上海交大在3D打印機(jī)器人領(lǐng)域的前沿技術(shù)

談到未來的機(jī)械昆蟲和飛行器，我們很容易聯(lián)想到德國費斯托(FESTO）的機(jī)械螞蟻，會跳躍的袋鼠等等。這些“動物”具有獨立決策能力，行為總是遵循于共同目標(biāo)，能夠共同協(xié)力完成任務(wù)，并且通過傳感器確保機(jī)械知曉周圍環(huán)境。南極熊在之前就報道過哈佛大學(xué)領(lǐng)銜3D打印全球首只自驅(qū)動柔性章魚機(jī)器人當(dāng)我們驚嘆于費斯托的技術(shù)將為我們的生活帶來多大的變化的時候，值得喜悅的是國內(nèi)也在做著不懈的研發(fā)努力。

微型仿生六足機(jī)器人

六足機(jī)器人構(gòu)型可分為兩類，一類類似于昆蟲結(jié)構(gòu)，六個足機(jī)構(gòu)分兩組平行分布在機(jī)身兩側(cè)；另一類類似于海星結(jié)構(gòu)的輻射型六足機(jī)器人，六個足機(jī)構(gòu)均勻等距的分布在正六邊形機(jī)身的六個頂角處。

兩類構(gòu)型的機(jī)器人相比較，輻射型六足機(jī)器人運動控制更靈活，機(jī)動性能好。采用傳統(tǒng)機(jī)械加工方法制作的機(jī)器人本體，由于加工技術(shù)和工具的局限，無法實現(xiàn)六足機(jī)器人的微型化，并且還具有加工成本高、本體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低、裝配精度差等缺點。上海交通大學(xué)采用3D打印技術(shù)制造的微型仿生六足機(jī)器人，整個機(jī)器人體積小、質(zhì)量輕、控制精度高、適應(yīng)能力強(qiáng)、外觀漂亮。

3D打印微型仿生六足機(jī)器人的機(jī)身承載構(gòu)件、髖骨構(gòu)件、大腿構(gòu)件、小腿構(gòu)件以及雙連桿機(jī)構(gòu)2組成機(jī)器人本體，都是通過3D打印技術(shù)實現(xiàn)的，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜構(gòu)型的加工制作。為減輕機(jī)器人本體質(zhì)量，各構(gòu)件中心設(shè)有鏤空通孔。3D科學(xué)谷了解到其中，采用3D打印技術(shù)實現(xiàn)兩層中心鏤空的正六邊形腹板與六個支撐柱的一次成型；兩層所述腹板的外邊緣均設(shè)有安裝孔，用于配合安裝3D打印技術(shù)制作的外殼。

采用3D打印技術(shù)的優(yōu)勢在于可自定義制作各種形狀、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的機(jī)器人本體，在保證本體機(jī)構(gòu)強(qiáng)度的同時，提高了機(jī)器人本體外觀的可觀賞性，采用對復(fù)雜路況適應(yīng)性能優(yōu)越的三自由度的足機(jī)構(gòu)，并采用四連桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化足機(jī)構(gòu)拓?fù)錁?gòu)型，將質(zhì)量相對集中的膝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)安裝位置設(shè)在大腿構(gòu)件盡可能靠近機(jī)身承載構(gòu)件的位置，同時依靠機(jī)身姿態(tài)、運動傳感器充分提高了機(jī)器人運動控制精度。

具有可控被動扭轉(zhuǎn)的高頻撲翼仿生昆蟲飛行器
撲翼飛行器具有許多特有的優(yōu)點，如起飛所需空間小、飛行性能極佳、具有優(yōu)異的懸停能力、飛行結(jié)構(gòu)緊湊(集垂直飛行、水平飛行、姿態(tài)變換為一體)，且能耗較低。撲翼的飛行方式相比傳統(tǒng)的旋翼、固定翼來說，不僅能勝任飛行工作，還進(jìn)一步提高飛行性能。這使得撲翼飛行器吸引了越來越多的研究人員對其進(jìn)行拓展。

上海交大發(fā)明的具有可控被動扭轉(zhuǎn)的高頻撲翼仿生昆蟲飛行器，能夠通過減速齒輪組、曲柄搖桿傳動機(jī)構(gòu)、被動旋轉(zhuǎn)機(jī)制以及滾珠軸承組，將極為有限的空心杯馬達(dá)動力高效率地轉(zhuǎn)化為撲翼拍打的升力。

上海交大的高頻撲翼仿生昆蟲飛行器上的角度限位器、減速齒輪組的被動齒輪以及曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的搖桿和中間連桿，均采用3D打印制作，一方面為了降低成本，另一方面3D打印的材料密度小，可以降低飛行器的整體重量。除了這些關(guān)鍵零件，機(jī)身框架也是采用3D打印制作的，以保證能承載其他結(jié)構(gòu)的前提下盡可能減小體積，同時在機(jī)身框架上預(yù)留有包括減速齒輪組被動齒輪轉(zhuǎn)軸和曲柄搖桿傳動機(jī)構(gòu)的搖桿轉(zhuǎn)軸的軸承的安裝空間。

基于形態(tài)記憶合金驅(qū)動的軟體機(jī)器人
軟體機(jī)器人目前主要有三種驅(qū)動方式：高壓氣體驅(qū)動、可變形合金驅(qū)動以及仿生軟體材料驅(qū)動。由于材料的特殊性，軟體機(jī)器人具有接近無限自由度、極強(qiáng)的伸縮性以及較小的密度等優(yōu)點，這使得軟體機(jī)器人能在許多剛體機(jī)器人無法作業(yè)的復(fù)雜環(huán)境完成任務(wù)。

之前，哈佛科學(xué)家3D打印出世界上第一個完全自主、軟機(jī)器人Octobot。哈佛的解決方案是氣動原理–由高壓氣體驅(qū)動那些關(guān)鍵運動部件。少量的液體燃料（過氧化氫）是通過化學(xué)過程轉(zhuǎn)化為氣體，從而為機(jī)器人創(chuàng)造了足夠的運動能力，并完全擺脫了僵化的部分。

利用形態(tài)記憶合金作為軟體機(jī)器人的驅(qū)動方式，上海交通大學(xué)所做的仿生學(xué)軟體機(jī)器人無需任何關(guān)節(jié)，全部由記憶合金和外包硅膠組成，這樣，可以使得機(jī)器人更好的克服環(huán)境中的空間問題，軀干由3D打印制成的硅膠外殼構(gòu)成。

3D打印硅膠外殼方便預(yù)留通電導(dǎo)線和嵌入記憶合金絲的空間，使得整體設(shè)計簡潔，外殼自身具有一定的抗拉性，此外不需要額外的附加裝置和外部能源。

來源：3D科學(xué)谷
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哈佛大學(xué)領(lǐng)銜3D打印全球首只自驅(qū)動柔性章魚機(jī)器人