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工程设计学报
工程设计学报  2024, Vol. 31 Issue (4): 465-472    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.216
机器人与机构设计     
基于折纸的被动触发双稳态机器人手设计
李河舟1(),方杰2,钱武2,黄龙1(),谢霆聪1,徐锦涛1
1.长沙理工大学 汽车与机械工程学院，湖南 长沙 410114
2.湖南省送变电工程有限公司，湖南 长沙 410118
Design of passively-triggered bistable robotic hand based on origami
Hezhou LI1(),Jie FANG2,Wu QIAN2,Long HUANG1(),Tingcong XIE1,Jintao XU1
1.College of Automotive and Mechanical Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China
2.Hunan Electric Power Transmission and Transformation Engineering Company Limited, Changsha 410118, China
 全文: PDF(2800 KB)   HTML
摘要：

传统机器人手通常需要驱动器连续地提供保持抓握状态的扭矩或力。若驱动器失效，则机器人手无法稳定地抓取物体。针对上述问题，提出了一种基于折纸的被动触发双稳态机器人手。该机器人手由具有单自由度的抓握机构和具有双稳态特性的驱动机构组成。基于抓握机构和驱动机构的运动学模型，结合抓握状态的要求对机器人手的结构进行了设计，可通过设置扭转弹簧的刚度参数来实现对能量壁垒的灵活调整。最后，通过开展跌落捕获实验来验证所设计机器人手的抓握性能。结果表明，当跌落高度为400 mm时，机器人手的抓握运动未被触发；当跌落高度为440 mm时，机器人手成功抓握物体；当跌落高度为480 mm时，机器人手虽被触发了抓握运动但未能抓住物体。实验结果不仅验证了机器人手在无驱动条件下稳定抓取特定大小物体的能力，还揭示了不同外部冲击下能量壁垒的存在。基于折纸的被动触发双稳态机器人手在被动式和自适应机器人中具有潜在应用前景。
关键词： 机器人手;  双稳态特性;  抓握机构;  驱动机构;  被动触发    
Abstract:

Conventional robotic hands usually require drives to continuously provide torque or force to maintain grasping state. If the drive fails, the robotic hand cannot grasp the object stably. To solve these problems, a passively-triggered bistable robotic hand based on origami is proposed. The robotic hand was composed of a grasping mechanism with single-degree-of-freedom and a driving mechanism with bistable characteristics. Based on the kinematics models of the grasping mechanism and driving mechanism, the structure of robotic hand was designed according to the requirements of grasping state, and the energy barrier could be adjusted flexibly by setting the stiffness parameters of the torsion spring. Finally, the drop capture experiments were carried out to verify the grasping performance of the designed robotic hand. The results showed that when the drop height was 400 mm, the grasping motion of the robotic hand was not triggered; When the drop height was 440 mm, the robotic hand successfully grasped the object; When the drop height was 480 mm, the robotic hand failed to grasp the object although the grasping motion was triggered. The experimental results not only validate the ability of robotic hand to grasp objects of a certain size stably without driving, but also reveal the existence of energy barriers under different external shocks. The passive-triggered bistable robotic hand based on origami has potential applications in passive and adaptive robots.
Key words: robotic hand    bistable characteristics    grasping mechanism    driving mechanism    passively-triggered
收稿日期: 2023-11-20 出版日期: 2024-08-26
CLC:  TH 112  
基金资助: 湖南省自然科学基金面上项目(2023JJ30021)
通讯作者: 黄龙     E-mail: 499763313@qq.com;huanglong-in@foxmail.com
作者简介: 李河舟（1998—），男，湖南株洲人，硕士生，从事折纸机器人研究，E-mail: 499763313@qq.com
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李河舟
方杰
钱武
黄龙
谢霆聪
徐锦涛

引用本文:

李河舟,方杰,钱武,黄龙,谢霆聪,徐锦涛. 基于折纸的被动触发双稳态机器人手设计[J]. 工程设计学报, 2024, 31(4): 465-472.

Hezhou LI,Jie FANG,Wu QIAN,Long HUANG,Tingcong XIE,Jintao XU. Design of passively-triggered bistable robotic hand based on origami[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(4): 465-472.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.216    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2024/V31/I4/465

图1  抓握折纸图案示意
图2  四顶点折痕图案及其等效球面4R连杆机构
图3  抓握折纸图案的等效球面4R连杆机构
图4  抓握运动的驱动机构
图5  驱动机构中支链I和支链III的运动简图
图6  支链I和支链III的弹性势能变化曲线
图7  驱动机构中支链II和支链IV的运动简图
图8  设计案例中机器人手弹性势能的变化曲线
图9  双稳态机器人手样机
图10  双稳态机器人手跌落捕获实验装置
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