微型机器人发展史

1、微型机器人发展史成聪（华北科技学院 河北）摘要：微型机器人是微电子机械系统的一个重要分支,它是随着微机电系统（MEMS）的出现和发展而应运而生的。 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。与此同时，在微型 机器人的发展中也出现了不少的问题。本文只是介绍微型机器人的发展历程及其发展中的遇到的一些问题，并 且介绍一下微型机器人发展的前沿。关键词：微型机器人 微电子机械系统中国分类号：TP2430 前言微型机器人是现化机器人技术发展的很很重要方向这一，由于其结构尺寸微小、器件精密， 可进行微细定位和微细操作，微型机器人可以应用在其他机器人无法应用的场合：对于人

2、烃无法进入的危险区域，如航天飞机、导弹、核动力工厂以及石油化工的管道的探伤和维修更是十分需要微型管道机器人；医疗上用于诊断、注药、切除和修补的微型机器人；用于操作血球、细胞的微型机器人；集成电路的检查和修补以及制作过程中的微定位和微操作；微型器人还在军事上具有应用价值，例如用来进行军事侦察，具有不易被发现的优点微型机器人的出现1.1微型机器人出现的基础微机电系统（MEMS）和微驱动器微型机器人出现是和微机电系统的发展是分不开的，可以说，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

3、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60120um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。1.2微型机器人的出现20世纪80年代后，随着微机电系统和微驱动器的出现和发展，随后由微驱动器、控制系 统、执行器和传感器组合而成的世界上第一台微型机器人便应运而生了。微型机器人的

4、发展2.1微型机器人的发展现状2.1.1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

5、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。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2514mm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16mm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

6、。2.1.2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。

7、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

8、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。2.1.3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

9、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。2.2微型机器人发展中面临的问

10、题2.2.1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， 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。2.2.2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

11、寸的高容量电池。2.2.3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。2.2.4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

12、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。2.3微型机器人发展的前沿2.3.1微型蜘蛛机器人最近，美国科学家发明了一架微型机器人，不仅状似蜘蛛，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，从而发明制造出这架微型机器人的。2.3.2可钻入动脉清除阻塞物的微型机器人最近，韩国科学家研制出一种小到能从血管中通过而且不需要额外的电源的微型机器人。这 种机器人的尺寸不及一毫米，像螃蟹一样用六

13、只足行走。科学家设计它的目的是，利用它清理 阻塞的动脉。结论从20世纪80年代到现在短短30年的时间，微型机器人的发展可谓日新月异，但微机器人 还处于实验室理论探索时期，离实用化还有相当的距离。存在许多关键的技术没有得到解决，这 些问题的解决过程中同时会带动许多相关学科的发展。只有当这些问题解决以后，微型机器人 的实用化才会成为可能。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罗均，谢少荣，翟宇毅，王琦.特种机器人。光机电一体化丛书，2006, 6(1-2)： 165-1752周兆英，王中林，林立伟.微系统和纳米技术。科学出版社，2007

14、, 11(1)： 334-3353孙树栋，乔少杰,张华祝.管道机器人。东北工业大学出版社,2005, 7(1)： 154-1554 胡思远，关绮玲，周新，马雄.医生机器人。北京出版社，2006, 3(1)： 54-55The development of micro-robotLiu Yadong(Guangdong University of Technology Institute of Materials and Energy Guangzhou)Abstract The micro-robot is an important branch of Micro Electro Mechan

15、ical Systems (MEMS) and it came into being as the development of micro-electro-mechanical systems (MEMS) and the emergence. As it can enter the narrow space operations,which the human macro-robots can not,in recent decades, has been widespread concern.At the same time, there are some issues emerged in the development of micro-robots This arti