折纸结构驱动技术的研究进展

发布时间：2021-08-26 22:05

　　折纸结构因具有强大的折展能力以及在应用中制造装配简单等优势,为许多复杂工程问题的解决提供了新思路,因此吸引了航天、医疗、机器人等领域的不少学者们对其开展研究。在折纸技术研究领域,折纸结构的驱动技术是其中一个关键技术。按照驱动原理的不同,将折纸驱动技术分为气动驱动、机械式驱动、活性材料驱动三大类,然后分别对其国内外研究现状进行归纳和分析,并对各种驱动方法的优缺点、适用场合等进行对比,最后重点指出了基于活性材料的折纸结构驱动技术研究面临的问题以及未来的发展趋势。 

【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(15)北大核心EICSCD

【文章页数】：11 页

【部分图文】：

均匀温度场中SMP驱动的折纸

自锁功能，最终将此技术应用于无人机智能操作臂。伦敦大学ZHANG等[39]将三根绳索置于管状折纸内，通过电动机拉动3根绳索实现了折纸管的收缩运动，并且通过控制3根绳索的拉力差实现弯曲运动。类似的，凯斯西储大学JEDNG等[40]也通过伺服电动机和绳索控制管状折纸设计了一种抓取器，如图6所示，该结构不仅实现了“手臂”的收缩和弯曲运动，还通过绳索控制了底端三个“手指”的弯曲方向，从而实现了抓取功能。首尔大学LEE采用Waterbomb折纸结构设计了一种可变车轮直径的爬行机器人，如图7所示，该车轮形状的改变依靠滑轮和一个具有多层结构(包含弹簧、特氟隆管、拉线)的特殊绳索实现，绳索的一端固定在车轮外侧轮毂上。当拉线处于松弛状态时，车轮保持椭球形状；当电动机带动滑轮转动拉紧拉线时，车轮的轴向收缩、径向膨胀，从而实现了车轮直径的变化[15]。图5绳索驱动的智能无人机操作臂图6绳索驱动的折纸抓手图7绳索驱动的可变车轮直径爬行机器人

机械工程学报第56卷第15期期122图10SMP驱动的折纸爬行机器人图11SMA驱动的可变造型折纸形状记忆材料除了用于折痕处对折纸进行驱动外，还可以将其用于折纸外部进行驱动。例如，美国ONAL等[45]将SMA弹簧附着在分段管状折纸的外部制成一种爬行器，如图12所示，然后控制每一段折纸上的SMA弹簧的拉伸和收缩，依靠爬行器的“腿”与地面摩擦向前爬行，从而达到模仿蚯蚓运动的效果。图12SMA弹簧驱动的管状折纸爬行器热缩型高分子聚合物可以预热收缩，这种变形也可以通过一定的结构设计间接地转化成弯曲变形，从而用来驱动折纸。例如，麻省理工的计算机科学和人工智能实验室MIYASHITA等[46]采用热缩型聚氯乙烯(Polyvinylchloride，PVC)和厚纸板夹层结构设计了一种折叠铰链，如图13所示，当对其进行加热时，整个结构就会折叠成预期的形状。该团队以此为基础在折纸上增加了磁铁，设计了一个多场驱动的多功能运动平台，如图14a所示，该平台的加热区域可对热缩型材料进行加热，实现折纸的折叠运动，然后通过磁场实现折叠状态折纸的滚动，并将该结构用于模拟人体环境的药物抓取和释放[47]，如图14b所示。图13热缩型材料驱动的折纸图14温度和磁场同时作用的药物抓取释放机器人


本文编号：3365055