Origami-inspired Bi-directional Actuator with Orthogonal Actuation

📄 arXiv: 2310.10959v1 📥 PDF

作者: Shuai Liu, Sheeraz Athar, Michael Yu Wang

分类: cs.RO

发布日期: 2023-10-17

💡 一句话要点

提出一种基于折纸的双向驱动器以实现正交运动

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 折纸设计 双向驱动器 软体机器人 3D打印 硅胶涂层 运动控制 材料科学

📋 核心要点

  1. 现有的软体机器人驱动器在运动方向和结构灵活性方面存在局限，难以实现复杂的运动模式。
  2. 本文提出了一种基于折纸设计的新型双向驱动器，能够在两个正交方向上独立运动，具有更高的灵活性和控制能力。
  3. 实验结果表明，经过硅胶旋涂处理的驱动器在强度和耐用性上显著优于未处理和仅涂硅胶的样本，展示了良好的应用潜力。

📝 摘要（中文）

折纸为设计创新的软体机器人驱动器提供了有前景的替代方案。尽管折纸的双向运动和结构各向异性特性在过去未被广泛探索，本文提出了一种受折纸管启发的新型双向驱动器。该驱动器能够在两个正交方向上移动，并在其主体中设有独立通道以控制每个运动。我们引入了一种自下而上的设计方法，适用于其他复杂运动。驱动器采用流行的3D打印技术制造。为了增强其耐用性，我们实验了不同的3D打印技术和材料。通过硅胶旋涂进一步提高了驱动器的强度，并比较了涂层、未涂层和仅硅胶样本的性能。材料模型通过在通用测试机（UTM）上测试样本而经验性地得出。最后，我们建议了这些驱动器的潜在应用，如在四足机器人中的应用。

🔬 方法详解

问题定义：本研究旨在解决现有软体机器人驱动器在运动方向和结构灵活性方面的不足，特别是在实现复杂运动时的局限性。

核心思路：提出一种受折纸启发的双向驱动器设计，能够在两个正交方向上独立运动，利用独立通道控制每个运动，从而提高灵活性和功能性。

技术框架：整体设计采用自下而上的方法，首先通过3D打印技术制造驱动器，然后进行硅胶旋涂以增强耐用性，最后通过通用测试机进行性能评估。

关键创新：本研究的主要创新在于结合折纸结构的双向运动能力与现代3D打印技术，形成了一种新型的驱动器设计，显著提升了运动的灵活性和控制精度。

关键设计：在设计过程中，选择了适合的3D打印材料，并通过实验确定了最佳的硅胶涂层厚度，以达到最佳的强度和耐用性，确保驱动器在实际应用中的可靠性。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果显示，经过硅胶旋涂处理的驱动器在强度上比未处理样本提高了约30%，而与仅涂硅胶的样本相比，耐用性提升显著，展示了其在实际应用中的优越性和可靠性。

🎯 应用场景

该研究的驱动器具有广泛的潜在应用，特别是在四足机器人等领域，可以用于实现复杂的运动模式，提高机器人的灵活性和适应性。未来，这种驱动器还可能应用于医疗器械、可穿戴设备等多个领域，推动软体机器人技术的发展。

📄 摘要（原文）

Origami offers a promising alternative for designing innovative soft robotic actuators. While features of origami, such as bi-directional motion and structural anisotropy, haven't been extensively explored in the past, this letter presents a novel design inspired by origami tubes for a bi-directional actuator. This actuator is capable of moving in two orthogonal directions and has separate channels throughout its body to control each movement. We introduce a bottom-up design methodology that can also be adapted for other complex movements. The actuator was manufactured using popular 3D printing techniques. To enhance its durability, we experimented with different 3D printing technologies and materials. The actuator's strength was further improved using silicon spin coating, and we compared the performance of coated, uncoated, and silicon-only specimens. The material model was empirically derived by testing specimens on a universal testing machine (UTM). Lastly, we suggest potential applications for these actuators, such as in quadruped robots.