基于带状弹簧的等周机器人的设计与控制

《IEEE Robotics and Automation Letters》：Design and Control of Isoperimetric Robot From Tape Springs

带弹簧钢带的等积凸多面体机器人设计及其运动优化。通过采用连续曲形弹簧钢带作为结构核心，组装八面体机器人，并开发专用滚轮驱动模块，实现了所有三角模块顶点的同步驱动。相比传统充气式结构，解决了漏气与温压变化问题，提升运动速度达40%，并支持梁体独立运动等新行为模式。通过速度约束优化算法，实现目标构型最短时间路径规划。

　　

摘要：

等周机器人能够通过改变形状来适应不同的任务。它们由三角形模块组成，每个模块都由一根连续的结构构件构成，这根结构构件穿过每个角上的三个滚轮单元。当滚轮单元沿着结构构件移动时，机器人的形状会发生变化，从而改变关节的位置。以往的设计使用充气织物管作为结构构件，但这些系统容易因温度变化而泄漏或压力波动。我们提出了一种以带状弹簧（弯曲的弹簧钢带）作为主要结构构件的等周机器人，并组装了一个八面体形状的机器人。我们详细介绍了可以沿着带状弹簧移动的滚轮模块的设计，并展示了使用带状弹簧时，每个三角形顶点的三个滚轮单元都可以沿着带状弹簧移动。这提高了机器人在不同形态之间转换的速度，并实现了新的运动方式，例如在不移动滚轮的情况下使梁发生运动。我们还提出了一种优化程序，用于这种带状弹簧等周机器人，以最小化达到所需形态所需的时间，同时假设每个滚轮的最大速度是有限的。

引言

模块化机器人通过实现自我重构和稳健的运动，为动态环境提供了多功能和适应性强的解决方案。其中，由相互连接的三角形单元组成的等周桁架机器人因其结构稳定性和形状变化能力而特别有效。以往的等周机器人（如[1]中介绍的）使用充气管作为结构构件，在放气时体积小且本质上是安全的。充气式等周机器人已被考虑用于月球或太空应用[2]，但可能存在空气泄漏或内部压力随温度大幅变化的问题，这些都会带来重大障碍。为了解决这些问题，我们提出了一种以带状弹簧（弯曲的弹簧钢带）作为主要结构构件的等周机器人。