一种考虑折板厚度的折纸式四足行走机器人的设计

摘要

折纸机构因其占用空间小且变化灵活的机构被多种工程项目大量应用，创造出一系列精巧的平板折叠机构和设备，也为建筑设计领域创造出了诸多非凡的空间结构设计。同时，折纸机构在解决光学的聚光问题上也取得了良好的成果。另一方面，行走机器人在太空项目中也有一席之地。例如现已登陆月球的月球车及运输难度更大的火星漫游车。在这些太空项目中，被超远距离运输的行走机器人在非工作状态下我们希望它占据的空间尽可能的小，同时对机器人工作过程的驱动数量也尽量减小。本课题受变形机器人的启发，基于折纸机构设计一种行走机器人。将折纸机构应用于行走机器人设计，在非工作状态下可以完全展开为一个平板而有效地减少了机器人占据的空间资源；同时，折纸机构具有的低自由度的特点也减少了机器人所需要的驱动数量。 本文围绕对刚性可折叠系统的数学建模及其在机器人设计上的应用作为主要研究内容。在四边形折纸理论的基础上，对Miura-Ori折纸模型进行了针对行走机器人的适应性改进，使四边形折纸理论应用于行走机器人的实践上，并计算出了折叠单元的核心几何关系方程，求取了折纸式行走机器人在一定的坐标系下空间各点坐标，设计建立了刚性可折叠的折纸式行走机器人的模型，在Matlab中建立了理论数学模型。在研究了各种已有的厚板理论模型后，将厚板模型应用在了本文所设计的折纸式行走机器人之上，进而通过CAD在数控机床上对PVC硬塑料板进行切割，制作样机，并对样机分别进行动力输入输出、行走位移两项测验，同理论模型中的两项数据进行对比分析，验证可行性及可靠性。 本文所设计的折纸式行走机器人在考虑折板厚度的前提下对折纸机构的折痕进行设计以分别构建该机器人的四肢机构及主体机构。该机器人采用由四肢机构自行折展进行平缓行进的行走模式。这种机器人相比于传统的行走机器人的优势在于在非工作状态下可以完全展开为一个平板而节约空间资源，同时具有单自由度，驱动简单的优点。本论文研究工作的主要创新如下：1）将折纸机构应用在了机器人设计上，极大的减小了非工作状态下行走机器人的空间资源占用；2）对Miura-Ori的一级衍生机构进行了对机器人的适应性分析及优化设计，并给出了针对折纸试行走机器人行进的驱动行进策略；3）应用厚度折板理论于折纸式行走机器人设计上，使得折纸理论更好的适用于机器人设计。 本课题主要研究行走机器人的行走机制，感知与决策暂不考虑。

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