2022年微机器人关键技术及应用定义 .pdf

综述与评论微机器人关键技术及应用杨志欣,孙宝元,董维杰,崔玉国 (大连理工大学机械工程学院,大连116023)摘要:微机器人是微机电系统(MEMS)的重要分支,是微机电系统发展的高级形式。本文阐述了微机器人的关键技术;从微机器人关键技术这个新角度介绍了它的应用;最后指出了微机器人发展中尚待解决的问题,并对其发展提出了若干建议。关键词:微机器人;微执行器技术;检测技术;能源供给;控制技术中图分类号: TP24216文献标识码: B文章编号: 1001 - 3881 (2002)6- 003 - 40 引言微机器人是在微细加工技术和微型机械电子产品基础上迅速发展起来的一个多学科交叉的前沿研究领域,是微机电系统(MEMS)的重要分支,是微机电系统发展的高级形式。目前,国内外对微机器人的研究都很重视,各种微机器人的研究成果不断涌现,它已成为举世瞩目的重大科技发展方向1 - 2 。1 微机器人的关键技术微机器人系统一般由以下四部分组成:(1)微执行器,(2)微传感器,(3)微能源,(4)控制系统,与此对应的微执行器技术、检测技术 、能源供给和控制技术就是微机器人的关键技术。当然将以上四部分集成在一起是微机器人发展的趋势,目前国内外的研究大多还没达到这一步,许多是分离的组件构成一个广义的机器人系统。(1)微执行器技术微执行器的研究,一直是微机械发展的关键,并在一定程度上标志着一个国家微机械发展水平3 。相比微传感器,实用化的微执行器还很少。微执行器大多还处在发展阶段,存在设计 、控制 、精度 、环境影响等重要问题 。(2)检测技术在微机器人上配备传感器后可以检测微机器人的运动参数及环境参数,并存储和传递检测到的信号。作为机器人的感觉器官,传感器须具备拾取信息、传递信息的功能,同时还须满足尺寸小、分辨率高 、稳定性和可靠性好、时间响应快等特点4 。微机器人常用的传感器有视频探测器、涡流传感器 、激光干涉仪 、加速度传感器等等。(3)能源供给微机器人的能量供应方式可分为有缆和无缆,无缆是微机器人发展的未来趋势。其中无缆又可分为内部供应型和外部供应型两种5 6 7 。内部供应的能量大多是电能,一般采用电池和电容器供能 。电池输出功率的连续性好,但是很难小型化 。外部供应型大致有以下几种:光供应方式,该方式用光作能源,例如:将光转换成热以产生驱动力的光-热转换方式;照射激光束以施加光压力的光-压驱动方式;照射紫外线利用光致现象的光-变位转换方式 。电磁供应方式,例如:使机器人处于磁场中,利用磁致伸缩效应使其运动。 超声波,例如:利用“ 辐射压”以超声波进行非接触操作或产生推动力 。机械振动,例如:在振动场放置弹性体,利用共振现象有选择地供能和传送控制信号。其他方式,如由外部施加温度变化,利用热电效应的方式,再如利用DNA(脱氧核糖核酸)的结构特性为微机器人提供动力等等 。(4)控制技术微机器人的控制关键是在微小尺寸水平上的集成,即集成的机载控制器。目前这个技术还没有很好地解决,有待计算机和部分外设集成技术的突破4 。现在大多数微机器人还是控制器与其余部分相分离,通过在微机器人中采用视觉伺服等技术,提高控制器的控制性能和自主能力。目前的重要问题是如何提高图像处理的速度,神经网络 、人工智能的引入将有助于解决这一问题 。另外,先进的控制策略,如路径规划,控制器参数的在线优化等的研究也将使微机器人的智能水平得到进一步的提高。微机器人是一个系统,只有微传感器 、微执行器 、微能源和控制等技术的研究较为成熟,微机器人的研究才有可能取得突破。2 微机器人的应用目前人们对微机器人的研究各有侧重,下面我们从微机器人关键技术这个新角度来介绍它的应用。(1)微执行器技术如果按微机器人中执行器的驱动方式分类,微机器人可分为:压电驱动 、形状记忆合金(S MA)驱动 、气压驱动 、静电驱动 、电磁驱动 、热膨胀驱动、光驱动 、超声波驱动等等 。压电微执行器 。日本DENSO公司研制出压电驱动的 、用于细小工业管道的自动化检测微小机器人8 。该机器人主要由四部分组成:两个弹性支撑腿、一个移动机构 、两个涡流传感器和一个散热器。移动机构由叠堆式压电元件、惯性块和弹性支撑腿组成。它以?3?机床与液压20021No16基金项目:国家自然科学基金(69774020)及博士点基金(98014106)资助项目? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 逆压电效应为基础,根据惯性冲击原理设计而成,运动示意图如图1。合理配置本体和惯性块的质量,选用适当频率,适当幅值的锯齿波电压作用于压电陶瓷,就能使机器人在管道内前后移动。样机尺寸为515mm20mm,自重1g,可在 8mm的管道内运动,最大移动速度为10mm/s。之后,该公司又用压电双晶片制作了微系统9 。系统由外部“电台”和微机器人组成。“电台”通过微波给机器人供能及发送指令。机器人尺寸为 915mm60mm ,可在 10mm的管道里无缆移动。微机器人由三部分组成:微波(RF)模块 、控制电路 、压电双晶片执行器构成的移动机构。RF模块接收两个频率的微波: 22GHz的微波用于供能, 24GHz用于通讯 。控制电路产生锯齿波信号驱动移动机构。移动机构的运动机理见图2。图1压电冲击式管微机器人运动示意图图2使用多层PZT双晶片执行器的移动机构机理图图3带有针型执行器的微小机器人日本MEITEC公司开发了一种带有针型执行器的管内微 机 器 人(见 图3)10 。针型执行器由四对压电片、一块弹性板和一个接触针构成 。压电片尺寸为10mm10mm012mm,接触针由环氧树脂胶粘在金属板上。将不同相位信号作用于各压电片,压电片的振动带动金属板发生弯曲振动,该振动传到接触针的末端,从而在末端与管壁间产生驱动力推动机器人运动。机器人图4水下运动微机器人的电源与控制信号由外部驱动 电 路 供 给。机 器 人 能 前进 、 后退 、旋转及螺旋运动。日本的Nag oya大学研制了一种两自由度的水下微机器人(见 图4)11 。它 的 整个身体构成一个放大机构,可以将PZT位移放大250倍 。两条腿伸出体外,更容易产生转向惯量。此外,每条腿上以一定角度粘有一对鳍,这可大大改善机器人的性能 。改变信号频率,腿可产生向前或向后的力。因此,通过两种模态的转变就可以有效的使机器人转向。日本Namiki机械工程实验室研制了一种两腿机器人12 ,它的腿是由压电双晶片执行器构成,机器人通过振动一条腿,并选择性地利用腿与地面间的摩擦来前进的,机器人背负一个加速计来检测它纵向运动的加速度 。作者认为粘滞摩擦模型比库仑摩擦模型能更好解释该机器人的运动,为了扩展机器人的运动维数,实验室又研制了两种两维运动的四腿机器人。静电力微执行器。如同人类或哺乳动物是常规尺寸机器人的优良模型一样,目前许多研究机构以昆虫为模型设计制造了微机器人。日本东京大学利用静电力开发了一种昆虫模型的击打式微飞行机构13 。如果给铝板和基座(硅片)之间加上电压,铝板就向基座移动,多晶硅翅膀向上弯曲。当交流电压的频率与系统机械振动的自然频率一致时,击打将发生共振 。气压驱动微执行器。上海大学根据蚯蚓蠕动原理,研制了一种气压驱动微机器人14 。该机器人的蠕动机构由三部分组成:两个径向伸缩的保持器和一个轴向伸缩的推进器。其运动原理如图5所示 。保持器在不同阶段与管壁保持吸附或脱离,吸附时起定位和支撑作用 。推进器位于两个保持器之间,通过轴向伸缩运动驱动机器人前进。保持器是利用气囊的膨胀来增加其有效直径,增大与管壁的接触面积,从而柔软的吸附在管壁内腔周围。图5运动原理图6直线跟踪型微机器人直流微马达驱动。清华大学研制了一种全自动直线跟踪微机器人(见图6)15 。它通过光电探测器获得机器人的状态,要实现的目标是跟踪白色地面上的一条黑线 。除了光电探测,微处理器中还配有简单的逻辑算法以实现机器人的智能。微机器人尺寸是30mm25mm30mm ,速度为60mm/ s,由移动机构和控制电路组成 。移动机构有两个分离的驱动部件,每个部件由一个马达和一套减速器组成。移动机构可驱动机器人实现前进 、后退 、左转和右转的功能。两个光电元件相当于微机器人的“眼睛”,它获得机器人在黑线上的信息,然后控制电路决定机器人行为。形状记忆合金(S MA )微执行器 。中国科技大学研制出了基于S MA导向的用于人体肠道检查和腹腔手术的医用蠕动式管道微机器人16 。携带内窥镜检测的微机器人在可控的S MA元件的作用下可以实现自主导向 。S MA元件和软芯被做成多竹节结构,通过对其?4?机床与液压20021No16? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 通电控制,微机器人头部的内窥镜整体能在空间三维方向弯曲成所需要的形状,乃至复杂的S形,因此微机器人容易穿越大肠不规则的各种管道,大大降低患者的痛苦 。其它形式的微执行器。日本Kagawa大学研制了一种多自由度的水下机器人(见图7)17 。该机器人利用ICPF (离子导电的聚合物薄膜)执行器作为伺服执行器实现了三自由度的游泳动作。水下微机器人的形状像一条鱼,尺寸为45mm10mm4mm ,由一对鳍和一个浮力调节器组成。通过改变输入电压的频率可控制机器人的游泳速度,通过改变电压的幅值及频率可控制上下游动方向。图7 水下微机器人图8微机器人系统的原理简图(2)检测技术上海交通大学利用2mm电磁微马达作为执行器设计制作了尺寸为5mm6mm的微机器人小车。为了对机器人小车进行实时控制,他们采用外部图像采集系统实现了机器人视觉18 。系统原理图如图8 ,系统采用MVPCI - V2图像采集卡 、光学显微镜及一对摄像机来采集信息 。其中摄像机P1主要用来实现微机器人高速运动时的系统粗定位,摄像机P2和光学显微镜M1主要用来实现微机器人的精密定位。其中,他们采用机器人运动参数粗略提取方法,实现了机器人运动参数的实时提取,采用亚像元定位的方法实现了微操作端位置参数的精确提取。广东工业大学研制了一种MPR - 1型管道微机器人19 。他们利用激光干涉仪采集数据,并纪录机器人的运动位移,作为系统的反馈信号。其中激光干涉仪是由英国RENISHAW公司的ML10激光干涉仪改进而成,测量原理如图9所示 。图9MPR - 1型微机器人所用激光干涉仪的侧量原理上海大学研制的Tubot II型微机器人可用于20mm管道内缺陷的自动探测20 。检测装置由涡流探头和涡流分析仪组成 。微机器人移动机构携带涡流传感器进入管道,当交流电流过传感器的检验线圈时,产生交变磁场,磁场作用于管壁,在管壁中产生涡流,涡流产生一个与原来的磁场相反的交变磁场。两个磁场叠加会使线圈的阻抗发生变化,因此测量线圈阻抗,就可以得到包括缺陷在内的管子各种参数。(3)能源供给日本DENSO公司研制的多层双晶片微机器人实现了无缆微波供能21 ,其供能系统如图10。由振荡器产生的微波经放大器放大后,通过管道传导。这些信号经机器人身上的天线接收,然后由整流电路变为直流信号给机器人供能。图10微波供能系统图11选择性电源供给日本东京大学利用振动能量场激励微机器人7 。图11是选择性电源供给的示意图。微机器人有很多执行器,它们有着各自的谐振频率。当压电振子的频率等于执行器的共振频率时,执行器就被激励。叠加不同频率就可以选择性激励相应的执行器,因此有n个执行器的微机器人就能执行2n种行动 。这意味着,这种配有多个谐振执行器的微机器人能有效供能,同时无需复杂的转换机构就可利用频率选择方式实现机器人的控制 。(4)控制技术图12带有光学显微镜的微操作站德国Karlsruhe大学的“微小机器人” 工作组研制了一种基于自动微机器人的微操作工作站(如图12所示)22 23 。该工作站包括四部分:几个压电微机器人,它们不仅能长距离移动而且能实现纳米范围内微操作;一个全局传感器系统(CCD摄像机) ,用于实现显微镜工作台上的机器人定位;一个局部传感器系统?5?机床与液压20021No16? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - (配备CCD摄像机的光学显微镜) ,用于在显微镜下操作微小对象;控制系统,同时装备于PC机及并行计算机系统上 。对于这个工作台上的微机器人,控制目标是实现从起始点到目标点的直线运动。鉴于该系统存在诸多不确定因素的影响,他们采用MRAC神经网络控制系统(见图13) ,获得良好的控制效果。后来,他们又对微机器人的运动进行了模糊控制的研究。图13用于微机器人定位的MRAC神经网络控制系统的框图广东工业大学在其研制的MPR - 1型管道微机器人19 的前端装备了一个微型CCD,通过CCD可以自动采集管内图像进入计算机。整个系统由计算机控制,激光干涉仪采集机器人的运动位移,作为系统的反馈信号 。用程序编制好机器人运动的控制序列,再输入至机器人中的各个线圈,产生磁场,分别控制机器人的左右转向 、磁性腿的动作及主体执行器的驱动。这些线圈的动作次序构成序列,组成机器人不同的运动模态 。根据机器人运行的管内条件及运动特性,用神经网络自学习算法,学习各种模态对应的管内条件,使机器人具有自律性,自觉选用工作频率和运动路径。3 尚待解决的问题及几点建议微机器人的应用前景无疑是美好的,可是目前还有一些技术问题24 尚需解决,例如:(1)微机器人的三维制造方法;(2)微机器人的材料;(3)微机器人的系统设计方法;(4)微润滑;(5)微流体力学;(6)微机器人的测量方法;(7)微机器人的控制方法;(8)微机器人的信息系统结构;(9)微机器人的通讯方法;(10)微机器人的供能方式;(11)微机器人的人机界面;(12)微机器人的环境问题。要制造微机器人,就要注意在材料、制造方法、机械工程 、电子学和信息工程等学科间的融合。微机器人不仅应从“工程”角度研究,而且应从“科学”角度来研究 。前者着眼于技术应用,后者重在自然科学这个基础 。为了推进该工作,不同领域间的融合是必要的 。国内微机器人的研究与国外尚有一定差距,我们在技术跟踪的同时,应抓住机遇 、积极创新,将微机器人技术尽快实用化。参考文献【1】Hiroyuki Fujita1Future of actuators and microsystems1Sens ors andActuators A 56(1996) : 105111【2】周兆英,叶雄英,李 勇等 1 微型机械及其发展1 中国仪器仪表, 1993 (1) : 1417【3】马建旭,马培荪,罗俊章1 管道微机器人中压电执行器的研究 1压电与声光, 1999121(2) : 108112 , 118【4】章亚男,周建梁 1 微小移动机器人研究现状及关键技术1机电一体化, 2000 (4) : 1114【5】微型执行元件的最新动向1光机电信息,1995112(1) :69【6】利用DNA驱动微型机器人1 国外科技动态, 2000 (5) :46【7】Takashi Yasuda,Isao Shimoyama ,Hirofumi Miura1Microrobotactuated by a vibration energy field1Sens ors and Actuators A ,1994 , 43 : 366370【8】TakaharuIDOGAKI ,HitoshiKANAY AMA1Characteristics ofpiezoelectric locomotive mechanism for an in - pipe micro in2spection machine1S ixth international symposium on micro ma2chine and human science, 1995: 193198【9】Hideaki NISHIK AWA ,TakanariS ASAYA ,Tsksyuki SHIBA2TA1In - pipe wireless micro locomotive system11999 InternationalSymposiumon Micromechatronics and Human Science, 1999 :141147【10】Toshiyuki Matsuoka, Hiromu Okamoto , Motomu Asano1A pro2totype model of micro mobile machine with piezoelectric drivingforce actuator1Proceedings of the International Symposium onMicro Machine and Human ScienceOct 2 - 4 1994 : 4754【11】ToshioFUKUDA ,AtsushiKAWAMOTO ,FumihitoARAI1Steering mechanism and swimming experiment of micromobile robot in water1Proceedingsof the IEEE Micro ElectroMechanical SystemsJan 29 - Feb2 1995: 300305【12】Kazuo Tani1Friction models for mobile machine using piezo vi2bration1AMC96 - MIE:717722【13】Hirofumi Miura ,Takashi Yasuda,Isao Shimoyama1Insect -modelbased microrobot1Robotics and Autonomous Systems ,1997 , 21 : 317322【14】米智楠,龚振邦,钱晋武等 1 一种无损检测的新型机器人 1 无损检测, 2000122 (11) : 489491【15】Yi Deer , Lu S i ,Yan Yingbai1Full autonom ous micro line tracerobot12000 International Symposiumon Smart Structures & Mi2crosystems【16】杨 杰,中村仁彦,吴月华等1 医用微型机器人 SMA内窥镜与S MA腹腔手术钳子1 中国科学技术大学学报, 1996126 (4) : 444449(下转第20页)?6?机床与液压20021No16? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 适宜检测更大的工件。机器人的端部安装了非接触式三维视觉传感器装置,它有二个在45 方向对称配置的激光传感器和一个位于中心线上的CCD摄像机,可用来检测被测工件型面上某一点在空间的位置,或确定工件型面上一个孔的大小及其中心的坐标位置 图7(b) 。一般情况下,测量机器人采用比较测量的方式,故需要准备一个用于“置零”的校准件。事实上,冲压件 、焊接件这类工件,不可能制成一个很精确的标准件,具体的做法是:选一个尺寸精度好些的工件,在准确度较高的三坐标测量机上,测出其实际尺寸值;然后将这些数据输入测量机器人的控制系统,作为修正值 。多自由度通用测量机器人在东亚一些大型汽车厂有较多应用,如日本的本田、日产 、丰田集团 。上海大众汽车有限公司也在1995年选用了四套这样的系统,配置在车身车间,用于测量左右侧围和前围等三种焊接总成件 。多自由度通用测量机器人的突出优点是有很好的柔性,只要变换程序,即可适用众多形状各异的工件 。上海大众公司所用的测量机器人,就具备100种不同的工作程序,它们均作为生产线上的在线检测 手 段来 使 用,对 工 件 作 比例 很 高 的抽 检 或100 %全检 。通用机器人的运动速度是可以调节的,上海大众公司在用的这几台,就可在一个较大的范围变换速度 。当测点在4060个左右时,一般需24min ,但在用于全检的场合,检测点往往很少仅2030个,以确保与生产节拍相适应。尽管这种类型的测量机器人已经在生产实际中应用,但有其局限性,如:成本和投资较高;由于受到机器人定位误差的影响,系统精度较低。以上海大众公司 配 置 的那 几台 为例,激 光 传感器 的精 度 为 0106mm,整个系统的测量精度为013mm。其工作效率较之配备在工序间的三坐标测量机虽然高得多,但与激光固定测量站相比,又低了不少 。凡此种种,都在一定程度上影响了它们的推广应用。2 结束语由于篇幅所限,本文仅介绍几种常用的生产线检测设备,此类设备在国外制造厂家中已得到广泛的应用 。随着国内汽车工业的蓬勃发展,在车身质量控制工程中,要达到降低成本,快速反应的目的,检测设备的引进以及相关的检测理论,分析方法的研究势在必行 。鉴于各种检测设备的优点和缺陷所在,同时结合相关的理论和方法,充分而有效地使用检测设备必将为迅速提高我国汽车工业产品质量和新产品开发能力带来积极的影响。参考文献【1】金 隼,来新民,陈关龙1 基于在线检测的车身焊装夹具故障诊断 光学坐标测量机的应用1 中国汽车工程学会制造分会第八届检测年会论文【2】金 隼,来新民,陈关龙1 在线检测技术在车身焊装生产中的应用1汽车技术, 2000 (2) : 2628【3】朱正德 1 激光检测技术在现代轿车车身制造中的应用1江苏机械制造与自动化, 2000 (5) : 1216【4】朱正德 1 现代测量技术在轿车车身匹配工作中的应用1实用测试技术, 2000 (5) : 911【5】精密测试技术展望1 中国工具信息网 技术园地【6】黄曼萍 1 检验 、测量和检测设备的控制1 计量与检测技术, 1999(1)【7】吴华昌,质 量 体 系 中 的 测 量 设 备 1 计 量 与 检 测 技 术,2000 (3)【8】张 华,潘际銮 1Real - time measurementof welding tempera2ture field and closed loop control of penetration1China Welding ,1999 (2)【9】Laser Vision Measurement System and Assessment Method forS MIC Lead Coplanarity1ChineseJournal of Lasers , 2000 (5)收稿时间: 2002 - 01 - 28(上接第6页)【17】Shuxiang GUO ,Koichi SUGIMOTO , Seiji HATA1A”under2water microrobot with multi DOF12000 International Symposiumon Smart S tructures &Microsystems【18】周刚慧,施鹏飞,曹长江等 1 微型机器人视觉系统的实现J 1 测控技术, 2001120(5) : 2426【19】程良伦,杨宜民 1 一种新型管道内微机器人的研究1 机器人, 1999121(4) : 249255【20】钱晋武,沈林勇,成维明等 1 微小管道涡流检测机器人系统研究 1 机器人, 2001123(2) : 127131【21】TakayukiSHIBATA ,YutakaAOKI ,ManabuOTS U2KA1Microwaveenergytransmissionsystemformicro2robot1IEICETRANS1E LECTRON111997 ,E80 - C (2) :303307【22】Karoly Santa, Michael Mews1A neural approachfor the controlof piezoelectric micromanipulation robots1Journal of Intelligentand Robotic Systems1998 , 22 : 351374【23】Karoly Santa,Sergej Fatikow,Gabor Fels o1Control of mi2croassembly -robots by using fuzzy -logic and neural net2works1Computers in Industry 1999 , 39 : 219227【24】Furo - chyo ,Chikusa - ku1Microrobot and applications11993IEEE作者简介:杨志欣,女,博士研究生,研究方向为微小机器人及其控制系统。收稿时间: 2002 - 04 - 01?02?机床与液压20021No16? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -