與大型機器人相比，昆蟲級別的機器人具有獨特的優勢。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入的地形，諸如廢墟、縫隙、管道等等，甚至可以進入狹小密閉的空間，執行一些精細化任務。昆蟲尺寸的柔性機器人具有體積小、環境適應能力強、可集群化工作的特點，在面對自然界中非結構化的復雜地形時，如何在柔性執行器驅動力弱、功率密度低、柔性機構傳動精度差的限制下實現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實用化具有重要意義。
近日，清華大學深圳國際研究生院張旻團隊在前期提出的壓電諧振驅動柔性微型機器人的基礎上，提出了一種無需反饋控制的機械式被動越障方法。機器人采用類環狀曲面腿，可實現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上，設計了壓電驅動電路系統、負載攜帶結構和反饋控制單元。研究團隊采用靜電足墊與圓弧形腿相結合的結構，實現了機器人在攜帶驅動電路與電源的情況下，仍能保持較高的轉向敏捷性。

圖1 環狀腿柔性機器人照片和主要結構

圖2 機器人穿越復雜三維地形示意圖
微型機器人可集成多種功能模塊和精細機械結構實現越障。若采取閉環的精準運動控制，時間遲滯會導致準靜態越障；而用機械結構補充開環控制，能在無神經調節的被動力學下快速越障。該課題組在昆蟲級別柔性機器人有限的身體空間中設計了類環狀曲面腿的機械結構（圖1），依靠主體形變，機器人的腿－地機械作用產生“彈性步態”穿越三維復雜地形。通過仿真模擬和對比實驗，設計出了具有 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%的類環狀腿結構，保證順滑通過小尺寸障礙物地形，并通過非對稱的整體結構，提高振動－前進力的轉換比率。采用“輻條式”結構，利用全柔性材料制成的半剛性腿部結構，兼顧了形狀的穩定性、抗跌落的結構魯棒性和抗意外擾動的運動適應性。實驗表明，環狀腿機器人能在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。

受到柔性執行器驅動力弱、功率密度低、柔性機構傳動精度差的問題，現有的微型柔性機器人仍以拖纜驅動為主，機器人的靈活性和活動范圍受到限制，在無纜條件下實現快速運動和敏捷的軌跡控制仍是巨大的挑戰。課題組在原有有纜柔性壓電機器人的基礎上，設計了小型化壓電驅動電路系統、負載攜帶結構和反饋控制單元，實現了柔性壓電機器人的無纜驅動（圖3）。根據柔性機器人的運動特點，提出了用于攜帶驅動電路系統和電源的懸架式負載結構，可有效減小負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載條件下的特征頻率和運動模態，以機器人運動性能為目標優化了懸架負載結構，實現了無纜條件下機器人2.5 身長/秒的快速直線運動。為實現機器人的靈活軌跡控制，提出了靜電足墊與圓弧形腿相結合的轉向控制策略，利用轉向時的機器人側傾，實現了機器人載荷在腿部和靜電足墊上的重新自分布，自動調節轉向過程中不同足墊上的摩擦力，實現了無纜柔性機器人的敏捷轉向（圖4），轉向速度達到18 °/s，機器人能夠在43.4s 內通過58 cm長的S形通道。通過低功耗設計，機器人在裝配有40 mAh的鋰電池時，能夠連續運行58.6m，對應的機器人運輸能量成本（Cost of Transport）僅為261，優于已報道的絕大多數柔性無纜機器人。該研究為昆蟲尺寸的柔性機器人實現無纜化的敏捷運動和實用化研究提供了解決方案。

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

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

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