CN108356810A - 一种基于电驱动自折叠的折纸结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电驱动自折叠的折纸结构，由若干个矩形单元排列组合而成，所述矩形单元具有正反两面，以中心线为界左右对称；所述矩形单元的正反面均设有记忆合金贴片，正面的第一记忆合金贴片位于左右两侧的对角线上，反面的第二记忆合金贴片位于中心线以及相邻两矩形单元的交界线上；所述所有矩形单元正反面的记忆合金贴片均分别通过铜线并联连接至电源；通电时，记忆合金贴片为展开状态，断电后，记忆合金贴片为折叠状态。本发明以不会发生形变的三角形平面单元和两个相邻平面单元的连接线为转动副，精确控制结构的折叠和展开过程，矩形贴片之间的连接电路采用并联，可以同时控制各个矩形贴片的动作。
Description
技术领域
本发明属于柔性机器人技术领域，特别涉及一种基于电驱动自折叠的折纸结构。
背景技术
柔性机器人技术在过去十年内取得了突飞猛进的进展。世界各地的研究人员都试验过不同的材料和设计，从而让刚性的机器人以更自然的方式弯曲和与人类进行互动。然而，增强机器人的灵活性往往意味着在力量上的妥协，因为较柔软的材料一般不如刚性材料具有较高的强度，这也限制了柔性机器人的使用。
而受高强度折纸结构的启发，结合现代应用设计了各种自折叠结构和装置，包括远程控制机器人、微流控化学分析、组织工程、人造肌肉等。其在实际生活和科研中也具有多种应用的可能，例如降落伞的折叠、太空探测器太阳能电池板的设计、安全气囊的结构，以至DNA、蛋白质等生物大分子的空间折叠问题。
自折叠的折纸结构正在科技创新的前沿迅速兴起，因为它们能够执行程序化的折叠/展开运动而不受外力或力矩的运动操纵。折纸结构的人工肌肉可以定制成任何形状，并举起超过自身重量无数倍的物品，有望为无数的机器和机器人提供安全且强大的动力，然而人工肌肉的设计、制造、及执行常常受到材料的成本、工作原理、可伸缩性、及单自由度收缩运动等因素的限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够充当人工肌肉的基于电驱动自折叠的折纸结构。
为此，本发明的技术方案是：一种基于电驱动自折叠的折纸结构，由若干个矩形单元排列组合而成，所述矩形单元为具有正反两面的薄片结构，矩形单元以中心线为界左右对称；所述矩形单元的正反面均设有记忆合金贴片，正面的第一记忆合金贴片位于左右两侧的对角线上，反面的第二记忆合金贴片位于中心线以及相邻两矩形单元的交界线上；所述所有矩形单元正反面的记忆合金贴片均分别通过铜线并联连接至电源；通电时，记忆合金贴片为展开状态，断电后，记忆合金贴片为折叠状态，即断电后，矩形单元沿中心线以及相邻两矩形单元的交界线向反面弯折，同时沿左右两侧上的对角线向正面弯折。
优选地，所述矩形单元为纸质结构，记忆合金贴片材质为形状记忆合金，具有双程记忆效应，即在通断电过程中，整体矩形单元在完全展开的平面状态与折叠的立体状态之间变换。
优选地，所述折纸结构的折痕包括矩形单元上中心线、左右两侧上相交的对角线以及相邻两矩形单元的交界线；所述记忆合金贴片固定在所对应折痕的中间位置，并平行于该折痕。
优选地，所述矩形单元正反面上的铜线分别平行设置于记忆合金贴片上下两侧，通过圆弧结构跨越矩形单元的折痕处。
优选地，所述正面的第一记忆合金贴片固定在对角线的中间位置，且同一矩形单元上正面的第一记忆合金贴片分别平行于两侧对角线；反面的第二记忆合金贴片固定在中心线以及两矩形单元交界线的中间位置，且与中心线、交界线互相平行。
本发明所述的矩形单元可用具有一定厚度的薄纸板按所述折痕折叠而成，然后将连有形状记忆合金贴片的铜线在薄纸板的正反面进行布置，可以用粘胶剂将导线和矩形贴片固定在纸板上。铜线沿着折痕布置，在跨越折痕处，铜线设置为圆弧结构，可以减少折痕处反复变形给铜线带来损伤。每个形状记忆合金贴片都是并联而成，可以通过外接电源，同时控制每个形状记忆合金贴片的动作，保证每个形状记忆合金贴片同步变形，且变形量也相同；每个形状记忆合金贴片通过粘胶剂使其附着在纸板面上，矩形单元正面电路和反面电路是并联的。
所述形状记忆合金贴片变形机理为：在高温下被处理成一定形状，再冷却下来，在低温状态下经过塑性变形为另一种形状，然后加热到高温相成为稳定状态时，通过马氏体逆变相恢复到低温塑性变形前的形状。TiNi、TiNiCu形状记忆合金具有双程记忆效应，其在加热时恢复高温形状，冷却时恢复低温形状，即通过温度升降自发地可逆地反复恢复高低温的形状。完全折叠状态是低温相的形状，完全展开状态是高温相的形状，通电后，因形状记忆合金贴片是粘附在纸板面上，在外加电源时，随着温度的升高，形状记忆合金贴片的变形使纸板位置也跟着发生翻折，在三维状态和二维平面状态之间变换，从而实现折纸结构的自折叠过程。
本发明以不会发生形变的三角形平面单元和两个相邻平面单元的连接线为转动副，可以做到对结构的折叠和展开过程精确控制；仅具有一个刚性自由度的机构，更是降低了结构展开和折叠的复杂程度；整体方法简单，加工方便，可以将结构设计得非常小，非常薄，而且质量也非常轻；矩形贴片之间的连接电路采用并联，可以对各个矩形贴片的动作同时进行控制。
附图说明
以下结合附图和本发明的实施方式来作进一步详细说明
图1为本发明处于折叠状态的A面结构示意图；
图2为本发明处于折叠状态的B面结构示意图；
图3为本发明处于展开状态的A面结构示意图；
图4为本发明处于展开状态的B面结构示意图；
图5为本发明形状记忆合金贴片加电源时的过程变化图；
图6为本发明处于完全折叠状态的结构示意图。
图中标记为：矩形单元1、记忆合金贴片2、第一记忆合金贴片21、第二记忆合金贴片22、铜线3、中心线S1、对角线S2\S3、交界线S4。
具体实施方式
参见附图。本实施例所述的折纸结构由若干个矩形单元1排列组合而成，所述矩形单元为AB（正反）两面的薄片结构，矩形单元以中心线S1为界左右对称，矩形单元上的折痕包括中心线S1以及左右两侧上相交的对角线S2\S3，两侧的对角线S2\S3与矩形单元的底边组成等腰三角形，中心线正好是底边上的高，相邻两矩形单元的交界线S4也同样是折痕；
所述矩形单元的AB面均设有记忆合金贴片2，A面的第一记忆合金贴片21固定在左右两侧的对角线上，位于对角线的中间位置，且同一矩形单元上正面的第一记忆合金贴片分别平行于两侧对角线，使得记忆合金贴片弯折时，可以带动对角线两侧均匀折叠；B面的第二记忆合金贴片22固定在中心线以及相邻两矩形单元的交界线上，位于中心线以及两矩形单元交界线的中间位置，且与中心线、交界线互相平行；矩形单元正反面的记忆合金贴片均分别通过铜线3并联连接至电源；通电时，记忆合金贴片为展开状态，断电后，记忆合金贴片为折叠状态。矩形单元上的对角线S2\S3为谷折痕，沿对角线朝A面弯折，对角线S2\S3位于A面凹下去的底端；中心线S1和相邻两矩形单元的交界线S4为山折痕，沿中心线和交界线朝B面弯折，中心线和交界线位于A面凸起的顶端。
所述矩形单元为纸质结构，可以用具有一定厚度的薄纸板按所述折痕折叠而成，然后将连有形状记忆合金贴片的铜线在薄纸板的正反面进行布置，可以用粘胶剂将导线和矩形贴片固定在纸板上，在跨越折痕处，铜线设置为圆弧结构，可以减少折痕处反复变形给铜线带来损伤。记忆合金贴片材质为形状记忆合金，具有双程记忆效应，即断电后，矩形单元沿中心线以及相邻两矩形单元的交界线向反面弯折，同时沿左右两侧上的对角线向正面弯折，即在通断电过程中，整体矩形单元在完全展开的平面状态与折叠的立体状态之间变换。每个形状记忆合金贴片都是并联而成，可以通过外接电源，同时控制每个形状记忆合金贴片的动作，保证每个形状记忆合金贴片同步变形，且变形量也相同；每个形状记忆合金贴片通过粘胶剂使其附着在纸板面上，矩形单元正面电路和反面电路是并联的。
所述形状记忆合金贴片变形机理为：在高温下被处理成一定形状，再冷却下来，在低温状态下经过塑性变形为另一种形状，然后加热到高温相成为稳定状态时，通过马氏体逆变相恢复到低温塑性变形前的形状。TiNi、TiNiCu形状记忆合金具有双程记忆效应，其在加热时恢复高温形状，冷却时恢复低温形状，即通过温度升降自发地可逆地反复恢复高低温的形状。图5中的（a）中完全折叠状态是低温相的形状，通电后，因形状记忆合金贴片是粘附在纸板面上，在外加电源时，随着温度的升高，形状记忆合金贴片的变形使纸板位置也跟着发生翻折，图5中的（b）（c）为展开的中间状态，图5中的（d）中的完全展开状态是高温相的形状，此时三角形单元为二维平面状态。通断电时，在所有矩形形状记忆合金贴片的共同作用下，纸板能够有序地翻折，从二维平面状态变三维状态，从而实现折纸结构的展开和自折叠过程。
Claims (5)
1.一种基于电驱动自折叠的折纸结构，其特征在于：由若干个矩形单元排列组合而成，所述矩形单元为具有正反两面的薄片结构，矩形单元以中心线为界左右对称；所述矩形单元的正反面均设有记忆合金贴片，正面的第一记忆合金贴片位于左右两侧的对角线上，反面的第二记忆合金贴片位于中心线以及相邻两矩形单元的交界线上；所述所有矩形单元正反面的记忆合金贴片均分别通过铜线并联连接至电源；通电时，记忆合金贴片为展开状态，断电后，记忆合金贴片为折叠状态，即断电后，矩形单元沿中心线以及相邻两矩形单元的交界线向反面弯折，同时沿左右两侧上的对角线向正面弯折。
2.如权利要求1所述的一种基于电驱动自折叠的折纸结构，其特征在于：所述矩形单元为纸质结构，记忆合金贴片材质为形状记忆合金，具有双程记忆效应，即在通断电过程中，整体矩形单元在完全展开的平面状态与折叠的立体状态之间变换。
3.如权利要求1所述的一种基于电驱动自折叠的折纸结构，其特征在于：所述折纸结构的折痕包括矩形单元上中心线、左右两侧上相交的对角线以及相邻两矩形单元的交界线；所述记忆合金贴片固定在所对应折痕的中间位置，并平行于该折痕。
4.如权利要求1所述的一种基于电驱动自折叠的折纸结构，其特征在于：所述矩形单元正反面上的铜线分别平行设置于记忆合金贴片上下两侧，通过圆弧结构跨越矩形单元的折痕处。
5.如权利要求1所述的一种基于电驱动自折叠的折纸结构，其特征在于：所述正面的第一记忆合金贴片固定在对角线的中间位置，且同一矩形单元上正面的第一记忆合金贴片分别平行于两侧对角线；反面的第二记忆合金贴片固定在中心线以及两矩形单元交界线的中间位置，且与中心线、交界线互相平行。
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