哈工大直接用微波驱控多自由度机器人,登上国际顶刊

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这是微波应用场景在机器人领域的创新性延伸。

在物理世界,微波是指频率在 300MHz-300GHz 之间的电磁波,它具有易于集聚成束、高度定向性以及直线传播的特性。微波的最重要应用是军事和工业领域的雷达和通信,在生物、医学等领域的研究和发展也越来越受到重视。日常生活中随处可见微波的应用,比如微波炉、生物杀菌等。

得益于其障碍物透射率、快速能量瞄准以及选择性加热等优点,微波也成为了一种很有前途的无线驱动策略。虽然已经出现了一些基于不同结构的微波驱动人造肌肉研究,但微波控制的研究缺失限制了微波驱动(microwave-driven, MWD)机器人的发展。

近日,哈工大威海校区机器人研究所软体机器人实验室首次通过改变 2.47 GHz微波的偏振方向来调整能量分布,进而控制MWD远场并联机器人。该并联机器人基于三个由吸波片和双金属片组成的双层弯曲致动器,它可以在700W发射功率下实现0.4m的圆形和三角形路径运动。

研究者还探究了双层弯曲致动器在微波下的热响应速率,发现电场分量在致动器的最佳长度下可以提供比磁场分量更快的热响应。

相关研究《Multi-Degree-of-Freedom Robots Powered and Controlled by Microwaves》在国际顶级期刊Advanced Science上发表。论文第一作者为博士生李永泽,共同通讯作者为邢志广博士和赵建文教授。

论文地址:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202203305

并联机器人的工作是在一个由微波透明材料组成的封闭空间中演示的,下图为它的圆形和三角形路径运动轨迹。

圆形路径运动的动态示意图如下所示:

三角形路径运动的动态示意图如下所示:

研究者还提出了一种基于形状记忆合金(shape memory alloys, SMA)弹簧和导线的伸缩致动器,并基于该致动器设计了一个四足爬行机器人。四足爬行机器人长约15毫米,重仅 0.42克,是目前最轻的射频驱动机器人。

研究者展示了使用微波实现机器人的多自由度可控性,为一些工程案例提供了潜在的解决方案,如反应堆/管道检查和医疗应用等。

研究概览

该机器人的主动臂由吸波材料和双金属片(5J20110)制成的弯曲致动器构成。吸波材料可以吸收外部电磁能量,并作为双金属片的体积热源。为了减少双金属片对微波的反射,双金属片的形状被制成梯形,其面积为吸波材料面积的50%。通过结合这两种材料,实现了微波驱动的致动器,其具有材料易得,制造工艺简单,成本低等特点。

微波驱动机器人有两种不同的运动形式。

为了使弯曲致动器有足够的响应速度,他们研究了吸波片的最佳长度,发现在 0.4 m 外 700 W 的辐射功率下,吸波片可以在 10 s 内升至 80 ℃。在并联机器人上,三个间隔为120°的弯曲致动器对不同极化方向的微波具有不同的接收效率。通过改变微波的偏振方向,可以调节各个弯曲致动器的响应。

此外,为了展示微波驱动机器人在小型化、轻量化、柔性运动和群体驱动方面的潜力,该研究还设计了基于可伸缩致动器机器人,导线作为微波接收器,SMA弹簧作为致动器。SMA弹簧弹性范围大,在相变温度下也可以恢复原型。与SMA导线(收缩率约为3-5%)相比,SMA弹簧具有更大的线性运动能力(收缩率约为40%)。

为了展示微波的多目标驱动能力,该研究设计了一个花状机器人,它包含四个可伸缩致动器,可以模拟花的运动(图6A)。花状机器人的结构和运动原理如图6A(右)所示。这四个花瓣是由PET片材(PET sheet)和粉色硬纸板制成。SMA弹簧连接在硅胶垫片上,硅胶垫片附着在PET片上。该设计可以防止SMA弹簧对PET板材的烧损。导线被连接到SMA弹簧的底部,并像雄蕊一样通过聚乳酸 (PLA) 孔向上伸展。

图6

下图显示了花状机器人的开花过程,当微波辐射到花朵上时,导线将微波能量转化为电能,加热SMA弹簧,并通过柔性接头折叠PET片,四个花瓣几乎同时开花。

当微波停止照射时,SMA 弹簧逐渐冷却,随之花瓣上的拉力消除,导致所有花瓣在 PET 片材的恢复力下闭合。

总之,该研究表明,与磁力驱动一样,微波驱动也具有群体驱动能力。

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