哈佛大學(xué)微型機器人實驗室研究出壓電雙晶片多足機器人

哈佛大學(xué)微型機器人實驗室的羅伯特·伍德（Robert J. Wood）教授曾介紹過一種多節(jié)段的多足類微型機器人，相關(guān)論文題為《多節(jié)段足微型機器人》（Myriapod-like ambulation of a segmented microrobot） 。

該微型機器人使用壓電雙晶片作為驅(qū)動，體積為 3.5 * 3.5 cm，重量為 750 mg，與一般的六足微型機器人相比，該類型機器人在攀爬、實現(xiàn)多功能性和穩(wěn)定性方面具有潛在優(yōu)勢。

多節(jié)段機器人的運動優(yōu)勢

多節(jié)段機器人其設(shè)計靈感來源于自然界中的多足動物，這類機器人相比于傳統(tǒng)的形態(tài)的優(yōu)勢體現(xiàn)在：

1.速度：雖然如蟑螂和其他六足昆蟲的每秒最大運動距離可以達到 40-50 倍自身體長，蜈蚣的每秒的最大運動距離約為 10 倍自身體長；然而，蜈蚣仍然是敏捷的爬行昆蟲之一，其能夠捕捉蟑螂和甚至更大的昆蟲和哺乳動物。除了利用自身肢體起伏來放大步長之外，蜈蚣肢體固有的靈活性使它們能夠在平面上自由移動，使蜈蚣微型機器人在崎嶇地形上前進和換向時比同尺寸的傳統(tǒng)剛體六足機器人更快。

2.運動穩(wěn)定性：由于蜈蚣又稱百足蟲，自身有大量腿（特定的物種最大能達到 191 條），這在運動上的體現(xiàn)為運動步態(tài)豐富并且增加了運動的穩(wěn)定性。

3.高的運動靈敏性和魯棒性：有研究專家發(fā)現(xiàn)當(dāng)切除蜈蚣一定數(shù)量的腿后，其運動能力（包括步態(tài)、速度和穩(wěn)定性）變化不大，這表明多節(jié)段機器人可能對故障具有魯棒性。得益于肢體的靈活性，蜈蚣可以從水平表面移動到垂直表面，而步態(tài)不會發(fā)生劇烈的變化。因此，這類型機器人附節(jié)段數(shù)的增加，機器人的運動也更加靈敏。 

4.通用性：可以通過增加和去除蜈蚣機器人的節(jié)段，以更好地執(zhí)行不同的任務(wù)，可以適用于不同的場合。

但目前制造這類型機器人的難題體現(xiàn)在于，由于微小型機器人的尺寸差異和存在著加工誤差，這對機器人的運動難以預(yù)測，而且接線一般也是手工焊接的，這種方式費時又不可靠。為了解決這些問題，作者在本研究提出了一種布線方式，并且創(chuàng)建了對應(yīng)的動力學(xué)模型，配合樣機實驗，對機器人運動的實現(xiàn)了較吻合的預(yù)測。

壓電雙晶片多足機器人的設(shè)計和工作原理

對比壓電驅(qū)動器（PEA）和形狀記憶合金（SMA）驅(qū)動器，形狀記憶合金驅(qū)動器的頻率帶寬低于壓電驅(qū)動器，限制微型機器人的步進激勵頻率。因此在本項研究當(dāng)中，多足機器人采用了壓電雙晶片作為驅(qū)動器，分別布置在垂直和水平方向上，以分別實現(xiàn)驅(qū)動足的前進/后退，以及升高/降低驅(qū)動腳的步進運動。

而多節(jié)段機器人由多個單節(jié)段機器人組成，其中由 Sarrus 機構(gòu)將多個節(jié)段的機構(gòu)相連。Sarrus 機構(gòu)是 1853 年由法國數(shù)學(xué)家薩魯斯（Pierre Frederic Sarrus）所發(fā)明的一種古典機械機構(gòu)。

這種機構(gòu)能夠?qū)⒂邢薜膱A周運動轉(zhuǎn)換為直線運動的機械聯(lián)動裝置，可以將直線運動轉(zhuǎn)換為標準的旋轉(zhuǎn)運動。Sarrus 機構(gòu)是一種空間機構(gòu)，有時也稱為“空間曲柄機構(gòu)”。它能通過自身構(gòu)型的變化，實現(xiàn)設(shè)備由空間機構(gòu)向平面機構(gòu)的轉(zhuǎn)化，從而大大減小自身所占空間。

在接線上，多足機器人每個節(jié)段有兩個壓電雙晶片驅(qū)動器，分別實現(xiàn)機器人的站立和腿部的旋轉(zhuǎn)運動，因此需要兩個驅(qū)動信號。其中，兩個壓電雙晶片驅(qū)動器共享一個接地和驅(qū)動信號。

每個壓電雙晶片驅(qū)動器的兩側(cè)極性相反，換言之，通過每個壓電雙晶片驅(qū)動器僅使用一個驅(qū)動信號，就可以實現(xiàn)當(dāng)機器人的一條腿升起時，另一條腿則預(yù)緊于地面上。

類似的，控制水平方向的壓電雙晶片驅(qū)動器可以實現(xiàn)前后運動。如此一來，通過控制電壓信號，即可實現(xiàn)對機器人的空間運動控制。

為了保持運動的靜態(tài)穩(wěn)定性，作者在本設(shè)計中組裝了三節(jié)段驅(qū)動器的微型機器人。并且利用銅跡線大大減少了硅膠線的數(shù)量。由于機器人體積小，驅(qū)動器的脆性不能施加方波信號，因為信號的瞬時變化會損壞壓電驅(qū)動器。

為了實現(xiàn)激勵，作者施加了幅值為 200 V ，頻率為 2Hz 的正弦驅(qū)動信號，站立腳和擺動腳在水平面運動在正弦驅(qū)動信號的峰值處切換方向。

其中，提取了中間段的實驗腿和節(jié)干角度與動力學(xué)模型，可以看出，實驗值和理論值非常吻合，證明了動力學(xué)模型的有效性。

同時，因為驅(qū)動腳的切換不是瞬時的，所以運動存在著耦合的現(xiàn)象（即向前/向后運動時，會產(chǎn)生向左或者向后偏移的情況）。在實驗結(jié)果當(dāng)中，當(dāng)激勵頻率為 2Hz 時，機器人 10 秒內(nèi)前進了約為自身的體長的距離，運動步長介于 0.75mm 到 1mm 之間。

該項研究提出的壓電微型多足機器人為與制造、控制、攀爬和建模相關(guān)的研究人員提供了啟發(fā)，也極大的增強了多足機器人的運動能力，擴展了其應(yīng)用場景，如應(yīng)用于搜索和救援任務(wù)、危險環(huán)境探索和監(jiān)視的場合當(dāng)中，具有很高的研究前景和市場前景。

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