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来自于液滴的表面张力的灵感,开发一种在可变的地形上移动的轮子

来源:中国人工智能学会 浏览 255 次 发布时间:2024-09-06

凭借其速度和低运输成本,车轮是机器人运动的有利选择。然而,车轮不能轻易地越过大障碍物,从而限制了它们在某些环境中的使用。近期Science Robotics发表的封面论文,Lee等人开发了一种刚度可调的轮子,可以实时改变,在平坦的地面上呈现出坚硬的圆形,在大障碍物上呈现出柔软的、可变形的形状。车轮外侧的智能链条结构通过辐条结构连接到中心轮毂。辐条中的张力可以调整以适应车轮的刚度,从而允许车轮在可变的地形上移动。车轮功能在四轮车辆和两轮轮椅系统中得到了展示。

这是一个受液滴表面张力启发的可变刚度轮。在液滴中,随着最外层液体分子的内聚力的增加,将液体分子向内拉的净力也增加。这导致高表面张力,导致液滴从引力引起的扭曲形状恢复为圆形。同样,车轮的形状和刚度是通过改变最外层智能链块的牵引力来控制的。随着连接到每个链块的钢丝辐条张力的增加,车轮特性反映了一般圆刚轮的特性,这在正常平坦地面上的高速运动中具有优势。相反,随着线辐条张力的减小,车轮的模量减小,并且根据障碍物的形状,车轮容易变形。这使得轮子适合克服障碍物,而不需要复杂的控制或传感系统。在此机理的基础上,将轮子应用于重达120 kg的两轮轮椅系统,实时实现了轮椅在室外环境中驾驶时,圆形高模量状态和可变形低模量状态的状态转换。


主要技术方法1.灵感来源:设计灵感来自于液滴的表面张力,液滴在外界作用力下能够通过表面张力恢复其形状,类似地,轮子通过改变其刚度来适应不同的地形。


2.可变刚度机制:通过改变连接到轮子最外层智能链块(smart chain block)的牵引力(即改变牵引线张力),来控制轮子的形状和刚度。


3.智能链结构:轮子的智能链结构由一系列链块组成,通过改变牵引线的张力,可以改变这些链块的紧密程度,从而改变轮子的刚度。


4.实时状态转换:轮子能够实现在高刚度状态(适合平坦地面高速运动)和低刚度状态(易于变形以适应障碍物)之间的实时转换。

5.实验系统:开发了一个实验系统来评估轮子的基本特性,包括使用负载传感器和激光位移传感器来测量轮子的反应力和位置。


实验结果1.刚度变化验证:实验结果显示,通过改变轮毂间隙距离(hub-gap distance),轮子的刚度可以显著变化,从而影响其变形高度。


2.障碍物克服能力:轮子成功演示了在遇到障碍物时降低刚度以适应其形状,并在通过障碍后恢复高刚度状态的能力。


3.车辆系统演示:将这种轮子应用于四轮车和两轮轮椅系统,证明了其在实际载重和户外环境中的实用性和有效性。


4.稳定性和牵引力:在不同载荷下测试了轮子的稳定性和牵引力,确保了其在不同条件下的性能。


5.高速行驶评估:在高速行驶条件下,评估了轮子的振动特性,确保了其在实际应用中的可靠性。