1、机电创新工程论文微机器人的研究与发展学院名称： 机械工程学院 专业班级： 机械电子工程 0802 班 学 号： 3070304040 学生姓名： 李伟 教师姓名： 谢方伟 教师职称： 讲 师 2011 年 10 月微机器人的研究与发展1 前言微型机器人出现是和微机电系统的发展是分不开的，可以说，微型机器人就是可编程通用的微型机电系统工程。微机电系统的 20 世纪 80 年代后期随着大规模和超大规模集成电路的迅速发展，微电子技术与机械、光学等领域的成功结合而诞生的，是微电子技术的拓宽和延伸，它将电子技术遭到精密机械加工技术相融全，实现了微电子与机械融为一体的系统。和微机电系统一样，微型机器人的发
2、展是和微驱动器的发展也分不开的，轰动世界的突破性的成就是 1987 年美国加州大学伯克利分校首先研制出了转子直径为 60120um 的微型静电动机，随后 MIT 也研制出了 100um 的静电动机。正是微机电系统和微驱动器的出现和发展为微型机器人的出现作了铺垫，使得微型机器人应运而生。2 微机器人介绍微型机构的研究首先是美国斯坦福大学于 1970 年开始的。之后, 美国、欧洲等特别盛行,它涉及到许多学科, 自动控制、微电子、应用物理、精密机械气医用工程。世界各地每年都召开有关的学术会议, 跨国电气工程师学会 IEEE建立了一个微机械电子学产品工厂。在美国国家科学财团(NST)的支持下, 于19
3、88 年支援 8 所大学 100 万美元作为研究的起动费,1989 年又将这个费用增加了一倍。美国斯坦福大学已研制出直径 20um 长 150um 的铰链连杆,210x100um的滑块机构、转子直径 200um 的静电马达、每分钟为 20ml 的液压泵等。与此同时, 美国国家标准科学基金会向美国加州大学伯克利分校传感器与驱动器中心的实验室 BSAC 提供经费, 美国国防部和十几家公司也向它提供资助,BSAC 耗资1500 万美元建成 12000 平方英尺玻璃墙壁的无尘室, 用于研制微机械器件。现在, 他们已研制出一台只有红血球大小的电机以及直径为 50um 的旋转关节, 齿轮驱动的滑块和灵敏的
4、弹簧。美国贝尔实验室已开发出一种直径仅为 400 微米的齿轮。在加利福尼亚大学的传感器和传动机构实验室已研制出一些小到能在一张普通邮票上容放 6 万件的齿轮和其它装置。美国麻省理工学院人工智能实验室正在研制一种“ 蚊子机器人” , 用于收集情报和窃听。美国 Dwkane 公司小型机器人分部设计了一种 AL5010 小型机器人系统。这台装配机器人能够完成单位模光导纤维引线的复杂任务, 这种工作以往都要求有经验的人去做, 而且经常造成器件不得不返修或报废的情况。该系统不仅取代了手工操作, 而且降低了返修率, 缩短了生产周期。在该系统中采用压电驱动微调装置, 通过调整该微调装置, 使光纤和器件之间达
5、到最佳藕合功率位置, 实现其粘接过程始终校准, 并自动补偿这一过程引起的任何误差。日本 Nagoya 大学制作出不需电缆的管道微型机器移动机器人, 它可以由管道外的电磁场线圈磁场来控制其运动。微型移动机器人跟随管外磁力线移动, 它可能用于小尺寸管道检测, 生物医学领域和在人体等小空间内作微型工作。一般来说在生物技术、医学领域和企业设备检测中微型物体微型操作都是靠人类操作者高明技巧来实现的, 而现在代替操作的微型管道机器冰制作出来了。他们制作较大型的可逆运动机器模型直径为 21mm , 而另一种微型式单向运动模型直径为 6mm。日本早稻田大学机械系用磁控管测射和热处理方法作成的薄层可逆 TiNi
6、合金制成了微型机器人。可逆形状记忆合金(RSMA)为一种双向、全圆活动的SMA, 非常适合于制作微型 SMA 作动器。制作时, 只需要一种 SMA 材料, 每个自由度只需要一种 RSMA 材料, 每个自由度只要一小片 RSMA 主动弯曲架(ABF), 其原始形状按经验和理论分析。基于其理论计算推导出 ABF 齐次变换矩阵, 制作出一个具有两个 ABF 和一个捕捉器的三自由度 Scara 机器人, 10 微米厚薄层可逆 TiNi 合金的频响约为 5 赫兹。日本筑波大学, 名古屋大学、东京大学, 早稻田大学及富士通研究所等单位十年前就开始研究各种无间隙直接驱动机构和控制 手段是主要采用压电元件,
7、驱动机构形式有直线型, 旋转型, 目标是制成用于细胞解剖,IC的生产, 精密装配, 并考虑进入人体内的微型机器人和微型机构, 驱动精度进入um级以上。据报导:日本已投资100亿日元从事微型机器人的开发, 并已开发出多种压电陶瓷驱动微型机构.1987年德国卡尔斯鲁核研究中心的微型机构研究所研究出一种新型微加工方法(LIGA)这种方法是X射线深刻蚀、电铸和塑料模铸的组合。LIGA方法与大规模集成电路制作技术相结合, 可以制作成各种具有广泛用途的微型结构。3 微机器人的发展3.1 微型机器人的发展现状3.1.1 微型管道机器人的发展 微管道机器人是基于狭小空间内的应用背景提出的, 其环境特点是在狭小
8、的管状通道或缝隙行走进行检测, 维修等作业。由于与常规条件下管内作业环境有明显不同, 其行走方式及结构原理与常规管道机器人也不同, 因此按照常规技术手段对管道机器人按比例缩小是不可行的。有鉴于此, 微型管道机器人的行走方式应另辟蹊径。近年来随着微电子机械技术的发展和晶体压电效应和超磁致伸缩材料磁- 机耦合技术应用的发展, 使新型微驱动器的出现和应用成为现实。微驱动器的研究成果已成为微管道机器人的重要发展基础。日本名古屋大学研制成一种微型管道机器人, 可用于细小管道的检测, 在生物医学领域的小空间内作微小工作。这种机器人可以由管道外面的电磁线圈驱动, 而无须以电缆供电。日本东京工业大学和 NEC
9、 公司合作研究的螺旋式管内移动微机器人, 在直径为 2514mm 的直管内它的最大运动速度是 260mm/ s , 最大牵引力是 12N。法国Anthierens 等人研制出了适用于 16mm 的蠕动式机器人, 此种微型机器人的最大运动速度为 5mm/ s , 负载可达 20N , 具有很高的运动精度 , 负载大, 但运动速度较慢且结构复杂。 国内的上海大学和上海交通大学都研制出了惯性冲击式管道微机器人, 上海交通大学的微机器人采用层叠型压电驱动器驱动; 上海大学的微机器人驱动器有层叠型和双压电薄膜两种类型。 3.1.2 微型医疗机器人的发展 近几年来, 医疗机器人技术的研究与应用开发进展很快
10、, 微型医疗机器人是其中最有发展前途的应用领域, 据日本科学技术政策研究所预测 , 到 2017 年医疗领域使用微型机器和机器人的手术将超过全部医疗手术的一半。因此日本制定了采用“机器人外科医生”的计划, 并正在开发能在人体血管中穿行、用于发现并杀死癌细胞的超微型机器人。美国马里兰州的约翰霍普金实验室研制出一种“灵巧药丸”, 实际上是装有微型硅温度计和微型电路的微型检测装置,吞入体内, 可以将体内的温度信息发给记录器。瑞典科学家发明了一种大小如英文标点符号的机器人, 未来可移动单一细胞或捕捉细菌, 进而在人体内进行各种手术。国内的的许多科研院所主要开展了无创伤微型医疗机器人的研究, 取得了一些
11、成果。无损伤医用机器人主要应用于人体内腔的疾病医疗, 它可以大大减轻或消除目前临床上使用的各类窥镜、内注射器、内送药装置等医疗器械给患者带来的严重不适合及痛苦。中国科学技术大学在国家自然科学基金的资助下研制出了基于压电陶瓷驱动的多节蛇动腹腔手术术微型机器人, 该机器人将 CCD 摄像系统, 手术器械及智能控制系统分别安装在微型机器人的端部,通过开在患者腹部的小口, 伸入腹腔进行手术。其特点是响应速度快, 运动精度高, 作用力与动作范围大, 每一节可实现两个自由度方向上60范围内迅捷而灵活的动作。浙江大学也研制出了无损伤医用微型机器人的原理样机, 该微型机器人以悬浮方式进入人体内腔(如肠道, 食
12、道) , 可避免对人体内腔有机组织造成损伤, 运行速度快, 速度控制方便。 3.1.3 特殊作业微型机器人的发展 国内外一些科研工作者广泛开展了进行特殊作业微型机器人的研究。美国国家安全实验室制造出了有史以来世界上最小的机器人, 这部机器人重量不到 28g , 体积为 411cm3 , 腿机构为皮带传送装置, 该机器人可以代替 人去完成许多危险的工作。美国海军发明了一种微型城市搜救机器人, 该机器人曾在 2001 年“9111”事件发生后的世贸废墟搜救现场大显身手。日本三菱电子公司、松下东京研究所和 Sumitomo 电子公司联合研制出只有蚂蚁大小的微型机器人, 该机器人可以进入空间非常狭小的
13、环境从事修理工作, 身体两侧有两个圆形的连接器可以与其他机器人相连接完成一些特殊 的任务。由于自然界中的生物具有人类无法比拟的某些机能, 因此近年来利用自然界生物的运动行为和某些机能进行机器人设计、实现其灵活控制、受到了机器人学者的广泛重视。国内已有多所高校和科研院所在开展微型仿生机器人方面的研究。上海交通大学基于仿生学原理, 利用六套并联平面四连杆机构、微型直流电动机及相应的减速增扭机构研制出了微型六足仿生机器人, 体积微小, 具有良好的机动性。该机器人长 30mm, 宽 40mm, 高 20mm, 重613 克, 其步行速度达到 3mm/ s。3.2 微型机器人发展中面临的问题3.2.1
14、驱动器的微型化 微驱动器是 MEMS 最主要的部件, 从微型机器人的发展来看, 微驱动技术起着关键作用, 并且是微机器人水平的标志, 开发耗能低、结构简单、易于微型化、位移输出和力输出大, 线性控制性能好, 动态响应快的新型驱动器(高性能压电元件、大扭矩微马达) 是未来的研究方向。 3.2.2 能源供给问题 许多执行机构都是通过电能驱动的, 但是对于微型移动机器人而言, 供应电能的导线会严重影响微型机器人的运动, 特别是在曲率变化比较大的环境中。微型机器人发展趋势应是无缆化, 能量、控制信号以及检测信号应可以无缆发送、传输。微型机器人要真正实用化, 必须解决无缆微波能源和无缆数据传输技术, 同
15、时研究开发小尺寸的高容量电池。 3.2.3 可靠性和安全性 目前许多正在研制和开发的微型机器人是以医疗、军事以及核电站为应用背景, 在这些十分重要的应用场合, 机器人工作的可靠性和安全性是设计人员必须考虑的一个问题, 因此要求机器人能够适应所处的环境, 并具有故障排除能力。 3.2.4 新型的微机构设计理论及精加工技术 微型机器人和常规机器人相比并不是简单的结构上比例缩小, 其发展在一定程度上和微驱动器和精加工技术的发展是密切相关的。同时要求设计者在机构设计理论上进行创新, 研究出适合微型机器人的移动机构和移动方式。 2.2.5 高度自治控制系统 微机器人要完成特定的作业, 其自身定位和环境的
16、识别能力是关键, 开发微视觉系统, 提高微图象处理速度, 采用神经网络及人工智能等先进的技术来解决控制系统的高度自治难题是最终实现实用化的关键。3.3微型机器人发展的前沿3.3.1 微型蜘蛛机器人最近，美国科学家发明了一架微型机器人，不仅状似蜘蛛，而且还能像蜘蛛一样在水面上行走。有关专家表示，这架能在水面上行走的机器人足以称得上是一个机械奇迹。卡内基-梅隆纳米机器人实验室负责人梅汀-思狄教授是从大自然和麻省理工学院若干研究成果中得到灵感，从而发明制造出这架微型机器人的。 3.3.2 可钻入动脉清除阻塞物的微型机器人最近，韩国科学家研制出一种小到能从血管中通过而且不需要额外的电源的微型机器人。这
17、种机器人的尺寸不及一毫米，像螃蟹一样用六只足行走。科学家设计它的目的是，利用它清理阻塞的动脉。4 微机器人的关键技术与应用4.1 微机器人系统一般由以下四部分组成: (1) 微执行器, (2) 微传感器, (3) 微能源, (4) 控制系统,与此对应的微执行器技术、检测技术、能源供给和控制技术就是微机器人的关键技术。当然将以上四部分集成在一起是微机器人发展的趋势, 目前国内外的研究大多还没达到这一步, 许多是分离的组件构成一个广义的机器人系统。(1) 微执行器技术微执行器的研究, 一直是微机械发展的关键, 并在一定程度上着一个家微机械发展水平。相比微传感器, 实用化的微执行器还很少微执行器大多
18、还处在发展阶段, 存在设计、控制、精度、环境影响等重要问题。(2) 检测技术在微机器人上配备传感器后可以检测微机器人的运动参数及环境参数, 并存储和传递检测到的信号。作为机器人的感觉器官, 传感器须具备拾取信息、传递信息的功能, 同时还须满足尺寸小、分辨率高、稳定性和可靠性好、时间响应快等特点。微机器人常用的传感器有视频探测器、涡流传感器、激光干涉仪、加速度传感器等等。(3) 能源供给微机器人的能量供应方式可分为有缆和无缆, 无缆是微机器人发展的未来趋势。其中无缆又可分为内部供应型和外部供应型两种。内部供应的能量大多是电能, 一般采用电池和电容器供能。电池输出功率的连续性好, 但是很难小型化。
19、外部供应型大致有以下几种: 光供应方式 , 该方式用光作能源, 例如: 将光转换成热以产生驱动力的光- 热转换方式; 照射激光束以施加光压力的光-压驱动方式; 照射紫外线利用光致现象的光- 变位转换方式。电磁供应方式, 例如: 使机器人处于磁场中, 利用磁致伸缩效应使其运动。超声波, 例如:利用“辐射压”以超声波进行非接触操作或产生推动力。机械振动, 例如: 在振动场放置弹性体, 利用共振现象有选择地供能和传送控制信号。其他方式,如由外部施加温度变化, 利用热电效应的方式, 再如利用 DNA (脱氧核糖核酸) 的结构特性为微机器人提供动力等等。(4) 控制技术微机器人的控制关键是在微小尺寸水平
20、上的集成,即集成的机载控制器。目前这个技术还没有很好地解决, 有待计算机和部分外设集成技术的突破4 。现在大多数微机器人还是控制器与其余部分相分离, 通过在微机器人中采用视觉伺服等技术, 提高控制器的控制性能和自主能力。目前的重要问题是如何提高图像处理的速度, 神经网络、人工智能的引入将有助于解决这一问题。另外, 先进的控制策略, 如路径规划,控制器参数的在线优化等的研究也将使微机器人的智能水平得到进一步的提高。微机器人是一个系统, 只有微传感器、微执行器、微能源和控制等技术的研究较为成熟, 微机器人的研究才有可能取得突破。4.2 微机器人的应用型机器人是现化机器人技术发展的很很重要方向这一，
21、由于其结构尺寸微小、器件精密，可进行微细定位和微细操作，微型机器人可以应用在其他机器人无法应用的场合： 对于人烃无法进入的危险区域，如航天飞机、导弹、核动力工厂以及石油化工的管道的探伤和维修更是十分需要微型管道机器人； 医疗上用于诊断、注药、切除和修补的微型机器人； 用于操作血球、细胞的微型机器人； 集成电路的检查和修补以及制作过程中的微定位和微操作；微型器人还在军事上具有应用价值，例如用来进行军事侦察，具有不易被发现的优点等。5 结论由以上的分析可以看出, 微动机器人在国内外已经取得了很大的发展, 现已研制出许多微动机构。研究人员还根据并联机构的特点, 用弹性铰链来代替一般的运动副(球副、转
22、动副等) 从而将宏观的并联机构设计成微动机构。但是微机器人的研究还存在许多不足之处, 比如, 并联微动机构多采用的是 Stew art 和 De lta 机构, 而缺少新型机构, 在应用螺旋理论时充分考虑微动机器人的特点, 研究并联微动机器人的构型原理和方法, 进一步提出并联微动机器人的新构型。参考文献 1 贾庆轩, 魏秋霜, 孙汉旭, 等. 并联微动机器人的研究现状 J .山东理工大学学报, 2003, 17 ( 6) : 98 - 102. 2 隋琰, 李剑锋, 董新蕊, 等. 基于细胞图像的微动机器人视觉分析及其轨迹规划 J . 现代制造工程, 2007( 9) : 13- 16. 3
23、王军超. 运动解耦六自由度并联微动机器人关键技术研究 D .秦皇岛: 燕山大学, 2002: 1- 10. 4 孙树栋,乔少杰,张华祝.管道机器人。东北工业大学出版社,2005，7(1)：154-155 5 胡思远 ,关绮玲,周新 ,马雄.医生机器人。北京出版社，2006，3(1)：54-55 6 Paolo Dario, Maria Chiara Carrozza, Cesare St ef anini, an d Simona DAtt anasio. A mobile microrobot actuated by a n ew elect romagneticw obble micromotor J . IEEE /ASME TRANSACT IONS ONMECHATRONICS, 1998, 3( 1) : 9- 16. 7 T exas Instrument s Incorporat ed. TM S320c6201 C6701 mult ichannelevaluation module technical ref erenceZ .
