能量壁垒的动态调控助力双稳态机械抓手的适应性操作

研究背景

双稳态结构正在被广泛应用于功能化机器人的范式开发。作为众多机器人的一类，双稳态机械抓手能够利用稳态切换的被动特性，降低操作过程中对复杂控制系统的依赖，并实现零能量消耗的操作保持。然而，当前双稳态结构的能量壁垒多呈现不变特性，导致双稳态机械抓手难以展现出柔顺且稳定的抓取性能。因此，提出能量壁垒可调的双稳态结构能够提高机械抓手对操作任务的适应性。相关研究不仅有助于深化机械抓手操作的智能化，而且有望进一步提升其他双稳态机器人的功能提升。

研究进展

在自然界中，能量壁垒的动态调控广泛出现在植物中。例如：凤仙花属植物能够通过动态调控其种子外壳的能量壁垒，以实现在发育期保护种子、在成熟期释放种子的作用，体现出其对环境的高度适应性。借鉴此思想，本研究提出了一种由曲梁为主要储能元件构成的双稳态机械抓手，并利用电机的主动驱动实现机械系统能量壁垒的动态调控，即：以低能量壁垒实现柔顺触发、高能量壁垒实现稳定抓取。通过这种机制，能够从物理层面提高双稳态机械抓手的操作适应性。

为了表征曲梁几何参数、结构曲率对机械系统能量壁垒的影响，本研究采用欧拉伯努利梁单元建模方法构建了曲梁结构的力学分析模型，并以此计算其在不同构型的弹性势能。随后，结合实验表征手段，探究了物体尺寸、接触位置对触发力的综合影响。

随后，本研究进一步结合理论与实验方法探究了物体直径、指尖摩擦对稳定抓取失效力的综合影响。

为了提高双稳态机械抓手能量壁垒调控的自动化，本研究融合了红外传感器以监测曲梁的稳定状态切换。此外，本研究对曲梁的重复性、适应性进行了实验评估。

最后，本研究对双稳态机械抓手的进一步应用进行了讨论。目前，双稳态机械抓手能够辅助无人机实现低能耗栖息。然而，由于双稳态机械抓手的柔顺触发和稳定抓取之间的制约关系可能引发两个潜在问题。（1）低能量的机械抓手能够实现柔顺触发，但是无法保证无人机的栖息稳定性，容易在风力等因素影响下坠落；（2）高能量壁垒的机械抓手能够实现稳定抓取，但是无法保证无人机的栖息柔顺性，容易导致其电子器件因冲击而损伤。采用本研究所提出的双稳态机械抓手能够通过动态调控能量壁垒同时实现柔顺触发和稳定抓取。

未来展望

本研究提出了一种能量壁垒动态可调的双稳态机械抓手，实现柔顺触发与稳定抓取之间的动态切换。在低能量屏障状态下，机械抓手表现出抓取的高度柔顺性，特别适用于处理易碎物体。一旦抓取成功，通过增加能量屏障会显著提高稳定性。这种动态调控机制使得失效力与触发力之间的比值高达18.30，证明了其在优化灵敏度和抓取强度方面的有效性。在未来研究中，以智能材料作为执行器能够进一步促进机械系统的轻量化发展，并探索构型优化对机器人系统性能的综合影响，切实提高其在双稳态机器人领域的通用潜力。

原文链接：https://doi.org/10.34133/research.0737