近日，哈爾濱工業大學機電工程學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能力的新型厘米級壓電機器人。相關研究以《基于內置陶瓷驅動的厘米級可重構壓電機器人》(Centimeter-scale Reconfiguration Piezo Robots with Built-in-Ceramic Actuation Unit)為題發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小型化、大負載、快速運動和模塊化可重構的兼備提供了一種有效的解決思路。
 

　　可重構機器人具有良好的環境適應性和功能拓展能力，在復雜環境的信息探索和任務執行等方面展現出較好的應用前景，是機器人領域的熱門研究方向。其中，模塊尺寸和可重構策略是影響機器人運動特性和功能實現的兩個關鍵因素。采用傳統電磁驅動方式的機器人容易實現快速運動，但受限于傳動機構，單個重構模塊的結構相對復雜，不利于進一步小型化。壓電驅動具有響應快、結構簡單、功率密度大、電磁兼容性好等優點，非常契合厘米級機器人的發展需求。然而，將壓電驅動技術應用于可重構機器人領域仍然存在較大挑戰。一方面，目前壓電機器人模塊單機的集成度較低，其驅動、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策略和構型特性預估方法，較難實現豐富且系列化的壓電機器人構型群。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策略和構型特性預估方法，對厘米級可重構壓電機器人的發展具有重要意義。
 

厘米級可重構壓電機器人的重構策略、構型規劃和展示試驗
 

　　針對上述挑戰，該團隊從螳螂“沖擊-跳躍”運動模式中受到啟發，提出了一種基于內置壓電陶瓷驅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)。通過分析陶瓷數量、安裝角度和位置對壓電彈性體振動模態的影響規律，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，進而實現前進和后退運動。機器人實現了高達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”在內的多點位連接方法，實現了9個系列、超過25種不同的機器人構型。研究進一步提出了以模塊數量和連接權重為核心的構型特性預估方法，實現了任意機器人構型的特性趨勢預測，助推構型優選過程。試驗結果表明：所研發的機器人通過組合重構改變構型拓撲，能夠克服多種復雜地形并實現功能化拓展應用，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，展現了良好的環境適應特性和模塊化擴展能力，為復雜環境中的多樣化任務執行奠定了良好基礎。
 

　　哈工大為論文唯一完成單位與通訊單位。機電工程學院博士研究生高宇、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基金、黑龍江省博士后科學基金以及國家資助博士后研究人員計劃項目資助。