自驱动压电麦克纳姆轮机器人：基于模态叠加原理实现高精度平面三自由度运动

针对传统麦克纳姆轮结构复杂、控制困难及精度不足等问题，哈尔滨工业大学团队创新性地提出自驱动压电麦克纳姆轮（PMW），通过正交平面共振模态叠加生成椭圆驱动轨迹，实现0.92μm/0.86μm/29.4μrad的亚微米级运动分辨率。该研究为精密机器人及狭小空间应用提供了新方案。

　　

在工业自动化与精密制造领域，传统麦克纳姆轮虽能实现全向移动，但其依赖电机传动系统、存在机械间隙导致的振动问题，难以满足微米级操作需求。现有压电驱动器虽具高精度优势，却鲜少实现类似麦克纳姆轮的三自由度（3-DOF）平面运动能力。这一矛盾促使哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室的Weiyi Wang、Jing Li等学者开展突破性研究。

研究团队设计出体积仅40×40×10.4 mm³的自驱动压电麦克纳姆轮（PMW），通过激发轴向弯曲（AB）与周向弯曲（CB I/II）三种共振模态，在驱动齿处合成空间椭圆轨迹。两个PMW构成的机器人（PMWR）在非束缚状态下实现13.6 mm/s、69.1 mm/s和18.1 rad/s的三自由度运动，并完成晶圆宏-微跨尺度运输。该成果发表于《Cell Reports Physical Science》。

关键技术包括：1）频率退化设计使AB/CB模态共振频率差<80 Hz；2）基于激光测振仪的模态验证；3）可编程六通道电源系统（0-80 V_p-p）；4）步进模式实现亚微米位移控制；5）玻璃基板上的运动性能测试。

【结构设计与工作原理】

PMW采用方形环状金属基板与12片PZT-5H压电陶瓷组合，通过调节信号A/B/C的相位差（0°-180°）生成正交平面椭圆轨迹。仿真显示13.8 kHz激发时，YOZ平面轨迹长轴随电压线性增长，验证了速度可控性。

【振动与运动特性】

激光测振显示三模态频率分别为13.734/13.775/13.816 kHz，实测单轮双向运动速度达39-44 mm/s（80 V_p-p）。双轮机器人负载200g时仍保持运动能力，在玻璃表面性能最优。

【轨迹实验与跨尺度应用】

PMWR成功完成矩形（转角偏差<10mm）、圆形和锯齿形路径跟踪。结合显微镜实现晶圆运输与亚微米级定位，步进模式下位移分辨率达0.92μm（X）、0.86μm（Y）和29.4μrad（θ）。

该研究首次将压电驱动与麦克纳姆轮原理融合，突破传统结构在精度与体积上的限制。通过模态协同激发策略，实现从毫米级运动到亚微米定位的无缝衔接，为半导体检测、微创手术等场景提供新工具。未来通过视觉反馈优化与独立电压控制，可进一步提升复杂轨迹跟踪能力。