mCLARI: a shape-morphing insect-scale robot capable of omnidirectional terrain-adaptive locomotion in laterally confined spaces
作者: Heiko Kabutz, Alexander Hedrick, Parker McDonnell, Kaushik Jayaram
分类: cs.RO
发布日期: 2023-10-06
DOI: 10.1109/IROS55552.2023.10341588
💡 一句话要点
提出mCLARI以解决狭窄空间中的全向适应性运动问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 微型机器人 顺应性设计 狭窄空间 全向运动 压电致动器
📋 核心要点
- 现有微型机器人在狭窄空间中的运动能力有限，难以适应复杂环境。
- mCLARI采用顺应性设计，通过被动关节实现形状适应，提升了在狭窄空间中的运动能力。
- 实验表明，mCLARI在运动性能上实现了显著提升，最高速度达到60 mm/s，适应性更强。
📝 摘要（中文）
软体顺应微型机器人在搜索和救援等应用中具有显著的社会影响潜力。本研究提出了mCLARI，这是一种20mm长、0.97g重的顺应性四足微型机器人，相较于其前身CLARI有了显著改进。该机器人配备四个独立驱动的腿模块，每个腿模块具有2个自由度，由压电致动器驱动。腿部通过被动关节连接成闭合运动链，使得机器人能够被动适应外部约束。尽管mCLARI的尺寸缩小至前身的60%和质量的38%，但其仍保持80%的驱动功率，实现高灵活性。此外，mCLARI展示了被动形状变换的新能力，能够在狭窄空间中进行全向运动，实验结果显示其新的无约束最高速度达到3体长/秒（60 mm/s）。
🔬 方法详解
问题定义：本研究旨在解决微型机器人在狭窄空间中运动能力不足的问题。现有方法通常缺乏足够的灵活性和适应性，难以应对复杂环境的挑战。
核心思路：mCLARI的核心设计思想是通过被动关节实现身体的顺应性，使机器人能够在外部约束下自适应形状，从而提高其在狭窄空间中的运动能力。
技术框架：mCLARI的整体架构包括四个独立驱动的腿模块和被动关节，腿模块通过压电致动器驱动，形成闭合运动链。该设计使得机器人在运动时能够灵活适应周围环境。
关键创新：mCLARI的主要创新在于其被动形状变换能力，能够在狭窄空间中实现全向运动。这一特性与现有微型机器人相比，显著提升了其适应性和灵活性。
关键设计：mCLARI的腿模块具有2个自由度，采用压电致动器驱动，确保了高效的运动性能。机器人在缩小尺寸的同时，保持了80%的驱动功率，确保了其高灵活性和适应性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
mCLARI在实验中实现了新的无约束最高速度达到3体长/秒（60 mm/s），展现出优越的运动性能。相比于前身CLARI，mCLARI在尺寸缩小至60%和质量缩减至38%的情况下，仍保持80%的驱动功率，显示出显著的性能提升。
🎯 应用场景
mCLARI的设计和功能使其在搜索和救援、环境监测以及医疗等领域具有广泛的应用潜力。其在狭窄空间中的优越运动能力能够帮助完成复杂任务，提升救援效率，具有重要的社会价值和未来影响。
📄 摘要（原文）
Soft compliant microrobots have the potential to deliver significant societal impact when deployed in applications such as search and rescue. In this research we present mCLARI, a body compliant quadrupedal microrobot of 20mm neutral body length and 0.97g, improving on its larger predecessor, CLARI. This robot has four independently actuated leg modules with 2 degrees of freedom, each driven by piezoelectric actuators. The legs are interconnected in a closed kinematic chain via passive body joints, enabling passive body compliance for shape adaptation to external constraints. Despite scaling its larger predecessor down to 60 percent in length and 38 percent in mass, mCLARI maintains 80 percent of the actuation power to achieve high agility. Additionally, we demonstrate the new capability of passively shape-morphing mCLARI - omnidirectional laterally confined locomotion - and experimentally quantify its running performance achieving a new unconstrained top speed of 3 bodylengths/s (60 mms-1). Leveraging passive body compliance, mCLARI can navigate through narrow spaces with a body compression ratio of up to 1.5x the neutral body shape.