微型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

吳超

[關(guān)鍵詞] 微型機(jī)器人;驅(qū)動(dòng)技術(shù);發(fā)展現(xiàn)狀

本文首先介紹微型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有的機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了簡(jiǎn)要的綜述，介紹了各種驅(qū)動(dòng)方式的原理以及優(yōu)缺點(diǎn)，并列舉了部分不同驅(qū)動(dòng)方式下的機(jī)器人研究。指出磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和智能材料技術(shù)的發(fā)展將極大地推動(dòng)微機(jī)器人應(yīng)用于人體體內(nèi)醫(yī)療領(lǐng)域。

近年來(lái)，隨著微型機(jī)器人研究取得長(zhǎng)足發(fā)展，微型機(jī)器人成為集成傳感、控制、執(zhí)行和能量的結(jié)構(gòu)單元，是計(jì)算機(jī)、材料、機(jī)械、電子、控制和生物醫(yī)學(xué)等多學(xué)科技術(shù)的交叉融合的成果，具有結(jié)構(gòu)尺寸微小，器件精密，可進(jìn)行微細(xì)操作等特點(diǎn)。微型機(jī)器人開(kāi)發(fā)研究的主要方向包括：降低耗能、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、位移輸出和力輸出較大、線控性能優(yōu)良、體積小，環(huán)境發(fā)生變化時(shí)響應(yīng)時(shí)間少等方面。

一、 微型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)技術(shù)

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。過(guò)去許多驅(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)因位移也受到限制，往往需要很高的工作電壓;電磁驅(qū)動(dòng)因復(fù)雜的電磁結(jié)構(gòu)很難制造和微型化。隨著微機(jī)械加工工藝及智能材料的發(fā)展，微機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)逐步實(shí)現(xiàn)大輸出力矩、高運(yùn)動(dòng)精度和強(qiáng)行進(jìn)能力等特點(diǎn)的新型驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

二、 驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究現(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、人工肌肉材料、壓電材料、巨磁致伸縮材料。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)。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式也越來(lái)越多。

（一）傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)

液壓驅(qū)動(dòng)是通過(guò)將油壓泵產(chǎn)生的工作油的壓力能轉(zhuǎn)變成的機(jī)械能實(shí)現(xiàn)力的傳遞。該驅(qū)動(dòng)控制性能好，有較高的精度;對(duì)于極端惡劣的外部環(huán)境，也有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。2016 年，谷歌子公司波士頓動(dòng)力公司升級(jí)了最新款由液壓驅(qū)動(dòng)四肢的Atlas 機(jī)器人，Atlas 不僅能在各種地形上自如行走，還能完成下蹲、撿物、開(kāi)門(mén)等各種擬人動(dòng)作，在受到外力攻擊時(shí)能保持機(jī)體的平衡，且被推倒后還能再次站起來(lái)。

氣壓驅(qū)動(dòng)的工作原理與液壓驅(qū)動(dòng)類似，是以空氣壓縮機(jī)為動(dòng)力源，以壓縮空氣為工作介質(zhì)，進(jìn)行能量傳遞。氣壓驅(qū)動(dòng)器能迅速變化，快速性好; 氣壓驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的廢氣不會(huì)污染環(huán)境。氣壓驅(qū)動(dòng)方式通常用于搬運(yùn)輕的物體和中、小負(fù)荷的工業(yè)機(jī)械手中。譚益松等人設(shè)計(jì)了一種用于管道清潔的氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，仿照尺蠖式運(yùn)動(dòng)，固定前端或后端，中間收縮的方式，完成機(jī)器人的前進(jìn)后退運(yùn)動(dòng)，利用氣壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)合金刀旋轉(zhuǎn)清理長(zhǎng)距離復(fù)雜的管道內(nèi)壁。

電氣驅(qū)動(dòng)是利用各種電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生力和力矩，直接或經(jīng)過(guò)機(jī)械傳動(dòng)間接去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以獲得機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)。。電氣驅(qū)動(dòng)的成本較低且方便，適合用于大功率機(jī)器人。Zouari L.等人設(shè)計(jì)了基于FPGA 板的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙自由度機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)成本低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。

（二）新型驅(qū)動(dòng)

磁致伸縮驅(qū)動(dòng)主要是利用了磁致伸縮現(xiàn)象（ 即磁致伸縮材料磁化狀態(tài)的改變導(dǎo)致其長(zhǎng)度發(fā)生微小的變化） ，主要用于微小的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。

壓電驅(qū)動(dòng)器的壓電材料是一種當(dāng)它受到力作用時(shí)其表面上出現(xiàn)與外力成比例的電荷的材料，又稱壓電陶瓷。壓電陶瓷具有響應(yīng)速度快、位移線性好、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

形狀記憶合金（ SMA） 驅(qū)動(dòng)原理是指一種具有記憶功能的特殊的合金，在受到外力作用時(shí)發(fā)生形變，當(dāng)溫度達(dá)到某一適當(dāng)值時(shí)，該合金能自動(dòng)恢復(fù)到形變前的形狀。SMA 制成的驅(qū)動(dòng)元件，體積較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，因此有些研究人員將SMA 應(yīng)用于微型機(jī)器人中。

超聲波驅(qū)動(dòng)是利用了超聲波的振動(dòng)特性進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。超聲波振動(dòng)引起振動(dòng)物體與移動(dòng)物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了摩擦力，以摩擦力作為驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)器人動(dòng)作。

超聲波驅(qū)動(dòng)器和SMA 驅(qū)動(dòng)一樣，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單; 同時(shí)超聲波驅(qū)動(dòng)還具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，因此比較適合機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)。

電磁驅(qū)動(dòng)是指通過(guò)改變磁場(chǎng)與導(dǎo)體的相對(duì)位置，使導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而使得導(dǎo)體在電場(chǎng)力的作用下開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。已有的研究除了直接使用電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，也有通過(guò)電磁驅(qū)動(dòng)改變機(jī)器人的重心實(shí)現(xiàn)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的。

靜電驅(qū)動(dòng)是利用電荷間引力和排斥力的相互作用順序驅(qū)動(dòng)電極而產(chǎn)生平移或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于其能量密度較低，應(yīng)用的相對(duì)較小，但是它具有電壓驅(qū)動(dòng)、易于集成和控制的特點(diǎn)，在微型機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)中具有突出優(yōu)勢(shì)。

三、結(jié)論

微機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，促進(jìn)了世界工業(yè)的進(jìn)步，驅(qū)動(dòng)技術(shù)作為機(jī)器人中極其重要的部分，必須不斷地發(fā)展提高以滿足不斷改進(jìn)的機(jī)器人需求。高效、經(jīng)濟(jì)、無(wú)污染、易控的驅(qū)動(dòng)方式將是未來(lái)研究的重點(diǎn)。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。隨著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。人體體內(nèi)醫(yī)療的微機(jī)器人將可采用外部能量場(chǎng)和智能材料驅(qū)動(dòng)。

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