【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人技術(shù)與系統(tǒng)全國重點實驗室劉英想教授團隊在微小型機器人研究方面取得新進(jìn)展，相關(guān)研究以《一種靈活的基于剛性圓環(huán)結(jié)構(gòu)的3厘米尺度四足壓電機器人》(An Agile 3cm-Scale Quadruped Piezoelectric Robot with a Rigid Ring-Shaped Structure)為題發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)上。這一研究成果為微小型機器人實現(xiàn)靈活快速運動、大負(fù)載能力、高分辨力兼?zhèn)涮峁┝艘环N有效的解決思路，在微小器件的大范圍運輸及檢測等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。
 

　　微小型機器人因其體積小、重量輕、運動靈活等特點，在顯微操作、環(huán)境探察、救援搜索等領(lǐng)域展現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景，是機器人領(lǐng)域的熱門研究方向。采用傳統(tǒng)電磁驅(qū)動方式的機器人容易實現(xiàn)快速靈活運動，但受限于傳動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，不利于進(jìn)一步小型化。此外，電磁驅(qū)動方式存在電磁干擾，且縮放軸承和線圈等組件后的輸出力提升受限。壓電驅(qū)動具有精度高、響應(yīng)快、功率密度大、電磁兼容性好等優(yōu)點，非常契合微小型機器人的發(fā)展需求，其中采用彈性體振動模態(tài)致動的諧振型壓電機器人一般具有較高的速度，但存在平面靈活運動和大負(fù)載能力難以兼顧的矛盾。因此，如何研制出平面靈活運動和大負(fù)載能力兼?zhèn)涞奈⑿⌒蛪弘姍C器人成為本領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一。
 

　　針對上述問題，自然界中的一些硬殼動物(如螃蟹等)提供了一種有趣的解決方案：它們用于保護身體的堅硬外殼有利于承受較大負(fù)載，同時通過足端的多方向致動軌跡實現(xiàn)了靈活運動。借鑒這一思路，團隊提出了一種基于剛性圓環(huán)結(jié)構(gòu)的3厘米尺度四足壓電機器人：一方面利用設(shè)計的高剛度圓環(huán)基體和圓柱驅(qū)動足實現(xiàn)了大負(fù)載能力，另一方面通過圓環(huán)基體不同振動模態(tài)間的復(fù)合疊加，在足端生成了多維致動軌跡，實現(xiàn)了平面的直線和旋轉(zhuǎn)運動。基于有限元方法，團隊總結(jié)了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對諧振頻率和足端位移的影響規(guī)律，完成了機器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計。為了驗證相關(guān)設(shè)計和方法的可行性，團隊研制了體積為30×30×14.3立方毫米、重6.9克的圓環(huán)型四足壓電機器人樣機，并對其開展了一系列特性測試實驗。實驗結(jié)果表明，機器人樣機在直線運動中最大速度為每秒255毫米，在200克(約30倍自重)的負(fù)載下其運動速度仍能達(dá)到每秒92毫米，通過使用脈沖超聲激勵方案，其分辨力可達(dá)0.25微米(μm)。機器人樣機在旋轉(zhuǎn)運動中最大速度為每秒1265度，在200克負(fù)載下其轉(zhuǎn)速仍可達(dá)到每秒424度，在脈沖激勵模式下其分辨力為32.7微弧度(μrad)，機器人的功耗約為0.42瓦(電壓峰-峰值為100)。機器人樣機在運動速度、靈活性、負(fù)載能力和分辨力方面都展現(xiàn)出良好的性能。
 

壓電機器人的構(gòu)型規(guī)劃、仿真分析和展示試驗
 

　　哈工大為論文唯一完成單位與通訊單位。機電工程學(xué)院李京副研究員和碩士研究生劉保熠為論文共同第一作者，劉英想教授為論文通訊作者，陳維山教授、張仕靜副研究員和鄧杰副教授為論文共同作者。
 

　　該項研究工作得到國家自然科學(xué)基金項目資助。