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微型机器人突破又一极限

by wittx 2020-07-03

哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院的HAMR（哈佛动态微型机器人）团队正在突破其项目的极限，打造出迄今为止最小，速度最快的机器人！
这个被称为HAMR-JR的微型机器人是以蟑螂为灵感开发的，它可以奔跑、跳跃、携带重物和快速转弯。只有一分钱硬币的大小，比回形针还要轻，还被赋予了‘打不死的小强’属性，奔跑时速度快的连拖鞋都追不上它，还能顺便背起比自身重量重10倍的物体。

设计与制造

HAMR-JR在本周的国际机器人与自动化会议（ICRA 2020）上隆重登场，不过它已经不是第一次进入人们的视野中了。它的前身HAMR-VI重量为1.9 g，负载量为2.9 g。而最新的HAMR-JR重量仅为0.32 g，却能背负3.5 g的重量，不仅大大减小了体积和重量，其负载量达到了其自身重量的10倍！

HAMR-JR的设计及制造基本遵循了它的前身HAMR-VI，可以称为其缩小版本，但性能却提高了不止一点。它每秒可以运行约14个体长，不仅是最小的四足机器人，而且是最快的微型机器人之一。

设计与制造

HAMR-JR的质量和惯性减小会导致机器人的脚与地面接触时容易滑动。解决此问题的方法是给机器人穿上一种小巧健壮的鞋子，而且还需要权衡步幅频率以增加步幅长度，从而提高运动速度。可以通过调节八个独立驱动的自由度之间的相对相位来执行各种运动步态。

HAMR团队的研究人员利用PC-MEMS方法（印刷电路微机电系统）制造了HAMR-JR。这种方法的基本步骤为：将机器人的组件刻蚀成2D薄片，将其转移至一张已经拉伸的弹性基底上，通过表面化学处理把该2D薄片选择性地粘接于弹性基底，之后释放弹性基底的预拉伸，即可将未粘接于基底的平面结构弹出，形成3D机器人结构。

为了量化HAMR-Jr的负载能力，研究人员在机器人顶部添加了定制的3D打印砝码，并进行了五次试验，使用 10Hž的运动速率，跑和叉脚步态。实验发现，等于或小于机器人体重的额外有效负载不会显着影响机器人的性能。但是，较大的有效载荷迫使机器人减速。在机器人能够行走的条件下，可承受3.5 g的载荷。

研究人员还开发了一个模型，该模型可以根据目标大小预测运动指标，例如奔跑速度，脚力和有效载荷。可以使用该模型来设计具有所需规格的系统。

下一步

像HAMR-Jr这样的微型机器人在搜救、探测及医疗手术等领域具有无限潜力。例如，房屋坍塌后，瓦砾中的缝隙通常只有几厘米长，微型机器人可以轻松进入，从而代替人类进行搜救工作。在外科医疗手术中，约束条件甚至更小，最大的动脉仅约8至10毫米，因此机器人的尺寸和重量在此类应用中至关重要。

HAMR团队的主要研究人员，教授Kaushik Jayaram表示：“ HAMR-Jr可以实现接近蟑螂的机械敏捷性的步态，我们希望在未来几年内看到完全自主的（包括功率和控制功能）和功能更强大的HAMR-Jr版本，当然它的尺寸会更小。这样的机器将来可能会脱离实验室，爬进飞机发动机或机械工程师无法进入的狭小空间。甚至可能对人类患者进行手术。“

论文直通车

[1] Jayaram, K., Shum, J., Castellanos, S., & Wood,R. (2020). Scaling down an insect-size microrobot, HAMR-VI into HAMR-Jr. ArXiv.org, ArXiv.org,Mar 6, 2020. https://www.groundai.com/project/scaling-down-an-insect-size-microrobot-hamr-vi-into-hamr-jr/1#S1.F1

[2] N. Doshi et al., "Model driven design forflexure-based Microrobots," 2015 IEEE/RSJ International Conference onIntelligent Robots and Systems (IROS), Hamburg, 2015, pp. 4119-4126, doi:10.1109/IROS.2015.7353959.

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