折紙結(jié)構(gòu)因具有強(qiáng)大的折展能力以及在應(yīng)用中制造裝配簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì),為許多復(fù)雜工程問題的解決提供了新思路,因此吸引了航天、醫(yī)療、機(jī)器人等領(lǐng)域的不少學(xué)者們對(duì)其開展研究。在折紙技術(shù)研究領(lǐng)域,折紙結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)是其中一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。按照驅(qū)動(dòng)原理的不同,將折紙驅(qū)動(dòng)技術(shù)分為氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、機(jī)械式驅(qū)動(dòng)、活性材料驅(qū)動(dòng)三大類,然后分別對(duì)其國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納和分析,并對(duì)各種驅(qū)動(dòng)方法的優(yōu)缺點(diǎn)、適用場(chǎng)合等進(jìn)行對(duì)比,最后重點(diǎn)指出了基于活性材料的折紙結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究面臨的問題以及未來的發(fā)展趨勢(shì)。 

【文章來源】：機(jī)械工程學(xué)報(bào). 2020,56(15)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：11 頁(yè)

【部分圖文】：

均勻溫度場(chǎng)中SMP驅(qū)動(dòng)的折紙

自鎖功能，最終將此技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)智能操作臂。倫敦大學(xué)ZHANG等[39]將三根繩索置于管狀折紙內(nèi)，通過電動(dòng)機(jī)拉動(dòng)3根繩索實(shí)現(xiàn)了折紙管的收縮運(yùn)動(dòng)，并且通過控制3根繩索的拉力差實(shí)現(xiàn)彎曲運(yùn)動(dòng)。類似的，凱斯西儲(chǔ)大學(xué)JEDNG等[40]也通過伺服電動(dòng)機(jī)和繩索控制管狀折紙?jiān)O(shè)計(jì)了一種抓取器，如圖6所示，該結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了“手臂”的收縮和彎曲運(yùn)動(dòng)，還通過繩索控制了底端三個(gè)“手指”的彎曲方向，從而實(shí)現(xiàn)了抓取功能。首爾大學(xué)LEE采用Waterbomb折紙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種可變車輪直徑的爬行機(jī)器人，如圖7所示，該車輪形狀的改變依靠滑輪和一個(gè)具有多層結(jié)構(gòu)(包含彈簧、特氟隆管、拉線)的特殊繩索實(shí)現(xiàn)，繩索的一端固定在車輪外側(cè)輪轂上。當(dāng)拉線處于松弛狀態(tài)時(shí)，車輪保持橢球形狀；當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)拉緊拉線時(shí)，車輪的軸向收縮、徑向膨脹，從而實(shí)現(xiàn)了車輪直徑的變化[15]。圖5繩索驅(qū)動(dòng)的智能無人機(jī)操作臂圖6繩索驅(qū)動(dòng)的折紙抓手圖7繩索驅(qū)動(dòng)的可變車輪直徑爬行機(jī)器人

機(jī)械工程學(xué)報(bào)第56卷第15期期122圖10SMP驅(qū)動(dòng)的折紙爬行機(jī)器人圖11SMA驅(qū)動(dòng)的可變?cè)煨驼奂埿螤钣洃洸牧铣擞糜谡酆厶帉?duì)折紙進(jìn)行驅(qū)動(dòng)外，還可以將其用于折紙外部進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。例如，美國(guó)ONAL等[45]將SMA彈簧附著在分段管狀折紙的外部制成一種爬行器，如圖12所示，然后控制每一段折紙上的SMA彈簧的拉伸和收縮，依靠爬行器的“腿”與地面摩擦向前爬行，從而達(dá)到模仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)的效果。圖12SMA彈簧驅(qū)動(dòng)的管狀折紙爬行器熱縮型高分子聚合物可以預(yù)熱收縮，這種變形也可以通過一定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)間接地轉(zhuǎn)化成彎曲變形，從而用來驅(qū)動(dòng)折紙。例如，麻省理工的計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能實(shí)驗(yàn)室MIYASHITA等[46]采用熱縮型聚氯乙烯(Polyvinylchloride，PVC)和厚紙板夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種折疊鉸鏈，如圖13所示，當(dāng)對(duì)其進(jìn)行加熱時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)就會(huì)折疊成預(yù)期的形狀。該團(tuán)隊(duì)以此為基礎(chǔ)在折紙上增加了磁鐵，設(shè)計(jì)了一個(gè)多場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的多功能運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，如圖14a所示，該平臺(tái)的加熱區(qū)域可對(duì)熱縮型材料進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)折紙的折疊運(yùn)動(dòng)，然后通過磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)折疊狀態(tài)折紙的滾動(dòng)，并將該結(jié)構(gòu)用于模擬人體環(huán)境的藥物抓取和釋放[47]，如圖14b所示。圖13熱縮型材料驅(qū)動(dòng)的折紙圖14溫度和磁場(chǎng)同時(shí)作用的藥物抓取釋放機(jī)器人


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