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变刚性可折叠机器手臂为无人机探测提供新方法

核心提示:采用折纸结构设计的机器手臂面临两个难题:难以承受外力、难以轻松启动。韩国首尔国立大学的研究人员利用变刚度的概念开发了一种新型机器手

采用折纸结构设计的机器手臂面临两个难题:难以承受外力、难以轻松启动。韩国首尔国立大学的研究人员利用变刚度的概念开发了一种新型机器手臂,通过可折叠锁扣这一关键设计有效克服了这些问题。该机器人手臂可以用单根线改变形状,提高了折纸结构的实用性,并且手臂重量轻,可以像自动雨伞一样折叠并延伸,还可以迅速变得坚硬。

可变刚度机器手臂的设计原理源于萨鲁斯直线运动机构(Sarrus linkage),研究人员设计了开锁和闭锁模式:首先,手臂的每个单元由顶层和底层两个方面、四条杆链组成,其中每个杆链均由两条支链组成,并经由三个连接点连接到顶层和底层(图A),相同长度的支链可以确保结构平整折叠(图B-C)。为保证手臂结构的变刚度要求,需要设计一个锁扣。通过在结构内部楔入一个锁扣,可以有效实现结构的展开与折叠。闭锁模式 :当锁扣在闭锁位置时(图D),支链无法折叠,闭锁机制限制了折叠模块的自由度,并提升了模块整体的刚度。开锁模式:当锁扣在开锁位置时(图F),锁扣旋转了90°,与另一侧面重合,此时对结构施加垂直的力,锁扣与重合面一致平折,将多个该单元结构自上而下组合,形成了可变刚度机器手臂。通过使用该原理,重量小于30g的折叠结构(尺寸为40mm×40mm×100mm)可承受超过12kg的压力载荷。另一方面,锁扣可以轻松解锁,并且该结构仅需通过用一个很小的力拉一根单线即可实现折叠。

无人机的搭载环境对重量和尺寸有着极为严格的限制,采用可折叠机器手臂可使其优势最大化。在一次试验中,无人机展开机器手臂,成功在沟渠内拾取物体。当机器手臂闲置时,会折叠平放以保持机体机动性,便于起飞和着陆。可变刚度机制还可应用于如极地、沙漠、水下和太空等极端环境中其他类型的机器人和结构。

虽然柔性机器人在灵活运动方面有很大的优势,但是它们的局限性也很明显,即承受高负荷会产生变形。这种机器手臂采用变刚度技术,兼备了刚性和柔性机器人的优点。机器手臂可以在不使用时折叠平放,并且在必要时可以变硬。此外,手臂由坚韧的防撕裂织物复合材料和经过特殊处理的强力PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)薄膜组合而成,实用性强。研究人员表示,这种机器手臂有助于在狭窄空间实现对目标的探测和抓取。

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