两江科技评论

2023-12-08

导读：近日，西安交通大学机械工程学院李博副教授课题组在多稳态驱动器设计研究方面取得新进展，突破了原有驱动器设计思路，提出了一种非相继三稳态驱动器。

欢迎课题组投递中文宣传稿，投稿方式见文末

撰稿|由课题组供稿

导读

近日，西安交通大学机械工程学院李博副教授课题组在多稳态驱动器设计研究方面取得新进展，突破了原有驱动器设计思路，提出了一种非相继三稳态驱动器。研究成果以“A tristable actuator for a bi-directional crawling and falling-rebootable robot”为题，于2023年10月26日以Regular Paper形式在线发表于IEEE/ASME Transactions on Mechatronics上（DOI: 10.1109/TMECH.2023.3321904）。

研究背景

爬行是移动式软体机器人的主要运动形式之一，随着机器人技术迅猛发展，研究者们开发了各式各样的爬行机器人。然而想要在小尺度及柔性结构上开发一个具备多种运动模式的爬行机器人仍具挑战。三稳态驱动器因其在无外界能量输入下可以保持构型稳定并在能量输入下完成构型切换而备受关注。但绝大多数的三稳态机构在稳态切换时具有相继性，即从稳态位置I切换至III需要经过稳态位置II。这种相继性会带来额外的能量损耗，导致机器人运动效率的降低，损失了灵活性。

研究亮点

图1 相继与非相继三稳态机构的区分

为了解决上述难题，李博课题组借鉴了三态门电路的设计思想将两个双稳态驱动器(FCBA和BBA)正交布置，利用FCBA改变BBA中弹性绳的拉伸状态以产生第三个稳态。由于FCBA的刚度比BBA大，所以BBA在两个稳态2i与2ii之间切换时并不会影响FCBA的状态，正因为这种主副刚度的存在，驱动器的三个稳态在能量图上不共线，产生的三个稳态是状态非相继的，可以在任意两个稳态上进行跳转。

图2 三稳态驱动器的设计

图3 三稳态驱动器的能量图

论文将两个三稳态驱动器首尾相连组成了一个可以双向爬行以及跌落自重启的机器人。两个驱动器共用一个FCBA，所以始终有一个驱动器处于状态2i（或2ii）另一个处于状态1。当驱动器处于状态1时其末端是水平状态，与地面不接触，故前后足的摩擦力不一致，从而产生单向运动。想要切换运动方向只需切换FCBA的状态即可。另外本机器人从高台跌落发生侧翻后，仍可通过稳态切换完成状态的改变，快速切换到运动初始的构型以继续完成对应的工作。

图4 双向爬行以及跌落自重启爬行机器人设计

总结与展望

该论文的第一作者为西安交通大学机械学院的博士生姜磊，西安交通大学机械学院副教授李博为唯一通讯作者。合作者包括西安交通大学机械学院教授陈贵敏；西安电子科技大学机电工程学院讲师马付雷。相关研究得到了国家自然科学基金委、陕西省科学技术厅等的联合资助。

Lei Jiang, Bo Li*, Fulei Ma, Guimin Chen, A Tristable Actuator for a Bidirectional Crawling and Falling-Rebootable Robot，IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2023.

论文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/10297974

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西安交大李博副教授设计一种三稳态驱动自重启机器人

Lei Jiang, Bo Li*, Fulei Ma, Guimin Chen, A Tristable Actuator for a Bidirectional Crawling and Falling-Rebootable Robot，IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2023.

论文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/10297974