微型机器人

职业教育机电一体化专业教学资源库新技术新工艺

名称：微型机器人

编制人：

邮箱：

电话：

编制时间：2014.11

编制单位：辽宁省交通高等专科学校

微型机器人

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。

微机电系统（Micro Electromechanical System，MEMS）是指可批量制作的，将微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、以及接口通信和电源等集于一体的微型器件或系统。20世纪80年代后期，随着大规模和超大规模集成电路的迅速发展，微电子技术与机械、光学等学科的交叉融合促进了MEMS技术的迅速发展。MEMS 是目前正在飞跃发展的微米/纳米技术中的一项十分重要的技术，它的成熟和产业化，对经济建设、国防建设乃至社会发展都将产生深远影响。

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MEMS技术继续前进。

◎微型机器人的组成、关键技术及分类

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。

◆微执行器技术

微执行器的研究，一直是微机械发展的关键，并在一定程度上标志着一个国家微机械的发展水平。

◆检测技术

在微型机器人上配备传感器后可以检测微型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。微型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。

◆能源供给技术

微型机器人的能量供应方式可分为有线和无线，无线供能是微型机器人发展的未来趋势。其中无线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：光驱动方式、热转换方式、压驱动方式、变位转换方式、电磁供应方式等。

◆控制技术

微型机器人控制技术关键的是在微小尺寸水平上的集成机载控制器。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。

微型机器人种类很多，也有很多分类标准：

1)按所应用的领域，可以分为医疗用和工业用两类；

2)按工作环境，可分为管道微型机器人、微型飞行器和水下微型机器人三类；

3)按驱动方式，可分为气动、微电机驱动、智能材料驱动、能量场驱动等；

4)按移动方式，可分为轮式、足式、蠕动式、泳动式等；

5)按能源供给方式，可分为有线和无线两种形式。

◎微型机器人的国内外研究现状

目前，微型机器人已经成为了MEMS研究的一个重要的方向和热点，世界各国正积极地开展微型机器人的研究。美国国家自然科学基金会将MEMS技术列为优先支持的项目，美国国防部先进研究计划署也制定了有关MEMS的研究发展计划。在欧洲，尤其是德国和法国，MEMS技术作为前沿高科技，得到欧盟组织的大力支持。在日本，微机械研究始于1991年由通产省资助的“微机械技术十年计划”，分为基础研究、中间评价和系统化技术三个阶段，并于1992年组建了“微机械研究中心”来负责组织管理和

规划研究，重点是发展进入工业狭窄空间微型机器人、进入人体狭窄空间的医疗微系统和微型工厂。

我国微型机器人的研究起步较晚，在驱动控制系统的研究方面和国外差距比较明显。微型机器人的研究己经被列为国家“863”计划。国内研究人员已经开展了卓有成效的工作，也取得了一系列的研究成果。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。

下面按照微型机器人不同工作环境的分类，来看微型机器人的研究成果。

◆微型管道机器人

微型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。

在工业、核工业、石油天然气等领域中，管道作为一种有效的物料输送手段而得到广泛应用，为了提高这些管道的寿命，防止泄露等事故的发生，管道机器人作为满足高效准确的故障诊断、检测及维修的手段应运而生，其广泛地应用于管道的探伤、补口、维修、焊接等诸多领域。

医疗机器人将机器人技术应用到医疗领域，极大的推动了现代医疗技术的发展，近年来随着MEMS的发展，大大促进了医疗机器人的微型化，可用于人体内诊断和治疗的微型机器人的研究越来越受到重视，如下图所示。

◆微型飞行器

微型飞行器不同于传统概念上的飞机，它是MEMS集成技术的产物。微型飞行器的姿态控制系统中的微型地平仪、微型高度计，导航系统中的微型磁场传感器和微型加

速度计、微陀螺仪等，飞行控制系统中的微型空速计、微型舵机等，在微型飞行器上应用的微型摄像机、微型通讯系统等，都需要MEMS技术的支持，以减少体积和重量，改善飞行器的性能。微型飞行器的动力——微型发动机也需利用MEMS技术制造，所以说，微型飞行器除机身和机翼外，都需依靠MEMS技术，甚至机翼也可以用MEMS 技术制造灵巧的蒙皮，以控制飞行器的飞行姿态。

微型飞行器的一个重要应用是军事侦察，可进行敌情侦察及监视、战争危险估计、目标搜索、通信中继，侦察建筑物内部情况等。适用于城市、丛林等多种战争环境。因为其便于携带，操作简单，安全性好的优点，可以在部队中大量装备。而在非军事领域，配置有相应传感器的微型飞行器，可以用来搜寻灾难幸存者、有毒气体或化学物质源，消灭农作物害虫等，如下图所示。

◆水下微型机器人

微型水下机器人广泛应用于大坝监测、水下搜救、渔业生产、港航安防、水下考古和科学考察等水下调查领域，如下图中，左图为美国的VideoRay系列水下微型机器人，右图为仿生龙虾微型机器人。

◎微型机器人的应用

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。

◎微型机器人研究所面临的问题

◆驱动器的微型化问题

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，并且是彰显微型机器人水平的标志。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。

◆微型机器人的尺寸效应问题

微型机器人，特别是医用微型机器人，设计的最终目标都是将尺寸控制在毫米级以下。由于尺度的微细，使得表面积体积比增大，与尺寸高次方成比例的力，如惯性力、电磁力等的作用相对减弱，而与尺寸低次方成比例的黏性力、表面张力、静电力、摩擦力等的作用显著增加，这样会造成微型机器人在运动时的阻力增大。

◆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线化，能量、控制信号以及检测信号应可以无线发送、传输。微型机器人要

真正实用化，必须解决无线微波能源和无线数据传输技术，同时研究开发小尺寸的高容量电池。

◆可靠性和安全性问题

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。

◆高度自治系统的控制问题

微型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。

◎总结

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。