微型机器人驱动技术
医用微型机器人蠕动肠道中的驱动力计算及实验研究
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中国 机 械 工 程 第 １ 第 １期 ２ ０ ３卷 ０ ２年 １月 上 半 月
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微型机器人技术的研究现状和趋势
微型机器人技术的研究现状和趋势随着科技的发展和人们对机器人应用的需求增加，微型机器人技术逐渐引起了广泛关注。
本文将简要介绍微型机器人技术的研究现状，并展望未来的发展趋势。
一、微型机器人技术的定义和特点微型机器人是指尺寸小于一米的机器人系统。
与传统的机器人相比，微型机器人具有以下几个显著特点：1. 小巧灵活：由于尺寸的限制，微型机器人可以在狭小的空间内灵活操作，具备更广泛的应用场景。
2. 高度精准：微型机器人采用先进的传感器和控制系统，能够实现高精度的运动和操作。
3. 多功能性：微型机器人可以具备多种功能，如检测、监控、医疗等，实现多样化的任务。
二、微型机器人技术的研究现状1. 结构和材料：微型机器人的结构设计和材料选择是关键。
目前，研究者提出了多种创新的结构设计理念，例如仿生机器人、可展开式机器人等。
材料方面，研究者正在尝试使用纳米材料和生物材料，以提高机器人的性能和适应性。
2. 动力和驱动：微型机器人的动力和驱动系统是实现其运动和操作的关键。
电磁力、磁力、压力等多种驱动方式被用于微型机器人的驱动系统中。
此外，太阳能、燃料电池等新型能源也被研究者探索和应用。
3. 传感和控制：微型机器人的传感和控制系统是实现其高精度运动和操作的基础。
传感器技术的发展使得微型机器人能够获取更加准确的环境信息，而先进的控制算法则实现了机器人的自主决策与行动。
4. 应用领域：微型机器人技术在医疗、环境监测、无人探测等领域有着广阔的应用前景。
例如，在医疗领域，微型机器人可以用于内窥镜等医疗器械的操控和手术辅助；在环境监测领域，微型机器人可以用于检测和修复污染区域；在无人探测领域，微型机器人可以用于勘探灾难现场或危险环境。
三、微型机器人技术的发展趋势1. 多机器人协作：未来，微型机器人将更多地实现多机器人协作，形成机器人网络，实现复杂任务的分工合作。
2. 智能化：随着人工智能技术的进步，微型机器人将具备更高的自主决策能力和智能感知能力，能够更好地适应复杂环境和任务需求。
微型化自动化机器人的设计与制造
微型化自动化机器人的设计与制造随着科技的不断进步，机器人技术也得到了大幅提升。
机器人在生产制造、物流配送、医疗等领域中已经占据了重要的地位。
然而，传统机器人的尺寸和重量较大，很难在一些狭小的空间中完成任务。
因此，微型化自动化机器人应运而生。
微型化自动化机器人拥有小巧灵活、自主导航、高效精准的特点，可应用于实验室研究、医疗手术、家电维修等领域。
本文将结合实际案例，详细介绍微型化自动化机器人的设计和制造流程。
一、机器人运动控制模块设计机器人运动控制模块是微型化自动化机器人的核心组成部分。
其作用是对机器人工作状态进行控制和调节。
包括运动速度、动作精准度、灵活性等方面。
以下便是德国西门子公司的一个机器人运动控制模块的设计流程：1. 设计模型前对运动控制系统的特性进行分析，包括控制系统的性能、电气电子性能、制造及安装方面的要求和运动控制性能指标等。
2. 根据分析结果进行元器件电路设计，确定具体电路结构。
3. 电路设计完成后，进行原理图设计，绘制原理图电路图。
4. 电路原理图完成后，将其转化为PCB布局图，确定电路板的焊盘数量以及连接方式等。
5. 电路板制造和制程工艺设计，包括普通和高级工艺，每个环节的工作流程和操作。
6. 电路板焊接完成后，进行功能测试，确定元器件符合要求和电路运行稳定性。
以上就是机器人运动控制模块设计的详细流程，完成后便可以将其集成到机器人的硬件系统中。
二、机器人软件系统设计机器人控制软件是微型化自动化机器人的重要组成部分。
软件主要负责控制机器人的运动，实现自主导航、视觉识别、路径规划等功能。
以下是以复旦大学的自主导航拓扑地图为例，介绍机器人软件设计流程：1. 以微型化自动化机器人为基础，进行机器人控制软件设计。
2. 设计机器人运动控制算法，包括路径规划、动作编码等。
3. 采集环境信息，构建地图模型。
4. 地图模型与机器人控制算法进行融合，并进行功能测试。
5. 引入视觉识别和语音识别技术，优化机器人控制软件。
体内医疗微型机器人的外磁场驱动与控制系统研究
动，可以有效地减少机器人本体能量消耗 。
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目前 的外场 驱 动方 法 主要 分 为两 大类 。一类 是
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微 型 机器 人在 人体 肠 胃中进行 无损 检查 和 小损
但 目前胶囊内窥镜 只能利用消化道 的蠕动作为
伤手术 ，对于减轻病人痛苦 、 提高检查和手术的安 胶囊 内窥镜行进 的动力 ，驱动的不可控严重限制了 全性和降低医疗费用都具有重要意义。 目 前使用最 其检查 、治疗 、手术等方面的功能扩展 。完善的诊 为广泛的消化道检查设备是 内窥镜。内窥镜的发展 疗 微 机 器人 系统 需要 在 现有 基础 上 加入 安 全有 效 的 主要经过了电子 内窥镜 、有缆微型机器人肠道内窥 驱 动控制 。 镜系统和 目 前最先进 的无线胶囊式内窥镜等几个阶 本文 以胶 囊状体 内医疗微型机 器人为研究对 段。其中有缆微型机器人肠道内窥镜系统是用 引线 象 ，在分 析 消化 道 能动 性特 点基 础 上 ，设计 了一种
创手 术提供 了一种设 计 思路 。
关键 词 ：外磁 场驱 动 ；微 型机 器人 ；胶 囊 内窥 镜 机 器人 ；动 力 学模 型 中 图分类 号 ：Ｔ ２ Ｐ４ 文献标 识 码 ：Ａ 文 章编 号 ：１ ７ — ３ ２（ ０ ６） ４ ０ １ — ４ ６２ ６ ３ ２ ０ ０ — ００ ０
摘 要 ：本 文 以胶 囊状 体 内医疗微 型机 器人 为研 究 对 象 ，着眼 于 无线胶 囊 内窥 镜 的 外磁 场 主动 驱 动 ，
纳米机器人的控制技巧与应用示范
纳米机器人的控制技巧与应用示范纳米机器人是一种微型机器人，其尺寸通常在纳米级别，具有出色的操控和控制能力。
随着纳米科技的发展，纳米机器人已经成为科学界和工业界关注的热点领域。
本文旨在介绍纳米机器人的控制技巧以及一些应用示范，以期推动纳米机器人的进一步研究和应用。
一、纳米机器人的控制技巧1.运动控制技巧纳米机器人的运动控制是实现其准确操控的基础。
常用的运动控制技巧包括：（1）外部磁场控制：利用外部磁场生成的力和磁力矩来控制纳米机器人的运动。
通过调节磁场的位置、方向和强度，可以精确地操控纳米机器人在三维空间的运动。
（2）光操控：利用聚焦光束的光压力将纳米机器人推动到目标位置。
通过调节光束的位置和强度，可以实现对纳米机器人的精确操控，例如在细胞内进行微创手术。
（3）电场操控：利用电场作用力来驱动纳米机器人的运动。
通过调节电场的电压和频率，可以精确地操控纳米机器人在微观尺度的运动。
2.传感与探测技巧纳米机器人的传感与探测技巧对于其在复杂环境中的自适应和自主行为至关重要。
常见的传感与探测技巧包括：（1）扫描探测：利用纳米机器人表面的扫描探头对周围环境进行扫描，获取环境的物理和化学信息。
通过扫描探测可以实现对纳米尺度物体或表面的准确定位和精确测量。
（2）化学传感：利用纳米机器人表面或内部的化学传感器对周围环境的化学成分和浓度进行检测。
通过化学传感可以实现对微小化学反应或化学分子的检测，有助于纳米机器人在化学领域的应用。
3.自主行为技巧为了实现纳米机器人的自主行为，需要合理设计和控制其行为模式和决策过程。
常用的自主行为技巧包括：（1）路径规划与避障：利用图像处理和机器学习算法，能够对纳米机器人周围的环境进行感知和识别，从而实现路径规划和避障。
这种技巧可用于微创手术、药物输送等应用场景。
（2）自组装：通过精确控制纳米机器人的运动和相互作用，可以实现纳米机器人自组装形成复杂结构。
这种技巧在纳米材料制备和仿生机器人研究中具有重要意义。
磁力驱动微型机器人的设计与控制
磁力驱动微型机器人的设计与控制随着科技的不断发展，人们对微型机器人的需求也日益增加。
微型机器人在医疗、环境监测、军事等领域都有着广阔的应用前景。
然而，由于其尺寸小、操作环境复杂等特点，设计和控制微型机器人面临着很大的挑战。
为了克服这些困难，磁力驱动被广泛认为是一种有效的方法。
本文将探讨磁力驱动微型机器人的设计与控制。
一、磁力驱动的优势磁力驱动是指利用磁力对微型机器人进行驱动和控制的技术。
相比于其他传统驱动方式，磁力驱动具有以下优势：1. 操控精度高：通过调节外部磁力场的强度和方向，可以轻松控制微型机器人的运动轨迹和速度。
2. 无线驱动：磁力驱动不需要接触式传输能量，可以通过无线方式提供驱动力，便于机器人在狭小的空间内自由移动。
3. 适应性强：不同材料的微型机器人都可以通过磁力驱动实现操控，无需进行额外的适应性改造。
4. 环境友好：磁力驱动无需燃料燃烧，不会产生有害气体和噪音，对环境友好。
二、磁力驱动微型机器人的设计磁力驱动微型机器人的设计涉及到多个方面，包括机器人结构、材料选择和磁力驱动系统的设计等。
1. 机器人结构：微型机器人的结构决定了它的机械性能和操控能力。
常用的机器人结构有单轮、多轮和爬行器等。
设计者需要根据具体应用场景和任务需求选择合适的机器人结构。
2. 材料选择：由于磁力驱动涉及到磁场的感应和响应，机器人的材料选择非常重要。
常见的材料有铁、钢、永磁材料等。
设计者需要根据机器人的磁性需求选择合适的材料。
3. 磁力驱动系统：磁力驱动系统包括电磁线圈、磁铁和控制电路等多个部分。
设计者需要考虑电磁线圈的数量、布局和电流控制等因素，保证磁力的有效传递和机器人的精确操控。
三、磁力驱动微型机器人的控制磁力驱动微型机器人的控制是实现其精确操控的核心。
在控制过程中，需要考虑以下几个方面：1. 磁场生成：通过外部装置产生磁场，对微型机器人进行驱动。
磁场的大小和方向可以通过调节电磁线圈的电流控制，实现对机器人的精确控制。
微型机器人
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。
微型机器人
(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, 幵具有故障排除能力。
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( 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幵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 计理论上迚行创新, 研究出适合微型机器人的移动机构和移动方式。
仍处于初级阶段，在实际应用前还需要 迚一步试验。
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军用机器人是一种用于军事领域的具有某种
仿人功能的自动机。以完成指定的战术或战 略任务为目标，以智能化信息处理战术和通 信技术为核心的智能化武器装备。
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电影《拆弹部队》剧照
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美国桑地亚国家试验室研制的只有几毫米大 小的化学侦察微型机器人。它可通过无线电 向卫星发送情报。原打算到伊拉兊去对婴儿 乳品厂迚行侦察，因怀疑那里研制核武器。 该试验室打算3-5年内为美国建立一支微型机 器人部队。
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微型机器人是 微机电技术的一个重要分 支，由于其能在许多不适合人类和宏观机器 人工作的场合（如细小的工业管道及人体内 部）工作，近几十年来收到广泛的关注。
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1.2 主要应用领域 1.2.1 医疗行业 在医疗上，可将机器人直接由针头注射迚入人体血管、尿道、胆囊 或肾脏。它依靠微型磁铁驱动器前迚，由医生通过遥控器指挥，既可用 于疾病诊断，也可用于如动脉硬化、胆结石等管腔阻塞类疾病治疗。还 能听从医生指挥，将药物直接送达到需要医治的患病器官，以取得更好 的治疗效果。当这种微型机器人工作完成后，医生便可以像抽血那样用 针头将它抽出来。未来，将会有可以迚入人体血液循环系统的功能齐全 的医用微型机器人。 1.2.2 工业领域 能迚入工业上的小管道甚或裂缝，迚行检测与维护的工业用微型机 器人，以及各种微型传感器、微型机电产品，如掌上电视等。
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微型机器人驱动技术
目前，微型机器人常用的驱动技术概括起来主要有：气动、热驱动、微电机驱动、智能材料驱动和能量场驱动。
其中，智能材料驱动常用的有形状记忆合金( SMA)、人工肌肉材料( IPMC)、压电材料( PZT)、巨磁致伸缩材料( GMA)；能量场驱动常用的有微波、光波、磁场和超声波等。
一、气动形式
韩国研制出了单气动线路驱动的蚯蚓型管道检测微机器人。
该机器人由前气室、后气室和伸展模块 3 部分组成，3 个气室被一个充气管道连接起来。
首先，后气室逐渐充入空气并膨胀，机器人身体后部的夹钳紧贴到被检测管道表面; 然后空气使伸展模块内的气室充气、膨胀，机器人就向前伸展身体; 随着空气的不断充入，前气室也逐渐膨胀并达到特定气压值，身体前部的夹钳紧贴到管道表面; 然后通过排气使后气室在气流反作用力下前进，同时伸展模块收缩。
通过气阀使充气和排气循环交替进行，就实现了像蚯蚓一样的运动。
图1、蚯蚓型管道检测微机器人
第二、热驱动形式
美国研制出一种热驱动机器人，它的运动主要由热敏晶片的热胀冷缩来完成，热敏晶片由热膨胀系数不同的两层聚合物中夹一个钛钨合金电阻构成，当加热电流通过回路时，热敏晶片向热膨胀系数小的聚合物一侧弯曲，就实现了单自由度运动。
图2、热驱动机器人
第三、微电机驱动形式
南京航空航天大学研制出了微电机驱动的精子形微机器人。
该微机器人由椭圆形的头部和 4 个柔软的鞭毛组成，鞭毛由机器人头部内置的 4 个微电机驱动，当柔软的鞭毛被微电机带动在液体环境中旋转时，它们将形成又长又细的螺旋，液体作用于鞭毛的粘滞力将对微机器人产生推力从而使其前进。
图3、精子形微机器人
第四、智能材料驱动形式
韩国研制了一种形状记忆合金( SMA) 驱动的仿蚯蚓型微机器人。
形状记忆合金和波纹管组合使微机器人伸缩前行，具体移动过程是: 硅树脂波纹管作为弹簧提供变形力，当 SMA 弹簧被加热收缩时，微机器人前部的微针钳住接触面，躯干后部向前滑动，同时 SMA 外部的硅树脂波纹管收缩储存变形能；然后，SMA 弹簧冷却，波纹管储存的变形能使 SMA 弹簧伸长，同时，后部的微针钳住接触面，躯干前部向前滑动；最后，波纹管和 SMA 弹簧回到初始平衡状态，二者弹力相等。
SMA 的伸缩靠控制系统对形状记忆合金加热-冷却循环交替实现。
图4、仿蚯蚓型微机器人
第五、能量场驱动形式
韩国研制出了外部交变磁场驱动的蝌蚪形泳动微机器人。
该机器人由丙烯酸主体、旋转轴、圆柱型钕铁硼永磁体和硅树脂尾鳍组成，尾鳍直接与永磁体和旋转轴相连，在外部交变磁场作用下永磁体改变磁轴方向，永磁体绕旋转轴转动，从而带动尾鳍划水使微机器人前进和转向。
该蝌蚪形机器人结构简单，但因使用了有两对赫尔姆霍茨线圈的EMA( 电磁驱动) 系统而能被精确控制，因此能在水中以各种姿势自由游动。
其动作的改变是通过控制尾鳍的摆动角度和频率实现的。
图5、蝌蚪形泳动微机器人。