近年来,机器人领域的快速发展引发了人们对更灵活、自主以及多功能机器人系统的广泛关注。模块化设计作为实现复杂机器人行为和结构重构的有效手段,得到了深入研究。然而,传统的模块化机器人往往依赖刚性模块,功能聚焦于单一的运动或操作任务,受限于环境适应性和功能集成。近年兴起的张力结构(tensegrity)概念为模块化机器人设计带来了全新视角,通过结合张力结构的轻量化、柔韧性和强承载力,打造可变形的模块为机器人系统赋予了更广泛的适应能力和多样化功能。 模块化变形张力结构方块基于张力结构原理,采用软硬结合的设计思路,将刚性杆件和高强度柔性线缆以张力平衡的形式构成空间机构。每个模块拥有灵活的中心关节,能够通过调整线缆长度,实现模块本身的形变,达到压缩、伸展或弯曲的状态。
模块之间通过磁性和机械锁扣相结合的主动连接器实现可靠的对接和断开,支持模块的多方向三维组合。此设计不仅保证了模块的结构稳定性和承载能力,还大大降低了单体重量,使得模块能够便于空中载具(如无人机)携带和部署,使大规模结构的快速组装成为可能。 这种模块化张力结构方块的优势在于多功能的有机融合。首先,作为行走单元,模块能够根据不同地形和环境灵活变形,通过调整自身形态适应崎岖、狭窄及复杂的户外地貌,保证稳定的运动性能。其次,在物体操作层面,模块具备类似机械手的抓握能力,通过变形实现对不同形状物体的灵活抓取和搬运。此外,模块还能通过多体联结,实现如桥梁、临时帐篷骨架及支架等人类规模基础设施的构建功能。
这些特性使得机器人系统不仅局限于传统的单一任务,而是能在同一框架下满足导航、操作和结构搭建三大关键需求。 在设计制造方面,选材与结构优化起到了至关重要的作用。使用高强度碳纤维杆件搭配高刚度丝绳,不仅保证了模块自身的耐用性和负载能力,还大幅度降低了单块模块的重量,约为1.2公斤,边长为52厘米,有效降低了运输和部署的能耗成本。3D打印热塑性聚氨酯中心关节赋予模块高弹性和灵活性,实现形变时的关节缓冲与应力分散。内部集成锂电池、传感器、Wi-Fi通信模块和高性能微控制器,使模块具备长时间自主运行能力和远程控制交互能力。 机械连接机制中,创新的机械锁扣和永磁体组合设计既保障了连接的稳定性和承重力,又具有较强的误差容忍性,支持模块在非高精度对齐条件下顺利结合。
连接过程通过预设的运动模式,如旋转和滑动动作,配合视觉传感器实时反馈,实现高效精准的自动化组合。同时,解锁过程则采用逆向动作,保证模块能够自主分离,满足结构重构及应急撤除需求。模块终端执行机构利用电机拖动卷线器准确调整丝绳长度,实现整体结构的动态形态调节。 自组装能力的实现依托多方面技术的融合。无人机作为空中载具,负责模块的快速运送和高空组装,为地面机器人提供全景视角的状态估计和导航支持。无人机搭载的高分辨率摄像头识别模块上的彩色标识,实现精确定位与姿态估计,结合A*算法和局部路径规划辅助模块自主行进至目标位置。
通过模块与模块间的联动,实现协同动作,支持多模块的协作构建。该系统经过数次户外实验验证,成功搭建出桥梁、帐篷骨架和可调节角度的支架结构,展示了在复杂环境下的实战能力。 模块变形能力的数学基础源于张量形式的非线性静态方程和Lagrangian力学方法,通过求解刚度矩阵与外部载荷间的平衡关系,精准计算线缆长度,使模块形态在工作空间内灵活变化,实现压缩、高度调整和抓握动作。实验测定中心关节贡献了超过90%的形变,保证了杆件本身的高度刚度,提升模块整体结构稳定性。形变范围支持模块压缩至初始体积的30%-40%,极大方便运输和快速部署。 多样化的运动控制策略融合了预定义静态稳定步态和实时路径规划。
单模块与多模块行走时采用类似四足动物的步态模式,以周期性调整丝绳长度实现脚部轮换和前进推动。多模块系统则在连接端口协调联动,保证整体一致性和平衡性。动态模型结合地面弹簧阻尼和摩擦力模型,预测不同材料地面和斜坡条件下的运动行为,并通过真实环境验证,支持高精度仿真与控制策略优化。 该系统在能效方面表现中规中矩,单位重量运输效率优于部分软体机器人,低于某些优化水下机器人。考虑到承载能力和多功能整合,该能效水平符合户外多任务应用要求。基于节能原则的步态调整和模块材料优化,预计未来能实现更优性能表现。
环境适应性方面,模块在各种户外地形中表现优异,包括泥土、草地、雪地和碎石路径。形变功能使其能有效通过狭窄通道、搭建跨水溪的桥梁等复杂环境任务。模块的耐跌落设计最高可承受3米高度跌落,保证了无人机投放过程的稳健性,但更大高度需要进一步材料提升。 未来的发展方向涵盖多个层面。在硬件层面,通过增加杆件直径和采用超高强度复合材料,提升模块的负载及抗冲击能力。通过多自由度连接器设计,增强模块间的相对运动自由度,扩大结构形态变化范围。
在感知与控制层面,计划引入模块内置摄像头、深度传感器及超宽带定位技术,实现去中心化、分布式自主控制体系,减少对外部视觉和无人机支援的依赖,提升系统的独立作业能力。同时,利用强化学习与模型预测控制技术,探索在实际复杂地形中自主生成更高效、稳定的步态和组装方案。 作为一种灵活、轻量、多功能的自组装机器人模块,基于变形张力结构的设计不仅在移动操作和物体操控领域展现前沿优势,更为快速搭建应急基础设施、户外科学考察、灾后救援和空间建造等应用场景提供了极具潜力的解决方案。其与无人机协作的部署模式开辟了机器人系统的新颖交互和应用方式,契合未来智能制造和智能基础设施的长期发展趋势。 综上所述,模块化变形张力结构方块代表了机器人领域向更加适应现实复杂环境迈进的重要一步。通过整合轻量制造材料、先进的动力学建模、创新的连接机制及智能控制算法,机器人系统实现了从单体模块到拥有多样功能的机器人群体的跃升。
随着技术的不断成熟和优化,未来此类机器人将广泛应用于人类生活的方方面面,推动包括救援、建筑、物流乃至空间探索等多个行业的变革,最终展现出前所未有的智能化和自主协同能力。 。
