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实验室刘英想教授团队在压电爬杆机器人研究方面取得新进展
发布人:赵京东  发布时间:2021-08-31   浏览次数:11

机器人技术与系统国家重点实验室刘英想教授团队在机器人领域顶级期刊《IEEE机器人会刊》(IEEE Transactions on Robotics)发表了题为《Crabbot一种采用压电驱动的爬杆机器人》(Crabbot: A Pole-Climbing Robot Driven by Piezoelectric Stack)的学术论文,该成果为爬杆机器人难以兼顾高分辨力、大负载/自重比、紧凑结构和不同截面形状爬行杆的适应能力等特性提供了一种有效的解决方案。马雪峰博士为论文第一作者,刘英想教授为论文通讯作者,我校为论文唯一完成单位与通讯单位;该项研究工作得到了国家自然科学基金项目(项目编号:U191321551975162)的资助。

近年来,随着机器人技术在微纳操作领域的迅速发展,具有高定位精度且能够搭载微细操作机构的小型爬杆机器人逐渐成为研究热点之一。国内外学者已先后研制出各式爬杆机器人,但大多采用传统电磁电机、气动和液压驱动,体积和重量通常较大,不适宜在狭窄的管线间穿行,且难以实现纳米级定位能力。对比而言,压电爬杆机器人易于实现纳米级分辨力,且具有结构紧凑、出力密度大、电磁兼容性好等突出优势特性,得到了广泛关注。现有压电爬杆机器人大多使用各类吸盘和压电陶瓷组合的方式实现爬行,负载能力较弱,对爬行杆面光洁度和曲率均有较高的要求。因此,压电爬杆机器人如何兼顾高定位精度、大负载能力及不同截面杆的适应性极具挑战。

该项工作中,研究人员提出了一种采用尺蠖运动原理的压电爬杆机器人,该机器人由两个箝位机构和一个伸长机构组成;伸长机构由压电叠堆和桥式位移放大机构组成,压电叠堆微小的输出位移经桥式机构放大后实现爬杆机器人的步进,相似的桥式位移放大机构被用于箝位机构中以实现箝位足的开合,基于仿生原理设计了非对称结构的仿蟹钳式箝位足来实现该爬杆机器人对不同截面形状爬行杆的适应能力,这种结构使其能够在一定尺寸范围内实现对包括圆柱、矩形等多边形截面杆件的箝位。所研发样机的测试结果表明:该爬杆机器人能够不同爬行角度(0~90°)、不同截面形状(圆形/矩形)及尺寸的爬行杆上实现纳米级定位,分辨力可达85nm,最大速度为100.9μm/s,最大负载为0.5kg。该项成果极大的降低了爬杆机器人的体积和重量,且能够兼顾高定位精度、大负载/自重比以及对不同截面形状杆件的适应能力,所研制的压电爬杆机器人可为管壁高精度扫描和维护操作提供一种新选择。

 

文章信息:Xuefeng Ma, Yingxiang Liu*, Junkao Liu, Jie Deng. Crabbot: A Pole-Climbing Robot Driven by Piezoelectric Stack, IEEE Transactions on Robotics, 2021, DOI: 10.1109/TRO.2021.3102418 (https://ieeexplore.ieee.org/document/9520422)



压电爬杆机器人:(a) 问题来源,(b) 结构及致动原理,(c) 特色与创新