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微型机器人的发展和研究现状
摘要: 微型机器人是微电子机械系统的一个重要分支, 由于它能进入人类和宏观机器人所不及的狭小空间内作业, 近几十年来受到了广泛的关注。本文首先给出了近年来国内外出现的几种微型机器人, 在分析了其特点和性能的基础上, 讨论了目前微型机器人研究中所遇到的几个关键问题, 并且指出了这些领域未来一段时间内的主要研究和发展方向。
关键词: 微型机器人; 微驱动器
近年来, 采用MEMS 技术的微型卫星、微型飞行
器和进入狭窄空间的微机器人展示了诱人的应用前
景和军民两用的战略意义。因此, 作为微机电系统技
术发展方向之一的基于精密机械加工微机器人技术
研究已成为国际上的一个热点, 这方面的研究不仅有
强大的市场推动, 而且有众多研究机构的参与。以日
本为代表的许多国家在这方面开展了大量研究, 重点
是发展进入工业狭窄空间微机器人、进入人体狭窄空
间医疗微系统和微型工厂。国内在国家自然科学基
金、863 高技术研究发展计划等的资助下, 有清华大
学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、广东工业大
学、上海大学等科研院所针对微型机器人和微操作系
统进行了大量研究, 并分别研制了原理样机。目前国
内对微型机器人的研究主要集中在三个领域[6] : (1)
面向煤气、化工、发电设备细小管道探测的微型机器
人。(2) 针对人体、进入肠道的无创诊疗微型机器
人。(3) 面向复杂机械系统非拆卸检修的微型机器
人。
1 微型机器人的发展和研究状况
根据国内开展微型机器人研究的实际情况, 我们
着重讨论微型管道机器人、无创伤微型医疗机器人和
特殊作业的微型机器人。
111 微型管道机器人
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[1] 。
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] 。图1 所示为双压
电薄膜微小管道机器人其运动机理, 该机器人采用双
压电薄膜驱动器, 相对于单压电薄膜, 增大了驱动
力, 提高了承载能力。该机构的最大移动速度可以达
到15mm/ s , 具有前进、后退、上升和下降功能。
112 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行游动腹腔手
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, 图2 所示的是利用腹腔手术机器人
进行手术的场景[5] 。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, 运行速度快, 速度控制方便。
113 特殊作业微型机器人的发展
除了上述提到的微型管道机器人和无创伤微型
医疗机器人以外, 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。这种微型机器人配
备相应的传感器和作业装置, 在军事和民用方面具有
非常好的发展前景。
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[2] 。上海大学也进行了一些微型仿生机器人
的研究工作。
2 微型机器人发展中面临的问题
(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。
(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) 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[4] 。
(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。
(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 结论
微机器人还处于实验室理论探索时期, 离实用化
还有相当的距离。存在许多关键的技术没有得到解
决, 这些问题的解决过程中同时会带动许多相关学科
的发展。只有当这些问题解决以后, 微型机器人的实
用化才会成为可能。我们要勇于创新, 抓住这个前沿
课题, 将微型机器人技术应用到国民经济建设发展影
响较大的领域。
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