[论文解读] An Insect-scale Untethered Laser-powered Jumping Microrobot

Palak Bhushan, Claire J. Tomlin|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2019

Biomimetic flight and propulsion mechanisms参考文献 9被引用 4

一句话总结

本文提出了一款重75 mg、尺寸为17 mm × 6 mm × 14 mm的昆虫尺度、无缆线激光供能跳跃微型机器人。其通过机载光伏电池收集红外激光能量，利用单个电磁执行器被动地通过磁性锁止机制加载并释放弹簧，实现每分钟6次、每次8 mm高的重复跳跃，无需外部缆线连接。

ABSTRACT

We present the design of an insect-sized jumping microrobot measuring 17mm$ imes$6mm$ imes$14mm and weighing 75 milligrams. The microrobot consumes 6.4mW of power to jump up by 8mm in height. The tethered version of the robot can jump 6 times per minute each time landing perfectly on its feet. The untethered version of the robot is powered using onboard photovoltaic cells illuminated by an external infrared laser source. It is, to the best of our knowledge, the lightest untethered jumping microrobot with onboard power source that has been reported yet.

研究动机与目标

• 开发一种完全无缆线、昆虫尺度的微型机器人，可在无外部电源线的情况下实现重复跳跃运动。
• 克服先前无缆线跳跃机器人依赖一次性能源或需手动重新加载的局限性。
• 通过机载光伏电池与被动磁性释放机制，实现持续、自主的跳跃运动。
• 仅使用单个电磁执行器实现弹簧加载与被动释放，以最小化控制复杂度，实现稳定、可重复的跳跃。
• 证明在仅含极少机载电子元件且功耗极低（6.4 mW）的微型机器人中，激光供能的可行性。

提出的方法

• 微型机器人采用平面不锈钢弹簧，配合T形铝制支架与足部结构，通过弯曲变形储存机械能。
• 一根12.7 µm的Kapton绳索将弹簧连接至由单个电磁线圈驱动的旋转轴，通过旋转实现弹簧加载。
• 采用由两个反平行排列的N52钕磁铁（直径0.3 mm，高度0.5 mm）构成的磁性锁止机构，在磁吸引力被克服时实现被动释放。
• 电磁执行器设计为在低电压（0.8 V）与小电流（8 mA）下工作，通过17 mm长的力臂产生17 µNm的扭矩。
• 机载1 mm × 1 mm的红外光伏电池（波长976 nm）用于收集激光能量以供电线圈，两个电池以反向极性连接，实现双向驱动。
• 系统通过外部电源提供的方波电压信号（用于有缆测试）或激光照射（用于无缆运行）驱动线圈，循环跳跃机构。

实验结果

研究问题

• RQ1 微型机器人能否仅依靠机载光伏能量收集与单个电磁执行器实现重复、无缆线跳跃？
• RQ2 被动磁性锁止机构如何在无需额外控制电子元件的情况下实现可靠、可重复的弹簧释放？
• RQ3 在昆虫尺度微型机器人中，实现稳定、可重复跳跃所需的最低功耗是多少？
• RQ4 激光供能是否能实现持续跳跃而无需缆线连接？其在跳跃高度与重复性方面存在哪些限制？
• RQ5 该设计如何最小化质心偏移以提升着陆稳定性并支持连续跳跃？

主要发现

• 在有缆配置下，微型机器人实现了8 mm的跳跃高度，质量为75 mg，功耗仅为6.4 mW。
• 无缆版本成功通过激光供能的光伏电池实现重复跳跃，额外增加的3 mg光伏电池质量未导致性能明显下降。
• 在有缆模式下，机器人实现了每分钟6次跳跃，受限于弹簧加载速度，机械功耗处于数十微瓦量级。
• 磁性锁止机构实现了可靠的被动释放，释放力达7.5 mN，可在无需额外控制信号的情况下实现一致的跳跃启动。
• 系统证明了低电压电磁驱动（0.8 V，8 mA）结合直接光伏供电可消除对电压转换电路的需求。
• 机器人在飞行过程中表现出逆时针旋转，导致着陆不稳定；该现象归因于质心不对称与单点弹簧支撑，提示需在设计上改进以提升稳定性。