微型機器人驅(qū)動技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀分析

楊杰偉，趙江銘

(鄭州大學機械工程學院，河南鄭州450001)

0 引言

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

1 微型機器人的分類及驅(qū)動技術(shù)特點

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

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

過去的幾十年里，許多驅(qū)動原理已被報道，主要有靜電、壓電和電磁原理.靜電驅(qū)動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;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)動有大氣隙、大輸出力和響應(yīng)快的特點，但位移也受到嚴格限制，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.

隨著微機械加工工藝及智能材料的發(fā)展，各種各樣的微機器人應(yīng)用系統(tǒng)都在逐步使用能實現(xiàn)大輸出力矩、高運動精度和強行進能力等運動特性的新型驅(qū)動系統(tǒng).

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，微型機器人常用的驅(qū)動技術(shù)概括起來主要有:氣動、熱驅(qū)動、微電機驅(qū)動、智能材料驅(qū)動和能量場驅(qū)動.其中，智能材料驅(qū)動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］;能量場驅(qū)動常用的有微波、光波、磁場和超聲波等能量場［8-9］.

2.1 氣動形式

韓國航空大學J.Lim等［10］研制出了單氣動線路驅(qū)動的蚯蚓型管道檢測微機器人(圖1).該機器人由前氣室、后氣室和伸展模塊3部分組成，3個氣室被一個充氣管道連接起來.首先，后氣室逐漸充入空氣并膨脹，機器人身體后部的夾鉗緊貼到被檢測管道表面;然后空氣使伸展模塊內(nèi)的氣室充氣、膨脹，機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到特定氣壓值，身體前部的夾鉗緊貼到管道表面;然后通過排氣使后氣室在氣流反作用力下前進，同時伸展模塊收縮.通過氣閥使充氣和排氣循環(huán)交替進行，就實現(xiàn)了像蚯蚓一樣的運動.改變充放氣時間可改變機器人的運動速度.該機器人長70 mm，直徑9 mm.

圖1 蚯蚓型氣動微機器人樣機Fig.1 Inchworm prototype robot

2.2 熱驅(qū)動形式

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

2.3 微電機驅(qū)動形式

南京航空航天大學的B.Chen等［12-13］研制出了微電機驅(qū)動的精子形微機器人.該微機器人由橢圓形的頭部和4個柔軟的鞭毛組成(圖3)，鞭毛由機器人頭部內(nèi)置的4個微電機驅(qū)動，當柔軟的鞭毛被微電機帶動在液體環(huán)境中旋轉(zhuǎn)時，它們將形成又長又細的螺旋，液體作用于鞭毛的粘滯力將對微機器人產(chǎn)生推力從而使其前進.機器人內(nèi)帶減速齒輪的微電機長22 mm、直徑4 mm;鞭毛由直徑0.15 mm的SMA制成.

實驗分析表明，可通過調(diào)整微機器人4個鞭毛的旋轉(zhuǎn)方向有效地控制其游動方向.當4個鞭毛旋轉(zhuǎn)方向一致時，機器人將旋轉(zhuǎn)前進.

2.4 智能材料驅(qū)動形式

2.4.1 SMA驅(qū)動

韓國科技學院微系統(tǒng)研究中心的B.Kim等［14］研制了一種形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動的仿蚯蚓型微機器人.形狀記憶合金和波紋管組合使微機器人伸縮前行，具體移動過程是:硅樹脂波紋管作為彈簧提供變形力，當SMA彈簧被加熱收縮時，微機器人前部的微針鉗住接觸面，軀干后部向前滑動，同時SMA外部的硅樹脂波紋管收縮儲存變形能;然后，SMA彈簧冷卻，波紋管儲存的變形能使SMA彈簧伸長，同時，后部的微針鉗住接觸面，軀干前部向前滑動;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)對形狀記憶合金加熱-冷卻循環(huán)交替實現(xiàn).

該機器人采用無線射頻模塊控制，由堿性電池供電，圖4為機器人樣機.樣機移動速度為10 mm/min.

圖4 蚯蚓型微機器人樣機Fig.4 Assembled wireless microrobot

2.4.2 IPMC驅(qū)動

IPMC是一種人工肌肉材料，當對IPMC厚度方向施加電壓時，IPMC會產(chǎn)生較大的變形，向陽極彎曲.由于其較低的驅(qū)動電壓(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器人的開發(fā).

日本Kagawa大學智能機械系統(tǒng)系和哈爾濱工程大學自動化學院的 Shu-xiang GUO等［15］研制出了采用人工肌肉材料IPMC驅(qū)動的魚形微機器人(圖5).該魚形機器人頭部是輕質(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，當采用交流電源供電時，微機器人就能像魚類S型游動一樣前進.該機器人總長57 mm、寬10 mm、厚7 mm，僅重1.45 g.實驗結(jié)果表明，改變輸入電壓的頻率能控制其運動速度，輸入電壓頻率在4 Hz時速度達到最大.

該機器人采用的是有線控制形式，為了進一步微型化，作者又提出了將提供控制信號的DSP控制器集成到機器人內(nèi)部的無線控制方案.

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

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

2.5 能量場驅(qū)動形式

2.5.1 外部交變磁場驅(qū)動

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

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

2.5.2 外部旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動

日本東北大學的K.Ishiyama和M.Sendoh等研制了外部旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動的泳動微機器人［17-18］.微機器人主體由直徑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).當對微機器人施加外部旋轉(zhuǎn)磁場時，永磁體被徑向磁化，與外磁場同步旋轉(zhuǎn)運動，螺旋結(jié)構(gòu)給液體一個向后的作用力，微機器人在液體反作用力下就旋轉(zhuǎn)前進.改變外磁場的方向可以控制機器人的運動方向，而運動速度則取決于外磁場的強度、頻率和液體介質(zhì).

圖7 外部旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動的泳動微機器人Fig.7 Schematic view of magnetic micro － machine

2.5.3 靜磁場驅(qū)動

澳大利亞悉尼工程技術(shù)大學Hai-wei Lu等［19］研制出了采用線性電磁執(zhí)行器驅(qū)動的尺蠖型微機器人(圖8).該機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)行器位于機器人主體內(nèi)，由定子線圈和主要部件為永磁體的平動體組成，定子線圈附著在管狀主體上，平動體是能使機器人伸縮的活動部件.前腿或鰭與管狀主體固接，后腿或鰭與平動體固接，主體和平動體之間通過波紋管實現(xiàn)軟連接，為輔助波紋管運動，定子線圈和平動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，平動體在電磁力作用下從初始位置向前移動，并帶動后腿或鰭前進;當平動體達到最大允許伸展量時，切斷電源，電磁力消失，機器人主體在波紋管和復(fù)位彈簧的作用下向前移動，同時后腿或鰭的自鎖結(jié)構(gòu)可以防止其向后滑動;然后平動體回復(fù)到相對于定子線圈的初始位置處，等待下一個工作循環(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，使機器人像尺蠖運動一樣前進.

該管狀機器人直徑7 mm，長10 mm，驅(qū)動力20 mN，一次伸展移動距離1.2 mm.該機器人既可以在平面上運動也可以在液體中前進.

3 發(fā)展現(xiàn)狀分析

綜觀國內(nèi)外的研究狀況，智能材料和能量場驅(qū)動技術(shù)在微機器人領(lǐng)域應(yīng)用較多，能量場驅(qū)動技術(shù)中的磁場驅(qū)動受到了更多關(guān)注，究其原因是磁場控制便捷、輸出力大、無方向性、產(chǎn)生相對容易;相比而言，光波、微波、超聲波的方向性很強，在應(yīng)用方面受到了一定限制，而且，當應(yīng)用于人體體內(nèi)醫(yī)療檢查時，對人體有一定的副作用.

應(yīng)用于不同場合的微型機器人，需要根據(jù)其具體的工作環(huán)境來選擇驅(qū)動形式.氣動形式需要控制閥、空氣壓縮機和很長的氣體管道，可以應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域;在醫(yī)療領(lǐng)域方面，較長的氣體管道一方面會給患者帶來不適和痛苦，另一方面會影響其在人體復(fù)雜內(nèi)腔中運動的靈活性，增加前進的困難.熱驅(qū)動形式如果解決了材料的生物兼容性、能量消耗及如何應(yīng)對粗糙表面的問題，就可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域.微電機驅(qū)動一般適用于工業(yè)領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)和制造工藝問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)域的微機器人可以直接采用氣動、熱驅(qū)動、微電機驅(qū)動或能量場驅(qū)動形式;而應(yīng)用于人體體內(nèi)醫(yī)療的微機器人可采用微電機、外部能量場和智能材料驅(qū)動，但前提是微電機的制造工藝結(jié)合MEMS技術(shù)的發(fā)展而能使尺寸微型化到微米級的實用程度，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)并將其用于微機器人系統(tǒng)不再困難.此外，隨著磁場驅(qū)動技術(shù)及對外場敏感的智能材料的進一步發(fā)展，微機器人的應(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)的無線化及無線控制是微機器人技術(shù)向醫(yī)療領(lǐng)域延伸的一個重要發(fā)展方向.

［1］ 許良.微醫(yī)療機器人旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動電源的研究［D］.大連:大連理工大學機械工程學院，2006.

［2］ KIMS H，HASHI S，ISHIYAMA K.Methodology of dynamic actuation for flexible magnetic actuator and biomimetic robotics application［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2010，46(6):1366-1369.

［3］ ELWALEED A K，MOHAMED N A.A new concept of a linear smart actuator［J］.Sensors and Actuators A，2007，135:244-249.

［4］ GUO Shu-xiang，SHI Li-wei，ASAKA K.IPMC Actuator-based an underwater microrobot with 8 legs［C］//Proceedings of 2008 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation，2008:551-556.

［5］ FRIEND J，UMESHIMA A，ISHII T.A piezoelectric linear actuator formed from a multitude of bimorphs［J］.Sensors and Actuators A，2004，109:242-251.

［6］ SON K J，KARTIK V，WICKERT J，et al.A Piezoelectric unimorph actuator based precision positioning miniature walking Robot［C］//Proceedings of the 2005 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics，Monterey，California，2005:24-28.

［7］ FUKUDA T，HOISOKAI H，OHYAMA H，et al.Giant magnetostrictive alloy(GMA)applications to micro mobile robot as a micro actuator without power supply cables［C］//Proceedings of IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop.1991:210-215.

［8］ SENDOH M，lSHIYAMA K.Fabrication of magnetic actuator for use in a capsule endoscope［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2003，39(5):3232-3234.

［9］ TOMIE M，TAKIGUCHIA，HONDA T，et al.Turning performance of fish-type microrobot driven by external magnetic field［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2005，41(10):4015-4017.

［10］ LIMJ，PARK H，AN J，et al.One pneumatic line based inchworm-like micro robot for half-inch pipe inspection［J］.Mechatronics，2008，18:315-322.

［11］ ERDEMY E，CHEN Yu-ming，SUH J W，et al.Thermally actuated omnidirectional walking microrobot［J］.Journal of Microelectromechanical Systems，2010，19(3):433-442.

［12］ CHEN Bai，LIU Yao-dong，CHEN Sun，et al.A Biomimetic spermatozoa propulsion method for interventional micro robot［J］.Journal of Bionic Engineering，2008，(S):106–112.

［13］ CHEN Bai，JIANG Su-rong，LIU Yao-dong，et al.Research on the kinematic properties of a sperm-like swimming micro robot［J］.Journal of Bionic Engineering，2010，7(S):123–129.

［14］ KIMB，LEE MG，LEE Y P，et al.An earthwormlike micro robot using shape memory alloy actuator［J］.Sensors and Actuators A，2006，125:429-437.

［15］ GUO Shu-xiang，GE Ya-ming，et al.Underwater swimming micro robot using IPMCactuator［C］//Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation，IEEEPress，2006:25-28.

［16］ BYUN，CHOI J，CHA K，et al.Swimming microrobot actuated by two pairs of helmholtz coils system［J］.Mechatronics，2011，21:357-364.

［17］ ISHIYAMA K，SENDOH M，YAMAZAKI A，et al.Swimming micro-machine driven by magnetic torque［J］.Sensors and Actuators A，2001，91:141-144.

［18］ SENDOH M，ISHIYAMA K，ARAI K I.Fabrication of magnetic actuator for use in a capsule endoscope［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2003，39(5):3232-3234.

［19］ LU Hai-wei，ZHU Jian-guo，LIN Zhi-wei，et al.An inchworm mobile robot using electromagnetic linear actuator［J］.Mechatronics，2009，19:1116-1125.