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由电液流体动能驱动两栖全软厘米级微型爬行机器人来了

机器人大讲堂 · 公众号 · · 2024-02-17 13:40

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具备狭窄环境中导航能力的微型爬行机器人（Micro Crawling Robot以下简称：MCR）在日常特种搜救行动中扮演者重要角色。MCR作为一个新兴领域，因其卓越的地形适应性和安全特性引起了科研工作者的研究兴趣。近日研发人员设计了一款厘米级MCR ， 它由电液致动器产生的流体动能驱动， 通过优化工作电压和设计参数，使得机器人的平均爬行速度显著提高， 达到16 mms-1的爬行速度（每秒0.32个体长）。 优化后的机器人重6.3g，长5cm，宽5cm，高6mm。通过并联两个机器人，机器人的转弯速度可达≈3°s-1。此外， 通过重新配置电液致动器中的电极分布，机器人可以实现2个自由度平移运动， 从而提高其在狭窄空间中的可操作性。另外研发人员还演示了如何使用柔软的防水皮肤进行水下运动和驱动。 与其他MCR相比，该研究团队打造的新型MCR可实现相对较快的爬行速度，并提高了鲁棒性和恢复能力。

a) MCR 的原理 b) 防水皮肤 c) 我们的 MCR 带有皮肤，可以在水下实现爬行和垂直跳跃。

电液制动器由两个柔性电极、一个可变形的电介质囊以及囊内电介质液体组成。 电介质囊与液体被置于两个电极之间。在高压（HV）环境下，两个电极分别产生正负电荷，进而形成充电电容。高压产生的麦克斯韦应力使得电极压缩电介质囊，并将动能（EFKE）传递至内部液体。值得一提的是， 电液流体动能（EFKE）软体MCR仅由一个电液执行器组成， 执行器由预涂BOPP膜制成，加热温度较低，性能可靠。

电液致动器的详细制作过程

与HASEL致动器相比，使用电液流体动能（EFKE）驱动的软体MCR明显运动效率更高。但研究人员也表示，致动器外，其他因素如原理、设计和控制也会对其性能产生较大影响。

▍该项研究的主要科学贡献如下：

第一，研究团队创新性地探讨了两栖软体MCR的推进原理。

第二，根据独特的爬行原理，研究人员对工作电压（振幅、周期和占空比）及设计参数（介质液体体积、电极长度和电极形状）进行了系统优化，以提升爬行速度。

第三，团队从外加电压、MCR地面摩擦力、运动距离、瞬时速度、液体回流和地面摩擦等六个方面对EFKE进行了全面研究。

第四，对MCR进行了重新配置，从而实现卓越的两自由度运动机动性。

a) 不同高电压振幅下的步幅。b) 不同 ZT/RT 运行模式和高电压振幅下的实验爬行速度。

对比其他MCR，该研究团队MCR表现出卓越的爬行速度。 得益于EFKE驱动，其爬行速度几乎达到了由电液（HASEL）致动器驱动的其他微型爬行机器人的290倍。 此外，由于软体MCR配备了柔软的防水皮肤，因此具备一定程度的水陆两栖适应能力。

不过团队也承认此项研究存在一定瓶颈。 机载驱动和控制电路有助于提高软体MCR的实用性和自主性，但电子元件和PCB（印刷电路板）的刚性也会降低MCR的柔软度和顺应性。当前来看， 开发一种能够输出和切换高达6kV高压的轻型（小于10g）板载电路具有一定困难。 在采用高压技术的微型软体爬行机器人中，仅有一个MCR由于电压相对较低（小于500V）而实现了无绳运行。

带有防水皮肤的MCR在水下负载爬行

团队表示，未来的研究工作将进一步探索水陆两栖能力，例如实现水陆之间的无缝切换，以及通过在MCR上整合软桨以提高游泳能力。还可以探索新的介电材料，以降低工作电压。此外，还可以探索使用紧凑轻便的板载电源电路来实现无绳MCR。

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由电液流体动能驱动 两栖全软厘米级微型爬行机器人来了

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