哈佛大學(xué)微型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的羅伯特·伍德教授曾介紹過一種多節(jié)段的多足類微型機(jī)器人，相關(guān)論文題為《多節(jié)段足微型機(jī)器人》 。

該微型機(jī)器人使用壓電雙晶片作為驅(qū)動，體積為3.5厘米x 3.5厘米，重量為750毫克，與一般的六足微型機(jī)器人相比，該類型機(jī)器人在攀爬、實(shí)現(xiàn)多功能性和穩(wěn)定性方面具有潛在優(yōu)勢。

多節(jié)段機(jī)器人的運(yùn)動優(yōu)勢

多節(jié)段機(jī)器人其設(shè)計(jì)靈感來源于自然界中的多足動物，這類機(jī)器人相比于傳統(tǒng)的形態(tài)的優(yōu)勢體現(xiàn)在：

1 .速度：雖然如蟑螂和其他六足昆蟲的每秒最大運(yùn)動距離可以達(dá)到40倍～50倍自身體長，蜈蚣的每秒的最大運(yùn)動距離約為10倍自身體長;然而，蜈蚣仍然是敏捷的爬行昆蟲之一，其能夠捕捉蟑螂和甚至更大的昆蟲和哺乳動物。除了利用自身肢體起伏來放大步長之外，蜈蚣肢體固有的靈活性使它們能夠在平面上自由移動，使蜈蚣微型機(jī)器人在崎嶇地形上前進(jìn)和換向時比同尺寸的傳統(tǒng)剛體六足機(jī)器人更快。

2 .運(yùn)動穩(wěn)定性：由于蜈蚣又稱百足蟲，自身有大量腿（特定的物種最大能達(dá)到191條），這在運(yùn)動上的體現(xiàn)為運(yùn)動步態(tài)豐富并且增加了運(yùn)動的穩(wěn)定性。

3 .高的運(yùn)動靈敏性和魯棒性：有研究專家發(fā)現(xiàn)當(dāng)切除蜈蚣一定數(shù)量的腿后，其運(yùn)動能力（ 包括步態(tài)、速度和穩(wěn)定性） 變化不大，這表明多節(jié)段機(jī)器人可能對故障具有魯棒性。得益于肢體的靈活性，蜈蚣可以從水平表面移動到垂直表面，而步態(tài)不會發(fā)生劇烈的變化。因此，這類型機(jī)器人附節(jié)段數(shù)的增加，機(jī)器人的運(yùn)動也更加靈敏。

4 .通用性：可以通過增加和去除蜈蚣機(jī)器人的節(jié)段，以更好地執(zhí)行不同的任務(wù)，可以適用于不同的場合。

但目前制造這類型機(jī)器人的難題體現(xiàn)在于，由于微小型機(jī)器人的尺寸差異和存在著加工誤差，這對機(jī)器人的運(yùn)動難以預(yù)測，而且接線一般也是手工焊接的，這種方式費(fèi)時又不可靠。為了解決這些問題，作者在本研究提出了一種布線方式，并且創(chuàng)建了對應(yīng)的動力學(xué)模型，配合樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，對機(jī)器人運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)了較吻合的預(yù)測。

壓電雙晶片多足機(jī)器人的設(shè)計(jì)和工作原理

對比壓電驅(qū)動器（PEA）和形狀記憶合金（SMA）驅(qū)動器，形狀記憶合金驅(qū)動器的頻率帶寬低于壓電驅(qū)動器，限制微型機(jī)器人的步進(jìn)激勵頻率。因此在本項(xiàng)研究當(dāng)中，多足機(jī)器人采用了壓電雙晶片作為驅(qū)動器，分別布置在垂直和水平方向上， 以分別實(shí)現(xiàn)驅(qū)動足的前進(jìn)/后退，以及升高/降低驅(qū)動腳的步進(jìn)運(yùn)動。

而多節(jié)段機(jī)器人由多個單節(jié)段機(jī)器人組成，其中由Sarrus機(jī)構(gòu)將多個節(jié)段的機(jī)構(gòu)相連。Sarrus機(jī)構(gòu)是1853年由法國數(shù)學(xué)家薩魯斯所發(fā)明的一種古典機(jī)械機(jī)構(gòu)。

這種機(jī)構(gòu)能夠?qū)⒂邢薜膱A周運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動的機(jī)械聯(lián)動裝置，可以將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。Sarrus機(jī)構(gòu)是一種空間機(jī)構(gòu)，有時也稱為“空間曲柄機(jī)構(gòu)”。它能通過自身構(gòu)型的變化，實(shí)現(xiàn)設(shè)備由空間機(jī)構(gòu)向平面機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)化，從而大大減小自身所占空間。

在接線上，多足機(jī)器人每個節(jié)段有兩個壓電雙晶片驅(qū)動器，分別實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的站立和腿部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動， 因此需要兩個驅(qū)動信號。其中，兩個壓電雙晶片驅(qū)動器共享一個接地和驅(qū)動信號。

每個壓電雙晶片驅(qū)動器的兩側(cè)極性相反，換言之，通過每個壓電雙晶片驅(qū)動器僅使用一個驅(qū)動信號，就可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)機(jī)器人的一條腿升起時，另一條腿則預(yù)緊于地面上。

類似的，控制水平方向的壓電雙晶片驅(qū)動器可以實(shí)現(xiàn)前后運(yùn)動。如此一來，通過控制電壓信號，即可實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的空間運(yùn)動控制。

為了保持運(yùn)動的靜態(tài)穩(wěn)定性，作者在本設(shè)計(jì)中組裝了3節(jié)段驅(qū)動器的微型機(jī)器人。并且利用銅跡線大大減少了硅膠線的數(shù)量。由于機(jī)器人體積小，驅(qū)動器的脆性不能施加方波信號，因?yàn)樾盘柕乃矔r變化會損壞壓電驅(qū)動器。

為了實(shí)現(xiàn)激勵， 作者施加了幅值為200伏 ，頻率為2赫茲的正弦驅(qū)動信號，站立腳和擺動腳在水平面運(yùn)動在正弦驅(qū)動信號的峰值處切換方向。

其中，提取了中間段的實(shí)驗(yàn)腿和節(jié)干角度與動力學(xué)模型，可以看出，實(shí)驗(yàn)值和理論值非常吻合，證明了動力學(xué)模型的有效性。

同時，因?yàn)轵?qū)動腳的切換不是瞬時的，所以運(yùn)動存在著耦合的現(xiàn)象（即向前/向后運(yùn)動時， 會產(chǎn)生向左或者向后偏移的情況） 。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果當(dāng)中， 當(dāng)激勵頻率為2Hz時，機(jī)器人10秒內(nèi)前進(jìn)了約為自身的體長的距離，運(yùn)動步長介于0.75毫米～1毫米之間。

該項(xiàng)研究提出的壓電微型多足機(jī)器人為與制造、控制、攀爬和建模相關(guān)的研究人員提供了啟發(fā)，也極大的增強(qiáng)了多足機(jī)器人的運(yùn)動能力，擴(kuò)展了其應(yīng)用場景，如應(yīng)用于搜索和救援任務(wù)、危險(xiǎn)環(huán)境探索和監(jiān)視的場合當(dāng)中，具有很高的研究前景和市場前景。（綜合整理報(bào)道）（編輯/多洛米）