哈佛大学微型机器人实验室研究出压电双晶片多足机器人

哈佛大学微型机器人实验室的罗伯特·伍德教授曾经介绍过一种多节多足微型机器人，相关论文的题目是《多节足微型机器人》。

微型机器人由压电双晶片驱动，体积为3.5cm x 3.5，重量为750mg。与一般的六足微型机器人相比，这种机器人在攀爬、实现多功能性和稳定性方面具有潜在优势。多节机器人的运动优势

多节机器人的设计灵感来源于自然界的多足动物。与传统形式相比，这种机器人有以下优点:

1 .速度：虽然如蟑螂和其他六足昆虫的每秒最大运动距离可以达到40倍～50倍自身体长，蜈蚣的每秒的最大运动距离约为10倍自身体长;然而，蜈蚣仍然是敏捷的爬行昆虫之一，其能够捕捉蟑螂和甚至更大的昆虫和哺乳动物。除了利用自身肢体起伏来放大步长之外，蜈蚣肢体固有的灵活性使它们能够在平面上自由移动，使蜈蚣微型机器人在崎岖地形上前进和换向时比同尺寸的传统刚体六足机器人更快。

1.速度:虽然蟑螂等六足昆虫每秒最大移动距离可达自身体长的40 ~ 50倍，但蜈蚣每秒最大移动距离约为自身体长的10倍；但蜈蚣仍然是敏捷的爬行昆虫之一，可以抓蟑螂，甚至更大的昆虫和哺乳动物。除了利用自身的四肢来放大步长，蜈蚣四肢固有的灵活性使其能够在平面上自由移动，这使得蜈蚣微型机器人在崎岖的地形上前进和改变方向的速度比相同大小的传统刚性六足机器人更快。

2.运动稳定性:蜈蚣又名千足虫，腿的数量很多(某个特定物种可达191条)，体现在步态丰富，运动稳定性增加。

3.运动灵敏度和鲁棒性高:有研究专家发现，蜈蚣的运动能力(包括步态、速度和稳定性)在截掉一定数量的腿后变化不大，这表明多节机器人可能对故障具有鲁棒性。由于四肢的灵活性，蜈蚣可以从水平面移动到垂直面，而步态不会发生剧烈变化。因此，随着这类机器人附着节数的增加，机器人的运动更加灵敏。

4 .通用性：可以通过增加和去除蜈蚣机器人的节段，以更好地执行不同的任务，可以适用于不同的场合。

4.多功能性:蜈蚣机器人可以通过添加和删除片段来更好地执行不同的任务，可以适用于不同的场合。

然而，目前制造这种类型机器人的难点在于，由于微型机器人的尺寸差异和加工误差，很难预测机器人的运动，布线一般采用手工焊接，既费时又不可靠。为了解决这些问题，作者在本研究中提出了一种布线方法，并建立了相应的动力学模型，配合样机实验预测机器人的运动。压电双晶片双足机器人的设计及工作原理

对比压电驱动器（PEA）和形状记忆合金（SMA）驱动器，形状记忆合金驱动器的频率带宽低于压电驱动器，限制微型机器人的步进激励频率。因此在本项研究当中，多足机器人采用了压电双晶片作为驱动器，分别布置在垂直和水平方向上， 以分别实现驱动足的前进/后退，以及升高/降低驱动脚的步进运动。

与压电驱动器(PEA)和形状记忆合金(SMA)相比，SMA驱动器的频率带宽低于压电驱动器，限制了微机器人的步进激励频率。因此，在本研究中，双足机器人采用压电双晶片作为致动器，分别布置在垂直和水平两个方向上，以实现驱动足的前进/后退运动和提升/降低驱动足的步进运动。

多节机器人由多个单节机器人组成，其中萨鲁斯机构连接多个节的机构。萨鲁斯机构是法国数学家萨鲁斯于1853年发明的经典机械机构。

这种机构是一种能将有限的圆周运动转化为直线运动的机械连杆机构，可以将直线运动转化为标准的旋转运动。萨鲁斯机构是空机构的一种，有时称为“空曲柄机构”。它可以通过自身构型的变化，实现设备从空到平面机构的转换，从而大大减少空的自身空间。

在接线上，多足机器人每个节段有两个压电双晶片驱动器，分别实现机器人的站立和腿部的旋转运动， 因此需要两个驱动信号。其中，两个压电双晶片驱动器共享一个接地和驱动信号。

在布线上，双足机器人的每一段都有两个压电双晶片驱动器，可以分别实现机器人的站立和腿部转动，所以需要两个驱动信号。其中，两个压电双晶片驱动器共享一个接地和驱动信号。

每个压电双晶片驱动器的两侧极性相反。换句话说，每个压电双晶片驱动器仅使用一个驱动信号，使得当机器人的一条腿上升时，另一条腿被预拉伸到地面。

同样，控制水平方向的压电双晶片驱动器可以前后移动。这样，通过控制电压信号，就可以实现机器人的空之间的运动控制。

为了保持运动的静态稳定性，作者在本设计中组装了3节段驱动器的微型机器人。并且利用铜迹线大大减少了硅胶线的数量。由于机器人体积小，驱动器的脆性不能施加方波信号，因为信号的瞬时变化会损坏压电驱动器。

为了保持运动的静态稳定性，作者在本设计中组装了一个具有三段驱动器的微型机器人。并且通过使用铜迹线大大减少了硅胶线的数量。由于机器人体积小，驱动器的脆性不能施加方波信号，因为信号的瞬间变化会损坏压电驱动器。

为了实现激励，作者施加了一个振幅为200伏、频率为2 Hz的正弦驱动信号，站立足和摆动足在水平面内运动，在正弦驱动信号的峰值处进行方向切换。

其中，实验航段和中段俯仰角是从动力学模型中提取的。可以看出，实验值与理论值吻合较好，证明了动力学模型的有效性。

同时，因为驱动脚的切换不是瞬时的，所以运动存在着耦合的现象（即向前/向后运动时， 会产生向左或者向后偏移的情况） 。在实验结果当中， 当激励频率为2Hz时，机器人10秒内前进了约为自身的体长的距离，运动步长介于0.75毫米～1毫米之间。

同时，由于驱动脚的切换不是瞬间的，所以在运动中存在耦合现象(即在向前/向后移动时，会向左或向后偏移)。在实验结果中，当激励频率为2Hz时，机器人在10秒钟内前进约自身体长的距离，运动步长在0.75mm-1mm之间。

本研究提出的压电微型双足机器人为制造、控制、攀爬和建模相关的研究人员提供了灵感，也极大地增强了双足机器人的运动能力，拓展了其应用场景，如搜救任务、危险环境的探测和监控等，具有很高的研究前景和市场前景。(综合报道)(编辑/多罗米)