机电创新工程论文

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机电创新工程论文——

微机器人的研究与发展

学院名称：专业班级：学 号：学生姓名：教师姓名：教师职称：

机械工程学院 机械电子工程0802班 3070304040 李伟 谢方伟 讲 师

2011年 10月

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公司合作研究的螺旋式管内移动微机器人, 在直径为Φ2514mm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Φ16mm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, 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, 食道) , 可避免对人体内腔有机组织造成损伤, 运行速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

度快, 速度控制方便。

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。外部供应型大致有以下几种: ①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。②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。③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。④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。⑤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，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

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[ 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] 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.

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