微型機器人的發(fā)展和研究現(xiàn)狀

1、微型機器人的發(fā)展和研究現(xiàn)狀欒靖博（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院）摘要: 微型機器人是微電子機械系統(tǒng)的一個重要分支, 由于它能進入人類和宏觀機器人所不及的狹小空間內(nèi)作業(yè), 近幾十年來受到了廣泛的關(guān)注。本文首先給出了近年來國內(nèi)外出現(xiàn)的幾種微型機器人, 在分析了其特點和性能的基礎(chǔ)上, 討論了目前微型機器人研究中所遇到的幾個關(guān)鍵問題, 并且指出了這些領(lǐng)域未來一段時間內(nèi)的主要研究和發(fā)展方向。 關(guān)鍵詞: 微型機器人; 微驅(qū)動器 Robot is the development and research of the status quoLUAN JING-BO(shenyang agriculture coll

2、ege engineering college)Abstract: the robot microelectromechanical systems is an important branch of, because it can enter into the human and macro robots are beyond the operating within a narrow space, in recent decades is extensive attention. This paper first gives appear at home and abroad in rec

3、ent years several robot and on the analysis of the the characteristics and performance, and on the basis of miniature robot research discusses current with several key problems, and points out the future field within a period of time, the main research and development direction.Keywords: miniature r

4、obot; Micro drive近年來, 采用MEMS 技術(shù)的微型衛(wèi)星、微型飛行 器和進入狹窄空間的微機器人展示了誘人的應(yīng)用前 景和軍民兩用的戰(zhàn)略意義。因此, 作為微機電系統(tǒng)技 術(shù)發(fā)展方向之一的基于精密機械加工微機器人技術(shù) 研究已成為國際上的一個熱點, 這方面的研究不僅有 強大的市場推動, 而且有眾多研究機構(gòu)的參與。以日 本為代表的許多國家在這方面開展了大量研究, 重點 是發(fā)展進入工業(yè)狹窄空間微機器人、進入人體狹窄空 間醫(yī)療微系統(tǒng)和微型工廠。國內(nèi)在國家自然科學(xué)基 金、863 高技術(shù)研究發(fā)展計劃等的資助下, 有清華大 學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、廣東工業(yè)大 學(xué)、上海大學(xué)等科研院所針對微型

5、機器人和微操作系 統(tǒng)進行了大量研究, 并分別研制了原理樣機。目前國 內(nèi)對微型機器人的研究主要集中在三個領(lǐng)域 : (1) 面向煤氣、化工、發(fā)電設(shè)備細小管道探測的微型機器 人。 (2) 針對人體、進入腸道的無創(chuàng)診療微型機器 人。 (3) 面向復(fù)雜機械系統(tǒng)非拆卸檢修的微型機器 人。 1 微型機器人的發(fā)展和研究狀況 根據(jù)國內(nèi)開展微型機器人研究的實際情況, 我們 著重討論微型管道機器人、無創(chuàng)傷微型醫(yī)療機器人和 特殊作業(yè)的微型機器人。 (1) 微型管道機器人 微管道機器人是基于狹小空間內(nèi)的應(yīng)用背景提 出的, 其環(huán)境特點是在狹小的管狀通道或縫隙行走進 行檢測, 維修等作業(yè)。由于與常規(guī)條件下管內(nèi)作業(yè)環(huán) 境有明

6、顯不同, 其行走方式及結(jié)構(gòu)原理與常規(guī)管道機 器人也不同, 因此按照常規(guī)技術(shù)手段對管道機器人按 比例縮小是不可行的。有鑒于此, 微型管道機器人的 行走方式應(yīng)另辟蹊徑。近年來隨著微電子機械技術(shù)的 發(fā)展和晶體壓電效應(yīng)和超磁致伸縮材料磁- 機耦合 技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展, 使新型微驅(qū)動器的出現(xiàn)和應(yīng)用成為 現(xiàn)實。微驅(qū)動器的研究成果已成為微管道機器人的重 要發(fā)展基礎(chǔ) 。 日本名古屋大學(xué)研制成一種微型管道機器人, 可 用于細小管道的檢測, 在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的小空間內(nèi)作 微小工作。這種機器人可以由管道外面的電磁線圈驅(qū) 動, 而無須以電纜供電。日本東京工業(yè)大學(xué)和NEC 公司合作研究的螺旋式管內(nèi)移動微機器人, 在直徑為 2

7、514mm的直管內(nèi)它的最大運動速度是260mm/ s , 最 大牽引力是12N。法國Anthierens 等人研制出了適用 于16mm的蠕動式機器人, 此種微型機器人的最大 運動速度為5mm/ s , 負載可達20N , 具有很高的運動 精度, 負載大, 但運動速度較慢且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 國內(nèi)的上海大學(xué)和上海交通大學(xué)都研制出了慣性 沖擊式管道微機器人, 上海交通大學(xué)的微機器人采用 層疊型壓電驅(qū)動器驅(qū)動; 上海大學(xué)的微機器人驅(qū)動器 有層疊型和雙壓電薄膜兩種類型 。圖1 所示為雙壓 電薄膜微小管道機器人其運動機理, 該機器人采用雙 壓電薄膜驅(qū)動器, 相對于單壓電薄膜, 增大了驅(qū)動 力, 提高了承載能力。

8、該機構(gòu)的最大移動速度可以達 到15mm/ s , 具有前進、后退、上升和下降功能。【1】 (2) 微型醫(yī)療機器人的發(fā)展 近幾年來, 醫(yī)療機器人技術(shù)的研究與應(yīng)用開發(fā)進 展很快, 微型醫(yī)療機器人是其中最有發(fā)展前途的應(yīng)用領(lǐng)域, 據(jù)日本科學(xué)技術(shù)政策研究所預(yù)測, 到2017 年 醫(yī)療領(lǐng)域使用微型機器和機器人的手術(shù)將超過全部 醫(yī)療手術(shù)的一半。因此日本制定了采用“機器人外科 醫(yī)生”的計劃, 并正在開發(fā)能在人體血管中穿行、用于發(fā)現(xiàn)并殺死癌細胞的超微型機器人。美國馬里蘭州的約翰·霍普金實驗室研制出一種“靈巧藥丸”, 實際上是裝有微型硅溫度計和微型電路的微型檢測裝置,吞入體內(nèi), 可以將體內(nèi)的溫度信息發(fā)給

9、記錄器。瑞典科學(xué)家發(fā)明了一種大小如英文標(biāo)點符號的機器人, 未來可移動單一細胞或捕捉細菌, 進而在人體內(nèi)進行各種手術(shù)。 國內(nèi)的的許多科研院所主要開展了無創(chuàng)傷微型醫(yī)療機器人的研究, 取得了一些成果。無損傷醫(yī)用機器人主要應(yīng)用于人體內(nèi)腔的疾病醫(yī)療, 它可以大大減輕或消除目前臨床上使用的各類窺鏡、內(nèi)注射器、內(nèi)送藥裝置等醫(yī)療器械給患者帶來的嚴重不適合及痛苦。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在國家自然科學(xué)基金的資助下研制出了基于壓電陶瓷驅(qū)動的多節(jié)蛇行游動腹腔手術(shù)術(shù)微型機器人, 該機器人將CCD 攝像系統(tǒng), 手術(shù)器械及智能控制系統(tǒng)分別安裝在微型機器人的端部,通過開在患者腹部的小口, 伸入腹腔進行手術(shù)。其特點是響應(yīng)速度快, 運

10、動精度高, 作用力與動作范圍大, 每一節(jié)可實現(xiàn)兩個自由度方向上±60°、范圍內(nèi)迅 捷而靈活的動作, 圖2 所示的是利用腹腔手術(shù)機器人進行手術(shù)的場景。浙江大學(xué)也研制出了無損傷醫(yī)用 微型機器人的原理樣機, 該微型機器人以懸浮方式進入人體內(nèi)腔(如腸道, 食道) , 可避免對人體內(nèi)腔有機組織造成損傷, 運行速度快, 速度控制方便?！?】 (3) 特殊作業(yè)微型機器人的發(fā)展 除了上述提到的微型管道機器人和無創(chuàng)傷微型醫(yī)療機器人以外, 國內(nèi)外一些科研工作者廣泛開展了進行特殊作業(yè)微型機器人的研究。這種微型機器人配備相應(yīng)的傳感器和作業(yè)裝置, 在軍事和民用方面具有非常好的發(fā)展前景。美國國家安全實

11、驗室制造出了有史以來世界上 最小的機器人, 這部機器人重量不到28g , 體積為411cm3 , 腿機構(gòu)為皮帶傳送裝置, 該機器人可以代替人去完成許多危險的工作。美國海軍發(fā)明了一種微型城市搜救機器人, 該機器人曾在2001 年“9111”事件發(fā)生后的世貿(mào)廢墟搜救現(xiàn)場大顯身手。日本三菱電子公司、松下東京研究所和Sumitomo 電子公司聯(lián)合研制出只有螞蟻大小的微型機器人, 該機器人可以進入空間非常狹小的環(huán)境從事修理工作, 身體兩側(cè)有兩個圓形的連接器可以與其他機器人相連接完成一些特殊的任務(wù)。由于自然界中的生物具有人類無法比擬的某些機 能, 因此近年來利用自然界生物的運動行為和某些機能進行機器人設(shè)計

12、、實現(xiàn)其靈活控制、受到了機器人 學(xué)者的廣泛重視。國內(nèi)已有多所高校和科研院所在開展微型仿生機器人方面的研究。上海交通大學(xué)基于仿生學(xué)原理, 利用六套并聯(lián)平面四連桿機構(gòu)、微型直流電動機及相應(yīng)的減速增扭機構(gòu)研制出了微型六足仿生機器人, 體積微小, 具有良好的機動性。該機器人長 30mm, 寬40mm, 高20mm, 重613 克, 其步行速度達到3mm/ s2 。上海大學(xué)也進行了一些微型仿生機器人的研究工作。 2 微型機器人發(fā)展中面臨的問題 (1) 驅(qū)動器的微型化 微驅(qū)動器是MEMS 最主要的部件, 從微型機器人的發(fā)展來看, 微驅(qū)動技術(shù)起著關(guān)鍵作用, 并且是微機器人水平的標(biāo)志, 開發(fā)耗能低、結(jié)構(gòu)簡單、

13、易于微型化、位移輸出和力輸出大, 線性控制性能好, 動態(tài)響應(yīng)快的新型驅(qū)動器(高性能壓電元件、大扭矩微馬達) 是未來的研究方向?！?】(2) 能源供給問題 許多執(zhí)行機構(gòu)都是通過電能驅(qū)動的, 但是對于微型移動機器人而言, 供應(yīng)電能的導(dǎo)線會嚴重影響微型機器人的運動, 特別是在曲率變化比較大的環(huán)境中。微型機器人發(fā)展趨勢應(yīng)是無纜化, 能量、控制信號以及檢測信號應(yīng)可以無纜發(fā)送、傳輸。微型機器人要真正實用化, 必須解決無纜微波能源和無纜數(shù)據(jù)傳輸技術(shù), 同時研究開發(fā)小尺寸的高容量電池。 (3) 可靠性和安全性 目前許多正在研制和開發(fā)的微型機器人是以醫(yī)療、軍事以及核電站為應(yīng)用背景, 在這些十分重要的應(yīng)用場合, 機器人工作的可靠性和安全性是設(shè)計人員必須考慮的一個問題, 因此要求機器人能夠適應(yīng)所處的環(huán)境, 并具有故障排除能力 。 (4) 新型的微機構(gòu)設(shè)計理論及精加工技術(shù) 微型機器人和常規(guī)機器人相比并不是簡單的結(jié)構(gòu)上比例縮小, 其發(fā)展在一定程度上和微驅(qū)動器和精加工技術(shù)的發(fā)展是密切相關(guān)的。同時要求設(shè)計者在機構(gòu)設(shè)計理論上進行創(chuàng)新, 研究出適合微型機器人的移動機構(gòu)和移動方式。 (5) 高度自治控制系統(tǒng) 微機器人要完成特定的作業(yè), 其自身定位和環(huán)境的識別能力是關(guān)鍵, 開發(fā)微視覺系統(tǒng), 提高微圖象處理速度, 采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及人工智能等先進的技術(shù)來解決控制系統(tǒng)的高度自治難題是最終