意图；
25.图2为折纸结构元件结构示意图；
26.图3为半个机械臂结构单元折叠后立体示意图；
27.图4为机械臂结构单元展开时折痕示意图；
28.图5为机械臂结构单元压缩状态示意图；
29.图6为机械臂结构单元弯曲状态示意图(一)；
30.图7为机械臂结构单元弯曲状态示意图(二)；
31.图8为机械臂结构单元弯曲状态示意图(三)；
32.图9为机械臂结构单元弯曲状态示意图(四)；
33.图10为机械臂结构单元轴向拉伸状态示意图；
34.图11为本发明的一种用于机械臂的组装方式示意图；
35.图中所示：
36.具体实施方式
37.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
38.实施例1
39.如图1至图4所示，本实施例包括：机械臂结构单元1、自供电传感单元2以及运算单元；机械臂结构单元1设置为由多个折纸结构元件101依次堆叠形成的折纸结构，折纸结构元件101沿折痕贴合自供电传感单元2，自供电传感单元2连接运算单元，运算单元由搭载npu的单片机构成。机械臂结构单元1采用柔性弹性材料，自供电传感单元2采用柔性压电材料。
40.折纸结构为八边形的类波纹管结构，机械臂结构单元1通过折纸结构实现轴向伸缩和周侧四个方向的弯曲。相邻折纸结构元件101连接处为沿轴向交错排列的竖向和横向的长方形，多个折纸结构元件101之间以及折纸结构元件101本身沿堆叠方向具有延展性。每个折纸结构元件101包括两端的长方形面和连接两个长方形面的四个斜面，两个长方形面的长边交错排布，四个斜面两两相连，相邻两个斜面之间形成折痕。
41.自供电传感单元2包括一个或多个压电元件201，折纸结构元件101沿折叠位置设置有多条斜向折痕，压电元件201贴合在折纸结构元件101斜向折痕处。压电元件201两侧镀有银电极，银电极连接运算单元。
42.压电元件201为利用材料的压电效应制成的器件，当电信号频率接近压电片的固有频率时，压电元件201靠逆压电效应产生机械谐振，谐振频率主要决定于压电片的尺寸和形状。
43.实施例2
44.实施例2作为实施例1的优选例。
45.如图1至图4所示，本实施例包括：机械臂结构单元1、自供电传感单元2和运算单元，自供电传感单元2与运算单元连接；机械臂结构单元1包括折纸结构元件101，机械臂结构单元1由折纸结构元件101沿轴线堆叠而成。
46.自供电传感单元2包括压电元件201，压电元件201两侧镀有银电极，银电极与运算单元连接；压电元件201沿折痕方向紧密贴合于折纸结构元件101的应力集中处，具体地，压电元件201设置在折纸结构元件101斜向的四条折痕处。
47.运算单元由搭载npu的单片机构成，搭载npu的单片机包括机器学习处理单元和
gui演示界面，gui演示界面为包括软体机械臂模块的位移方向、位移速率和弯曲角度的显示窗口；机器学习处理模块的训练数据集选用静力机在不同的姿态下以不同的速度对机械臂结构单元1进行加载和卸载得到的折纸结构元件101弹性材料所受的外力数据和压电元件201输出的开路电压数据。
48.折纸结构元件101采用硬度为50a的硅胶制作，压电元件201选用柔性压电材料聚偏氟乙烯。
49.如图11所示，本实施例可用于机械臂，实现机械臂的伸缩及周侧四个方向的弯曲自由度。
50.工作原理：
51.如图5至图10所示，为机械臂结构单元在不同伸缩状态下的结构示意图。本实施例利用静力机(静力机用于给模型输出指定的力、位移或者力矩，相当于进行生产时对标准件进行测试而获得相应的数据，在本例里是为了给机器学习模块提供必要的标准参数，以满足后续实际应用时的计算要求)在不同的姿态下以不同的速度对机械臂结构单元1进行加载和卸载，得到折纸结构元件101弹性材料所受的外力数据以及与其对应的压电元件201输出的开路电压数据。将所得到的数据作为训练集放入机器学习模块进行学习，得到软体机械臂模块的位移方向、位移速率和弯曲角度与电压数据的对应关系。当软体机械臂模块产生姿态变化时会激励黏附的压电元件201产生电压信号。电压信号经过运算单元处理。本实施例的软体机械臂模块可以在轴向方向上通过机械臂结构单元1首尾组装进行连接拓展，以满足不同的场景需求。
52.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
53.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种基于折纸结构的软体机械臂模块，其特征在于，包括：机械臂结构单元(1)、自供电传感单元(2)以及运算单元；所述机械臂结构单元(1)设置为由多个折纸结构元件(101)依次堆叠形成的折纸结构，所述折纸结构元件(101)沿折痕贴合所述自供电传感单元(2)，所述自供电传感单元(2)电连接所述运算单元。2.根据权利要求1所述基于折纸结构的软体机械臂模块，其特征在于：所述折纸结构为多边形的类波纹管结构，所述机械臂结构单元(1)通过所述折纸结构实现轴向伸缩和周侧多个方向的弯曲。3.根据权利要求1所述基于折纸结构的软体机械臂模块，其特征在于：相邻所述折纸结构元件(101)连接处为沿轴向交错排列的竖向和横向的长方形；多个所述折纸结构元件(101)之间以及所述折纸结构元件(101)本身沿堆叠方向具有延展性。4.根据权利要求3所述基于折纸结构的软体机械臂模块，其特征在于：每个所述折纸结构元件(101)包括两端的长方形面和连接两个长方形面的四个斜面，两个所述长方形面的长边交错排布，四个斜面两两相连，相邻两个所述斜面之间形成折痕。5.根据权利要求1所述基于折纸结构的软体机械臂模块，其特征在于：所述自供电传感单元(2)包括一个或多个压电元件(201)；所述折纸结构元件(101)沿折叠位置设置有多条斜向折痕，所述压电元件(201)贴合在所述折纸结构元件(101)斜向折痕处。6.根据权利要求1所述基于折纸结构的软体机械臂模块，其特征在于，所述运算单元由搭载npu的单片机构成。7.根据权利要求1所述基于折纸结构的软体机械臂模块，其特征在于：所述机械臂结构单元(1)采用柔性弹性材料，所述自供电传感单元(2)采用柔性压电材料。8.根据权利要求5所述基于折纸结构的软体机械臂模块，其特征在于：所述压电元件(201)两侧镀有银电极，所述银电极连接所述运算单元。9.一种机械臂，其特征在于：所述机械臂采用权利要求1-8任一项所述基于折纸结构的软体机械臂模块。

技术总结
本发明提供了一种基于折纸结构的软体机械臂模块及机械臂，包括：机械臂结构单元、自供电传感单元以及运算单元；所述机械臂结构单元设置为由多个折纸结构元件依次堆叠形成的折纸结构，所述折纸结构元件沿折痕贴合所述自供电传感单元，所述自供电传感单元连接所述运算单元。本发明利用压电材料的正压电效应，将机械臂姿态信号转换为电信号，解决了现有机械臂需要加装姿态传感器或摄像元件的缺陷，所设计的装置可以利用自身俘获的电信号进行姿态判断。断。断。


技术研发人员：王云申 李赵阳 杨捷 颜志淼
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/7/12