论文部分内容阅读
近年来,由折纸启发的创新结构、超材料,甚至以其为灵感设计的机器人逐渐成为一种发展趋势,它主要展示了折纸元素为工程解决方案提供创新灵感的潜力以及广阔的应用前景。本文以一种基于菱形三十面体的柔性折纸花球为灵感,研究了柔性折纸花球多稳态下的超材料特性及其在机器人设计中的潜力,分析并解决了以菱形胞元为形变单元的折纸花球系列的结构设计、制备和磁驱变形,最后,以磁驱动管道机器人为应用实例,经实验验证提出了一种由折纸启发、适应变径管道的新型软体磁驱管道机器人。全文的主要内容如下:首先,利用基于单元、模块化的Snapology折纸法,对基于菱形三十面体的折纸花球进行结构分析,研究花球模型的基础构件及其模块化构建;运用欧拉定理分析以菱形胞元为单位的菱形多面体的几何拓扑,推论得知适用于可重构设计的多款菱形多面体:分别是菱形六面体、菱形十二面体及菱形三十面体;将高度灵活的菱形胞元视为一个变形单元,探究了基于菱形多面体系列的折纸花球的变形机理及多稳态,可变形态、体积和结构刚度的超材料特性。其次,通过对折纸花球系列的结构设计和厚纸板理论,完成对基础构件结构的几何设计:将折痕视为有一定长度、厚度的弹性铰链,将铰链连接的两个折面视为刚性面板;铰链的长度l设计遵循可折叠性和几何兼容性原则,铰链的厚度考虑对构件折叠刚度和折叠效果的影响;应用三维绘图软件Solid Works完成基础构件的参数化建模,用Repetier-Host软件对3D打印模型的配置参数进行试验验证,确定打印模型的最优结构和参数,完成了对花球模型的设计和制备。最后,运用注塑成型制备工艺,制备磁驱材料磁活性弹性体;利用ANSYS有限元仿真软件对菱形单胞结构的磁体部署方案进行分析,根据结构变形设计要求合理选择磁体部署方案,为后期实现磁驱机器人的完整设计提供理论依据;依据花球结构作为机器人结构本体,磁活性弹性体与小型永磁体配合部署充当局部驱动器的设计思路,完成机器人的整体组装成型;通过设计变径管道实验,以磁驱动管道机器人为应用实例对整体方案可行性进行试验验证。