微型机器人简介

《微机电系统设计学》读书报告

——浅谈微型机器人

吕玉峰21225099

摘要：微型机器人是微机电系统的重要分支，是微机电系统发展的高级形式。本文阐述了微型机器人的概念及关键技术；论述了现阶段国内外的研究现状，介绍了它的应用；最后指出了微型机器人的发展中尚待解决的问题。

关键词：微型机器人，微机电系统

前言

机器人技术是一门快速发展的高新技术，在许多领域得到了日益广泛的应用，并对人类社会产生着日益重大的影响。微型机器人（Micro-Robotics）是指集成了微型作业工具、各种微小型传感器，具有通用编程能力的小型移动机构。

微机电系统（Micro Electromechanical System，MEMS）是指可批量制作的，将微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、以及接口通信和电源等集于一体的微型器件或系统。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、光学等学科的交叉融合促进了MEMS技术的迅速发展。MEMS是目前正在飞跃发展的微米/纳米技术中的一项十分重要的技术，它的成熟和产业化，对经济建设、国防建设乃至社会发展都将产生深远影响。

微型机器人是利用IC（集成电路）微细加工技术，将驱动器和传动装置、传感器、控制器、电源等集成在一起的功能完备的MEMS系统。MEMS技术可将机器人系统的尺寸缩小到几毫米甚至几百微米，这种微型化的趋势经逐渐成为机器人发展领域的一个重要方向。微型机器人的研究方向可以归纳为三个方面：微操作机器人技术，微定位机器人技术和微型机器人技术。

微型机器人结构尺寸微小，器件精密，可进行微细操作，具有小惯性、快速

响应、高谐振频率、高附加值等特点。然而，微型机器人并不是简单意义上普通机器人的微小化，微型机器人一般集成有传感、控制、执行和能量单元，是机械、电子、材料、控制、计算机和生物医学等多学科技术的交叉融合。微型机器人的研究，是一个新颖又具有重大实际意义和挑战性的课题。该技术有利于实现真正意义上的微小系统，充分展示了微小系统的巨大魅力；而且建立微型机器人需要更为微小的驱动器、执行器、传感器、处理器等，由此展开的对微型机器人本体加工和微部件的研制，将有利于实现更高意义上的微系统集成，推动MEMS技术继续前进。

1.微型机器人的组成、关键技术及分类

微型机器人系统一般由四部分组成：微执行器，微传感器，微能源，控制系统。相应的微执行器技术、检测技术、能源供给和控制技术就是微型机器人的关键技术。

（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的发展水平。

（2）检测技术

在微型机器人上配备传感器后可以检测微型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。微型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。

（3）能源供给技术

微型机器人的能量供应方式可分为有线和无线，无线供能是微型机器人发展的未来趋势。其中无线又可分为内部供应型和外部供应型两种。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：光驱动方式、热转换方式、压驱动方式、变位转换方式、电磁供应方式等。

（4）控制技术

微型机器人控制技术关键的是在微小尺寸水平上的集成机载控制器。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。

微型机器人种类很多，也有很多分类标准：

1)按所应用的领域，可以分为医疗用和工业用两类；

2)按工作环境，可分为管道微型机器人、微型飞行器和水下微型机器人三

类；

3)按驱动方式，可分为气动、微电机驱动、智能材料驱动、能量场驱动等；

4)按移动方式，可分为轮式、足式、蠕动式、泳动式等；

5)按能源供给方式，可分为有线和无线两种形式。

2.微型机器人的国内外研究现状

目前，微型机器人已经成为了MEMS研究的一个重要的方向和热点，世界各国正积极地开展微型机器人的研究。美国国家自然科学基金会将MEMS技术列为优先支持的项目，美国国防部先进研究计划署也制定了有关MEMS的研究发展计划。在欧洲，尤其是德国和法国，MEMS技术作为前沿高科技，得到欧盟组织的大力支持。在日本，微机械研究始于1991年由通产省资助的“微机械技术十年计划”，分为基础研究、中间评价和系统化技术三个阶段，并于1992年组建了“微机械研究中心”来负责组织管理和规划研究，重点是发展进入工业狭窄空间微型机器人、进入人体狭窄空间的医疗微系统和微型工厂。

我国微型机器人的研究起步较晚，在驱动控制系统的研究方面和国外差距比较明显。微型机器人的研究己经被列为国家“863”计划。国内研究人员已经开展了卓有成效的工作，也取得了一系列的研究成果。主要集中在三个领域：（1）面向煤气、化工、发电设备细小管道探测的微型机器人；

（2）针对人体、进入肠道的无创诊疗微型机器人；

（3）面向复杂机械系统非拆卸检修的微型机器人。

下面按照微型机器人不同工作环境的分类，来看微型机器人的研究成果。

2.1微型管道机器人

微型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。

在工业、核工业、石油天然气等领域中，管道作为一种有效的物料输送手段而得到广泛应用，为了提高这些管道的寿命，防止泄露等事故的发生，管道机器人作为满足高效准确的故障诊断、检测及维修的手段应运而生，其广泛地应用于管道的探伤、补口、维修、焊接等诸多领域。

医疗机器人将机器人技术应用到医疗领域，极大的推动了现代医疗技术的发展，近年来随着MEMS的发展，大大促进了医疗机器人的微型化，可用于人体内诊断和治疗的微型机器人的研究越来越受到重视，如下图所示。

2.2微型飞行器

微型飞行器不同于传统概念上的飞机，它是MEMS集成技术的产物。微型飞行器的姿态控制系统中的微型地平仪、微型高度计，导航系统中的微型磁场传感器和微型加速度计、微陀螺仪等，飞行控制系统中的微型空速计、微型舵机等，在微型飞行器上应用的微型摄像机、微型通讯系统等，都需要MEMS技术的支持，以减少体积和重量，改善飞行器的性能。微型飞行器的动力——微型发动机也需利用MEMS技术制造，所以说，微型飞行器除机身和机翼外，都需依靠MEMS技术，甚至机翼也可以用MEMS技术制造灵巧的蒙皮，以控制飞行器的飞行姿态。

微型飞行器的一个重要应用是军事侦察，可进行敌情侦察及监视、战争危险估计、目标搜索、通信中继，侦察建筑物内部情况等。适用于城市、丛林等多种