哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉英想教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種基于剛性圓環(huán)結(jié)構(gòu)的3厘米尺度四足壓電機(jī)器人，該機(jī)器人在靈活快速運(yùn)動(dòng)、大負(fù)載能力及高分辨力方面取得突破，為微小型機(jī)器人在廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新思路。

近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉英想教授團(tuán)隊(duì)在微小型機(jī)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(jī)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(jī)器人實(shí)現(xiàn)靈活快速運(yùn)動(dòng)、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(yùn)輸及檢測(cè)等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。微小型機(jī)器人因其體積小、重量輕、運(yùn)動(dòng)靈活等特色，在顯微操作、環(huán)境探察、救援搜索等領(lǐng)域展現(xiàn)出不錯(cuò)的應(yīng)用前景，是機(jī)器人領(lǐng)域的熱門研究方向。采用傳統(tǒng)電磁驅(qū)動(dòng)方式的機(jī)器人容易實(shí)現(xiàn)快速靈活運(yùn)動(dòng)，但受限于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，不利于進(jìn)一步小型化。此外，電磁驅(qū)動(dòng)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(dòng)具有精度高、響應(yīng)快、功率密度大、電磁兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，非常契合微小型機(jī)器人的發(fā)展需求，其中采用彈性體振動(dòng)模態(tài)致動(dòng)的諧振型壓電機(jī)器人一般具有較高的速度，但存在平面靈活運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)和大負(fù)載能力兼?zhèn)涞奈⑿⌒蛪弘姍C(jī)器人成為本領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一。
針對(duì)上述問題，自然界中的一些硬殼動(dòng)物(如螃蟹等)提供了一種有趣的解決方案：它們用于保護(hù)身體的堅(jiān)硬外殼有利于承受較大負(fù)載，同時(shí)通過足端的多方向致動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)了靈活運(yùn)動(dòng)。借鑒這一思路，團(tuán)隊(duì)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(jī)器人：一方面利用設(shè)計(jì)的高剛度圓環(huán)基體和圓柱驅(qū)動(dòng)足實(shí)現(xiàn)了大負(fù)載能力，另一方面通過圓環(huán)基體不同振動(dòng)模態(tài)間的復(fù)合疊加，在足端生成了多維致動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)了平面的直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?；谟邢拊椒?，團(tuán)隊(duì)總結(jié)了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)諧振頻率和足端位移的影響規(guī)律，完成了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。為了驗(yàn)證相關(guān)設(shè)計(jì)和方法的可行性，團(tuán)隊(duì)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(jī)器人樣機(jī)，并對(duì)其開展了一系列特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器人樣機(jī)在直線運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度仍能達(dá)到每秒92毫米，通過使用脈沖超聲激勵(lì)方案，其分辨力可達(dá)0.25微米(μm)。機(jī)器人樣機(jī)在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(lì)模式下其分辨力為32.7微弧度(μrad)，機(jī)器人的功耗約為0.42瓦(電壓峰-峰值為100)。機(jī)器人樣機(jī)在運(yùn)動(dòng)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(jī)器人的構(gòu)型規(guī)劃、仿真分析和展示試驗(yàn)
哈工大為論文唯一完成單位與通訊單位。機(jī)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(xiàng)研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助。