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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“雜耍”的小球被限制在球拍上的管道內(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還可以倒置過來(lái)，搖身一變成為彈跳機(jī)器人。

總結(jié)與展望

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。未來(lái)，REBO還可以應(yīng)用到更多的領(lǐng)域，如自適應(yīng)的機(jī)器人肢體。