《Research》：An Untethered Ring-Shaped Miniature Robot with Axisymmetric Vibrations and Non-axisymmetrically Arranged Feet
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本文针对微型机器人难以同时实现高速敏捷运动与高负载能力的关键挑战，提出了一种新型无线三足环形压电机器人。研究通过采用高刚度环形基体结合轴对称振动模态与非对称布置的三足结构，成功实现了多维、不等幅的足端驱动轨迹。实验表明，该机器人具备高速（无线直线运动93 mm/s，旋转438°/s）、高负载（200 g）与高分辨率（0.63 μm）的优异性能。这一设计为在密闭空间内进行微操作等应用提供了兼具高负载能力与高灵活性的解决方案。
在微纳操作、生物医学工程及救援探索等领域，厘米级微型机器人因其体积小巧、运动灵活而备受关注。随着技术的发展，实现机器人的快速移动已非难事，但一个棘手的挑战随之浮现：如何在保证高速的同时，兼顾机器人的高负载能力与运动的敏捷性？尤其是在尺寸不断缩小的趋势下，这一矛盾更为突出。例如，一些基于电磁电机驱动的微型机器人虽然速度很快，但结构复杂且负载能力弱；而基于形状记忆合金等智能材料的机器人虽弹性好，却存在响应慢、刚度低的问题。压电驱动技术凭借其高精度、快速响应和断电自锁等优势，为微型机器人领域带来了新希望，但要设计出一种既能“举重”又能“疾行”的微型机器人，仍需在结构设计上寻求突破。
为了应对这一挑战，研究人员从自然界的硬壳动物（如螃蟹）中汲取灵感，提出并研究了一种具有轴对称振动模态和非轴对称布置足部的独特环形三足压电机器人。其核心创新在于，通过模仿螃蟹的硬壳设计了高刚度的集成环形基体以提升负载能力；同时，模仿多足生物的协调运动，通过选择环形结构的不同振动模态，合成了多个足端的多维驱动轨迹，从而实现了平面内的灵活运动。该研究旨在验证这种结合了高刚度结构与不对称驱动布局的设计，能否有效平衡微型机器人的高速度、高负载与高敏捷性。
本研究发表在《Research》期刊上。研究人员主要通过有限元分析（FEM， Finite Element Method）进行仿真模拟，以确定机器人的关键结构参数（如足部尺寸与间距）并验证其振动模态与驱动原理。他们制作了机器人原型，其核心部件包括一个铝合金环形基体、三个氧化铝陶瓷驱动足以及多片压电陶瓷（PZT， Piezoelectric Ceramics）。通过激光多普勒测振仪和激光位移传感器等设备，研究人员对机器人的振动特性、足端轨迹及运动性能（包括速度、负载、分辨率、功耗等）进行了全面的实验表征。为了摆脱线缆束缚，团队还开发并集成了一套紧凑的无线供电系统，其控制核心为ESP32芯片，以实现对机器人的无线控制与驱动。
配置设计
研究人员从螃蟹等硬壳生物获得仿生学启发，设计了一种非轴对称布置足部的环形三足压电机器人。机器人结构简单，仅包含一个环形基体、三个驱动足以及径向（PZT-R）和轴向（PZT-Z）布置的压电陶瓷片。通过有限元分析，选择了三阶轴向模态（用于旋转运动）和四阶轴向模态（用于直线运动），并将三个驱动足按110°的非对称角度布置。这种设计避免了四足结构可能存在的过定位问题，且无需额外配重即可保证三足稳定触地。
工作原理
直线运动时，通过激励靠近特定驱动足（如足1）的轴向压电陶瓷（PZT-Z），激发环形基体的四阶轴向振动模态，使该足端产生倾斜的驱动轨迹。当足端运动至轨迹底部并与地面接触时，摩擦力推动机器人沿特定径向（如R1方向）直线运动。旋转运动时，则通过向两组轴向压电陶瓷施加相位差90°的激励信号，激发两个三阶轴向振动模态并合成周向行波，进而在各足端产生椭圆轨迹，通过摩擦力实现机器人的旋转。
仿真分析与参数确定
通过有限元仿真，确认了两个三阶轴向模态的频率非常接近（误差1.67%），可用于高效旋转；四阶轴向模态（56.2 kHz）则用于直线运动。瞬态分析显示，在旋转运动激励下，三个足端均呈现近似椭圆轨迹；在直线运动激励下，足1在R1方向的位移明显大于其他两足，验证了非对称布局实现单向直线驱动的有效性。
原型实验
振动特性测试结果与仿真基本吻合，验证了设计的有效性。足端轨迹测试表明，在直线和旋转运动激励下，足1端分别产生了预期的倾斜轨迹和椭圆轨迹，位移量满足设计要求。有线运动性能测试显示，该机器人在直线运动最大速度可达338 mm/s（约9 BL/s， BL指身体长度），旋转运动最大速度达944°/s。其负载能力突出，在400克负载（超过机器人自重70倍）下仍能运动。分辨率测试表明，其直线运动分辨率可达0.81微米，旋转运动分辨率达36.14微弧度。同时，机器人在不同材质表面（如大理石、钢板、亚克力）均能移动，并具备一定的爬坡能力（约5°）。
无线运动特性
通过集成由ESP32芯片控制的紧凑型无线供电系统，机器人实现了无线操作。无线状态下，其直线运动最佳激励频率为57.7 kHz，最大速度为93 mm/s（负载10克时）；旋转运动最佳频率为30.1 kHz，最大速度为438°/s（顺时针，负载20克时）。无线模式下的负载能力达到200克，分辨率进一步提升至0.63微米。尽管无线运动速度因供电功率限制而低于有线模式，但其成功摆脱了线缆束缚，极大地增强了移动灵活性。应用演示实验表明，该无线机器人能够携带硅片进行微米级步进移动，配合显微镜实现表面缺陷检测；还能集成摄像头，在搭建的积木迷宫中移动并识别墙上的文字。
讨论与结论
该研究成功提出并验证了一种新型无线三足环形压电机器人，通过结合环形基体的轴对称振动模态与非对称布置的三足结构，巧妙地平衡了微型机器人的高负载能力与平面敏捷运动性能。有限元仿真与原型实验结果表明，该设计是有效的。有线操作下，机器人展现出高速（直线338 mm/s， 旋转944°/s）、高负载（400克）、高分辨率（0.81微米）和低功耗的优异特性。集成无线供电系统后，机器人实现了无束缚运动，虽然速度有所降低，但仍保持了93 mm/s的直线速度和438°/s的旋转速度，以及200克的负载能力和0.63微米的更高分辨率。
本工作的核心创新在于通过结构模态与驱动足布局的协同设计，同时实现了大负载能力与高运动灵活性。与文献中其他类似尺寸的压电机器人相比，该机器人在尺寸、负载能力和平面敏捷运动之间取得了良好平衡，并能实现无线操作。然而，目前研究集中于开环实验测试，运动轨迹误差尚未通过反馈进行校正。未来的工作可以引入视觉反馈来校正轨迹误差，进一步提升运动性能。同时，集成夹持单元等部件以执行微操作任务，将进一步拓展其应用场景，在微纳操作、密闭空间探测及生物医学等领域展现出广阔的应用潜力。
