新型可变刚度的折纸机器人，可无限时长持续运动

（文章来源：机器人大讲堂）

柔性机器人近年来发展迅速，然而柔性材料的高阻尼和高疲劳特性限制了柔性机器人的使用寿命。杂耍、跳动和小跑等任务所需的持续动态运动对于大多数柔性机器人来说仍然遥不可及。

折纸艺术大家都熟悉，通过折叠纸片可以创造出让人叹为观止的艺术品。使用折纸的方法制造机器人有望解决以上挑战，可实现重复的动态运动。近日，宾夕法尼亚大学的研究人员受此启发，创造出一种灵巧的“软”弹簧折纸机器人。该机器人的名字叫REBO，通过折纸波纹管图案的几何设计实现了弹性轴向顺应性，从而降低材料重量并减少能量损失。

研究团队设计了波纹管的折叠图案，按照图案折叠可产生类似于弹簧的结构。β是折叠后每层的侧面和底面之间的锥角，通过设计和更改锥角的大小，可以控制REBO致动器的刚度。

在一定范围内，锥角越大，致动器的刚度越强。当锥角为45°时，致动器的刚度最大为750Nm-1。在此基础上，研究团队进行了双层结构设计，透明外层按照相同图案折叠以将其包围，经过压缩测试后证明，具有双层结构的致动器的刚度是单层的两倍。

REBO的机器人平台由四部分组成：(a)三个双层REBO致动器 (b)直流电机模块和3D打印的滑轮系统(c)力传感器系统 (d)集成感测和控制的微处理器。三个REBO致动器被安装在顶部和底部的丙烯酸板之间并固定。钢筋束穿过致动器的结构通孔，一端固定在顶板上，另一端固定在安装在电动机上的皮带轮上。旋转电动机使致动器压缩或伸长，致动器线性运动的速度限制由电动机确定。将力传感器放置在顶板（球拍）上，以检测小球何时与顶板接触。

REBO正在“杂耍”的小球被限制在球拍上的管道内，只能进行垂直运动。为了使小球被弹的更高，在每次击打后，REBO会迅速回到预压缩位置，等待下一次的击打。这是因为在动力学中，每次击打小球后放松的球拍都会大大降低球的总能量，因此必须将额外的能量预加载到等待的弹簧REBO中，以便在每次击打时进行保持击球所需的功。

研究团队将REBO的杂耍过程分为“飞行”和“命中”。在“飞行”模式下，发射的小球可以看作是无损失的衡重力状态。球发射后，REBO迅速重置回到其预压缩位置。当小球触发了球拍上的力传感器，系统进入“击打”模式时，球沿着压缩弹簧REBO，整个系统可以看作是弹簧上的质量。

REBO的弹性能量传递给了球，当REBO的长度不再压缩时，“击打”模式结束，然后力传感器报告球已抬起，电机重新接合了肌腱，系统重新进入了“飞行”模式。REBO预压缩的位置越低，它存储的能量就越大，“击打”模式下更大的预压缩力可将更多的能量注入到球中，可以使小球弹得更高。

除了击打小球外，REBO还可以倒置过来，摇身一变成为弹跳机器人。

轻巧的可变形REBO结构具有可控制刚度的弹性，在数千次击球的过程中反复进行疲劳损失极少，这证明了高度可重复的渐近循环系统的稳定性。此外，由于REBO的刚度仅通过改变几何参数就可以改变一个数量级，因此尽管在所有不同的设计中都依赖单一的整体材料，也可以调整机械输出功率以适应各种应用。