微型機器人驅動技術發展現狀

吳超

[關鍵詞] 微型機器人;驅動技術;發展現狀

本文首先介紹微型機器人驅動技術，對現有的機器人的主要驅動方式進行了簡要的綜述，介紹了各種驅動方式的原理以及優缺點，并列舉了部分不同驅動方式下的機器人研究。指出磁場驅動技術和智能材料技術的發展將極大地推動微機器人應用于人體體內醫療領域。

近年來，隨著微型機器人研究取得長足發展，微型機器人成為集成傳感、控制、執行和能量的結構單元，是計算機、材料、機械、電子、控制和生物醫學等多學科技術的交叉融合的成果，具有結構尺寸微小，器件精密，可進行微細操作等特點。微型機器人開發研究的主要方向包括：降低耗能、簡化結構、位移輸出和力輸出較大、線控性能優良、體積小，環境發生變化時響應時間少等方面。

一、 微型機器人驅動技術

驅動技術在微機器人系統中起著至關重要的作用，微機器人執行任務時首先要考慮的是其運動能力。過去許多驅動原理已被報道，主要有靜電、壓電和電磁原理。靜電驅動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用系統;壓電驅動因位移也受到限制，往往需要很高的工作電壓;電磁驅動因復雜的電磁結構很難制造和微型化。隨著微機械加工工藝及智能材料的發展，微機器人應用系統逐步實現大輸出力矩、高運動精度和強行進能力等特點的新型驅動技術。

二、 驅動技術的研究現狀

目前，微型機器人常用的驅動技術概括起來主要有： 氣動、熱驅動、微電機驅動、智能材料驅動和能量場驅動。其中，智能材料驅動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。能量場驅動常用的有微波、光波、磁場和超聲波等能量場。隨著機器人技術的不斷發展，機器人的驅動方式也越來越多。

（一）傳統驅動

液壓驅動是通過將油壓泵產生的工作油的壓力能轉變成的機械能實現力的傳遞。該驅動控制性能好，有較高的精度;對于極端惡劣的外部環境，也有很強的適應能力。2016 年，谷歌子公司波士頓動力公司升級了最新款由液壓驅動四肢的Atlas 機器人，Atlas 不僅能在各種地形上自如行走，還能完成下蹲、撿物、開門等各種擬人動作，在受到外力攻擊時能保持機體的平衡，且被推倒后還能再次站起來。

氣壓驅動的工作原理與液壓驅動類似，是以空氣壓縮機為動力源，以壓縮空氣為工作介質，進行能量傳遞。氣壓驅動器能迅速變化，快速性好; 氣壓驅動產生的廢氣不會污染環境。氣壓驅動方式通常用于搬運輕的物體和中、小負荷的工業機械手中。譚益松等人設計了一種用于管道清潔的氣壓驅動機器人，仿照尺蠖式運動，固定前端或后端，中間收縮的方式，完成機器人的前進后退運動，利用氣壓馬達驅動合金刀旋轉清理長距離復雜的管道內壁。

電氣驅動是利用各種電動機產生力和力矩，直接或經過機械傳動間接去驅動執行機構，以獲得機器人的各種運動。。電氣驅動的成本較低且方便，適合用于大功率機器人。Zouari L.等人設計了基于FPGA 板的無刷直流電機驅動的雙自由度機器人系統，該系統成本低，動態響應速度快。

（二）新型驅動

磁致伸縮驅動主要是利用了磁致伸縮現象（ 即磁致伸縮材料磁化狀態的改變導致其長度發生微小的變化） ，主要用于微小的驅動場合。

壓電驅動器的壓電材料是一種當它受到力作用時其表面上出現與外力成比例的電荷的材料，又稱壓電陶瓷。壓電陶瓷具有響應速度快、位移線性好、體積小等優點。

形狀記憶合金（ SMA） 驅動原理是指一種具有記憶功能的特殊的合金，在受到外力作用時發生形變，當溫度達到某一適當值時，該合金能自動恢復到形變前的形狀。SMA 制成的驅動元件，體積較小，結構簡單，易于控制，因此有些研究人員將SMA 應用于微型機器人中。

超聲波驅動是利用了超聲波的振動特性進行驅動的。超聲波振動引起振動物體與移動物體的相對運動產生了摩擦力，以摩擦力作為驅動力驅動機器人動作。

超聲波驅動器和SMA 驅動一樣，體積小，結構簡單; 同時超聲波驅動還具有響應速度快的優點，因此比較適合機器人的驅動。

電磁驅動是指通過改變磁場與導體的相對位置，使導體內產生感應電流，進而使得導體在電場力的作用下開始運動。已有的研究除了直接使用電磁驅動機器人，也有通過電磁驅動改變機器人的重心實現機器人驅動的。

靜電驅動是利用電荷間引力和排斥力的相互作用順序驅動電極而產生平移或旋轉運動。由于其能量密度較低，應用的相對較小，但是它具有電壓驅動、易于集成和控制的特點，在微型機器人的研究開發中具有突出優勢。

三、結論

微機器人技術的不斷發展，促進了世界工業的進步，驅動技術作為機器人中極其重要的部分，必須不斷地發展提高以滿足不斷改進的機器人需求。高效、經濟、無污染、易控的驅動方式將是未來研究的重點。隨著磁場驅動技術及對外場敏感的智能材料的進一步發展，微機器人的應用正逐步地向人體體內醫療領域延伸。隨著納米磁材料和微加工技術的發展，使制造復雜的微型電磁結構并將其用于微機器人系統不再困難。人體體內醫療的微機器人將可采用外部能量場和智能材料驅動。

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