周 歲，張衛(wèi)平，歐 彬，尋之宇

（上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，微米納米加工技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

1 引言

隨著外星探測(cè)活動(dòng)越來(lái)越頻繁，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量較大、容錯(cuò)率低的各類探測(cè)器與登陸器讓設(shè)備的研制和發(fā)射成本急遽增加，也嚴(yán)重制約了作業(yè)續(xù)航時(shí)間和探測(cè)范圍。這些困難使得一次探測(cè)活動(dòng)只能發(fā)射數(shù)目極少的探測(cè)器，進(jìn)行范圍有限的簡(jiǎn)單探測(cè)考察，并且一旦巡航器出現(xiàn)異常情況（如結(jié)構(gòu)損壞、電路故障、電磁干擾等）即可能造成探測(cè)任務(wù)徹底失敗。

針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外開始探索自裝配一體化設(shè)計(jì)技術(shù)在微型機(jī)器人研制上的應(yīng)用。Kazuya Saito等理論性地闡述了基于折紙技術(shù)的復(fù)合材料一體設(shè)計(jì)方法［1-3］；哈佛大學(xué)微機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室近年來(lái)關(guān)注采用功能薄膜材料實(shí)現(xiàn)可動(dòng)折疊，并基于該實(shí)驗(yàn)室前期的SCM工藝發(fā)展了自裝配智能復(fù)合材料加工工藝［4-6］；麻省理工學(xué)院B.An與哈佛大學(xué)E.Hawkes等以SMA為驅(qū)動(dòng)材料設(shè)計(jì)了一種可編程折疊材料來(lái)實(shí)現(xiàn)多構(gòu)型折疊［7］，以及以聚丙烯作為變形驅(qū)動(dòng)材料采用外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的自折疊微型機(jī)器人［8］。 此后，P.S.Sreetharan等發(fā)展了PC-MEMS工藝，討論了在平面片層材料中加工三維微結(jié)構(gòu)以及嵌入微傳感器件等問(wèn)題［9］。上海交通大學(xué)研究了碳纖維、聚酰亞胺薄膜、玻璃纖維、壓電陶瓷片、SU-8等材料融合的多層復(fù)合材料工藝，在電磁式和壓電式微型機(jī)器人的研究中對(duì)機(jī)身三維結(jié)構(gòu)的平面展開方法和加工工藝及折疊方法進(jìn)行了討論［10-11］?？傮w而言，基于結(jié)構(gòu)自裝配原理開展微型機(jī)器人研制目前還處于技術(shù)驗(yàn)證階段，目前國(guó)內(nèi)外的研究更多關(guān)注各類材料、器件和結(jié)構(gòu)的性能驗(yàn)證，初步實(shí)現(xiàn)具有初步運(yùn)動(dòng)功能的機(jī)器人系統(tǒng)。

本文基于結(jié)構(gòu)自裝配原理，采用“片材復(fù)合、器件集成，剛性組件、柔性鏈接，2D設(shè)計(jì)、3D成形”的思路，開展分米—厘米尺度微機(jī)器人單片集成自裝配設(shè)計(jì)，并在結(jié)構(gòu)自折疊原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行具有爬行運(yùn)動(dòng)功能的自裝配微機(jī)器人樣機(jī)試制與測(cè)試驗(yàn)證。

2 結(jié)構(gòu)自折疊原理

初始為平面結(jié)構(gòu)形態(tài)的機(jī)器人在給定自折疊驅(qū)動(dòng)信號(hào)激勵(lì)后，分布于單片一體平面結(jié)構(gòu)各處的自折疊鉸鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間折疊到預(yù)設(shè)角度，從而完成整機(jī)的自裝配。這一過(guò)程的結(jié)構(gòu)自折疊變形基礎(chǔ)是SMP材料的熱致形狀記憶效應(yīng)［12］，結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是分布在各處的自折疊鉸鏈，本文設(shè)計(jì)的自折疊鉸鏈結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自折疊鉸鏈結(jié)構(gòu)Fig.1 Self-folding hinge structure

圖1上半部分為自折疊柔性鉸鏈各層結(jié)構(gòu)圖。上下兩側(cè)表面為熱致SMP層，與剛性結(jié)構(gòu)層之間膠合，SMP材料受熱產(chǎn)生收縮變形，進(jìn)而帶動(dòng)剛性結(jié)構(gòu)層沿著設(shè)計(jì)的折痕發(fā)生彎曲折疊。兩層剛性片狀結(jié)構(gòu)層之間是一層柔性薄膜，主要起兩個(gè)作用：①作為加熱SMP材料所用電阻電路的柔性基底，②作為剛性組件之間的柔性聯(lián)接。當(dāng)SMP材料收縮變形過(guò)程完成后，鉸鏈狹縫兩側(cè)的剛性材料由于柔性鉸鏈的彎曲發(fā)生接觸，從而限制了鉸鏈的進(jìn)一步彎曲，使得結(jié)構(gòu)折疊到設(shè)計(jì)的角度，同時(shí)產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)剛度，如圖1下半部分所示。結(jié)構(gòu)自折疊角度與剛性材料厚度和狹縫寬度有關(guān)，結(jié)構(gòu)折疊后的內(nèi)部應(yīng)力與SMP材料的變形寬度有關(guān)。對(duì)自折疊柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)有限元分析可以看出，當(dāng)折痕附近溫度超過(guò)材料的臨界變形溫度時(shí)，SMP材料發(fā)生收縮變形，收縮區(qū)域?yàn)榛⌒?，收縮區(qū)域內(nèi)的應(yīng)變分布（圖中紅色表示）較為均勻，應(yīng)力主要集中在臨界變形邊界處，如圖2。通過(guò)折疊試驗(yàn)研究自折疊鉸鏈折痕位置縫寬與最終折疊空間角度之間的關(guān)系，見圖3，可以看出，隨著縫寬的增大，最終折疊角度近似線性增加。

圖2 自折疊鉸鏈結(jié)構(gòu)應(yīng)變（左）與應(yīng)力分布（右）云圖Fig.2 Distribution of strain（left） and stress（right）of self-folding hinges

圖3 折疊鉸鏈結(jié)構(gòu)折痕縫寬與折疊角度的關(guān)系Fig.3 The relationship between folding angle and width of crease of self-folding hinges

3 單片集成自裝配微爬行機(jī)器人設(shè)計(jì)

3.1 整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文基于單片集成一體化自裝配方式設(shè)計(jì)制造微爬行機(jī)器人，在結(jié)構(gòu)、技術(shù)與工藝上的基本設(shè)計(jì)如下：

1）機(jī)體結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)采用一體化可折疊設(shè)計(jì)，以避免零件分立加工和手工裝配；

2）機(jī)身以及腿部的結(jié)構(gòu)形態(tài)的變換采用自折疊結(jié)構(gòu)，采用形狀記憶聚合物（SMP）的熱致形狀記憶效應(yīng)作為自折疊使能方式；

3）以電機(jī)曲柄為主動(dòng)桿，設(shè)計(jì)八桿柔順傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)前后腿部的運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)；

4）采用柔性薄膜電路方法和單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自裝配和自裝配完成后的運(yùn)動(dòng)控制。

單片集成自裝配微爬行機(jī)器人初始平面形態(tài)下的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4，將機(jī)體結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電路系統(tǒng)與元器件進(jìn)行單片集成，電機(jī)、電池為外置器件。圖中綠色部分表示參與發(fā)生自折疊裝配的組件，這些組件之間的鉸鏈為自折疊鉸鏈，自折疊鉸鏈位置分布有加熱電阻，如圖中所示。黃色表示的是傳動(dòng)部件。設(shè)計(jì)得到的實(shí)物樣機(jī)結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖5所示。

圖4 單片集成自裝配微爬行機(jī)器人整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.4 System design of monolithic integrated self-assembled micro-crawling robot

圖5 微爬行機(jī)器人自裝配前的平面結(jié)構(gòu)形態(tài)和自裝配后的三維結(jié)構(gòu)形態(tài)Fig.5 Prototype of the micro-crawling robot before and after self-assembly

3.2 一體折疊變胞設(shè)計(jì)

微型機(jī)器人從平面2D形態(tài)到空間3D形態(tài)的變換主要是通過(guò)機(jī)身結(jié)構(gòu)部分和四只爬行腿部的結(jié)構(gòu)部分從平面到三維的折疊來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，機(jī)身部分的結(jié)構(gòu)折疊用于形成整個(gè)微型機(jī)器人的空間姿態(tài)，各處腿部的折疊用于形成爬行姿態(tài)和相對(duì)位置。本文采用球面六桿變胞機(jī)構(gòu)作為軀干折疊的初始構(gòu)態(tài)，如圖6（a）～（c）所示為軀干部分的平面形態(tài)的幾何角度與折疊三維形態(tài)的折疊角度。采用球面四桿變胞機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)爬行機(jī)器人四只腿從平面到空間形態(tài)的變形，如圖7（a）～（c）為四個(gè)爬行腿的平面形態(tài)的幾何角度與折疊三維形態(tài)的折疊角度。這種設(shè)計(jì)一方面增加軀干和腿部的結(jié)構(gòu)剛度，可以使微機(jī)器人具有更好的載荷性能，另一方面通過(guò)預(yù)設(shè)的角度設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)軀干和腿部的特定位姿，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的爬行步態(tài)。

3.3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微爬行機(jī)器人在結(jié)構(gòu)自裝配的同時(shí)，帶動(dòng)傳統(tǒng)系統(tǒng)從平面形態(tài)變換到預(yù)設(shè)的空間構(gòu)態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)正確的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器選為直流減速電機(jī)。由于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式是爬行，因此需要在電機(jī)與爬行腿部之間設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。此外，單側(cè)單電機(jī)需要驅(qū)動(dòng)前后兩個(gè)腿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，因此在兩只腿之間也需要設(shè)計(jì)一定傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并調(diào)節(jié)爬行姿態(tài)。

圖6 微爬行機(jī)器人軀干部分球面六桿變胞折疊結(jié)構(gòu)Fig.6 Spherical 6R metamorphic structure of the torso part of the micro-crawling robot and its parameters

圖7 微爬行機(jī)器人腿部球面四桿變胞折疊結(jié)構(gòu)及其參數(shù)Fig.7 Spherical 4R metamorphic structure of the torso part of the micro-crawling robot and its parameters

從單片集成一體化設(shè)計(jì)的思路出發(fā)，微機(jī)器人設(shè)計(jì)采用圖8所示平面連桿柔順傳動(dòng)設(shè)計(jì)，連桿構(gòu)件之間采用柔性鉸鏈連接以傳遞力和運(yùn)動(dòng)。

如圖8（a），當(dāng) L4曲柄繞著電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，L1L4L3L2四個(gè)桿件組成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，前腿的位姿由L3桿的空間位置唯一確定。同時(shí)L1L4L7L5四個(gè)桿件同樣組成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，L6L8L7L3構(gòu)成平行搖桿機(jī)構(gòu)，兩者確定L6桿的位置，則與L6桿相對(duì)固定的后腿位姿也唯一確定。圖8（b）為傳動(dòng)系統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)形態(tài)，圖8（c）為相應(yīng)三維結(jié)構(gòu)形態(tài)。

圖8 微傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.8 Design of transmission system of micro crawling robot

3.4 結(jié)構(gòu)電路一體化設(shè)計(jì)

微爬行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)自裝配采用電阻加熱實(shí)現(xiàn)功率輸入，采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制，此二者均采用柔性薄膜電路實(shí)現(xiàn)。主要元器件采用貼片式結(jié)構(gòu)，集約地分布在爬行機(jī)器人的機(jī)身結(jié)構(gòu)或腿部上，以有效利用空間。作為電路基底材料的聚酰亞胺（PI）薄膜同時(shí)也作為柔性鉸鏈將各個(gè)剛性組件鏈接，由于柔性電路的剛度很小，即使基底材料發(fā)生一定的彎曲變形或者剛性運(yùn)動(dòng)也不會(huì)影響其功能，因此是一種在單片集成一體化自裝配設(shè)計(jì)中非常適用的電路實(shí)現(xiàn)方式。

微爬行機(jī)器人采用如圖9所示雙層柔性薄膜電路設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)自折疊電阻電路與單片機(jī)控制電路的解耦，上層為控制電路，下層為加熱電阻電路。PI薄膜具有耐熱耐腐蝕高強(qiáng)度特性，可以在保證柔性的同時(shí)避免疲勞和失效變形。采用MEMS沉積與電鍍方法進(jìn)行圖像化加工，電路各處元器件分布如圖10所示，電子元器件主要嵌入在各個(gè)剛性桿件的不可動(dòng)位置，傳動(dòng)系統(tǒng)僅有局部引線穿過(guò)，因而對(duì)電路穩(wěn)定性幾乎沒影響。

4 加工與測(cè)試驗(yàn)證

圖9 微爬行機(jī)器人雙層薄膜FPC電路設(shè)計(jì)圖Fig.9 Design of dual-layer FPC circuit of robot

圖10 微爬行機(jī)器人結(jié)構(gòu)電路一體化設(shè)計(jì)圖Fig.10 Structure-Circuit integration design of robot

按照前述采用折疊變胞設(shè)計(jì)、傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)-電路一體設(shè)計(jì)方案的單片集成一體化微爬行機(jī)器人進(jìn)行加工，加工時(shí)各層結(jié)構(gòu)輪廓設(shè)計(jì)如圖11所示。由于微爬行機(jī)器人的整體輪廓不規(guī)則，為實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)加工，先根據(jù)總體輪廓設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)矩形框架，并合理設(shè)計(jì)層間定位結(jié)構(gòu)和重復(fù)定位靶點(diǎn)。柔性薄膜層上的電子元器件具有一定的體積和厚度，需要對(duì)位于其上面的各層結(jié)構(gòu)加以修改便于將各器件作為嵌入式器件集成在單片復(fù)合結(jié)構(gòu)上，考慮元器件的尺寸進(jìn)行材料去除設(shè)計(jì)如圖11中各層內(nèi)輪廓，預(yù)留器件集成區(qū)域的鏤空設(shè)計(jì)。微爬行機(jī)器人共有11層片層結(jié)構(gòu)，2層SMP材料，2層剛性板，兩層PI薄膜電路，以及膠合各層之間的5層壓敏膠。加工完結(jié)構(gòu)輪廓的爬行機(jī)器人平面結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖12所示。

加工完成的微爬行機(jī)器人整機(jī)重量24 g，結(jié)構(gòu)尺寸105×83×14.78 mm（平面狀態(tài)），93×71×36.14 mm（立體狀態(tài)）。本文針對(duì)研制的微爬行機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)一步進(jìn)行自裝配性能、結(jié)構(gòu)性能和運(yùn)動(dòng)性能的測(cè)試驗(yàn)證。

圖11 微爬行機(jī)器人加工工藝Fig.11 Fabrication process of micro crawling robot

圖12 微爬行機(jī)器人平面形態(tài)結(jié)構(gòu)輪廓Fig.12 Contour of the structure of micro crawling robot

微爬行機(jī)器人共有22處自折疊結(jié)構(gòu)，分布在這些位置的加熱電阻總的阻值為120 Ω，各處加熱電阻需要的輸入電流為2 A，輸入功率為480 W。由于機(jī)載電池?zé)o法提供足夠的功率，自裝配能源采用單片機(jī)控制＋有源功率輸入方案實(shí)現(xiàn)。測(cè)試如圖13所示，整機(jī)在30 s內(nèi)完成自折疊裝配。同時(shí)可以看出，雖然在電路設(shè)計(jì)中各處自折疊結(jié)構(gòu)兩側(cè)對(duì)稱，同時(shí)加熱電阻也對(duì)稱分布，但自裝配過(guò)程并非兩側(cè)完全同步，分析認(rèn)為這一現(xiàn)象可能與通電時(shí)電阻的加熱溫度場(chǎng)分布、SMP材料的性能，以及結(jié)構(gòu)在加熱自折疊時(shí)的外界力的作用有關(guān)，不過(guò)由于折疊完成時(shí)各處自折疊結(jié)構(gòu)均折疊到設(shè)計(jì)角度，故機(jī)器人總體仍保持對(duì)稱。

微爬行機(jī)器人完成自動(dòng)裝配后，還需要具有一定的結(jié)構(gòu)剛度，因此需要測(cè)試完成自裝配后的樣機(jī)靜態(tài)結(jié)構(gòu)負(fù)載性能。由于SMP材料具有熱塑性，且變形收縮率較大，折疊變胞后的機(jī)器人的軀干和腿部處于預(yù)應(yīng)力張緊狀態(tài)，一定程度上保證了結(jié)構(gòu)的剛度。整機(jī)結(jié)構(gòu)靜載測(cè)試如圖14，在機(jī)身上搭載一個(gè)載物臺(tái)，將燒杯豎直靜置與載物臺(tái)上，向燒杯中緩慢注入水，觀察樣機(jī)的結(jié)構(gòu)變形情況。測(cè)試顯示，樣機(jī)整體能承載約6.2 N水重量而不發(fā)生結(jié)構(gòu)失效，約為樣機(jī)自重的24倍。

微爬行機(jī)器人采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)前后腿部的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)爬行運(yùn)動(dòng)特征。自折疊裝配完成后的樣機(jī)需要具有正確的運(yùn)動(dòng)特性，因此需要進(jìn)行整機(jī)運(yùn)動(dòng)性能測(cè)試。測(cè)試安排如圖15，電機(jī)轉(zhuǎn)速 160 r／min。 可以看出，0 s時(shí)系統(tǒng)開始加載電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，1.5 s后機(jī)器人累計(jì)向前運(yùn)動(dòng)30 cm，平均速度約為20 cm／s，相當(dāng)于身長(zhǎng)的1.9倍。

圖13 微爬行機(jī)器人自裝配測(cè)試Fig.13 Self-assembly test of micro crawling robot

圖14 微爬行機(jī)器人樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)靜載測(cè)試Fig.14 Static structural strength test of micro crawling robot under static load

本文針對(duì)未來(lái)地外微型探測(cè)器的潛在應(yīng)用基于單片集成一體化設(shè)計(jì)方法成功研制了一類總重24 g、整機(jī)尺寸93×71×36.14 mm的電機(jī)驅(qū)動(dòng)微爬行機(jī)器人樣機(jī)。該機(jī)器人具有單片一體化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)-電路一體化的系統(tǒng)集成特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)平面形態(tài)到三維形態(tài)的自動(dòng)折疊裝配。測(cè)試表明，該機(jī)器人能在30 s內(nèi)完成整機(jī)的自裝配過(guò)程；折疊裝配后的三維結(jié)構(gòu)能承受6.2 N靜態(tài)結(jié)構(gòu)負(fù)載，約為自重24倍。同時(shí)也保證了正確的運(yùn)動(dòng)特性，能實(shí)現(xiàn)20 cm／s，約為自身長(zhǎng)度1.9倍的爬行運(yùn)動(dòng)速度，能承受6倍重力加速度的過(guò)載。該機(jī)器人的設(shè)計(jì)研制及其測(cè)試結(jié)果說(shuō)明在分米—厘米尺度下采用單片集成自裝配設(shè)計(jì)方法研制微機(jī)器人能在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)復(fù)雜度，簡(jiǎn)化工藝的同時(shí)，保證足夠的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)性能，對(duì)于推進(jìn)分米—厘米尺度微機(jī)器人設(shè)計(jì)加工的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化具有參考意義。

圖15 微爬行機(jī)器人爬行速度測(cè)試Fig.15 Crawling speed test of micro crawling robot

微機(jī)器人可用于地外探測(cè)等情形，此時(shí)需要考慮系統(tǒng)的過(guò)載能力。本文采用轉(zhuǎn)臺(tái)離心設(shè)備測(cè)試微爬行機(jī)器人的過(guò)載性能，如圖16所示，將微爬行機(jī)器人固定在支架上，固定支架于高速轉(zhuǎn)臺(tái)，給轉(zhuǎn)臺(tái)加載1000 rad／min的轉(zhuǎn)速，此時(shí)微機(jī)器人由于離心力作用產(chǎn)生6G的離心加速度。過(guò)載結(jié)束后微爬行機(jī)器人仍保持運(yùn)動(dòng)性能，元器件工作正常，結(jié)構(gòu)也未出現(xiàn)失效。

圖16 高速轉(zhuǎn)臺(tái)過(guò)載測(cè)試Fig.16 High speed turntable overload test

5 結(jié)論