微小型机器人是近年来机器人技术研究发展的热门方向,基于其体积小、重量轻、运动灵活等特点,可以应用于生物工程、军事侦察、能源探测和显微操作等诸多领域。压电驱动技术具有分辨力高、响应速度快、结构简单和断电自锁等诸多优点,为微小型机器人新型驱动技术的突破提供了新的方向。目前,微小型压电机器人按照工作模式可以分为谐振式和非谐振式,前者的特点是易于实现高的运动速度和微小型化设计,而后者的特点则是易于实现高的运动分辨力。本文受节肢动物分节现象的启发,提出并设计了一种微小型谐振式多足压电机器人,通过连续正弦激励模式和脉冲正弦激励模式,机器人可分别实现较快的运动速度和较高的运动分辨力。参照节肢动物的分节现象与运动机理,本文提出了一种基于足腿一体化设计的压电腿基本构型并确定了其工作原理,采用压电腿的二阶弯振模态复合实现其驱动动作。分析工作原理,确定了压电腿中压电陶瓷片的极化方向、布置方式以及所需的激励方案,进而确定其基本构型。基于所确定的压电腿构型设计了连接结构,并分别基于线性布置和周向布置方式规划了5种微小型谐振式多足压电机器人的拓扑构型;分析了每种机器人拓扑构型可实现的运动模式,并规划了每种运动模式所对应的运动步态和所需激励方案,通过比较多种机器人拓扑构型的运动模式等特点,选定了机器人的第一种拓扑构型(线性压电机器人Ⅰ)为具体研究对象。基于Timoshenko梁理论建立了压电腿的动力学模型,得到了压电腿驱动足端位移响应与其结构参数、材料参数和所施加激励信号间的关系,并以此为基础初步确定了压电腿的主要结构参数和材料参数。利用有限元方法对压电腿进行了仿真分析,确定了动力学模型所简化结构(薄壁梁)的几何参数,并验证了所建立压电腿动力学模型的准确性,并利用有限元方法确定了线性压电机器人Ⅰ最终的结构及材料参数。加工并装配了压电腿和线性压电机器人Ⅰ样机,对压电腿的振型特性和驱动足端位移特性进行了测试,测试结果很好地满足了压电腿二阶弯振频率为25k Hz和驱动足端位移达到10μm的设计目标。针对线性压电机器人Ⅰ运动速度范围广的特点,设计了对应机器人高速和低速运动的两种测量方案。针对机器人的直线运动特性开展了详细的试验,试验结果表明:线性压电机器人Ⅰ可实现的最大速度为516.3mm/s,最小速度为4.4μm/s,速度范围跨越了5个数量级;实现的分辨力和最大负载分别为0.44μm和200g(约为自重4.7倍);成功在倾斜角最大为9.8°的管道中实现了攀爬运动,并顺利跨越了沟壑、坑洼等多种障碍。此外,对线性压电机器人Ⅰ转向运动和旋转运动进行了测试,测试结果表明:机器人在25Vp-p时实现了182.1mm的最小转向半径,在100Vp-p时实现了315°/s的最大旋转速度。所获得的试验结果充分表明,本文所研制的微小型谐振式多足压电机器人具有运动速度范围广、分辨力高和越障能力强等显著优势。