新型可變剛度的折紙機(jī)器人，可無限時長持續(xù)運動

（文章來源：機(jī)器人大講堂）

柔性機(jī)器人近年來發(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、跳動和小跑等任務(wù)所需的持續(xù)動態(tài)運動對于大多數(shù)柔性機(jī)器人來說仍然遙不可及。

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)，可實現(xiàn)重復(fù)的動態(tài)運動。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)計實現(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)隊設(shè)計了波紋管的折疊圖案，按照圖案折疊可產(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)計和更改錐角的大小，可以控制REBO致動器的剛度。

在一定范圍內(nèi)，錐角越大，致動器的剛度越強。當(dāng)錐角為45°時，致動器的剛度最大為750Nm-1。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊進(jìn)行了雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計，透明外層按照相同圖案折疊以將其包圍，經(jīng)過壓縮測試后證明，具有雙層結(jié)構(gòu)的致動器的剛度是單層的兩倍。

REBO的機(jī)器人平臺由四部分組成：(a)三個雙層REBO致動器 (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)集成感測和控制的微處理器。三個REBO致動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機(jī)上的皮帶輪上。旋轉(zhuǎn)電動機(jī)使致動器壓縮或伸長，致動器線性運動的速度限制由電動機(jī)確定。將力傳感器放置在頂板（球拍）上，以檢測小球何時與頂板接觸。

REBO正在“雜?！钡男∏虮幌拗圃谇蚺纳系墓艿纼?nèi)，只能進(jìn)行垂直運動。為了使小球被彈的更高，在每次擊打后，REBO會迅速回到預(yù)壓縮位置，等待下一次的擊打。這是因為在動力學(xué)中，每次擊打小球后放松的球拍都會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，以便在每次擊打時進(jìn)行保持擊球所需的功。

研究團(tuán)隊將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，球沿著壓縮彈簧REBO，整個系統(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的長度不再壓縮時，“擊打”模式結(jié)束，然后力傳感器報告球已抬起，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，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)就可以改變一個數(shù)量級，因此盡管在所有不同的設(shè)計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。
? ? ?