與大型機器人相比，昆蟲級別的機器人具有獨特的優(yōu)勢。憑借著微小的尺寸，機器人可以輕松地探索許多大型機器人無法進(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)。昆蟲尺寸的柔性機器人具有體積小、環(huán)境適應(yīng)能力強、可集群化工作的特點，在面對自然界中非結(jié)構(gòu)化的復(fù)雜地形時，如何在柔性執(zhí)行器驅(qū)動力弱、功率密度低、柔性機構(gòu)傳動精度差的限制下實現(xiàn)機器人的越障和無纜化敏捷運動，對賦予機器人全地形通過能力和邁向?qū)嵱没哂兄匾饬x。
近日，清華大學(xué)深圳國際研究生院張旻團(tuán)隊在前期提出的壓電諧振驅(qū)動柔性微型機器人的基礎(chǔ)上，提出了一種無需反饋控制的機械式被動越障方法。機器人采用類環(huán)狀曲面腿，可實現(xiàn)對小尺寸障礙物地形的順滑通過和大尺寸障礙物的碰撞式通過。通過前腿曲面部分的迎角設(shè)計，提高了大于機器人身高的臺階障礙物的通過能力，并在原有有纜柔性壓電機器人的基礎(chǔ)上，設(shè)計了壓電驅(qū)動電路系統(tǒng)、負(fù)載攜帶結(jié)構(gòu)和反饋控制單元。研究團(tuán)隊采用靜電足墊與圓弧形腿相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了機器人在攜帶驅(qū)動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)狀腿柔性機器人照片和主要結(jié)構(gòu)

圖2 機器人穿越復(fù)雜三維地形示意圖
微型機器人可集成多種功能模塊和精細(xì)機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)越障。若采取閉環(huán)的精準(zhǔn)運動控制，時間遲滯會導(dǎo)致準(zhǔn)靜態(tài)越障；而用機械結(jié)構(gòu)補充開環(huán)控制，能在無神經(jīng)調(diào)節(jié)的被動力學(xué)下快速越障。該課題組在昆蟲級別柔性機器人有限的身體空間中設(shè)計了類環(huán)狀曲面腿的機械結(jié)構(gòu)（圖1），依靠主體形變，機器人的腿－地機械作用產(chǎn)生“彈性步態(tài)”穿越三維復(fù)雜地形。通過仿真模擬和對比實驗，設(shè)計出了具有 75 度固定迎角的前腿前部理論曲線，保證了碰撞臺階過程中阻力不增大、升力不減小。提出了封閉度 100%的類環(huán)狀腿結(jié)構(gòu)，保證順滑通過小尺寸障礙物地形，并通過非對稱的整體結(jié)構(gòu)，提高振動－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的運動適應(yīng)性。實驗表明，環(huán)狀腿機器人能在0.36倍身高的矩形凸起地形上保持4身長/秒以上的爬行速度；能實現(xiàn)以 100%概率通過 5mm（1.2 倍身高）臺階、64%概率通過 8mm（1.9 倍身高）臺階；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器人的運動開環(huán)控制提供了思路，騰挪了感官控制的操作空間，能為同類型越障機器人提供參考。

受到柔性執(zhí)行器驅(qū)動力弱、功率密度低、柔性機構(gòu)傳動精度差的問題，現(xiàn)有的微型柔性機器人仍以拖纜驅(qū)動為主，機器人的靈活性和活動范圍受到限制，在無纜條件下實現(xiàn)快速運動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器人的基礎(chǔ)上，設(shè)計了小型化壓電驅(qū)動電路系統(tǒng)、負(fù)載攜帶結(jié)構(gòu)和反饋控制單元，實現(xiàn)了柔性壓電機器人的無纜驅(qū)動（圖3）。根據(jù)柔性機器人的運動特點，提出了用于攜帶驅(qū)動電路系統(tǒng)和電源的懸架式負(fù)載結(jié)構(gòu)，可有效減小負(fù)載對機器人運動的影響。通過仿真和實驗分析了柔性機器人帶負(fù)載條件下的特征頻率和運動模態(tài)，以機器人運動性能為目標(biāo)優(yōu)化了懸架負(fù)載結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了無纜條件下機器人2.5 身長/秒的快速直線運動。為實現(xiàn)機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)向時的機器人側(cè)傾，實現(xiàn)了機器人載荷在腿部和靜電足墊上的重新自分布，自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向過程中不同足墊上的摩擦力，實現(xiàn)了無纜柔性機器人的敏捷轉(zhuǎn)向（圖4），轉(zhuǎn)向速度達(dá)到18 °/s，機器人能夠在43.4s 內(nèi)通過58 cm長的S形通道。通過低功耗設(shè)計，機器人在裝配有40 mAh的鋰電池時，能夠連續(xù)運行58.6m，對應(yīng)的機器人運輸能量成本（Cost of Transport）僅為261，優(yōu)于已報道的絕大多數(shù)柔性無纜機器人。該研究為昆蟲尺寸的柔性機器人實現(xiàn)無纜化的敏捷運動和實用化研究提供了解決方案。

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

圖4 機器人轉(zhuǎn)向運動測試結(jié)果
（a）機器人以18 °/s逆時針旋轉(zhuǎn)，（b）機器人以15.6 °/s順時針旋轉(zhuǎn)，（c）機器人通過“S”形軌道

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