资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除机电创新工程论文——微机器人的研究与发展学院名称: 机械工程学院 专业班级: 机械电子工程0802班 学 号: 学生姓名: 李伟 教师姓名: 谢方伟 教师职称: 讲 师 10月微机器人的研究与发展1 前言微型机器人出现是和微机电系统的发展是分不开的, 能够说, 微型机器人就是可编程通用的微型机电系统工程微机电系统的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、 光学等领域的成功结合而诞生的, 是微电子技术的拓宽和延伸, 它将电子技术遭到精密机械加工技术相融全, 实现了微电子与机械融为一体的系统和微机电系统一样, 微型机器人的发展是和微驱动器的发展也分不开的, 轰动世界的突破性的成就是1987年美国加州大学伯克利分校首先研制出了转子直径为60~120um的微型静电动机, 随后MIT也研制出了100um的静电动机。
正是微机电系统和微驱动器的出现和发展为微型机器人的出现作了铺垫, 使得微型机器人应运而生2 微机器人介绍微型机构的研究首先是美国斯坦福大学于1970年开始的之后, 美国、 欧洲等特别盛行,它涉及到许多学科, 自动控制、 微电子、 应用物理、 精密机械气医用工程世界各地每年都召开有关的学术会议, 跨国电气工程师学会IEEE建立了一个微机械电子学产品工厂在美国国家科学财团(NST)的支持下, 于1988年支援8所大学100万美元作为研究的起动费,1989年又将这个费用增加了一倍美国斯坦福大学已研制出直径20um长150um的铰链连杆,210x100um的滑块机构、 转子直径200um的静电马达、 每分钟为20ml的液压泵等与此同时, 美国国家标准科学基金会向美国加州大学伯克利分校传感器与驱动器中心的实验室BSAC提供经费, 美国国防部和十几家公司也向它提供资助,BSAC耗资1500万美元建成1 平方英尺玻璃墙壁的无尘室, 用于研制微机械器件现在, 她们已研制出一台只有红血球大小的电机以及直径为50um的旋转关节, 齿轮驱动的滑块和灵敏的弹簧美国贝尔实验室已开发出一种直径仅为400微米的齿轮。
在加利福尼亚大学的传感器和传动机构实验室已研制出一些小到能在一张普通邮票上容放6万件的齿轮和其它装置美国麻省理工学院人工智能实验室正在研制一种” 蚊子机器人” , 用于收集情报和窃听美国Dwkane公司小型机器人分部设计了一种AL5010小型机器人系统这台装配机器人能够完成单位模光导纤维引线的复杂任务, 这种工作以往都要求有经验的人去做, 而且经常造成器件不得不返修或报废的情况该系统不但取代了手工操作, 而且降低了返修率, 缩短了生产周期在该系统中采用压电驱动微调装置, 经过调整该微调装置, 使光纤和器件之间达到最佳藕合功率位置, 实现其粘接过程始终校准, 并自动补偿这一过程引起的任何误差日本Nagoya大学制作出不需电缆的管道微型机器移动机器人, 它能够由管道外的电磁场线圈磁场来控制其运动微型移动机器人跟随管外磁力线移动, 它可能用于小尺寸管道检测, 生物医学领域和在人体等小空间内作微型工作一般来说在生物技术、 医学领域和企业设备检测中微型物体微型操作都是靠人类操作者高明技巧来实现的, 而现在代替操作的微型管道机器冰制作出来了她们制作较大型的可逆运动机器模型直径为21mm , 而另一种微型式单向运动模型直径为6mm。
日本早稻田大学机械系用磁控管测射和热处理方法作成的薄层可逆TiNi合金制成了微型机器人可逆形状记忆合金(RSMA)为一种双向、 全圆活动的SMA, 非常适合于制作微型SMA作动器制作时, 只需要一种SMA材料, 每个自由度只需要一种RSMA材料, 每个自由度只要一小片RSMA主动弯曲架(ABF), 其原始形状按经验和理论分析基于其理论计算推导出ABF齐次变换矩阵, 制作出一个具有两个ABF和一个捕捉器的三自由度Scara机器人, 10微米厚薄层可逆TiNi合金的频响约为5赫兹日本筑波大学, 名古屋大学、 东京大学, 早稻田大学及富士通研究所等单位十年前就开始研究各种无间隙直接驱动机构和控制 手段是主要采用压电元件, 驱动机构形式有直线型, 旋转型, 目标是制成用于细胞解剖,IC的生产, 精密装配, 并考虑进入人体内的微型机器人和微型机构, 驱动精度进入um级以上据报导:日本已投资100亿日元从事微型机器人的开发, 并已开发出多种压电陶瓷驱动微型机构.1987年德国卡尔斯鲁核研究中心的微型机构研究所研究出一种新型微加工方法(LIGA)这种方法是X射线深刻蚀、 电铸和塑料模铸的组合。
LIGA方法与大规模集成电路制作技术相结合, 能够制作成各种具有广泛用途的微型结构3 微机器人的发展3.1 微型机器人的发展现状3.1.1 微型管道机器人的发展 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能够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 3.1.2 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 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, 能够将体内的温度信息发给记录器瑞典科学家创造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, 它能够大大减轻或消除当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,经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 3.1.3 特殊作业微型机器人的发展 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, 该机器人能够代替 人去完成许多危险的工作美国海军创造了一种微型城市搜救机器人, 该机器人曾在 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, 该机器人能够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能够与其它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/ s3.2微型机器人发展中面临的问题3.2.1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, 而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 3.2.2 能源供给问题 许多执行机构都是经过电能驱动的, 可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能够无缆发送、 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 3.2.3可靠性和安全性 当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 3.2.4 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 2.2.5 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3.3微型机器人发展的前沿3.3.1微型蜘蛛机器人最近, 美国科学家创造了一架微型机器人, 不但状似蜘蛛, 而且还能像蜘蛛一样在水面上行走有关专家表示, 这架能在水面上行走的机器人足以称得上是一个机械奇迹。
卡内基-梅隆纳米机器人实验室负责人梅汀-思狄教授是从大自然和麻省理工学院若干研究成果中得到灵感, 从而创造制造出这架微型机器人的 3.3.2可钻入。