與大型機(jī)器人相比，昆蟲級(jí)別的機(jī)器人具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。憑借著微小的尺寸，機(jī)器人可以輕松地探索許多大型機(jī)器人無(wú)法進(jìn)入的地形，諸如廢墟、縫隙、管道等等，甚至可以進(jìn)入狹小密閉的空間，執(zhí)行一些精細(xì)化任務(wù)。昆蟲尺寸的柔性機(jī)器人具有體積小、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、可集群化工作的特點(diǎn)，在面對(duì)自然界中非結(jié)構(gòu)化的復(fù)雜地形時(shí)，如何在柔性執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)力弱、功率密度低、柔性機(jī)構(gòu)傳動(dòng)精度差的限制下實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的越障和無(wú)纜化敏捷運(yùn)動(dòng)，對(duì)賦予機(jī)器人全地形通過(guò)能力和邁向?qū)嵱没哂兄匾饬x。
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院張旻團(tuán)隊(duì)在前期提出的壓電諧振驅(qū)動(dòng)柔性微型機(jī)器人的基礎(chǔ)上，提出了一種無(wú)需反饋控制的機(jī)械式被動(dòng)越障方法。機(jī)器人采用類環(huán)狀曲面腿，可實(shí)現(xiàn)對(duì)小尺寸障礙物地形的順滑通過(guò)和大尺寸障礙物的碰撞式通過(guò)。通過(guò)前腿曲面部分的迎角設(shè)計(jì)，提高了大于機(jī)器人身高的臺(tái)階障礙物的通過(guò)能力，并在原有有纜柔性壓電機(jī)器人的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了壓電驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)、負(fù)載攜帶結(jié)構(gòu)和反饋控制單元。研究團(tuán)隊(duì)采用靜電足墊與圓弧形腿相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在攜帶驅(qū)動(dòng)電路與電源的情況下，仍能保持較高的轉(zhuǎn)向敏捷性。

圖1 環(huán)狀腿柔性機(jī)器人照片和主要結(jié)構(gòu)

圖2 機(jī)器人穿越復(fù)雜三維地形示意圖
微型機(jī)器人可集成多種功能模塊和精細(xì)機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)越障。若采取閉環(huán)的精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制，時(shí)間遲滯會(huì)導(dǎo)致準(zhǔn)靜態(tài)越障；而用機(jī)械結(jié)構(gòu)補(bǔ)充開環(huán)控制，能在無(wú)神經(jīng)調(diào)節(jié)的被動(dòng)力學(xué)下快速越障。該課題組在昆蟲級(jí)別柔性機(jī)器人有限的身體空間中設(shè)計(jì)了類環(huán)狀曲面腿的機(jī)械結(jié)構(gòu)（圖1），依靠主體形變，機(jī)器人的腿－地機(jī)械作用產(chǎn)生“彈性步態(tài)”穿越三維復(fù)雜地形。通過(guò)仿真模擬和對(duì)比實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出了具有 75 度固定迎角的前腿前部理論曲線，保證了碰撞臺(tái)階過(guò)程中阻力不增大、升力不減小。提出了封閉度 100%的類環(huán)狀腿結(jié)構(gòu)，保證順滑通過(guò)小尺寸障礙物地形，并通過(guò)非對(duì)稱的整體結(jié)構(gòu)，提高振動(dòng)－前進(jìn)力的轉(zhuǎn)換比率。采用“輻條式”結(jié)構(gòu)，利用全柔性材料制成的半剛性腿部結(jié)構(gòu)，兼顧了形狀的穩(wěn)定性、抗跌落的結(jié)構(gòu)魯棒性和抗意外擾動(dòng)的運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性。實(shí)驗(yàn)表明，環(huán)狀腿機(jī)器人能在0.36倍身高的矩形凸起地形上保持4身長(zhǎng)/秒以上的爬行速度；能實(shí)現(xiàn)以 100%概率通過(guò) 5mm（1.2 倍身高）臺(tái)階、64%概率通過(guò) 8mm（1.9 倍身高）臺(tái)階；還能穿越鏤空梯子、梅花樁等地形（圖2）。該研究為小型越障機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)開環(huán)控制提供了思路，騰挪了感官控制的操作空間，能為同類型越障機(jī)器人提供參考。

受到柔性執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)力弱、功率密度低、柔性機(jī)構(gòu)傳動(dòng)精度差的問題，現(xiàn)有的微型柔性機(jī)器人仍以拖纜驅(qū)動(dòng)為主，機(jī)器人的靈活性和活動(dòng)范圍受到限制，在無(wú)纜條件下實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)和敏捷的軌跡控制仍是巨大的挑戰(zhàn)。課題組在原有有纜柔性壓電機(jī)器人的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了小型化壓電驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)、負(fù)載攜帶結(jié)構(gòu)和反饋控制單元，實(shí)現(xiàn)了柔性壓電機(jī)器人的無(wú)纜驅(qū)動(dòng)（圖3）。根據(jù)柔性機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，提出了用于攜帶驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)和電源的懸架式負(fù)載結(jié)構(gòu)，可有效減小負(fù)載對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的影響。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)分析了柔性機(jī)器人帶負(fù)載條件下的特征頻率和運(yùn)動(dòng)模態(tài)，以機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能為目標(biāo)優(yōu)化了懸架負(fù)載結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)纜條件下機(jī)器人2.5 身長(zhǎng)/秒的快速直線運(yùn)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的靈活軌跡控制，提出了靜電足墊與圓弧形腿相結(jié)合的轉(zhuǎn)向控制策略，利用轉(zhuǎn)向時(shí)的機(jī)器人側(cè)傾，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人載荷在腿部和靜電足墊上的重新自分布，自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向過(guò)程中不同足墊上的摩擦力，實(shí)現(xiàn)了無(wú)纜柔性機(jī)器人的敏捷轉(zhuǎn)向（圖4），轉(zhuǎn)向速度達(dá)到18 °/s，機(jī)器人能夠在43.4s 內(nèi)通過(guò)58 cm長(zhǎng)的S形通道。通過(guò)低功耗設(shè)計(jì)，機(jī)器人在裝配有40 mAh的鋰電池時(shí)，能夠連續(xù)運(yùn)行58.6m，對(duì)應(yīng)的機(jī)器人運(yùn)輸能量成本（Cost of Transport）僅為261，優(yōu)于已報(bào)道的絕大多數(shù)柔性無(wú)纜機(jī)器人。該研究為昆蟲尺寸的柔性機(jī)器人實(shí)現(xiàn)無(wú)纜化的敏捷運(yùn)動(dòng)和實(shí)用化研究提供了解決方案。

圖3 基于摩擦力調(diào)控的無(wú)纜微型柔性機(jī)器人轉(zhuǎn)向原理
（a）可轉(zhuǎn)向無(wú)纜柔性機(jī)器人原型樣機(jī)，（b）機(jī)器人結(jié)構(gòu)爆炸圖，（c）靜電足墊工作原理，（d）-（f）機(jī)器人直行、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

圖4 機(jī)器人轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)測(cè)試結(jié)果
（a）機(jī)器人以18 °/s逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，（b）機(jī)器人以15.6 °/s順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，（c）機(jī)器人通過(guò)“S”形軌道

圖5 機(jī)器人魯棒性測(cè)試，機(jī)器人在經(jīng)受200 g砝碼擠壓時(shí)能夠快速恢復(fù)并保持良好的機(jī)動(dòng)性
(a-f)展示了機(jī)器人在被壓縮和恢復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程影像
相關(guān)成果以“昆蟲級(jí)別柔性機(jī)器人的復(fù)雜三維地形穿越”(Complex Three-Dimensional Terrains Traversal of Insect-Scale Soft Robot)為題發(fā)表于《柔性機(jī)器人》（Soft Robitics)上。論文通訊作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院張旻副研究員，第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2019級(jí)碩士研究生劉盈，該論文作者還包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2016級(jí)博士生梁家銘。
相關(guān)成果還以“無(wú)纜自主微型柔性機(jī)器人”(Power Autonomy and Agility Control of an Untethered Insect-Scale Soft Robot)為題發(fā)表于《柔性機(jī)器人》(Soft Robitics)上。論文通訊作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院張旻副研究員和清華大學(xué)精儀系唐飛副研究員，第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2019級(jí)碩士研究生苗子聰，該論文作者還包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2016級(jí)博士生梁家銘。
審核編輯 ：李倩