上海交大在3D打印机器人领域的前沿技术

谈到未来的机械昆虫和飞行器，我们很容易联想到德国费斯托(FESTO）的机械蚂蚁，会跳跃的袋鼠等等。这些“动物”具有独立决策能力，行为总是遵循于共同目标，能够共同协力完成任务，并且通过传感器确保机械知晓周围环境。南极熊在之前就报道过哈佛大学领衔3D打印全球首只自驱动柔性章鱼机器人当我们惊叹于费斯托的技术将为我们的生活带来多大的变化的时候，值得喜悦的是国内也在做着不懈的研发努力。

微型仿生六足机器人

六足机器人构型可分为两类，一类类似于昆虫结构，六个足机构分两组平行分布在机身两侧；另一类类似于海星结构的辐射型六足机器人，六个足机构均匀等距的分布在正六边形机身的六个顶角处。

两类构型的机器人相比较，辐射型六足机器人运动控制更灵活，机动性能好。采用传统机械加工方法制作的机器人本体，由于加工技术和工具的局限，无法实现六足机器人的微型化，并且还具有加工成本高、本体结构强度低、装配精度差等缺点。上海交通大学采用3D打印技术制造的微型仿生六足机器人，整个机器人体积小、质量轻、控制精度高、适应能力强、外观漂亮。

3D打印微型仿生六足机器人的机身承载构件、髋骨构件、大腿构件、小腿构件以及双连杆机构2组成机器人本体，都是通过3D打印技术实现的，能够实现复杂构型的加工制作。为减轻机器人本体质量，各构件中心设有镂空通孔。3D科学谷了解到其中，采用3D打印技术实现两层中心镂空的正六边形腹板与六个支撑柱的一次成型；两层所述腹板的外边缘均设有安装孔，用于配合安装3D打印技术制作的外壳。

采用3D打印技术的优势在于可自定义制作各种形状、拓扑结构的机器人本体，在保证本体机构强度的同时，提高了机器人本体外观的可观赏性，采用对复杂路况适应性能优越的三自由度的足机构，并采用四连杆结构优化足机构拓扑构型，将质量相对集中的膝关节驱动电机安装位置设在大腿构件尽可能靠近机身承载构件的位置，同时依靠机身姿态、运动传感器充分提高了机器人运动控制精度。

具有可控被动扭转的高频扑翼仿生昆虫飞行器
扑翼飞行器具有许多特有的优点，如起飞所需空间小、飞行性能极佳、具有优异的悬停能力、飞行结构紧凑(集垂直飞行、水平飞行、姿态变换为一体)，且能耗较低。扑翼的飞行方式相比传统的旋翼、固定翼来说，不仅能胜任飞行工作，还进一步提高飞行性能。这使得扑翼飞行器吸引了越来越多的研究人员对其进行拓展。

上海交大发明的具有可控被动扭转的高频扑翼仿生昆虫飞行器，能够通过减速齿轮组、曲柄摇杆传动机构、被动旋转机制以及滚珠轴承组，将极为有限的空心杯马达动力高效率地转化为扑翼拍打的升力。

上海交大的高频扑翼仿生昆虫飞行器上的角度限位器、减速齿轮组的被动齿轮以及曲柄摇杆机构的摇杆和中间连杆，均采用3D打印制作，一方面为了降低成本，另一方面3D打印的材料密度小，可以降低飞行器的整体重量。除了这些关键零件，机身框架也是采用3D打印制作的，以保证能承载其他结构的前提下尽可能减小体积，同时在机身框架上预留有包括减速齿轮组被动齿轮转轴和曲柄摇杆传动机构的摇杆转轴的轴承的安装空间。

基于形态记忆合金驱动的软体机器人
软体机器人目前主要有三种驱动方式：高压气体驱动、可变形合金驱动以及仿生软体材料驱动。由于材料的特殊性，软体机器人具有接近无限自由度、极强的伸缩性以及较小的密度等优点，这使得软体机器人能在许多刚体机器人无法作业的复杂环境完成任务。

之前，哈佛科学家3D打印出世界上第一个完全自主、软机器人Octobot。哈佛的解决方案是气动原理–由高压气体驱动那些关键运动部件。少量的液体燃料（过氧化氢）是通过化学过程转化为气体，从而为机器人创造了足够的运动能力，并完全摆脱了僵化的部分。

利用形态记忆合金作为软体机器人的驱动方式，上海交通大学所做的仿生学软体机器人无需任何关节，全部由记忆合金和外包硅胶组成，这样，可以使得机器人更好的克服环境中的空间问题，躯干由3D打印制成的硅胶外壳构成。

3D打印硅胶外壳方便预留通电导线和嵌入记忆合金丝的空间，使得整体设计简洁，外壳自身具有一定的抗拉性，此外不需要额外的附加装置和外部能源。

来源：3D科学谷
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