近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院劉英想教授團隊在厘米級機器人研究方面取得新進展，成功研制出一種具有可重構(gòu)能力的新型厘米級壓電機器人。相關(guān)研究以《基于內(nèi)置陶瓷驅(qū)動的厘米級可重構(gòu)壓電機器人》(Centimeter-scale Reconfiguration Piezo Robots with Built-in-Ceramic Actuation Unit)為題發(fā)表在中國工程院院刊《工程》(Engineering)上。這一研究成果為厘米級機器人實現(xiàn)小型化、大負載、快速運動和模塊化可重構(gòu)的兼?zhèn)涮峁┝艘环N有效的解決思路。
 

　　可重構(gòu)機器人具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和功能拓展能力，在復(fù)雜環(huán)境的信息探索和任務(wù)執(zhí)行等方面展現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景，是機器人領(lǐng)域的熱門研究方向。其中，模塊尺寸和可重構(gòu)策略是影響機器人運動特性和功能實現(xiàn)的兩個關(guān)鍵因素。采用傳統(tǒng)電磁驅(qū)動方式的機器人容易實現(xiàn)快速運動，但受限于傳動機構(gòu)，單個重構(gòu)模塊的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，不利于進一步小型化。壓電驅(qū)動具有響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、功率密度大、電磁兼容性好等優(yōu)點，非常契合厘米級機器人的發(fā)展需求。然而，將壓電驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用于可重構(gòu)機器人領(lǐng)域仍然存在較大挑戰(zhàn)。一方面，目前壓電機器人模塊單機的集成度較低，其驅(qū)動、控制、通信和供電單元通常是分離甚至部分缺失；另一方面，模塊之間缺乏有效的可重構(gòu)策略和構(gòu)型特性預(yù)估方法，較難實現(xiàn)豐富且系列化的壓電機器人構(gòu)型群。因此，研制出集成控制、通信和供電單元的小型壓電機器人模塊單機，探究針對小型化模塊間的可重構(gòu)策略和構(gòu)型特性預(yù)估方法，對厘米級可重構(gòu)壓電機器人的發(fā)展具有重要意義。
 

厘米級可重構(gòu)壓電機器人的重構(gòu)策略、構(gòu)型規(guī)劃和展示試驗
 

　　針對上述挑戰(zhàn)，該團隊從螳螂“沖擊-跳躍”運動模式中受到啟發(fā)，提出了一種基于內(nèi)置壓電陶瓷驅(qū)動的厘米級四足壓電機器人，其體積44×10×12.5立方毫米(mm3)，僅重6.5克(g)。通過分析陶瓷數(shù)量、安裝角度和位置對壓電彈性體振動模態(tài)的影響規(guī)律，確定了斜向45°正交分布的壓電陶瓷布置方法，使機器人僅由一路激勵信號即可生成雙向斜線致動軌跡，進而實現(xiàn)前進和后退運動。機器人實現(xiàn)了高達90.3倍體長每秒(超過900毫米每秒)的快速運動，承載能力高達自重的31.6倍(超過200克)。在此基礎(chǔ)上，通過集成控制、通信、供電單元與磁吸觸點，在厘米級受限體積下實現(xiàn)了模塊單機的高集成度封裝(50×15×27立方毫米，21.22克)。單個模塊具有16個周向布置的磁吸觸點和無線束受控運動能力。團隊通過包括“自連接”和“塊連接”在內(nèi)的多點位連接方法，實現(xiàn)了9個系列、超過25種不同的機器人構(gòu)型。研究進一步提出了以模塊數(shù)量和連接權(quán)重為核心的構(gòu)型特性預(yù)估方法，實現(xiàn)了任意機器人構(gòu)型的特性趨勢預(yù)測，助推構(gòu)型優(yōu)選過程。試驗結(jié)果表明：所研發(fā)的機器人通過組合重構(gòu)改變構(gòu)型拓撲，能夠克服多種復(fù)雜地形并實現(xiàn)功能化拓展應(yīng)用，在包括穿越寬槽、跨越窄縫、穿越迷宮、穿越具有高度差的地形、通過狹窄彎道以及無線圖像采集等實驗中，展現(xiàn)了良好的環(huán)境適應(yīng)特性和模塊化擴展能力，為復(fù)雜環(huán)境中的多樣化任務(wù)執(zhí)行奠定了良好基礎(chǔ)。
 

　　哈工大為論文唯一完成單位與通訊單位。機電工程學(xué)院博士研究生高宇、副研究員李京和張仕靜為論文共同第一作者，劉英想教授和鄧杰教授為論文共同通訊作者，陳維山教授為論文共同作者。
 

　　該項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、黑龍江省博士后科學(xué)基金以及國家資助博士后研究人員計劃項目資助。