上海交大在3D印表機器人和機械昆蟲領域的前沿技術

談到未來的機械昆蟲和飛行器，我們很容易聯想到德國費斯托(FESTO）的機械螞蟻，會跳躍的袋鼠等等。這些「動物」具有獨立決策能力，行為總是遵循於共同目標，能夠共同協力完成任務，並且通過感測器確保機械知曉周圍環境。當我們驚嘆於菲斯托的技術將為我們的生活帶來多大的變化的時候，值得喜悅的是國內也在做著不懈的研發努力。

運動和飛翔更自由

軟體更隨心所欲

微型仿生六足機器人

六足機器人構型可分為兩類，一類類似於昆蟲結構，六個足機構分兩組平行分布在機身兩側；另一類類似於海星結構的輻射型六足機器人，六個足機構均勻等距的分布在正六邊形機身的六個頂角處。

兩類構型的機器人相比較，輻射型六足機器人運動控制更靈活，機動性能好。採用傳統機械加工方法製作的機器人本體，由於加工技術和工具的局限，無法實現六足機器人的微型化，並且還具有加工成本高、本體結構強度低、裝配精度差等缺點。

上海交通大學採用3D列印技術製造的微型仿生六足機器人，整個機器人體積小、質量輕、控制精度高、適應能力強、外觀漂亮。

3D列印微型仿生六足機器人的機身承載構件、髖骨構件、大腿構件、小腿構件以及雙連桿機構2組成機器人本體，都是通過3D列印技術實現的，能夠實現複雜構型的加工製作。為減輕機器人本體質量，各構件中心設有鏤空通孔。其中，採用3D列印技術實現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有安裝孔，用於配合安裝3D列印技術製作的外殼。

採用3D列印技術的優勢在於可自定義製作各種形狀、拓撲結構的機器人本體，在保證本體機構強度的同時，提高了機器人本體外觀的可觀賞性，採用對複雜路況適應性能優越的三自由度的足機構，並採用四連桿結構優化足機構拓撲構型，將質量相對集中的膝關節驅動電機安裝位置設在大腿構件儘可能靠近機身承載構件的位置，同時依靠機身姿態、運動感測器充分提高了機器人運動控制精度。

具有可控被動扭轉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點，如起飛所需空間小、飛行性能極佳、具有優異的懸停能力、飛行結構緊湊(集垂直飛行、水平飛行、姿態變換為一體)，且能耗較低。撲翼的飛行方式相比傳統的旋翼、固定翼來說，不僅能勝任飛行工作，還進一步提高飛行性能。這使得撲翼飛行器吸引了越來越多的研究人員對其進行拓展。

上海交大發明的具有可控被動扭轉的高頻撲翼仿生昆蟲飛行器，能夠通過減速齒輪組、曲柄搖桿傳動機構、被動旋轉機制以及滾珠軸承組，將極為有限的空心杯馬達動力高效率地轉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構的搖桿和中間連桿，均採用3D列印製作，一方面為了降低成本，另一方面3D列印的材料密度小，可以降低飛行器的整體重量。除了這些關鍵零件，機身框架也是採用3D列印製作的，以保證能承載其他結構的前提下儘可能減小體積，同時在機身框架上預留有包括減速齒輪組被動齒輪轉軸和曲柄搖桿傳動機構的搖桿轉軸的軸承的安裝空間。

基於形態記憶合金驅動的軟體機器人

軟體機器人目前主要有三種驅動方式：高壓氣體驅動、可變形合金驅動以及仿生軟體材料驅動。由於材料的特殊性，軟體機器人具有接近無限自由度、極強的伸縮性以及較小的密度等優點，這使得軟體機器人能在許多剛體機器人無法作業的複雜環境完成任務。

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

利用形態記憶合金作為軟體機器人的驅動方式，上海交通大學所做的仿生學軟體機器人無需任何關節，全部由記憶合金和外包硅膠組成，這樣，可以使得機器人更好的克服環境中的空間問題，軀幹由3D列印製成的硅膠外殼構成。

3D列印硅膠外殼方便預留通電導線和嵌入記憶合金絲的空間，使得整體設計簡潔，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。

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