近日，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)在厘米級(jí)壓電機(jī)器人領(lǐng)域取得新進(jìn)展，成功研制了一種基于徑向壓電驅(qū)動(dòng)單元周向分布的無線三足機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了厘米級(jí)機(jī)器人的平面全向運(yùn)動(dòng)，相關(guān)研究以《一種基于徑向壓電驅(qū)動(dòng)單元的無線全向三足壓電機(jī)器人》（Omnidirectional Motion of an Untethered Tripodal Microrobot Using Radial Piezoelectric Actuators）為題發(fā)表于《自然通訊》（Nature Communications）。該研究為厘米級(jí)機(jī)器人在復(fù)雜受限環(huán)境中的靈活作業(yè)提供了一種新的設(shè)計(jì)思路與重要技術(shù)支撐。

厘米級(jí)機(jī)器人非常契合狹小受限空間內(nèi)的復(fù)雜作業(yè)需求，在生物醫(yī)療與環(huán)境探索等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)憑借其響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于小型化等優(yōu)勢(shì)，為厘米級(jí)機(jī)器人無線系統(tǒng)集成提供了新的解決方案。然而，如何在強(qiáng)尺寸約束下實(shí)現(xiàn)高效的靈活運(yùn)動(dòng)一直是厘米級(jí)壓電機(jī)器人面臨的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。目前主要有兩種實(shí)現(xiàn)方法：一種是依賴兩組線性解耦壓電單元的協(xié)同配合，通過調(diào)整機(jī)身姿態(tài)以改變運(yùn)動(dòng)方向，另一種是基于多組壓電單元產(chǎn)生切向驅(qū)動(dòng)力，通過矢量合成實(shí)現(xiàn)全向運(yùn)動(dòng)。然而，前者在狹窄空間內(nèi)易受到轉(zhuǎn)向限制進(jìn)而增加控制難度，而后者則因易產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)扭矩而難以保持運(yùn)動(dòng)軌跡穩(wěn)定性。因此，亟須開發(fā)一種兼顧系統(tǒng)高集成度與平面靈活運(yùn)動(dòng)能力的厘米級(jí)壓電機(jī)器人，以滿足其在復(fù)雜受限環(huán)境中靈活機(jī)動(dòng)與高效作業(yè)的迫切需求。

針對(duì)上述難題，團(tuán)隊(duì)研制了一種基于壓電驅(qū)動(dòng)單元周向分布的無線化全向三足壓電機(jī)器人（Φ3.10×2.75cm³，重12.2克）。該機(jī)器人通過三個(gè)周向分布的壓電單元合成六個(gè)半徑方向的基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)力，結(jié)合軌跡插補(bǔ)算法，無需調(diào)整機(jī)身姿態(tài)即可實(shí)現(xiàn)平面全向移動(dòng)。機(jī)器人不僅能負(fù)載13.63倍自重進(jìn)行有效運(yùn)動(dòng)，且在經(jīng)受0.6米高度跌落沖擊與559倍自重靜壓后，依然保持良好的運(yùn)動(dòng)功能。此外，通過在高頻連續(xù)激勵(lì)與間歇激勵(lì)模式切換，機(jī)器人具備了從每秒3厘米宏觀速度到0.56微米微步距的跨尺度運(yùn)動(dòng)能力，兼顧了快速移動(dòng)與高精度微觀定位能力。在系統(tǒng)集成方面，團(tuán)隊(duì)利用疊層式設(shè)計(jì)，在三腳架式結(jié)構(gòu)生成的底部空間內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)了控制、通信、傳感與供電單元的厘米級(jí)高度集成，續(xù)航時(shí)間近50分鐘（累計(jì)運(yùn)動(dòng)里程62.1米）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于所提出的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)自主導(dǎo)航策略，該機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)指定軌跡自主運(yùn)動(dòng)與多機(jī)領(lǐng)航-跟隨展示，并成功執(zhí)行了迷宮穿越、氣體泄漏檢測(cè)、晶圓劃痕檢測(cè)、跨尺度顯微觀測(cè)等多項(xiàng)試驗(yàn)。此外，該機(jī)器人未來有望與微型作業(yè)單元結(jié)合，進(jìn)一步提升其在狹小環(huán)境中的多機(jī)協(xié)同作業(yè)與復(fù)雜任務(wù)執(zhí)行能力。

小型三足壓電機(jī)器人驅(qū)動(dòng)策略與實(shí)驗(yàn)展示

三足壓電機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)展示

哈工大為論文唯一完成單位與通訊單位。機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉英想教授和鄧杰教授為論文共同通訊作者，機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生高宇、副教授李京和副研究員張仕靜為論文共同第一作者，機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室閆紀(jì)朋教授，碩士生張奕霖，博士生劉保熠、關(guān)景晗、王德鴻為論文共同作者。

該項(xiàng)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、黑龍江省博士后基金、機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題與中國(guó)博士后科學(xué)基金的資助。
來源：哈爾濱工業(yè)大學(xué)