Adv. Sci: 多稳态空间连杆：任意过约束机构均能转化为多稳态结构

研究人员一直希望能将科幻电影中的“变形金刚”落到实际，但是，如果采用电影中所展示的全驱动方案实现炫酷的变形，整个机器人系统的复杂程度将难以想象，那么有没有能很好平衡运动复杂度和驱动装置复杂度之间的矛盾的变体机器人设计呢？近期武汉大学的李洋研究团队从过约束空间机构出发，提出了多稳态空间连杆逆向设计方法，大幅扩展了多稳态结构的设计空间，来看看具体是怎么做的吧。

现有的多稳态设计方法可以构造多种双稳态或拼接多稳态结构，如图1所示。对于基于对称结构的双稳态结构（Bi-stable unit cell based on symmetry），和基于材料性质的薄壁双稳态结构（Multi-stable thin-walled structure），这两类单元结构的稳态数量仅能为2个，经过拼接构成可达到多个稳态（Assembly of bi-stable unit cells），但面临着大量多余稳态、且变体过程难以控制的问题；在机构单元上增加弹性元件（Multi-stable unit cell with elastic elements）可以将该机构单元转变成多稳态结构单元（稳态数量>2），但是由于新增的弹性元件存在预应力，大大增加了加工难度和装置复杂度；李洋课题组之前提出的基于结构多协调性的多稳态桁架结构（Multi-stable truss structure，Nat. Commun.: 可定制的异形多稳态单元：多协调性带来的零能多稳态）可以在不增加额外元件、通过单元的内在不协调性来构造多稳态（稳态数量>3），因此整体结构精简，但由于缺乏对空间桁架结构有效的描述方法，无法用于多稳态空间结构。

图1：现有多稳态结构构造方法与本研究提出方法之对比。（i）基于对称结构的双稳态结构，仅能2个稳态；（ii）基于材料性质的薄壁双稳态结构，仅能2个稳态；（iii）附加弹性元件的多稳态结构，加工难度大、结构复杂；（iv）基于多协调性的多稳态桁架结构，仅适用于2维结构；（v~vi）基于单元拼接的多稳态结构，存在大量多余稳态。

近日，武汉大学李洋研究团队针对空间连杆提出了一种多稳态空间连杆结构（Intrinsically Multi-Stable Spatial Linkages，IMSS连杆），如图2所示，设计从过约束空间连杆出发，在不改变其拓扑的情况下，调整连杆的几何参数，放松其约束条件，使其仅在某几个（而不是连续）状态下满足约束条件，因此就能在且仅在这些状态构造稳态。因此，基于这种通用的思路，任意过约束机构均能转化为多稳态结构。

图2：多稳态空间连杆连杆结构设计思路。（i）一般而言，闭环空间连杆只有一个稳态；（ii）通过增加特殊的约束条件，闭环空间连杆获得一个自由度而成为一个过约束机构，如图中的Bennett连杆可连续变体，事实上是在这个连续变体路径上的每一个形态均是结构兼容；（iii）如果仅要求路径上某些离散状态结构兼容，则结构仅能在这些状态稳定，因此闭环空间连杆即成为了多稳态空间连杆；（iv~v）基于此思路，本研究提出了双稳态空间四连杆（IMSS-R4S2）和四稳态空间六连杆（IMSS-R6S4），以及基于两种组合方式（堆叠stacking，串联chaining）的多环多稳态空间连杆。

为验证这一原理，研究团队设计并制造了双稳态空间四连杆结构（视频1，对应于Bennett过约束连杆机构）、三稳态空间六连杆结构（视频2，对应于Bricard过约束连杆机构）。由于本方法针对空间结构创新性地引入了多协调性设计原理（Multi-compatibility principle），使得稳定形态的设计空间扩展至空间非对称构型；同时，因其多稳态来自于结构的内在几何协调性，而不需要加入额外装置以构造稳态，整个多稳态系统是个形式精简的内在多稳态结构系统（intrinsically multi-stable structures）。

研究团队同时采用了单元耦合的方式构造了四稳态空间六连杆结构（图3），以探索更多稳态的可能性，为解决单个角度驱动器不足以遍历全部稳态的问题，研究团队提出了一种基于两个角度驱动器的驱动策略：仅仅驱动其中2个角度，即可完成所有稳态间的切换（视频3）。

图3：四稳态空间六连杆结构。通过两个双稳态四连杆结构的拼接，完成四个稳态的构造，各稳态均可通过2组形状记忆合金（SMA）驱动完成遍历。

面向典型应用场景，研究团队也构造了可展开管状结构（视频4）和爆冲式机器人夹爪（视频5）。所有结构实例均表明，采用少数简单驱动器，如形状记忆合金或线驱动，即可完成所有稳态间的切换。

该成果以“内在多稳态空间连杆”（Intrinsically Multi-Stable Spatial Linkages）为题，近日在线发表在Advanced Science上。该成果是李洋研究员课题组继“易驱动多协调结构设计方法”（Easy-to-actuate multi-compatible truss structures with prescribed reconfiguration, Nature Communications, 2024）之后，在多稳态结构设计研究领域的又一重要进展。这一系列的论文夯实了基于多协调性的多稳态平面结构与空间结构设计方法的理论基础。

论文第一署名和通讯单位均是武汉大学工业科学研究院，论文作者分别为工研院博士生周通，博士生黄冲，硕士生苗壮志，以及李洋研究员。大学生工程训练与创新实践中心的陈东和黄亚老师为此项目提供了机械加工的支持。

论文链接：

http://doi.org/10.1002/advs.202402127