楊杰偉，趙江銘

(鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州450001)

0 引言

近年來(lái)，隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的發(fā)展，作為其重要分支的微型機(jī)器人的研究也取得了長(zhǎng)足發(fā)展，相關(guān)研究成果不斷涌現(xiàn).微型機(jī)器人結(jié)構(gòu)尺寸微小，器件精密，可進(jìn)行微細(xì)操作，具有小慣性、快速響應(yīng)、高諧振頻率、高附加值等特點(diǎn)［1］.微型機(jī)器人并不是簡(jiǎn)單意義上普通機(jī)器人的微小化，微型機(jī)器人一般集成有傳感、控制、執(zhí)行和能量單元，是機(jī)械、電子、材料、控制、計(jì)算機(jī)和生物醫(yī)學(xué)等多學(xué)科技術(shù)的交叉融合.

1 微型機(jī)器人的分類(lèi)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)特點(diǎn)

微型機(jī)器人種類(lèi)很多，按應(yīng)用領(lǐng)域分為醫(yī)療用和工業(yè)用兩類(lèi);按工作環(huán)境可分為管道微機(jī)器人、微飛行器和水下微機(jī)器人三類(lèi);按驅(qū)動(dòng)方式可分為氣動(dòng)、微電機(jī)驅(qū)動(dòng)、智能材料驅(qū)動(dòng)、能量場(chǎng)驅(qū)動(dòng)等;按移動(dòng)方式可分為輪式、足式、蠕動(dòng)式、泳動(dòng)式等;按能源供給方式可分為有線和無(wú)線兩種形式.

微機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí)首先要考慮的是其運(yùn)動(dòng)能力，最終目的是快速精確地到達(dá)目的地，因此，驅(qū)動(dòng)技術(shù)在微機(jī)器人系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用.微型自運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)通常都需要有大輸出力矩、大位移和低能量消耗的特點(diǎn).

過(guò)去的幾十年里，許多驅(qū)動(dòng)原理已被報(bào)道，主要有靜電、壓電和電磁原理.靜電驅(qū)動(dòng)因氣隙小而使輸出力較小，此外，還有功耗低、響應(yīng)快的特點(diǎn);然而，卻因垂直于電極的最大位移受限而不適用于需要位移大于幾微米的應(yīng)用系統(tǒng).壓電驅(qū)動(dòng)有大氣隙、大輸出力和響應(yīng)快的特點(diǎn)，但位移也受到嚴(yán)格限制，往往還需要很高的工作電壓［2］(幾十至幾百伏).電磁驅(qū)動(dòng)有適中的輸出力，位移較大，只需要低功耗、低電壓的控制器;但復(fù)雜的電磁結(jié)構(gòu)使其難以制造和微型化.

隨著微機(jī)械加工工藝及智能材料的發(fā)展，各種各樣的微機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)都在逐步使用能實(shí)現(xiàn)大輸出力矩、高運(yùn)動(dòng)精度和強(qiáng)行進(jìn)能力等運(yùn)動(dòng)特性的新型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，微型機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)技術(shù)概括起來(lái)主要有:氣動(dòng)、熱驅(qū)動(dòng)、微電機(jī)驅(qū)動(dòng)、智能材料驅(qū)動(dòng)和能量場(chǎng)驅(qū)動(dòng).其中，智能材料驅(qū)動(dòng)常用的有形狀記憶合金(SMA)［3］、人工肌肉材料(IPMC)［4］、壓電材料(PZT)［5-6］、巨磁致伸縮材料(GMA)［7］;能量場(chǎng)驅(qū)動(dòng)常用的有微波、光波、磁場(chǎng)和超聲波等能量場(chǎng)［8-9］.

2.1 氣動(dòng)形式

韓國(guó)航空大學(xué)J.Lim等［10］研制出了單氣動(dòng)線路驅(qū)動(dòng)的蚯蚓型管道檢測(cè)微機(jī)器人(圖1).該機(jī)器人由前氣室、后氣室和伸展模塊3部分組成，3個(gè)氣室被一個(gè)充氣管道連接起來(lái).首先，后氣室逐漸充入空氣并膨脹，機(jī)器人身體后部的夾鉗緊貼到被檢測(cè)管道表面;然后空氣使伸展模塊內(nèi)的氣室充氣、膨脹，機(jī)器人就向前伸展身體;隨著空氣的不斷充入，前氣室也逐漸膨脹并達(dá)到特定氣壓值，身體前部的夾鉗緊貼到管道表面;然后通過(guò)排氣使后氣室在氣流反作用力下前進(jìn)，同時(shí)伸展模塊收縮.通過(guò)氣閥使充氣和排氣循環(huán)交替進(jìn)行，就實(shí)現(xiàn)了像蚯蚓一樣的運(yùn)動(dòng).改變充放氣時(shí)間可改變機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度.該機(jī)器人長(zhǎng)70 mm，直徑9 mm.

圖1 蚯蚓型氣動(dòng)微機(jī)器人樣機(jī)Fig.1 Inchworm prototype robot

2.2 熱驅(qū)動(dòng)形式

加利弗尼亞大學(xué)伯克利分校的E.Y.Erdem等［11］研制出了熱驅(qū)動(dòng)可全方向移動(dòng)的微機(jī)器人.該機(jī)器人由PCB板骨架和微機(jī)械工藝制作的兩個(gè)執(zhí)行器陣列芯片組成(圖2).每個(gè)芯片由8×8陣列的“運(yùn)動(dòng)點(diǎn)”組成，用以產(chǎn)生3自由度的平面運(yùn)動(dòng)，每個(gè)“運(yùn)動(dòng)點(diǎn)”由4個(gè)正交的熱敏晶片組成，由它們產(chǎn)生機(jī)器人平面運(yùn)動(dòng)的4個(gè)方向.陣列中的熱敏晶片按運(yùn)動(dòng)方向被分成4組，每組獨(dú)立控制.熱敏晶片由熱膨脹系數(shù)不同的兩層聚合物中夾一個(gè)鈦鎢合金電阻構(gòu)成，當(dāng)加熱電流通過(guò)回路時(shí)，熱敏晶片向熱膨脹系數(shù)小的聚合物一側(cè)彎曲，就實(shí)現(xiàn)了單自由度運(yùn)動(dòng).該機(jī)器人長(zhǎng)約3 cm、寬1 cm、高0.9 mm，重0.5 g，移動(dòng)速度達(dá)25μm/s，可承受7倍于自身重量的負(fù)荷.該機(jī)器人最大的問(wèn)題是能量消耗大及如何應(yīng)對(duì)粗糙表面.

2.3 微電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式

南京航空航天大學(xué)的B.Chen等［12-13］研制出了微電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精子形微機(jī)器人.該微機(jī)器人由橢圓形的頭部和4個(gè)柔軟的鞭毛組成(圖3)，鞭毛由機(jī)器人頭部?jī)?nèi)置的4個(gè)微電機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)柔軟的鞭毛被微電機(jī)帶動(dòng)在液體環(huán)境中旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們將形成又長(zhǎng)又細(xì)的螺旋，液體作用于鞭毛的粘滯力將對(duì)微機(jī)器人產(chǎn)生推力從而使其前進(jìn).機(jī)器人內(nèi)帶減速齒輪的微電機(jī)長(zhǎng)22 mm、直徑4 mm;鞭毛由直徑0.15 mm的SMA制成.

實(shí)驗(yàn)分析表明，可通過(guò)調(diào)整微機(jī)器人4個(gè)鞭毛的旋轉(zhuǎn)方向有效地控制其游動(dòng)方向.當(dāng)4個(gè)鞭毛旋轉(zhuǎn)方向一致時(shí)，機(jī)器人將旋轉(zhuǎn)前進(jìn).

2.4 智能材料驅(qū)動(dòng)形式

2.4.1 SMA驅(qū)動(dòng)

韓國(guó)科技學(xué)院微系統(tǒng)研究中心的B.Kim等［14］研制了一種形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動(dòng)的仿蚯蚓型微機(jī)器人.形狀記憶合金和波紋管組合使微機(jī)器人伸縮前行，具體移動(dòng)過(guò)程是:硅樹(shù)脂波紋管作為彈簧提供變形力，當(dāng)SMA彈簧被加熱收縮時(shí)，微機(jī)器人前部的微針鉗住接觸面，軀干后部向前滑動(dòng)，同時(shí)SMA外部的硅樹(shù)脂波紋管收縮儲(chǔ)存變形能;然后，SMA彈簧冷卻，波紋管儲(chǔ)存的變形能使SMA彈簧伸長(zhǎng)，同時(shí)，后部的微針鉗住接觸面，軀干前部向前滑動(dòng);最后，波紋管和SMA彈簧回到初始平衡狀態(tài)，二者彈力相等.SMA的伸縮靠控制系統(tǒng)對(duì)形狀記憶合金加熱-冷卻循環(huán)交替實(shí)現(xiàn).

該機(jī)器人采用無(wú)線射頻模塊控制，由堿性電池供電，圖4為機(jī)器人樣機(jī).樣機(jī)移動(dòng)速度為10 mm/min.

圖4 蚯蚓型微機(jī)器人樣機(jī)Fig.4 Assembled wireless microrobot

2.4.2 IPMC驅(qū)動(dòng)

IPMC是一種人工肌肉材料，當(dāng)對(duì)IPMC厚度方向施加電壓時(shí)，IPMC會(huì)產(chǎn)生較大的變形，向陽(yáng)極彎曲.由于其較低的驅(qū)動(dòng)電壓(大約1 V)能產(chǎn)生較大的位移變形，作為一種新型執(zhí)行器非常適用于仿生機(jī)器人的開(kāi)發(fā).

日本Kagawa大學(xué)智能機(jī)械系統(tǒng)系和哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院的 Shu-xiang GUO等［15］研制出了采用人工肌肉材料IPMC驅(qū)動(dòng)的魚(yú)形微機(jī)器人(圖5).該魚(yú)形機(jī)器人頭部是輕質(zhì)木材，身體部分為兩段IPMC材料，向兩段IPMC材料施加極性相反的電壓，它們便迅速向相反方向彎曲，當(dāng)采用交流電源供電時(shí)，微機(jī)器人就能像魚(yú)類(lèi)S型游動(dòng)一樣前進(jìn).該機(jī)器人總長(zhǎng)57 mm、寬10 mm、厚7 mm，僅重1.45 g.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改變輸入電壓的頻率能控制其運(yùn)動(dòng)速度，輸入電壓頻率在4 Hz時(shí)速度達(dá)到最大.

該機(jī)器人采用的是有線控制形式，為了進(jìn)一步微型化，作者又提出了將提供控制信號(hào)的DSP控制器集成到機(jī)器人內(nèi)部的無(wú)線控制方案.

圖5 魚(yú)形微機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of micro fish-like robot

IPMC材料除了應(yīng)用于泳動(dòng)機(jī)器人，還可用于行走機(jī)器人的驅(qū)動(dòng).Shu-xiang Guo等又設(shè)計(jì)了使用IPMC材料的單自由度和多自由度行走機(jī)器人.

2.5 能量場(chǎng)驅(qū)動(dòng)形式

2.5.1 外部交變磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)

韓國(guó)Chonnam 國(guó)立大學(xué) D.Byun等［16］研制出了外部交變磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的蝌蚪形泳動(dòng)微機(jī)器人.該機(jī)器人由丙烯酸主體、旋轉(zhuǎn)軸、圓柱型釹鐵硼永磁體和硅樹(shù)脂尾鰭組成(圖6)，尾鰭直接與永磁體和旋轉(zhuǎn)軸相連，在外部交變磁場(chǎng)作用下永磁體改變磁軸方向，永磁體繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)尾鰭劃水使微機(jī)器人前進(jìn)和轉(zhuǎn)向.該蝌蚪形機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但因使用了有兩對(duì)赫爾姆霍茨線圈的EMA(電磁驅(qū)動(dòng))系統(tǒng)而能被精確控制，因此能在水中以各種姿勢(shì)自由游動(dòng).其動(dòng)作的改變是通過(guò)控制尾鰭的擺動(dòng)角度和頻率實(shí)現(xiàn)的.

圖6 蝌蚪形泳動(dòng)微機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Isometric view of swimming robot

2.5.2 外部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)

日本東北大學(xué)的K.Ishiyama和M.Sendoh等研制了外部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的泳動(dòng)微機(jī)器人［17-18］.微機(jī)器人主體由直徑0.15 mm的金屬線螺旋狀纏繞在直徑1.2 mm的NdFeB永磁體上構(gòu)成(圖7).當(dāng)對(duì)微機(jī)器人施加外部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)，永磁體被徑向磁化，與外磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，螺旋結(jié)構(gòu)給液體一個(gè)向后的作用力，微機(jī)器人在液體反作用力下就旋轉(zhuǎn)前進(jìn).改變外磁場(chǎng)的方向可以控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向，而運(yùn)動(dòng)速度則取決于外磁場(chǎng)的強(qiáng)度、頻率和液體介質(zhì).

圖7 外部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的泳動(dòng)微機(jī)器人Fig.7 Schematic view of magnetic micro － machine

2.5.3 靜磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)

澳大利亞悉尼工程技術(shù)大學(xué)Hai-wei Lu等［19］研制出了采用線性電磁執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的尺蠖型微機(jī)器人(圖8).該機(jī)器人外觀上由管狀主體和前后兩段剛毛狀腿或鰭組成.管狀線性電磁執(zhí)行器位于機(jī)器人主體內(nèi)，由定子線圈和主要部件為永磁體的平動(dòng)體組成，定子線圈附著在管狀主體上，平動(dòng)體是能使機(jī)器人伸縮的活動(dòng)部件.前腿或鰭與管狀主體固接，后腿或鰭與平動(dòng)體固接，主體和平動(dòng)體之間通過(guò)波紋管實(shí)現(xiàn)軟連接，為輔助波紋管運(yùn)動(dòng)，定子線圈和平動(dòng)體之間安裝了輔助復(fù)位彈簧(圖9).

給定子線圈通以一定電流時(shí)，平動(dòng)體在電磁力作用下從初始位置向前移動(dòng)，并帶動(dòng)后腿或鰭前進(jìn);當(dāng)平動(dòng)體達(dá)到最大允許伸展量時(shí)，切斷電源，電磁力消失，機(jī)器人主體在波紋管和復(fù)位彈簧的作用下向前移動(dòng)，同時(shí)后腿或鰭的自鎖結(jié)構(gòu)可以防止其向后滑動(dòng);然后平動(dòng)體回復(fù)到相對(duì)于定子線圈的初始位置處，等待下一個(gè)工作循環(huán).這樣，按照一定相序給定子線圈施加電壓，就可以控制定子線圈和永磁體之間的電磁力，使機(jī)器人像尺蠖運(yùn)動(dòng)一樣前進(jìn).

該管狀機(jī)器人直徑7 mm，長(zhǎng)10 mm，驅(qū)動(dòng)力20 mN，一次伸展移動(dòng)距離1.2 mm.該機(jī)器人既可以在平面上運(yùn)動(dòng)也可以在液體中前進(jìn).

3 發(fā)展現(xiàn)狀分析

綜觀國(guó)內(nèi)外的研究狀況，智能材料和能量場(chǎng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)在微機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用較多，能量場(chǎng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)中的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)受到了更多關(guān)注，究其原因是磁場(chǎng)控制便捷、輸出力大、無(wú)方向性、產(chǎn)生相對(duì)容易;相比而言，光波、微波、超聲波的方向性很強(qiáng)，在應(yīng)用方面受到了一定限制，而且，當(dāng)應(yīng)用于人體體內(nèi)醫(yī)療檢查時(shí)，對(duì)人體有一定的副作用.

應(yīng)用于不同場(chǎng)合的微型機(jī)器人，需要根據(jù)其具體的工作環(huán)境來(lái)選擇驅(qū)動(dòng)形式.氣動(dòng)形式需要控制閥、空氣壓縮機(jī)和很長(zhǎng)的氣體管道，可以應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域;在醫(yī)療領(lǐng)域方面，較長(zhǎng)的氣體管道一方面會(huì)給患者帶來(lái)不適和痛苦，另一方面會(huì)影響其在人體復(fù)雜內(nèi)腔中運(yùn)動(dòng)的靈活性，增加前進(jìn)的困難.熱驅(qū)動(dòng)形式如果解決了材料的生物兼容性、能量消耗及如何應(yīng)對(duì)粗糙表面的問(wèn)題，就可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域.微電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般適用于工業(yè)領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)和制造工藝問(wèn)題使其輸出力矩和尺寸受到一定限制，在醫(yī)療領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展也受到一定程度的限制.智能材料(尤其是SMA和IPMC)因集傳感、控制和執(zhí)行功能于一體，在人體體內(nèi)醫(yī)療領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景.

4 結(jié)論

綜上所述，應(yīng)用于傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的微機(jī)器人可以直接采用氣動(dòng)、熱驅(qū)動(dòng)、微電機(jī)驅(qū)動(dòng)或能量場(chǎng)驅(qū)動(dòng)形式;而應(yīng)用于人體體內(nèi)醫(yī)療的微機(jī)器人可采用微電機(jī)、外部能量場(chǎng)和智能材料驅(qū)動(dòng)，但前提是微電機(jī)的制造工藝結(jié)合MEMS技術(shù)的發(fā)展而能使尺寸微型化到微米級(jí)的實(shí)用程度，而納米磁材料和微加工技術(shù)的發(fā)展，使制造復(fù)雜的微型電磁結(jié)構(gòu)并將其用于微機(jī)器人系統(tǒng)不再困難.此外，隨著磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)及對(duì)外場(chǎng)敏感的智能材料的進(jìn)一步發(fā)展，微機(jī)器人的應(yīng)用正逐步地向人體體內(nèi)醫(yī)療領(lǐng)域延伸.采用高容量電池或能量供應(yīng)的無(wú)線化及無(wú)線控制是微機(jī)器人技術(shù)向醫(yī)療領(lǐng)域延伸的一個(gè)重要發(fā)展方向.

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