MORPH 轮胎：被动可变半径轮胎嵌入机械行为逻辑以实现输入响应式变形

本文介绍了 Mechacnically prOgrammed Radius-adjustable PHysical（MORPH）轮胎，这是一种完全被动的可变半径轮胎，嵌入了用于扭矩响应变形的机械行为逻辑。与传统依赖执行机构、传感器和主动控制的可变传动系统不同，MORPH 轮胎仅通过几何结构和顺应结构实现被动适应。该设计集成了扭矩响应耦合器和弹簧加载的连接臂，在无任何电气组件的情况下，依据输入扭矩机械性地调整轮胎半径，从 80mm 调整到 45mm。MORPH 轮胎提供了三项在以往被动设计中罕见同时实现的独特能力：（1）通过对称耦合器实现双向运行并实现无限旋转；（2）超过 10N 的高扭矩容量，驱动模式下实现刚性动力传导；（3）由确定性运动学控制的精确可重复变速比。开发了详尽的分析模型来描述轮胎的机械行为逻辑，建立了直驱与半径变形之间模式切换的阈值条件。实验验证表明，测量得到的扭矩-半径和力位移特性在轮胎质量 1.8-2.8kg 的范围内与理论预测高度吻合。机器人水平的演示在不同负载（0-25kg）、斜坡和非结构化 terrain 中进一步验证了 MORPH 轮胎被动地根据输入扭矩调整半径，以提供最优变速比。MORPH 轮胎体现了一种机械编程结构，将智能、上下文依赖的行为直接嵌入其物理设计中。这种方法为在不可预测或受控受限的环境中运行的机器人移动系统提供了被动可变传动和机械智能的新范式。