模块化桁架机器人磁吸连接器模式切换硅胶气室的冲击性能优化与设计指南

《Scientific Reports》：Robust design of air chamber to enhance impact connection strength of magnetic connectors on modular truss robots

　　**摘要**相邻模块之间的连接机构是模块化可重构机器人（MRR）系统中的关键子系统。由于结构简单、使用便捷，磁吸连接器被广泛用于对接和分离操作。然而，与机械对接机构相比，其最大抗拉强度较低。当模块化桁架机器人在运动、重构、对接和分离过程中受到冲击力时，这一局限性尤为关键。为解决这一挑战，本文开展了全面的参数研究，并建立了设计指南以最大化磁吸连接器的抗冲击能力。作为该方案的核心组件，我们研究了一种模式切换硅胶气室，旨在增强吸能能力，同时减缓分离性能的退化。为评估气室性能，我们引入了一种受夏比冲击试验启发的实验评估方法。由于软结构的瞬态响应极为复杂，本研究采用田口方法和全因子设计方法优化设计参数并推导设计指南。在参数选择方面，选取了四个可判定对气室气密刚度、结构柔性和流体阻尼有影响的因子。同时，每个设计参数划分为三个水平，采用 $L_9(3^4)$ 正交表对每组组合进行五次重复实验。性能指标由 $M_1$ 和 $M_2$ 的加权和组成，其中 $M_1$ 表征气室的抗冲击能力，$M_2$ 反映气室底部孔口开合之间的模式切换指标。为探索第一次实验中所识别最优值附近区域，进行了第二次实验以确定最终最优参数配置，相较于最坏情况，指标提升了 0.051969。最后，通过在已配置的 MRR 系统中使用原型连接器的硬件模型，验证了所提设计指南的实用可行性和有效性，证明了在所选冲击条件下连接保持能力。