一个基于折纸结构的机器人可实现滑翔和跳跃运动

来源:中国机器人网
首尔国立大学的研究人员最近开发了一种紧凑而轻巧的折纸结构,其灵感来自于瓢虫。在《科学机器人》杂志上发表的一篇论文中,他们展示了如何利用这种结构来建造一个有翅膀的跳跃滑翔机器人。

  首尔国立大学的研究人员最近开发了一种紧凑而轻巧的折纸结构,其灵感来自于瓢虫。在《科学机器人》杂志上发表的一篇论文中,他们展示了如何利用这种结构来建造一个有翅膀的跳跃滑翔机器人。跳跃-滑翔是一种特殊的运动方式,它结合了滑翔和跳跃运动。

  "我们的目标是开发出一种跳跃滑翔机器人的机翼,"软体机器人研究中心主任兼该研究的首席研究员Kyu-Jin Cho说。"跳跃式滑翔运动可以提高机器人的能源效率和行驶距离。要做到这一点,机翼应该是可折叠的、可快速展开的、在空气动力作用下有弹性的。"


  在过去的研究中,大多数研究人员在开发跳跃滑翔机器人时,采用的设计策略是在机器人的机翼上加装联动装置、弹簧和执行器。然而,这些技术往往会使机器人变得特别笨重,阻碍了机器人的整体运动性能。

  Cho和他的同事们从自然界中汲取灵感,更具体地说,是从瓢虫甲壳虫中汲取灵感,开发出了一种跳跃滑翔机器人的设计策略。瓢虫可以在0.1秒内迅速展开其复杂折叠的翅膀;这个时间比眨眼的时间还短。

  此外,众所周知,瓢虫的翅膀具有很强的抵抗力和坚固性,这可以防止它们在高频率拍打时折叠或弯曲。Cho和他的同事们希望创造出一种具有类似于瓢虫翅膀的人造结构翅膀,能快速又高效地展开。

  "我们开发出了一种新型的折纸结构,这种结构可以快速自我展开,并且具有弹性。"该研究的第一作者Sang-Min Baek解释说。"然后,我们将这种新型的折纸结构应用到了可展开式机翼模块的翼架上。基于这种可展开翼模块,我们能够建造出一个轻巧、可折叠但坚固的跳跃滑翔机器人。"

  瓢虫的翅膀之所以既容易展开,抵抗力又强,是因为它们的翅膀是围绕着一个独特的胶带弹簧状的脉络构建的。当瓢虫折叠翅膀时,这条胶带弹簧状的脉络会变形,让弹性能量储存在里面。这种储存的能量最终使翅膀能够快速、轻松地展开。

  "由于带状弹簧形静脉的横截面曲率,机翼在较大的空气动力作用下也很坚固,就像卷尺维持其伸直的形状一样,"Baek解释道。"我们将其几何形状和顺应性应用到折纸结构的切面上。因此,折纸结构获得了能量储存和自锁能力,而不需要任何额外的组件。"

  传统折纸结构是由平坦且刚性的小面组成,并具有高度灵活的折叠线。但在机器人应用中,这些传统结构往往在能量储存和锁定能力方面存在局限性。因此,Cho和他的同事们决定采用一种不同的折纸方法,将弧形几何图形整合到各个小平面中,本质上将每个小平面视为一个可变形的元素。

  "使用这种方法,折纸结构获得了能量储存和锁定能力,而不需要任何额外的组件,"Cho说。"此外,这种折纸设计方法可以很容易地应用到传统的折纸结构制造过程中。因此,我们的折纸设计方法,也就是我们所说的顺应性折纸,可以很容易地应用于各种可部署的系统。"

  到目前为止,Cho和他的同事们将他们基于折纸的结构在一个单一的跳跃滑翔机器人上进行了应用和测试,但在未来,它可以用于制造其他类型机器人。此外,他们的研究更多地关注于折纸结构本身,而不是机器人。因此,在接下来的研究中,研究人员计划对他们使用折纸结构建造的跳伞机器人的性能和能力进行研究。


  "我们开发的多模式机器人可以通过结合跳跃、爬行、滑行、滑翔、拍打和栖息等功能,克服各种崎岖的地形,"Cho说。"自然界利用功能组合来产生这些动作,但目前的机器人都集中在单一功能上。通过开发出适合组合多种功能的新部件,未来的机器人可以拥有多模式的功能,而不需要增加机器人的复杂性或重量。"

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