23、建筑机器人的设计与交互探索

建筑机器人的设计与交互探索

1. 模块化转换设计

设计了一种模块化转换结构，其基础部分可从正方形剪切为菱形，在三维空间中将立方体转换为均匀菱形棱柱。这种几何转换代表了每个面上艺术品方向的变化，直接改变了人类访客与艺术品之间的关系，这是基本的交互场景。该项目以三个模块并排连接作为研究原型，若涉及更多模块相互连接，系统会变得更复杂。

2. 驱动系统：气动人工肌肉与弓形连接

为实现上述转换，系统需要收缩力将底部的两个对角相互拉近，同时需要相应的弹簧作用使系统恢复到初始状态。驱动系统受相关实验启发，收缩力由McKibben气动人工肌肉（PAM执行器）实现，弹簧反作用力由预紧的15毫米直径尼龙杆制成的弓形连接提供。
在每个模块的底部，两个对角由一个PAM执行器连接，另外两个对角由两个弓形连接预紧。在驱动阶段，PAM的收缩主导转换，将两个对角拉近，使几何形状从立方体变为菱形立方体；在释放阶段，弯曲尼龙弓形连接的预紧力抵消转换，系统弹回初始状态。PAM执行器和弓形连接共同实现了稳健的驱动循环。

3. PAM执行器的制造、实验与测量

驱动循环的关键是设计和制造稳健的PAM执行器。PAM执行器于20世纪50年代首次开发，包含一个弹性体内管，周围环绕着双螺旋编织护套。当内管内部产生压力时，人工肌肉的自由端收缩，而外部护套保持圆柱形。通过双螺旋编织护套，加压内管的周向应力转化为轴向收缩力。
选择PAM执行器主要是因为其在原型制作中的灵活性。它可以由现成且容易获得的材料和配件组装而成，其属性（如长度、直径、驱动速度等）可以通过对材料和代码的一系列修改进行定制和迭代。与其他执行器（如线性执行器）相比，PAM执行器更适合作为设计工具。本项目