微型机器人

微型机器人的发展与展望

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; 关键技术；应用

前言

机器人技术是一门快速发展的高新技术，在许多领域得到了日益广泛的应用，并对人类社会产生着日益重大的影响。微型机器人（Micro-Robotics）是指集成了微型作业工具、各种微小型传感器，具有通用编程能力的小型移动机构。微型机器人是利用IC（集成电路）微细加工技术，将驱动器和传动装置、传感器、控制器、电源等集成在一起的功能完备的MEMS系统。MEMS技术可将机器人系统的尺寸缩小到几毫米甚至几百微米，这种微型化的趋势经逐渐成为机器人发展领域的一个重要方向。微型机器人的研究方向可以归纳为三个方面：微操作机器人技术，微定位机器人技术和微型机器人技术。

微型机器人结构尺寸微小，器件精密，可进行微细操作，具有小惯性、快速响应、高谐振频率、高附加值等特点。然而，微型机器人并不是简单意义上普通机器人的微小化，微型机器人一般集成有传感、控制、执行和能量单元，是机械、电子、材料、控制、计算机和生物医学等多学科技术的交叉融合。微型机器人的研究，是一个新颖又具有重大实际意义和挑战性的课题。该技术有利于实现真正意义上的微小系统，充分展示了微小系统的巨大魅力；而且建立微型机器人需要更为微小的驱动器、执行器、传感器、处理器等，由此展开的对微型机器人本体加工和微部件的研制，将有利于实现更高意义上的微系统集成，推动MEM S技术继续前进。

1 微型机器人的发展概况

近年来，采用MEMS技术的微型卫星、微型飞行器和能进入狭窄空间的微型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: (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。

国外：日本、欧美发达国家开展了大量研究,重点发展工业及医疗用管道微机器人和微型工厂。

国内：MEMS技术已列入863计划，促进了微型机器人研究的进步。我国的MEMS技术包括微型机器人技术与国外的差距较大，仍处于不断追赶的过程中。

2 微型机器人的组成

微型机器人系统一般由四部分组成：微执行器，微传感器，微能源，控制系统。相应的微执行器技术、检测技术、能源供给和控制技术就是微型机器人的关键技术。

3 微型机器人的关键技术

3.1 微执行器技术

微执行器是包括微型机器人在内的所有微机械发展的关键，在一定程度上能反应一个国家MEMS的发展水平。

3.2 微传感器技术

微传感器必须具备拾取、传递信息的功能，同时还要满足尺寸小、分辨率高、稳定性和可靠性好、时间响应快等特点。

3.3 微能源技术

微型机器人的能量供应方式可分为有线和无线，无线供能是微机器人未来的发展趋势。

3.4 微控制技术

微型机器人控制技术的关键的是在微小尺寸水平上集成机载控制器。

4 微型机器人的分类

按所应用的领域，分为医疗用和工业用两类。

按工作环境，分为管道微型机器人、微型飞行器和水下微型机器人三类。

按驱动方式，分为气动、微电机驱动、智能材料驱动、能量场驱动等四类。

按移动方式，分为轮式、足式、蠕动式、泳动式等四类。

5 微型机器人的应用以及展望

微型机器人的应用领域正在不断扩大，无论是在民用如农业、工业、医学、生物等领域，还是军用如军事和航空领域，都有着广泛的应用。美国国家科学基金委员会1988年的调查报告列举了MEMS在生物血管、眼科手术中、疾病检测与治疗、高级仪器的超级清洁、微细检测与修补、工业、军事、航空航天、农业等方面的25个有希望的重大应用领域。

微型机器人在农业上可以用来杀灭害虫、定点洒农药；在工业和人们日常生活中，微型机器人给埋藏在地下的大量、无数的小口径输液管道的检测和维护提供了一种很好方式和手段。在核工业上可以用来处理核电站事故、进行设备维修以及对核燃料进行处理。在医学上医用微型机器人的研究正在不断取得进展，微型机器人的使用可以减少对人体其它完好组织的伤害，缩短康复时间，消除手术引起的副作用，降低医疗费用，减轻患者的生理痛苦和医疗人员手术操作时的心理压力。在军事上可以用于军事要地的报警、防卫战略要地等，也可以攻击敌人的重要设施、实现定点爆破，或者深入敌后获取重要的军事情报。在航天上发射微型卫星可以大大降低卫星的成本和发射费用。

5.1 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。

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。

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。

5.2 微型医疗机器人

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2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, 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。

5.3 特殊作业微型机器人

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。

6 微型机器人发展中面临的问题

6.1 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。

6.2 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。

6.3 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。

6.4 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。

6.5 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。

7 结论

微型机器人目前大多还处于实验室或原型开发阶段，存在许多关键的技术没有得到解决，离实用化还有相当的距离。但是，随着相关技术的不管发展，这些问题都将得到解决，促进微型机器人技术的不断进步。可以预见，微型机器人在21世纪必将大量出现。微型机器人又被称为“明天的机器人”，向微型化和超微型化方向发展的趋势，将使得机器人走向更广阔领域，也会让我们看到另外一个多姿多彩的世界。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。

参考文献：

[1] 王立鼎，吴一辉.《抓住机遇，推动我国微型机械的快速发展》.中国机械工程,1999年02期.

[2] 雷源忠.《现代制造科学的新发展》.中国机械工程, 1999年02期.

[3] 黄沛.《机器人开发事态前瞻》.技术与市场, 2009年02期.

[4] 新桦.《微型空中机器人》.兵团建设, 2010年18期.

[5] 王琪民.《微型机械导论》.中国科技大学出版社,2003.