一种具有轴对称模态和非轴对称驱动足的无线环形机器人

背景

微小型机器人因其体积小、重量轻、运动灵活等优势，在环境侦察、救援探索等领域中具有广阔的应用前景，成为机器人领域的一项研究热点。传统电磁电机驱动方式虽能实现快速灵活运动，但受限于传动机构的相对复杂和组件缩放时的功率骤减，导致难以进一步小型化。压电机器人继承了压电驱动技术精度高、响应快、电磁兼容性好等优点，并兼具结构设计灵活、易于小型化等特点，受到国内外众多学者的研究和青睐。其中，基于压电弹性体高频振动的谐振式压电机器人展现出数百毫米每秒的快速度和亚微米级的高分辨力，实现了跨尺度运动。然而，由于多个压电弹性体间振动解耦和连接强度的设计矛盾，导致谐振式压电机器人难以兼顾灵活运动和大负载能力。因此，如何通过压电弹性体创新设计，实现机器人兼顾高灵活性和大负载能力的跨尺度运动，是微小型压电机器人面临的一项重要挑战。

研究进展

针对上述挑战，哈尔滨工业大学机器人技术与系统全国重点实验室刘英想教授团队提出了一种基于单一高刚度圆环弹性体驱动的三足压电机器人，通过轴对称模态和非轴对称驱动足的组合设计兼顾实现了微小型压电机器人的平面灵活运动和大负载能力（图1）。一方面，该机器人采用单一高刚度环形结构提高了整机负载能力；另一方面，团队分析了圆环结构模态节点与驱动足位置间的对应关系，设计了非轴对称的驱动足布置方案，分别利用圆环三阶和四阶轴向模态实现了机器人的旋转和直线运动；并通过不同驱动足与振动节点间的差异化间距提升了直线运动速度。该方案为微小型压电机器人灵活运动和大负载能力的兼备提供了一种有效思路。

团队基于有限元方法研究了关键结构参数对谐振频率和足端位移的影响规律，完成了机器人的结构参数设计，并研制了环形三足压电机器人样机，其体积约为38×38×15.5 mm³，重约9.2 g。实验结果显示，在连续超声信号激励下，机器人最大直线和旋转运动速度分别为338 mm/s和944 °/s，其最大负载达400 g（超过40倍自重）；在脉冲超声信号激励下，机器人直线和旋转运动的分辨力分别为0.81 μm和36.14 μrad。为进一步提升机器人机动性，研制并集成了一款紧凑型专用驱动电源。在无线驱动模式下，机器人实现了93 mm/s的直线速度和438 °/s的旋转速度，负载达200 g，分辨力为0.63 μm，实现了兼备灵活运动和大负载能力的无线跨尺度运动，在微小器件的大范围运输和检测等领域具有良好应用潜力。

未来展望

未来，微小型压电机器人将持续朝着智能化、集成化方向发展。通过进一步融合操作、传感与控制等功能单元，构建闭环反馈系统，实现机器人在复杂场景中的操控目标识别和运动模式自主切换，提升压电机器人从宏观运动到微观操作的自主化跨尺度运动与操作能力。在应用层面，机器人有望在精密装配、芯片检测、微纳操作等任务中发挥重要作用。

论文链接：https://spj.science.org/doi/abs/10.34133/research.1158