新型可變剛度的折紙機(jī)器人,可無(wú)限時(shí)長(zhǎng)持續(xù)運(yùn)動(dòng)
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(文章來(lái)源:機(jī)器人大講堂)
柔性機(jī)器人近年來(lái)發(fā)展迅速,然而柔性材料的高阻尼和高疲勞特性限制了柔性機(jī)器人的使用壽命。雜耍、跳動(dòng)和小跑等任務(wù)所需的持續(xù)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)對(duì)于大多數(shù)柔性機(jī)器人來(lái)說(shuō)仍然遙不可及。
折紙藝術(shù)大家都熟悉,通過(guò)折疊紙片可以創(chuàng)造出讓人嘆為觀止的藝術(shù)品。使用折紙的方法制造機(jī)器人有望解決以上挑戰(zhàn),可實(shí)現(xiàn)重復(fù)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)。近日,賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員受此啟發(fā),創(chuàng)造出一種靈巧的“軟”彈簧折紙機(jī)器人。該機(jī)器人的名字叫REBO,通過(guò)折紙波紋管圖案的幾何設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了彈性軸向順應(yīng)性,從而降低材料重量并減少能量損失。
研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了波紋管的折疊圖案,按照?qǐng)D案折疊可產(chǎn)生類(lèi)似于彈簧的結(jié)構(gòu)。β是折疊后每層的側(cè)面和底面之間的錐角,通過(guò)設(shè)計(jì)和更改錐角的大小,可以控制REBO致動(dòng)器的剛度。
在一定范圍內(nèi),錐角越大,致動(dòng)器的剛度越強(qiáng)。當(dāng)錐角為45°時(shí),致動(dòng)器的剛度最大為750Nm-1。在此基礎(chǔ)上,研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),透明外層按照相同圖案折疊以將其包圍,經(jīng)過(guò)壓縮測(cè)試后證明,具有雙層結(jié)構(gòu)的致動(dòng)器的剛度是單層的兩倍。
REBO的機(jī)器人平臺(tái)由四部分組成:(a)三個(gè)雙層REBO致動(dòng)器 (b)直流電機(jī)模塊和3D打印的滑輪系統(tǒng)(c)力傳感器系統(tǒng) (d)集成感測(cè)和控制的微處理器。三個(gè)REBO致動(dòng)器被安裝在頂部和底部的丙烯酸板之間并固定。鋼筋束穿過(guò)致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)通孔,一端固定在頂板上,另一端固定在安裝在電動(dòng)機(jī)上的皮帶輪上。旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)使致動(dòng)器壓縮或伸長(zhǎng),致動(dòng)器線性運(yùn)動(dòng)的速度限制由電動(dòng)機(jī)確定。將力傳感器放置在頂板(球拍)上,以檢測(cè)小球何時(shí)與頂板接觸。
REBO正在“雜?!钡男∏虮幌拗圃谇蚺纳系墓艿纼?nèi),只能進(jìn)行垂直運(yùn)動(dòng)。為了使小球被彈的更高,在每次擊打后,REBO會(huì)迅速回到預(yù)壓縮位置,等待下一次的擊打。這是因?yàn)樵趧?dòng)力學(xué)中,每次擊打小球后放松的球拍都會(huì)大大降低球的總能量,因此必須將額外的能量預(yù)加載到等待的彈簧REBO中,以便在每次擊打時(shí)進(jìn)行保持擊球所需的功。
研究團(tuán)隊(duì)將REBO的雜耍過(guò)程分為“飛行”和“命中”。在“飛行”模式下,發(fā)射的小球可以看作是無(wú)損失的衡重力狀態(tài)。球發(fā)射后,REBO迅速重置回到其預(yù)壓縮位置。當(dāng)小球觸發(fā)了球拍上的力傳感器,系統(tǒng)進(jìn)入“擊打”模式時(shí),球沿著壓縮彈簧REBO,整個(gè)系統(tǒng)可以看作是彈簧上的質(zhì)量。
REBO的彈性能量傳遞給了球,當(dāng)REBO的長(zhǎng)度不再壓縮時(shí),“擊打”模式結(jié)束,然后力傳感器報(bào)告球已抬起,電機(jī)重新接合了肌腱,系統(tǒng)重新進(jìn)入了“飛行”模式。REBO預(yù)壓縮的位置越低,它存儲(chǔ)的能量就越大,“擊打”模式下更大的預(yù)壓縮力可將更多的能量注入到球中,可以使小球彈得更高。
除了擊打小球外,REBO還可以倒置過(guò)來(lái),搖身一變成為彈跳機(jī)器人。
輕巧的可變形REBO結(jié)構(gòu)具有可控制剛度的彈性,在數(shù)千次擊球的過(guò)程中反復(fù)進(jìn)行疲勞損失極少,這證明了高度可重復(fù)的漸近循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外,由于REBO的剛度僅通過(guò)改變幾何參數(shù)就可以改變一個(gè)數(shù)量級(jí),因此盡管在所有不同的設(shè)計(jì)中都依賴單一的整體材料,也可以調(diào)整機(jī)械輸出功率以適應(yīng)各種應(yīng)用。
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