基于3D打印架构弹性体的无束缚软体机器人行走负载驱动执行器研究

这篇研究突破性地开发了基于热塑性聚氨酯(TPU)的3D打印手性剪切拉胀结构(HSA)执行器，通过优化机械顺应性与结构刚度平衡，实现了无束缚软体四足机器人183 mm s?1的行走速度（0.65体长/秒）和8.54的低运输成本(COT)，为可部署软体机器人提供了新型电驱动解决方案。

　　

摘要
机械顺应性在生物 locomotion 中起着关键作用。本研究通过3D打印技术开发了基于热塑性聚氨酯(TPU)的手性剪切拉胀结构(HSA)执行器，用于无束缚软体机器人行走。这些执行器具有优异的 flexibility 和 durability，能够直接由集成伺服电机驱动。通过调整HSA的拉胀图案区域，研究了HSA腿的结构-性能-行走性能关系。结果显示，机械顺应性最高的HSA腿实现了最快的行走速度(183 mm s^?1或0.65体长/秒)和最低的运输成本，尽管其产生的力最小。这项工作为无束缚 locomotion 的软体执行器优化设计和制造开辟了新方向。

1 引言
机械 compliance 是动物 locomotion 的核心特征。软体机器人领域试图通过软执行器（如气动执行器、介电弹性体执行器(DEAs)和液晶弹性体(LCEs)）复制这一优势。然而，这些执行器普遍存在力输出有限、依赖笨重外部电源和响应速度慢等问题。本研究提出了一种基于3D打印架构弹性体的负载 bearing 软执行器，采用圆柱形HSA结构。TPU材料相比光敏树脂具有更好的 flexibility 和 durability，使得执行器能够实现更大、更动态的运动。

2 结果
2.1 3D打印HSA腿和单HSA表征
通过熔融沉积成型(FDM)3D打印技术，将整个HSA腿作为单一 monolithic 弹性体部件打印。研究了三种不同拉胀图案区域的HSA结构：连续67%(C67)、连续45%(C45)和分布式45%(D45)。力学测试表明，C67 HSA在拉伸、弯曲和剪切测试中表现出最低的 stiffness，这与其最大的拉胀图案区域相关。

2.2 HSA腿性能
在自由位移测试中，C67 HSA腿产生了最大的延伸位移(33.01±0.08 mm)和弯曲角度(18.42±0.05°)。在 blocked-force 测试中，虽然D45腿产生了最高的力输出(45.14±1.02 N)，但C67腿在机械 work 输出方面表现最优。

2.3 无束缚软体机器人行走
构建了重约2 kg的无束缚软体四足机器人，采用小跑步态。C67腿机器人实现了183 mm s^?1的行走速度，是D45腿的2.3倍。在运输成本(COT)方面，C67腿机器人表现出最低的8.35±0.10，接近陆地动物的趋势线。这一结果挑战了传统认知，表明更高的机械 compliance 可以带来更好的 locomotion 性能。

3 结论
这项工作展示了基于3D打印TPU HSA执行器的无束缚软体机器人 walking。研究发现，尽管C67 HSA腿的力输出最低，但其实现了最快的 walking 速度和最低的COT。这一发现强调了材料设计创新在软体机器人中的重要性，为开发高性能、可部署的软体机器人提供了新思路。未来工作可以探索更先进的控制策略和传感器集成，以进一步提高机器人的适应性和响应性。