微型機器人(共6頁)

1、微型機器人的發(fā)展與展望摘要：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; 關(guān)鍵技術(shù)；應(yīng)用前言機器人技術(shù)是一門快速發(fā)展的高新技術(shù)，在許多領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用，并對人類社會產(chǎn)生著日益重大的影響。微型機器人（Micro-Robotics）是指集成了微型作業(yè)工具、各種微小型傳感器，具有通用編程能力的小型移動機構(gòu)。

2、微型機器人是利用IC（集成電路）微細加工技術(shù)，將驅(qū)動器和傳動裝置、傳感器、控制器、電源等集成在一起的功能完備的MEMS系統(tǒng)。MEMS技術(shù)可將機器人系統(tǒng)的尺寸縮小到幾毫米甚至幾百微米，這種微型化的趨勢經(jīng)逐漸成為機器人發(fā)展領(lǐng)域的一個重要方向。微型機器人的研究方向可以歸納為三個方面：微操作機器人技術(shù)，微定位機器人技術(shù)和微型機器人技術(shù)。微型機器人結(jié)構(gòu)尺寸微小，器件精密，可進行微細操作，具有小慣性、快速響應(yīng)、高諧振頻率、高附加值等特點。然而，微型機器人并不是簡單意義上普通機器人的微小化，微型機器人一般集成有傳感、控制、執(zhí)行和能量單元，是機械、電子、材料、控制、計算機和生物醫(yī)學(xué)等多學(xué)科技術(shù)的交叉融合。微型

3、機器人的研究，是一個新穎又具有重大實際意義和挑戰(zhàn)性的課題。該技術(shù)有利于實現(xiàn)真正意義上的微小系統(tǒng)，充分展示了微小系統(tǒng)的巨大魅力；而且建立微型機器人需要更為微小的驅(qū)動器、執(zhí)行器、傳感器、處理器等，由此展開的對微型機器人本體加工和微部件的研制，將有利于實現(xiàn)更高意義上的微系統(tǒng)集成，推動MEMS技術(shù)繼續(xù)前進。1 微型機器人的發(fā)展概況近年來，采用MEMS技術(shù)的微型衛(wèi)星、微型飛行器和能進入狹窄空間的微型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。

4、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。國外：日本、歐美發(fā)達國家開展了大量研究,重點發(fā)展工業(yè)及醫(yī)療用管道微機器人和微型

5、工廠。國內(nèi)：MEMS技術(shù)已列入863計劃，促進了微型機器人研究的進步。我國的MEMS技術(shù)包括微型機器人技術(shù)與國外的差距較大，仍處于不斷追趕的過程中。2 微型機器人的組成微型機器人系統(tǒng)一般由四部分組成：微執(zhí)行器，微傳感器，微能源，控制系統(tǒng)。相應(yīng)的微執(zhí)行器技術(shù)、檢測技術(shù)、能源供給和控制技術(shù)就是微型機器人的關(guān)鍵技術(shù)。3 微型機器人的關(guān)鍵技術(shù)3.1 微執(zhí)行器技術(shù)微執(zhí)行器是包括微型機器人在內(nèi)的所有微機械發(fā)展的關(guān)鍵，在一定程度上能反應(yīng)一個國家MEMS的發(fā)展水平。3.2 微傳感器技術(shù)微傳感器必須具備拾取、傳遞信息的功能，同時還要滿足尺寸小、分辨率高、穩(wěn)定性和可靠性好、時間響應(yīng)快等特點。3.3 微能源技術(shù)微型

6、機器人的能量供應(yīng)方式可分為有線和無線，無線供能是微機器人未來的發(fā)展趨勢。3.4 微控制技術(shù)微型機器人控制技術(shù)的關(guān)鍵的是在微小尺寸水平上集成機載控制器。4 微型機器人的分類按所應(yīng)用的領(lǐng)域，分為醫(yī)療用和工業(yè)用兩類。按工作環(huán)境，分為管道微型機器人、微型飛行器和水下微型機器人三類。按驅(qū)動方式，分為氣動、微電機驅(qū)動、智能材料驅(qū)動、能量場驅(qū)動等四類。按移動方式，分為輪式、足式、蠕動式、泳動式等四類。5 微型機器人的應(yīng)用以及展望微型機器人的應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴大，無論是在民用如農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、生物等領(lǐng)域，還是軍用如軍事和航空領(lǐng)域，都有著廣泛的應(yīng)用。美國國家科學(xué)基金委員會1988年的調(diào)查報告列舉了MEMS在生

7、物血管、眼科手術(shù)中、疾病檢測與治療、高級儀器的超級清潔、微細檢測與修補、工業(yè)、軍事、航空航天、農(nóng)業(yè)等方面的25個有希望的重大應(yīng)用領(lǐng)域。微型機器人在農(nóng)業(yè)上可以用來殺滅害蟲、定點灑農(nóng)藥；在工業(yè)和人們?nèi)粘Ｉ钪?，微型機器人給埋藏在地下的大量、無數(shù)的小口徑輸液管道的檢測和維護提供了一種很好方式和手段。在核工業(yè)上可以用來處理核電站事故、進行設(shè)備維修以及對核燃料進行處理。在醫(yī)學(xué)上醫(yī)用微型機器人的研究正在不斷取得進展，微型機器人的使用可以減少對人體其它完好組織的傷害，縮短康復(fù)時間，消除手術(shù)引起的副作用，降低醫(yī)療費用，減輕患者的生理痛苦和醫(yī)療人員手術(shù)操作時的心理壓力。在軍事上可以用于軍事要地的報警、防衛(wèi)戰(zhàn)略要

8、地等，也可以攻擊敵人的重要設(shè)施、實現(xiàn)定點爆破，或者深入敵后獲取重要的軍事情報。在航天上發(fā)射微型衛(wèi)星可以大大降低衛(wèi)星的成本和發(fā)射費用。5.1 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

9、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。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。5.2 微型醫(yī)療機器人近幾年來, 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

10、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

11、。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, 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。5.3 特殊作業(yè)微型機器人除了上述提到的微型管道機器人和

12、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

13、, 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、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。6 微型機器人發(fā)展中面

14、臨的問題6.1 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、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。6.2 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),

15、同時研究開發(fā)小尺寸的高容量電池。6.3 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。6.4 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。6.5 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實現(xiàn)實用化的關(guān)鍵。7 結(jié)論微型機器人目前大多還處于實驗室或原型開發(fā)階段，存在許多關(guān)鍵的技術(shù)沒有得到解決，離實用化還有相當(dāng)?shù)木嚯x。但是，隨著相關(guān)技術(shù)的不管發(fā)展，這些問題都將得到解決，促進微型機器人技術(shù)的不斷進步。可以預(yù)見，微型機器人在21世紀(jì)必將大量出現(xiàn)。微型機器人又被稱為“明天的機器人”，向微型化和超微型化方向發(fā)展的趨勢，將使