Research｜气动变胞折纸：为新型轻质高收纳率航天可展开机构系统设计提供新思路—哈工大深圳黄海林团队新进展

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研究背景

可展开机构系统可以收拢到紧凑状态以方便储藏与运输，待进入特定位置后再展开到较大尺度状态以实现更大范围的作业，在航空航天领域有着十分广泛的应用前景。传统可展开机构系统大多数都是由刚性连杆通过运动副连接组成，可以实现较大的承载能力与较高的支撑刚度，目前已经成功应用于太阳能电池阵，可展开卫星天线，空间可伸展机械臂和无人机的机载机械臂等场合。然而，由于传统可展开机构系统中刚性部件较多，机械结构与动力系统复杂，导致系统重量大、驱动数量多、机动能耗高、制造工艺复杂、运载成本高，这些因素极大地制约了可展开机构系统在航空航天工程领域的应用。

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研究进展

研究团队在研究传统折纸过程中发现，部分折纸模型具有运动学分岔特性，如图1所示的四折痕折纸单元就具有两种运动学分岔状态。折纸处于变胞状态时，既可以沿着共线的C2C4折痕进行折叠，也可以沿着共线的C1C3折痕进行折叠，一旦选择其中一组共线折痕进行折叠，另外一组折痕将不再共线。团队深入研究了该折纸模型不共线折痕的夹角与折纸刚度的关系，折痕C1C3夹角为0°的时候，折纸模型在平行于折痕C1C3方向上具有最大刚度。当折纸模型绕折痕C2C4进行展开，随着折痕C1C3的夹角逐渐变大，折纸模型在折痕C1C3夹角等分线方向上的刚度将逐渐降低，当折痕C1C3共线时，折纸模型在折痕C1C3夹角等分线方向上刚度趋近于0，也就是可以绕着C1C3可以产生折叠运动。

图1  四折痕变胞折纸模型的刚度特性

研究团队基于四折痕折纸的运动学分岔特性，用廉价的柔性聚乙烯薄膜管，外部贴上碳纤维板制作了一个气动变胞折纸单元，研究团队发现，在充气之前，该单元可以绕着接触共线折痕产生折叠运动，而充气过程中，该变胞单元首先产生一个Z形展开运动，随后是膨胀运动，直到具有较高支撑刚度的状态，见视频1。

视频1 气动变胞折纸单元的变胞运动

该机构可以在单一气源驱动下先产生展开运动，到达变胞状态后改为膨胀运动，并且变胞折纸单元处于完全膨胀状态时，可以承载47倍于自身重量的负载而没有发生较大的变形，如图2所示。

图2  气动变胞折纸单元的承载能力测试

由于折纸模型可以在多折痕共线时产生同步折叠运动，并且在多个折痕不再共线时实现运动学锁定，这就使得在不能同步折叠的方向产生了刚度。基于这一特性，研究团队首先设计制作了用于支撑平面可展开太阳能电池阵的径向展开支撑机构（图3），该机构由4个气动变胞折纸分支组成，在单一气源驱动下，每个分支可以先作Z形同步展开，达到变胞位置后，所有分支同步膨胀至达到较大的支撑刚度，支撑起平面可展开太阳能电池阵（视频2）。其中，每个分支的展收比高达38.8，整体电池阵系统模型的面展收比高达20.8。

图3  径向展开变胞折纸机构及其支撑的太阳能电池阵模型 

视频2 可展开变胞折纸支撑的太阳能电池阵展开过程

研究团队还设计制作了用于支撑曲面天线的旋向展开机构（图4），该机构由4个具有多重变胞特性的气动变胞折纸分支组成，在单一气源驱动下，四个分支首先作回形旋向展开，在达到第1个变胞状态后，各分支同步作V形膨胀，到达第2个变胞状态后，四个分支在可伸展折痕的作用下产生弯曲运动，将支撑目标展开到曲面状态（视频3）。该可展开机构系统在单一驱动下经过双重变胞产生了三种不同类型的运动，每个分支的展收比高达29.1。

图4  旋向展开变胞折纸机构及其支撑的曲面天线模型

视频3 可展开变胞折纸支撑的曲面天线展开过程

气动变胞折纸也可以在机器人领域有很好的应用前景，研究团队基于气动变胞折纸设计了一款可用于抓取大尺度目标的可展开抓取机械手（图5），该抓取手的手指可以在单一气源驱动下先作Z形展开到较大尺度，到达第一个变胞状态后开始膨胀，达到第2个变胞状态后，在可伸展折痕的作用下手指可以产生弯曲运动完成目标抓取，该机械手可以抓取比自身尺寸大3倍的目标（视频4）。

 图5  基于变胞折纸的可展开抓取机械手

视频4 可展开变胞机械手的抓取实验

基于气动变胞折纸的抓取机械手也可以在包络抓取重物方面有较好的优势，研究团队还设计了叶子形分支的抓取机械手（图6），该机械手的分支也是在单一气源驱动下首先作V形展开，经过第一个变胞状态后，继续作Z形展开到第2个变胞状态，然后，在可伸展折痕作用下可以产生弯曲运动，实现较大和较重目标的包络抓取，这款机械手目前可以抓取比自身大2倍的物体，实验中抓取目标是自身重量的8.3倍（视频5）。

图6  基于变胞折纸的叶形可展开抓取机械手

视频5 叶形可展开变胞机械手的抓取实验

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未来展望

气动变胞折折纸可通过多重变胞在单一气源驱动下实现多种形式的变胞序列运动，相较于传统的可展开机构系统，所需要驱动数量明显减少，系统重量与复杂度显著降低，展收比大幅提高，系统制造成本大幅降低。在能耗受限、轻量化及展收比要求较高的应用领域尤其是航空航天领域提供了非常好的解决方案，同时，也为未来高环境适应性机器人设计与应用提供了新的思路。

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作者简介

黄海林 哈尔滨工业大学（深圳）副教授，博士生导师。主要从事仿生软体机构研究，在Mechanism and Machine Theory，ASME Journal of Mechanical Design, ASME Journal of Mechanisms and robotics等机构学权威期刊发表论文30余篇，出版专著1部，相关研究成果获得了黑龙江省技术发明一等奖1项，深圳市自然科学二等奖1项。