哈佛大學(xué)微型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研究出壓電雙晶片多足機(jī)器人

哈佛大學(xué)微型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)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(jī)器人，相關(guān)論文題為《多節(jié)段足微型機(jī)器人》（Myriapod-like ambulation of a segmented microrobot） 。

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

多節(jié)段機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)優(yōu)勢(shì)

多節(jié)段機(jī)器人其設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于自然界中的多足動(dòng)物，這類機(jī)器人相比于傳統(tǒng)的形態(tài)的優(yōu)勢(shì)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(yùn)動(dòng)距離可以達(dá)到 40-50 倍自身體長(zhǎng)，蜈蚣的每秒的最大運(yùn)動(dòng)距離約為 10 倍自身體長(zhǎng)；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(dòng)物。除了利用自身肢體起伏來(lái)放大步長(zhǎng)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(dòng)，使蜈蚣微型機(jī)器人在崎嶇地形上前進(jìn)和換向時(shí)比同尺寸的傳統(tǒng)剛體六足機(jī)器人更快。

2.運(yùn)動(dòng)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(dá)到 191 條），這在運(yùn)動(dòng)上的體現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)步態(tài)豐富并且增加了運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

3.高的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jī)器人可能對(duì)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(dòng)到垂直表面，而步態(tài)不會(huì)發(fā)生劇烈的變化。因此，這類型機(jī)器人附節(jié)段數(shù)的增加，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)也更加靈敏。 

4.通用性：可以通過增加和去除蜈蚣機(jī)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(chǎng)合。

但目前制造這類型機(jī)器人的難題體現(xiàn)在于，由于微小型機(jī)器人的尺寸差異和存在著加工誤差，這對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)難以預(yù)測(cè)，而且接線一般也是手工焊接的，這種方式費(fèi)時(shí)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(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型，配合樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)了較吻合的預(yù)測(cè)。

壓電雙晶片多足機(jī)器人的設(shè)計(jì)和工作原理

對(duì)比壓電驅(qū)動(dòng)器（PEA）和形狀記憶合金（SMA）驅(qū)動(dòng)器，形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器的頻率帶寬低于壓電驅(qū)動(dòng)器，限制微型機(jī)器人的步進(jìn)激勵(lì)頻率。因此在本項(xiàng)研究當(dāng)中，多足機(jī)器人采用了壓電雙晶片作為驅(qū)動(dòng)器，分別布置在垂直和水平方向上，以分別實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)足的前進(jìn)/后退，以及升高/降低驅(qū)動(dòng)腳的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。

而多節(jié)段機(jī)器人由多個(gè)單節(jié)段機(jī)器人組成，其中由 Sarrus 機(jī)構(gòu)將多個(gè)節(jié)段的機(jī)構(gòu)相連。Sarrus 機(jī)構(gòu)是 1853 年由法國(guó)數(shù)學(xué)家薩魯斯（Pierre Frederic Sarrus）所發(fā)明的一種古典機(jī)械機(jī)構(gòu)。

這種機(jī)構(gòu)能夠?qū)⒂邢薜膱A周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置，可以將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。Sarrus 機(jī)構(gòu)是一種空間機(jī)構(gòu)，有時(shí)也稱為“空間曲柄機(jī)構(gòu)”。它能通過自身構(gòu)型的變化，實(shí)現(xiàn)設(shè)備由空間機(jī)構(gòu)向平面機(jī)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(jī)器人每個(gè)節(jié)段有兩個(gè)壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器，分別實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的站立和腿部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此需要兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。其中，兩個(gè)壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器共享一個(gè)接地和驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

每個(gè)壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器的兩側(cè)極性相反，換言之，通過每個(gè)壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器僅使用一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)機(jī)器人的一條腿升起時(shí)，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(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)前后運(yùn)動(dòng)。如此一來(lái)，通過控制電壓信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)控制。

為了保持運(yùn)動(dòng)的靜態(tài)穩(wěn)定性，作者在本設(shè)計(jì)中組裝了三節(jié)段驅(qū)動(dòng)器的微型機(jī)器人。并且利用銅跡線大大減少了硅膠線的數(shù)量。由于機(jī)器人體積小，驅(qū)動(dòng)器的脆性不能施加方波信號(hào)，因?yàn)樾盘?hào)的瞬時(shí)變化會(huì)損壞壓電驅(qū)動(dòng)器。

為了實(shí)現(xiàn)激勵(lì)，作者施加了幅值為 200 V ，頻率為 2Hz 的正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)，站立腳和擺動(dòng)腳在水平面運(yùn)動(dòng)在正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)的峰值處切換方向。

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

同時(shí)，因?yàn)轵?qū)動(dòng)腳的切換不是瞬時(shí)的，所以運(yùn)動(dòng)存在著耦合的現(xiàn)象（即向前/向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生向左或者向后偏移的情況）。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果當(dāng)中，當(dāng)激勵(lì)頻率為 2Hz 時(shí)，機(jī)器人 10 秒內(nèi)前進(jìn)了約為自身的體長(zhǎng)的距離，運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)介于 0.75mm 到 1mm 之間。

該項(xiàng)研究提出的壓電微型多足機(jī)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(qiáng)了多足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力，擴(kuò)展了其應(yīng)用場(chǎng)景，如應(yīng)用于搜索和救援任務(wù)、危險(xiǎn)環(huán)境探索和監(jiān)視的場(chǎng)合當(dāng)中，具有很高的研究前景和市場(chǎng)前景。

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