微型旋转静电离合器为昆虫尺度机器人赋予多自由度

本文介绍了一种微型旋转静电离合器（mR-ES clutch），通过选择性分配单一电机动力，为昆虫尺度机器人实现多自由度运动。该设计采用切割图案化静电层，显著提升锁定扭矩（83.4 mNm）并降低功耗（2.94 mW）。集成该离合器的机器人可执行物体操纵、障碍物克服及形态变换等复杂任务，显著拓展了微型机器人的功能性与机动性。

　　

微型旋转静电离合器的设计与应用

摘要

昆虫尺度爬行机器人在狭窄环境中具有独特优势，但其功能受限于有限的自由度与负载能力。本研究提出了一种微型旋转静电离合器（miniature Rotary-ElectroStatic clutch, mR-ES clutch），通过静电吸附原理实现动力的选择性传递，从而为机器人增加多个自由度而不显著增加体积与重量。该离合器直径20 mm，重量0.4 g，锁定扭矩达83.4 mNm，功耗仅为2.94 mW。通过集成该离合器，机器人能够执行物体操纵、障碍克服及形态自适应等复杂任务。

引言

昆虫尺度机器人在搜索、救援及 surveillance 等被动任务中表现优异，但其操纵能力受限于有限的自由度。传统方法通过增加执行器来提升功能，但会导致体积与重量显著增加。静电离合器作为一种轻量化解决方案，通过电场控制实现动力分配，但其微型化面临锁定扭矩不足与导线缠绕等问题。本研究通过优化离合器层结构与引入切割图案，解决了这些挑战，实现了高性能的微型离合器。

微型旋转静电离合器的设计

mR-ES离合器由定子与转子组成，采用多层薄片结构（厚度25–250 μm）。离合器层采用金属化聚酯薄膜，表面涂覆高介电常数材料P(VDF-TrFE-CTFE)。切割图案的引入显著降低了层的弯曲刚度，从而提升了 out-of-plane 位移与接触面积。此外，通过织物滑动层（fabric sweeper layers）实现了旋转过程中的电荷传递，避免了导线缠绕。实验表明，带有切割图案的离合器在相同电场下锁定扭矩是无图案设计的4倍。

性能优化研究

通过参数化研究，优化了切割图案的设计参数，包括约束长度（a₁）、非约束长度（a₂）、宽度（w）及层间间隙（h）。研究发现，a₂是影响锁定扭矩与 pull-in 电压的关键因素，但过大的a₂会导致 buckling 风险与释放时间延长。最终选择的参数组合（a₁=1.65 mm, a₂=6.98 mm, h=150 μm, w=4 mm）在保证安全系数大于2.5的同时，实现了快速响应（释放时间<0.8 s）与高扭矩输出。

机器人的环境操纵应用

通过将7个mR-ES离合器、4对离合器层及1个附加电机集成到机器人中，实现了6个附加自由度的独立控制。采用肌腱驱动与齿轮传动相结合的方式，机器人能够执行抓取、举臂、扭转等多种动作。实验表明，机器人的工作空间显著扩大，能够处理与自身重量相当的对象。此外，通过编码器实时监测关节角度，进一步提升了控制的精确性。

机器人的环境自适应应用

通过调节腿的 supination 角度，机器人能够适应不同刚度与摩擦系数的地面。离合器与齿轮箱的结合使得单一电机能够同时驱动运动与变形。实验表明，pronated 腿在刚性表面上表现更佳，而 supinated 腿在光滑与柔软表面上更具优势。这种自适应能力显著提升了机器人在多变环境中的移动效率。

任务演示

机器人成功演示了多种复杂任务，包括搭乘无人机 hitch-hiking、更换其他机器人电池、调整摄像头视角、克服障碍及关闭阀门。这些任务展示了机器人在多自由度控制下的高度灵活性与功能性。

讨论

mR-ES离合器的成功开发为微型机器人的多功能化提供了可行路径。切割图案与滑动层结构的引入解决了微型化中的关键问题。然而，离合器的耐久性与导线连接可靠性仍需进一步优化。未来研究可聚焦于自主控制与环境感知，以进一步提升机器人的应用潜力。

实验方法

离合器的制造采用激光微加工与层压技术，材料包括PET、导电织物及介电涂层。性能测试通过伺服电机与六轴力传感器完成，结合数学模型对 pull-in 电压与锁定扭矩进行了预测。机器人本体采用智能复合 microstructure（SCM）方法制造，集成多个电子模块与电池。

结论

本研究开发的微型旋转静电离合器显著提升了昆虫尺度机器人的功能性与适应性，为未来微型机器人在复杂环境中的应用奠定了基础。