微小型机器人
微小型跳跃机器人：仿生原理，设计方法与驱动技术
第２１卷第１２期２０２３年１２月动力学与控制学报J O U R N A L O FD Y N AM I C SA N DC O N T R O LV o l ．２１N o ．１２D e c ．２０２３文章编号:１６７２Ｇ６５５３Ｇ２０２３Ｇ２１(１２)Ｇ０３７Ｇ０１６D O I :１０．６０５２/１６７２Ｇ６５５３Ｇ２０２３Ｇ１３３㊀２０２２Ｇ０５Ｇ１５收到第１稿,２０２２Ｇ０９Ｇ１８收到修改稿．∗国家自然科学基金资助项目(５２０７５４１１,５２３０５０３４),N a t i o n a lN a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a (５２０７５４１１,５２３０５０３４)．†通信作者E Ｇm a i l :l i b o x j t u ＠x jt u ．e d u ．c n 微小型跳跃机器人:仿生原理,设计方法与驱动技术∗吴业辉１,２㊀刘梦凡１,２㊀白瑞玉１,２㊀李博１,２†㊀陈贵敏１,２(１．西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,西安㊀７１００４９)(２．西安交通大学陕西省智能机器人重点实验室,西安㊀７１００４９)摘要㊀高爆发性的跳跃是生物亿万年进化演变中赖以生存的关键之一,帮助生物实现在各种非结构化环境下的灵活运动功能．通过对生物跳跃机制的深入理解,微小型跳跃机器人在功能及性能上取得长足进步．本文以生物跳跃运动四个阶段(准备㊁起跳㊁腾空和着陆)为主线,剖析了生物的行为原理,介绍了对应的微小型跳跃机器人的动力学特征与技术,归纳了现有研究的挑战,最后讨论了跳跃机器人的未来发展趋势和潜在研究价值．关键词㊀跳跃机器人,㊀生物跳跃机制,㊀仿生中图分类号:T P ２４２文献标志码:AAR e v i e wo f S m a l l ＧS c a l e J u m p i n g Ro b o t s :B i o ＧM i m e t i cM e c h a n i s m ,M e c h a n i c a lD e s i gna n dA c t u a t i o n ∗W uY e h u i １,２㊀L i u M e n g f a n １,２㊀B a iR u i yu １,２㊀L i B o １,２†㊀C h e nG u i m i n １,２(１．S t a t eK e y L a b o r a t o r y o fM a n u f a c t u r i n g S y s t e m E n g i n e e r i n g ,X i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y ,X i a n ㊀７１００４９,C h i n a )(２．S h a a n x i P r o v i n c eK e y L a b o r a t o r y f o r I n t e l l i g e n tR o b o t s ,X i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y,X i a n ㊀７１００４９,C h i n a )A b s t r a c t ㊀H i g h l y e x p l o s i v e j u m p i n g i s o n e o f t h e s u r v i v a l k e y s t o t h e o r ga n i s me v o l u t i o no v e r t h e c o u r s e o fb i l l i o n s o f y e a r s ．T h i sm o v e m e n t h e l p s o r ga n i s m s t oa c h i e v e f l e x ib l em o v e m e n t f u nc t i o n su nde rv a r i Ｇo u s u n s t r u c t u r e d c o n d i t i o n s ．T h r o u g ha n i n Ｇd e p t hu n d e r s t a n d i n g o fb i o l o g i c a l j u m p i n g me c h a n i s m ,t h e s m a l l Ｇs c a l e j u m p i n g r o b o t h a sm a d e g r e a t p r o g r e s s i nf u n c t i o na n d p e r f o r m a n c e ．T a k i ng th e f o u r s t a ge s of b i o l og i c a l j u m p i n g m o v e m e n t (p r e p a r a t i o n f o r t a k e Ｇo f f ,t a k e Ｇo f f ,f l i gh t a n d l a n di n g)a s t h em a i n l i n e ,t h i s p a p e r r e v i e w s t h e b e h a v i o r a l p r i n c i p l e o f o r g a n i s m s ,i n t r o d u c e s t h e d yn a m i c c h a r a c t e r i s t i c s a n d t e c h Ｇn o l o g y o f t h e c o r r e s p o n d i n g s m a l l Ｇs c a l e j u m p i n g r o b o t s ,s u mm a r i z e s t h e c h a l l e n g e s o f e x i s t i n g r e s e a r c h ,a n d f i n a l l y d i s c u s s e s t h e f u t u r e d e v e l o p m e n t a n d p o t e n t i a l o f j u m p i n g r o b o t s ．K e y wo r d s ㊀s m a l l Ｇs c a l e j u m p i n g r o b o t s ,㊀b i o l o g i c a l j u m p i n g m e c h a n i s m ,㊀b i o n i c 引言随着现代社会中机器人作业任务难度的提高,机器人在运动模式上也进入了全面发展的阶段,已经形成足式[１]㊁轮式[２]㊁蠕动式[３Ｇ５]㊁翻滚式[６,７]等多元化的研究体系,在生产协作㊁社会服务㊁医疗康复等场景下发挥着越来越重要的作用．但是一些非结构化的场景如星球探索㊁抢险救灾㊁环境监测,对机动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２３年第２１卷器人的运动性能提出了更高的要求．机器人需要以更小的体积适应狭小空间环境,快速翻越数倍于自身尺寸的障碍,还需要携带一定负载来完成通讯㊁检测㊁运输等功能,因此机器人在小体积㊁大负载㊁高能量密度㊁高爆发性㊁高灵活性等功能的发展有待提升．作为生物界一种独特的运动模式,跳跃运动在蝗虫[８,９]㊁跳蚤[１０,１１]等昆虫中经历了万亿年的演变,可与奔跑㊁飞行㊁游泳等运动模式相结合,帮助动物以极快的速度逃避天敌㊁捕食猎物,增强了生物的越障能力,使其更好的适应丛林㊁山地等复杂多变的地形．为了探寻生物产生爆发性跳跃运动的原因,科学家对各类具有出色跳跃性能的生物进行研究,发现生物体内弹性储能与闩锁结构的组合是解决微小型动物在爆发驱动中功率受限的关键[１２]．像沫蝉(F r o g h o p p e r s)[１３Ｇ１５]㊁跳蚤(F l e a s)[１０,１１]㊁叩头虫(C l i c kb e e t l e s)[１６Ｇ１８]㊁蝗虫(G r a s s h o p p e r s或L oＧc u s t s)[８,９]㊁弹尾虫(S p r i n g t a i l s)[１９Ｇ２１]等节肢动物,通过弹性蛋白㊁角质层等进行储能,利用身体中闩锁机构控制能量的锁定和释放,能够完成其自身尺寸的几十倍甚至上百倍的跳跃运动;青蛙(F r o g s)[２２,２３]等生物虽然没有特定的闩锁机构,但是具有可变的有效机械效益(E MA,E f f e c t i v em eＧc h a n i c a l a d v a n t a g e)的腿部,利用腿部肌肉所串联的肌腱进行功率放大,增强了自身的跳跃性能．根据仿生学原理,以微小型生物跳跃机理为灵感的跳跃机器人近些年得到了快速发展,其跳跃性能取得长足进步．到目前为止,机器人可实现单次约３３m的跳跃高度[２４],是其自身特征尺寸的百倍以上,也可以实现像夜猴一般敏捷的连续跳跃[２５];不仅能像蝗虫一般在路上跳跃,也如水黾一般从水面跳跃[２６],甚至有望实现在半空中跳跃[２７]．现如今,跳跃机器人的研究向集成化㊁多功能方向发展,在对大自然的学习中获得了各类生物跳跃相关的各类技能,逐步实现对生物的超越．综合考虑机器人的灵活性与负载能力,本文将集中讨论微小型的跳跃机器人(特征尺寸在３０厘米以内),从跳跃运动的起跳㊁腾空㊁着陆㊁准备四个基本阶段[２８]出发,对微小型生物跳跃及相关行为的机理进行综述,分析不同生物在储能与释放㊁腾空姿态㊁着陆缓冲㊁方向调整等方面的优势;在此基础上,对比现有的跳跃机器人各阶段功能的实现方式,结合生物特点分析仿生跳跃机器人的未来发展趋势以及面临的挑战,为其实现广泛应用提供设计参考．１㊀微小型动物的跳跃运动原理同其他具有跳跃功能的物种一样,微小型生物的跳跃行为可按照运动的状态的不同分为四个阶段,包括跳跃前的准备阶段㊁加速起跳阶段㊁腾空滑行阶段和落地缓冲阶段,如图１所示．在各个阶段,不同的生物根据自身生存条件的不同,进化出与各自所处环境相适应的跳跃特点,而受生物启发的跳跃机器人正是基于这些特点在高爆发㊁高集成㊁高灵活性等方面实现突破．图１㊀跳跃运动的四个阶段F i g．１㊀T h e f o u r p h a s e s o f a j u m p i n g m o t i o n １．１㊀起跳阶段在起跳阶段,生物体从肌肉㊁弹性元件等驱动单元内获得能量,完成从静止状态至脱离地面的加速运动过程．在驱动方式方面,微小型生物由于四肢短小且无法形成高主动应变率的肌肉[２９],因此多以机械储能的方式增大起跳功率,同时与闩锁结构的控制相配合,完成能量在短时间内的可控释放．此方式尤其体现在主要依靠弹性储能产生跳跃的生物中,如叩头虫[１６Ｇ１８]利用骨骼结构之间物理接触的作为闩锁来锁定弹性能[如图２(a)所示],该类型被称为接触式闩锁[３０];瘿蚊幼虫(t h e M e d iＧt e r r a n e a n f r u i tＧf l y l a r v a)[３１,３２]利用首尾钩状结构或微纳结构等摩擦接触将身体连接成环状,从而限制自身的形变,进而通过肌肉挤压内部液体来储存跳跃所需的弹性能[图２(b)];跳蚤[１０,１１,３３]㊁蝗虫[８,９]㊁沫蝉[１３Ｇ１５]等生物则利用跳跃机构的几何构型作为闩锁,而并非通过接触的方式实现弹性能量存储[图２(c)],该类型也被称为几何式闩锁．青蛙[２２,２３]㊁蟋蟀(C r i c k e t s)[３４]等生物由于具有较长的后肢而具有较长的驱动行程,而可以通过肌肉直接驱动的方式获得优异的跳跃性能．但是由于８３第１２期吴业辉等:微小型跳跃机器人:仿生原理,设计方法与驱动技术肌腱与肌肉的串联,青蛙同时也借助弹性元件来增强跳跃的驱动功率,其运动过程中同样存在几何闩锁[１２],锁定效果可通过 有效机械效益 (E MA)来衡量．对于跳跃运动而言,E MA是地面对生物的支反力(G R F)和肌肉驱动力(F)的比值(E MA＝G R F/F),可以表示串联弹性系统中肌肉所做的功流向弹性储能的大小,如图２(d)所示．E MA较小表示肌肉做功转化为串联弹性元件中储能,而不是直接驱动肢体加速跳跃;反之,表示肌肉做功大部分用于直接驱动,而非利用弹性元件储能．因此,如果E MA可以随肌肉收缩产生 阶跃 式的由小增大过程,则可以将其视为具有动力学 闩锁 ,前期储存的机械能也将在高E MA水平期间释放,从而达到增强跳跃瞬间功率的目的．此外,同样采取直接驱动方式的跳蛛(J u m pＧi n g s p i d e r s)[３５Ｇ３９]可以利用肌肉驱动 液压 关节完成腿部的快速伸展,从而完成跳跃运动[图２(e)],为跳跃运动的驱动实现提供了新的灵感[４０]．图２㊀起跳阶段生物行为与机理．a．叩头虫利用骨骼作为接触式闩锁储能[１６Ｇ１８];b．瘿蚊幼虫利用嘴钩作为闩锁而锁定自身形状[３１,３２]; c．跳蚤采用几何式闩锁(扭矩反转机构)锁定机械能[１０,１１,３３];d．青蛙利用串联弹性元件增大跳跃功率[２２,２３];e．蜘蛛采用液压直驱的方式跳跃[３５Ｇ３９] F i g．２㊀B i o l o g i c a l b e h a v i o r a n dm e c h a n i s m s d u r i n g t a k e o f f．a．C l i c k b e e t l eu s e s s k e l e t o na s c o n t a c t l a t c h t o s t o r e e n e r g y[１６Ｇ１８]; b．T h eM e d i t e r r a n e a n f r u i tＧf l y l a r v a s u s em o u t hh o o k s a s l a t c h e s t o l o c kb o d y s h a p e[３１,３２];c．F l e a s u s e g e o m e t r i c l a t c h(t o r q u er e v e r s a lm e c h a n i s m)t o s t o r em e c h a n i c a l e n e r g y[１０,１１,３３]; d．F r o g s u s e s e r i e s e l a s t i c e l e m e n t s t o i n c r e a s e j u m p i n g p o w e r[２２,２３];e．S p i d e r s j u m p i n g d r i v e nb y h y d r a u l i c f o r c e[３５Ｇ３９]１．２㊀腾空阶段在腾空阶段,生物体完成受空气阻力和自重影响下的斜抛运动,直至其身体与地面接触．许多生物虽然拥有相对自身尺寸数十倍的跳跃能力,但是在腾空之后不具备姿态调整功能,因此无法控制滑行时的轨迹和着陆时的姿态．在半空中姿态重新定位被称为适应性行为矫正,分为被动方式和主动方式[４１]．被动方式如豌豆蚜虫(A c y r t h o s i p h o n p iＧs u m)在高空坠落过程中不需要来自神经系统的动态控制或持续反馈,只是通过空气动力学稳定的姿势来被动地纠正自己[４２];其他跳跃生物则通过翅膀[４３]㊁肢体[２１]㊁尾巴[４４]等部位主动调整身体姿态．相对而言,被动方式需要的控制单元少,但是对环境依赖程度更高,而主动方式则更多见．为了适应不同的着陆角度,跳甲(F l e ab e t t l e s)根据所感知到的着陆点角度等信息,通过翅膀的主动运动来调整自身姿态,有效提高正面着陆的概率(如图３(a)所示),同时却并不影响其跳跃的高度．白粉虱(W h i t e f l i e s)[４３]也采取相同的策略,仅仅通过翅膀的伸展即可完成空中的稳定飞行,以防止翻筋斗,如图３(b)所示．图３㊀腾空阶段生物行为与机理．a．跳甲利用翅膀调整腾空姿态[４１];b．白粉虱利用翅膀防止翻筋斗[４３];c．弹尾虫利用腹管和 U 型姿势调整腾空状态[２１]F i g．３㊀B i o l o g i c a l b e h a v i o r a n dm e c h a n i s m s d u r i n g f l i g h t．a．F l e ab e t t l e s a d j u s t a e r i a l p o s t u r ew i t hw i n g s[４１]; b．W h i t e f l i e s p r e v e n t s o m e r s a u l t sw i t hw i n g s[４３];c．S p r i n g t a i l a d j u s t a i r b o r n e s t a t e sw i t h c o l l o p h o r e a n d＂U＂s h a p eb o d y[２１]除了以上具有飞行能力的生物,半水生的弹尾虫[２１]虽然没有翅膀却同样可以实现姿态矫正的功能．弹尾虫在起跳之前将腹部紧贴水面,通过具有亲水性的腹管收集水滴来改变自身的质量分布,在起跳之后将整个身体弯曲成U型,这两种行为都有助于矫正倾斜的姿态,并且避免了着陆前的翻转,如图３(c)所示．１．３㊀着陆阶段在着陆阶段,生物体依靠阻尼损耗㊁弹性储能９３动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２３年第２１卷等方式把自身的运动减速至静止状态．跳跃生物的缓冲方式也分为主动型和被动型,包括利用空气阻力的滑翔运动㊁变角度着陆足㊁吸收冲击的保护壳㊁变刚度肢体等．如生活在热带雨林中的飞蛙(G l iＧd i n g f r o g s)[４５,４６],依靠宽大的脚掌和趾间的蹼膜完成滑翔运动,并且具有较强的被动空气动力学稳定性,可以从树干高处快速降落来捕捉猎物或逃避天敌．滑翔运动有效改变着陆时的速度方向并通过较大的空气阻力降低速度大小,从而明显降低着陆时对地的冲击速度[４７],如图４(a)所示．无论是否具有滑翔功能,青蛙均利用前肢进行主动着陆缓冲,前肢接触地面并形成一个支点,身体围绕这个支点旋转,直至完成后肢落地[４８]．在着陆过程中,青蛙根据跳跃高度㊁水平速度的不同调整前肢的着陆角度,从而获得最小的冲击,如图４(b)所示．图４㊀着陆阶段生物行为与机理．a．飞蛙利用脚蹼实现滑翔运动[４５Ｇ４７]; b．青蛙前肢着陆过程中最小冲击角度调整[４８];c．瓢虫利用相互耦合的鞘翅进行缓冲,耦合面形状如图中红蓝曲线所示[４９]F i g．４㊀B i o l o g i c a l b e h a v i o r a n dm e c h a n i s m s d u r i n g f l i g h t．a．F r o g s g l i d i n g w i t h f l i p p e r s[４５Ｇ４７];b．A d j u s t i n g o f f r o g f o r e l i m ba n g l e f o r m i n i m u mi m p a c t d u r i n g l a n d i n g[４８];c．E l y t r a c o u p l i n g o f l a d y b i d s f o r b u f f e r i n g,a n d t h e s h a p e o f t h e c o u p l e d s u r f a c e i sh i g h l i g h t e di n t h e r e da n db l u e c u r v e s[４９]瓢虫(L a d y b i r d s)㊁甲虫等昆虫大多利用壳体减小冲击对自身的冲击,其中瓢虫除了采用由甲壳素微纤维和蛋白质组成的具有空腔的壳体来吸收能量,还利用成一定角度㊁相互耦合的翅鞘增强缓冲功能,以提供更多的能量吸收并减少碰撞后的反弹[４９],如图４(c)所示．如１．１节所述的瘿蚊幼虫,依靠柔软的身体进行储能跳跃的同时,也能利用身体足够柔软的特点吸收着陆冲击,使其无需采用专用的缓冲结构．与有足动物类似,相较于起跳阶段肌肉运动产生的高刚度,着陆时其身体刚度显然有所降低,有利于增大着陆冲击力的作用时间,从而降低冲击力的大小．１．４㊀准备阶段在准备阶段,生物体完成姿态恢复㊁跳跃能量储备㊁跳跃目标位置确定㊁跳跃方向和角度调整等工作．对于利用双足来进行跳跃的生物而言,其跳跃方向大多朝自身的正前方,依靠双足的同步运动来完成．像伊苏斯飞虱(I s s u s c o l e o p t r a t u s)在幼虫阶段时,由于其起跳所用时长为毫秒级,而神经信号同样为毫秒级,因此在双腿同步性控制方面具有很大难度．为了保证跳跃方向准确性,避免跳跃之后身体旋转和方向偏离,伊苏斯虫利用带有齿轮状的肢体保证了起跳时双腿的同步性[５０],如图５(a)所示．为了从倾倒之后的 四脚朝天 姿态中恢复,常见的昆虫如蟑螂(C o c k r o a c h e s)㊁瓢虫等均可根据不同的地形,利用鞘翅㊁腿足的配合可以通过不同的策略完成翻身运动．其中,蟑螂可以采取腹部弯曲侧滚㊁鞘翅翻滚㊁腿部侧滚等策略[５１,５２],如图５(b１)~(b３)所示．相较于蟑螂,瓢虫[５３]的腿部较短,在粗糙表面多依靠足部勾住隆起物而翻转扶正,在光滑表面则依靠鞘翅来辅助翻滚．图５㊀准备阶段生物行为与机理．a．伊苏斯虫利用齿轮状肢体保证了双腿起跳同步性[５０];b．蟑螂利用腹部㊁鞘翅和腿部实现翻身[５１,５２];c．弹尾虫通过不同初始角度调整跳高㊁跳远两种模式[２１]F i g．５㊀B i o l o g i c a l b e h a v i o r a n dm e c h a n i s m s d u r i n g p r e p a r a t i o n o f t a k e o f f．a．I s u s i a e n s u r i n g t h e s y n c h r o n i z a t i o no f b o t h l e g s i n j u m p i n g w i t h g e a r e d l i m b s[５０]．b．C o c k r o a c h e s t u r n i n g o v e r b y a b d o m e n, e l y t r a a n d l e g s[５１,５２];c．S p r i n g t a i l s w i t c h e s b e t w e e n j u m p a n dl o n g j u m p m o d eb y a d j u s t i n g d i f f e r e n t i n i t i a l a n g l e s[２１]０４第１２期吴业辉等:微小型跳跃机器人:仿生原理,设计方法与驱动技术在跳跃角度控制方面,青蛙等常利用腿部不同关节的协调运动来实现[５４,５５]．对于半水生的弹尾虫而言,除了利用跳跃尾部的不同作用力,还可以通过调整跳跃前的初始角度并利用腹管的亲水性,实现跳高㊁跳远两种模式的切换[２１],如图５(c１)和图５(c２)所示．２㊀跳跃机器人的设计与驱动方法从上世纪八十年代开始,结合对跳跃生物能量存储机制等问题的研究,科学家们开始致力于跳跃机器人的研究[５６],各类仿生跳跃机器人不断涌现并逐渐成为热点[２４Ｇ２６,５７]．２．１㊀跳跃机器人储能结构与能量调控类比于生物所采用的弹性蛋白㊁角质层㊁肌腱㊁体液等储能元件,跳跃机器人多采用人造弹性元件,包括螺旋弹簧㊁扭簧㊁形状记忆合金弹簧㊁柔性梁㊁弹性绳等,不同类型的弹性元件具有不同的储能密度和变形形式,其特点直接影响机器人的跳跃能力和运动形式．L a m b r e c h t等人设计了一种仿蟑螂轮腿式机器人[５８,５９],该机器人利用差齿齿轮旋转拉伸螺旋弹簧而实现能量的加载和释放,当作用齿轮达到差齿位置时,平行四连杆跳跃机构随弹簧释放而弹出,推动机器人产生向前的跳跃,而 Y 形三脚架模拟昆虫足部来实现爬行和小型障碍的跨越,如图６(a)所示．由于集成跑㊁跳运动模式,其质量达到１９０克,因此跳跃能力只能达到１８厘米,如图６(b)所示．图６㊀M i n iＧW h e g s机器人[５８,５９]F i g．６㊀R o b o tM i n iＧW h e g s[５８,５９]Y a m a d a等人利用细长悬臂梁在末端压弯载荷下屈曲失稳现象设计了一种跳跃机器人,定义为 封闭式弹性弹射器 [６０,６１],如图７(a)所示．该机器人采用柔性梁的屈曲进行储能并可在末端旋转电机的带动下实现能量可控释放,既可以利用单电机实现二阶屈曲到一阶屈曲的能量释放,也可以采用对称布置的双电机实现三阶屈曲到一阶屈曲的能量释放,达到一定跳跃方向改变．储能和释放结构的集成使其结构简单,梁的形状及其两端角度变化对释放能量的大小和快慢起决定性的影响,梁变形过程如图７(b)所示．该机器人在单电机驱动下可跳跃２０厘米高㊁７０厘米远．图７㊀封闭弹性弹射机器人[６０,６１]F i g．７㊀A j u m p i n g r o b o t b a s e do n t h e c l o s e d e l a s t i c a[６０,６１]J u n g等人提出一种仿甲虫爬跳结合的机器人J u m p R o A C H[６２],如图８(a)所示．通过对线弹簧和扭簧的组合,机器人储能元件力位移特性近乎于恒力机构,最大程度的利用电机的负载能力从而扩大了其储能能量,如图８(b)所示．机器人通过电机卷绳方式加载,采用行星轮系作为能量锁定和释放机构,能够起到控制能量加载大小的作用．除此之外,该机器人结合了跳跃和爬行两种运动模式,具备完整的重复跳跃能力．在测试中,无爬行部分的机构可以实现２．７５米的跳跃,而结合爬行和复位壳体部分之后体重增加一倍,仍然能实现１．５米高的跳跃,越障过程如图８(c)所示．图８㊀J u m p R o A C H跳跃机器人[６２]F i g．８㊀R o b o t J u m p R o A C H[６２]在此基础上,H a w k s等人利用柔性梁和线弹簧的组合方式达到了类似的恒力效果,在不超过电机最大功率条件下,牺牲加载速度而能够以最大恒力进行弹性能量加载,如图９(a)所示．根据其理论,弹簧－连杆质量比越大的机器人其最终能量密度越高,因此以柔性梁作为弹簧和腿部的集成,可以很大程度增加跳跃高度;借助A s h b y图[６３]对材料１４动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２３年第２１卷进行优化,选择碳纤维复合材料和乳胶组合构成储能元件,最终使重量３０．４克的机器人[图９(b)]实现了３２．９米的跳跃高度,这也是目前最高的机器人绝对跳跃高度[２４]．图９㊀目前跳得最高的机器人[２４]F i g．９㊀T h eh i g h e s t j u m p i n g r o b o t s o f a r[２４]除了储能大小和变形方式上的差异,不同的储能元件在跳跃运动中其动力学模型复杂度也不同,如通过柔性梁的大变形进行储能的模式比线性弹簧结合刚性连杆的方式更为复杂．起跳过程的动力学分析主要用于预测机器人起跳速度和高度,因此对于难以建立动力学模型的间歇型跳跃机器人(落地后无需立即起跳)一般直接利用弹簧的弹性变形能来估计跳跃高度;对于连续型跳跃机器人由于涉及到机器人的姿态㊁方向等控制,触地瞬间至起跳离地过程的动力学模型更为关键．２．２㊀跳跃机器人闩锁结构与能量动态释放在依靠弹性储能进行跳跃的机器人中,闩锁机构控制能量的释放过程,不同的结构不仅影响能量的存储量,而且对释放过程的动力学特征(势能转化为动能的时间㊁空间和速率等)起到决定性作用[１２]．闩锁结构除了前文所述的接触式㊁几何式闩锁,还包括流体式锁闩[６４],其中流体式闩锁是指由系统内流体的运动和性质(包括凝聚力㊁聚结性和压力)对弹性元件进行调节;而接触式闩锁是指通过摩擦和机械限位的作用来阻挡弹性元件运动[３０],如图１０(a)所示;几何式闩锁则是基于几何构型㊁力㊁力矩臂㊁质心位置等的状态相关行为的锁闩,包括像青蛙㊁夜猴等体内的可变机械效益机构[６５][图１０(b)]㊁跳蚤体内的扭矩反转机构[６６][图１０(c)]㊁失稳突跳机构和其他具有双稳态特点的系统[６７Ｇ７１][图１０(d)]．K o v a c等人设计的 ７g 的跳跃机器人如图１１所示,采用凸轮和扭簧作为释放和储能机构,其跳跃高度由凸轮的形状和弹簧刚度所决定,跳跃方向与凸轮形状和腿部尺寸相关,一旦装配完成则无法调整,其运动灵活性因此受到一定限制．约５厘米高的机器人可以跳跃自身高度的２７倍,达到１．４米[７２],如图１１(b)所示;携带３克负载后跳跃高度仍能达到１米,如图１１(c)所示．图１０㊀常见的闩锁结构．a．接触式闩锁简化模型[３０];b．青蛙等生物体内的可变机械效益结构[６５]; c．跳蚤体内的扭矩反转机构[６６];d．屈曲梁双稳态机构[６７Ｇ７１] F i g．１０㊀C o mm o n l a t c h s t r u c t u r e s．a．S i m p l i f i e dm o d e l o f c o n t a c t l a t c h[３０];b．V a r i a b l em e c h a n i c a l a d v a n t a g e s t r u c t u r e i n f r o g s a n d o t h e r o r g a n i s m s[６５];c．T o r q u e r e v e r s a lm e c h a n i s mi n f l e a s[６６]; d．B i s t a b l em e c h a n i s ma n d e n e r g y c u r v e o f b u c k l i n g b e a m[６７Ｇ７１]图１１㊀ ７g 机器人[７２]F i g．１１㊀R o b o t ７g [７２]Z a i t s e v等人模拟蝗虫跳跃过程设计了一种仿蝗虫跳跃机器人[７３,７４],如图１２(a)所示．通过单个电机的正反转,利用丝杠螺母在轴向运动以及绳在卷２４第１２期吴业辉等:微小型跳跃机器人:仿生原理,设计方法与驱动技术轴上的卷绕运动,巧妙的实现了锁扣作用下能量加载和释放的循环,如图１２(b )中(ⅰ)~(ⅵ)所示．显然,这种机器人跳跃的实现十分依赖于对绳长㊁螺母移动距离㊁锁钩和足部杆几何关系等进行精确设计和装配．同样,该机器人无法进行跳跃角度㊁高度的调整,且两条绳子无约束地释放可能会造成打结㊁干涉等不稳定现象．该机器人实现了２５倍自身体长的跳跃,达到３．３５米的高度．图１２㊀仿蝗虫机器人[７３,７４]F i g ．１２㊀L o c u s t Ｇi n s pi r e d r o b o t [７３,７４]图１３㊀高度可调的仿生跳跃机器人[７５]F i g ．１３㊀B i o n i c j u m p i n g r o b o tw i t ha d j u s t a b l eh e i gh t [７５]M a 等人提出一种综合软体动物㊁硬壳跳虫弹跳机理的跳跃机器人[７５],如图１３(a)所示．该机器人采用屈曲镍钛合金板和扭簧作为储能元件,释放机构采用了与J u m p R o A C H 机器人(图８)相似的行星轮系结构,并加入了单向轴承来加强能量释放过程的稳定性,如图１３(c )中右图所示．当电机沿顺时针方向正转时,动力经三个齿轮传递至卷绳齿轮轴,通过卷绕刚性绳拉动机构变形进行储能,整个过程单向轴承处于内外圈滑动状态而不产生阻力;相反,当电机沿逆时针方向反转时,单向轴承锁紧并使行星架与卷绳齿轮轴脱开,卷绳瞬间释放．由于加载量随电机正转圈数而定,因此机器人具备跳跃高度可调的特点．该机器人可以在无壳体状态下达到最高１．５１米的跳跃高度,如图１３(b)所示．对于上述各种接触式闩锁,一般具有简单的结构,常采用挡块㊁凸轮㊁差齿齿轮等方式实现能量的锁定,除了上述行星轮系结构,其它锁定方式下的能量值多为固定不可调整的,同时意味着其控制难度低,常采用开环或者位移闭环进行控制其释放．此外,接触式闩锁存在摩擦损失大㊁释放瞬间冲击大等缺点．图１４㊀仿跳蚤系列机器人．a ．F l e a V １机器人[３３,６６];b ．F l e a V ２机器人[３３];c ~d ．F l e a V ３机器人[７８];e ~f ．水面跳跃机器人[２６]F i g ．１４㊀F l e a Ｇi n s pi r e d r o b o t s ．a ．F l e a V １R o b o t [３３,６６];b ．F l e a V ２R o b o t [３３];c ~d ．F l e a V ３R o b o t [７８];e ~f ．R o b o t j u m p i n g onw a t e r [２６]基于跳蚤体内的扭矩反转机构[１０],N o h 等人提出一种具有非接触式闩锁的仿跳蚤跳跃机器人F l e a V １[３３,６６,７６],如图１４(a)所示．利用三根形状记忆合金弹簧来模拟图１０(c)所示的伸肌㊁触发肌和屈３４动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２３年第２１卷肌,当受拉弹性元件(伸肌)与所连杠杆处于重合位置时能量存在极值,利用负刚度特性可以产生越过重合点后的爆发式运动,实现了快速 突跳(S n a pＧt h r o u g h) 的特征[７７]．基于此原理该团队还设计了其他形式的跳跃机器人F l e a V２㊁F l e aV３[２６,３３,７８],如图１４(b)~(d)所示,通过简化S MA的数量来实现更高的跳跃高度(４０倍自身高度),并通过结合超疏水喷涂工艺来模拟水黾在水面起跳的现象[图１４(e)Ｇ(f)],在陆地和水面分别可以实现３０和１８厘米高的跳跃能力．较轻的机器人也存在一定缺点,如引入电池等额外负载时其跳跃高度将受到严重影响[７９];同样,由于结构过于简单,此类机器人在连续跳跃㊁改变方向和高度等方面还具有挑战性,这些问题均会对机器人的实际应用产生限制．采用同样原理的还有Z h a k y p o v等人提出的仿陷阱颚蚁跳跃机器人[５７,８０],该机器人可实现爬行㊁翻滚㊁垂直跳跃㊁定向跳跃等多运动模式,最高跳跃１４厘米,达到自身高度的２．５倍,结构如图１５所示．三足的设计不仅增强了机器人的跳跃能力,还帮助机器人实现跳跃方向的选择．此外,通过将电路设计㊁柔顺机构设计与电路板进行集成,完成了机器人的快速㊁轻量化制造．图１５㊀仿陷阱颚蚁多模式运动微型机器人[５７,８０]F i g．１５㊀T r a pＧj a wＧa n tＧi n s p i r e dm u l t iＧl o c o m o t i o nm i l l i r o b o t[５７,８０]为了提高机器人的敏捷性,H a l d a n e等人模仿了夜猴㊁青蛙的跳跃机制,提出一种仿夜猴跳跃的机器人S a l t o[２５,８１]．该机器人采用串联驱动器和E MA结合的方式,以增大机械效益在跳跃后与跳跃前的比值为目标,对机器人几何构型和重量分布进行优化,增大了串联弹性元件在跳跃初期能量存储[６３]．机器人不仅实现了稳定的连续跳跃运动,还具备跳跃高度可调㊁空中姿态调整的能力,可以完成类似于跑酷运动中 蹬墙跳 的高难度动作,这也进一步扩大了自身运动范围,最终使S a l t o实现了夜猴跳跃敏捷度的７８％,成为目前垂直跳跃敏捷程度最高的机器人[２５]．图１６㊀S a l t o系列机器人[２５,８１]．a．S a l t o;b．S a l t oＧ１PF i g．１６㊀S a l t o s e r i e s r o b o t s[２５,８１]．a．S a l t o;b．S a l t oＧ１P在以上非接触式闩锁中,通过与柔顺机构相结合的方式(图１４和图１５)完成 运动－储能－体化 ,进而实现轻量化设计,同时具有无摩擦㊁释放瞬间冲击小等优点[８２Ｇ８４];由于依靠几何上的临界位置进行释放,该类型机器人往往采用开环的方式控制,同时也带来结构相对复杂的问题．此外,该类型机构在释放阶段的行程占比高于接触式闩锁,限制了释放的瞬时功率,同时也获得更小的冲击．对于可变机械效益机构结合串联弹性元件构成的非接触式闩锁(图１６),驱动器直接做功在跳跃运动过程中起重要作用,适用于跳跃周期小的连续型跳跃机器人,也因此更依赖动力学模型来计算机器人的能量释放效果,如对于S a l t o机器人而言,一定范围内提高其驱动器运动加速度可获得更高弹性储能以提高其跳跃高度．表１㊀接触式与非接触式闩锁性能对比T a b l e１㊀P e r f o r m a n c e c o m p a r i s o nb e t w e e n c o n t a c t a n dn o nＧc o n t a c t l a t c h e s性能对比接触式闩锁非接触式闩锁释放速度快慢瞬时冲击大小摩擦阻力大小轻量化潜力小大动力学模型简单复杂能量大小控制静态,易动态,难２．３㊀跳跃机器人着陆缓冲功能跳跃机器人在追求较高跳跃目标的同时,着陆４４。
微型机器人简介
微型机器人简介现如今，科技的快速发展使得人类生活发生了翻天覆地的变化。
微型机器人作为一种新兴的技术应用，正逐渐引起了人们的关注。
本文将对微型机器人进行简要介绍，并探讨其应用领域和潜在价值。
一、微型机器人的定义和特点微型机器人是一种尺寸小巧的机器人系统，其体积通常在几毫米到几厘米之间。
相比于传统机器人，微型机器人具有以下特点：1. 小型化：微型机器人体积小，可以轻松进入狭小的空间，具有更灵活的机动性。
2. 高度集成：微型机器人集成了各种传感器和执行器，能够完成一系列复杂任务。
3. 自主性：微型机器人具备一定的自主决策能力，可以根据环境变化做出相应的反应。
二、微型机器人的应用领域微型机器人的小巧尺寸使得它在多个领域都有广泛的应用。
1. 医疗领域：微型机器人可以被用于内窥镜手术，通过无创方式进入人体，进行病变组织的检查和治疗。
2. 环境监测：微型机器人可以被用来监测环境中的各项参数，如空气质量、水质等，为环境保护提供实时数据。
3. 救援任务：微型机器人可以在灾难现场进行搜救任务，进入无法到达的地方，寻找被困伤员的位置。
4. 工业生产：微型机器人在工业生产中具有广阔的前景，可以用于装配、检测等多个环节，提高生产效率和质量。
三、微型机器人的未来发展微型机器人技术仍处于不断发展的阶段，未来有望实现更多应用和突破。
1. 智能化：随着人工智能技术的进一步发展，微型机器人有望具备更高水平的智能化，能够更准确地反应环境变化。
2. 网络互连：微型机器人的互联网技术也将得到提升，它们可以相互协作，实现更复杂的任务。
3. 医学突破：微型机器人在医疗领域的应用潜力巨大，未来可能实现更精准的手术和药物传递，对医学做出重大贡献。
4. 环境保护：随着人们对环境的关注不断提高，微型机器人在环境监测和治理方面的应用将得到更多的重视和探索。
总结起来，微型机器人作为一种新兴的技术，具有广阔的应用前景和潜在价值。
随着技术的不断进步，微型机器人必将在医疗、环境保护、救援和工业等领域发挥重要的作用，为人类社会带来更多的便利和进步。
微小型水下仿生机器人研究现状及发展趋势_王扬威
部 , 通信系统和电源都放在头部 , 有四个摆动关节 , 通过直流电动机驱动 。
浙江大学的陈柏
等人研制出电机驱动
的仿生蝌蚪机 器 人[ 20] , 如图 12所示 。
图 12 仿生蝌蚪机器人
机器人在水中依靠尾部波状摆动前进 。 其柔性尾部
摆动过程中 , 形状类似于一列正弦波 ;机器人波状尾 部摆动时带动它所包络的液体向后流动 , 形成尾涡 。
PZT、 SMA和 高 分子 材 料 等 智 能 材 料具 有 集 传 感与执行于一体 、易于控制等优点 , 因而在微小型水 下仿生机器人驱动机构的设计中得到广泛应用 。研 究功耗低 、输出功率大 、控制性能好的新型智能材料 驱动器将成为未来微小型水下仿生机器人研究的关 键问题 。 2.3 控制技术研究
日本的郭书祥等人研制出导电离子聚合物材料 驱动的微型机器鱼[ 5] 和仿 生水母 [ 6] 。 微 型机器鱼 模仿鱼类的游动原理 , 外形类似小船 , 长 40 mm, 宽 10 mm, 厚 2 mm, 具有一对驱动翼 , 由脉冲电压驱动 而产生推进力 。实验结果表明 , 通过改变脉冲电压 的频率 , 可以改变机器鱼在水中的游动速度 。 仿生 水母宽 42 mm, 高 68 mm。 能在低电压 (约 1 V)的 驱动下低 速 、缓慢的在 水中游动 。 日本的 Kentaro 等人研制出离子聚合物复合材料 (IPMC)驱动的仿
机器人技术概述
机器人技术概述一.工业机器人概述二.工业机器人概念与组成、三.工业机器人的发展趋势四.工业机器人的需求与前景五.致谢六.参考文献工业机器人概述机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。
它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。
它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。
有些人认为，最高级的机器人要做的和人一模一样，其实非也。
实际上，机器人是利用机械传动、现代微电子技术组合而成的一种能模仿人某种技能的机械电子设备，他是在电子、机械及信息技术的基础上发展而来的。
然而，机器人的样子不一定必须像人，只要能独立完成一些人类的技能或有一定危险性的工作，就属于机器人大家族的成员。
机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。
机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。
机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。
一工业机器人的现状1、工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10．3万美元降至97 年的6．5 万美元。
2、机械结构向模块化、可重构化发展。
例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。
3、工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
微型机器人的应用场景
微型机器人的应用场景随着科技的发展，微型机器人已经成为现实。
微型机器人是指体积小、功能强大的机器人。
它们可以用于各种领域，如医疗、环境监测、制造业等。
下面我们将详细介绍微型机器人的应用场景。
一、医疗领域微型机器人在医疗领域的应用非常广泛，如手术、检测等。
它们可以进入人体内部进行检查和治疗。
比如，微型机器人可以通过血管进入心脏，对病变部位进行治疗。
此外，微型机器人还可以进行组织损伤修复和药物释放等操作。
这些操作具有精准性和微创性，可以减少手术风险和病人的痛苦。
二、环境监测微型机器人还可以用于环境监测。
它们可以进入人类无法到达的地方，如地下水管道、海洋深处等，进行环境监测。
微型机器人可以测量水质、空气质量、温度等环境参数。
这些数据可以帮助我们更好地了解环境状况，及时采取措施保护环境。
三、制造业微型机器人在制造业中的应用也很广泛。
它们可以用于制造、装配、检测等环节。
比如，微型机器人可以在电子制造中进行电路板的焊接和组装。
它们可以通过精准的控制和操作，提高生产效率和产品质量。
四、安全领域微型机器人还可以用于安全领域。
它们可以进入危险区域，如火灾、地震等灾害现场，进行搜索和救援。
微型机器人可以通过红外线、雷达等技术，探测到人类无法触及的区域。
它们可以提高救援效率和减少救援人员的风险。
五、航空航天领域微型机器人在航空航天领域的应用也很广泛。
它们可以用于太空探索、卫星维护等任务。
微型机器人可以在太空中进行各种操作，如维修卫星、搭建空间站等。
这些任务对人类来说十分危险，而微型机器人可以代替人类完成，保障人类的安全。
微型机器人的应用场景非常广泛。
它们可以用于医疗、环境监测、制造业、安全领域、航空航天等众多领域。
微型机器人的出现，将会为人类带来更多便利和安全。
微小型仿生机器人远程监控平台的设计
Ｋｅ ｒ ： ｍｂｅ ｄｅ ｙ ｔ ｍ； ｎ ｔｒａ ｄ ｃ ｎ ｒ ｌ ｂｉｍ ｍｅｉ ｂ ｔ ｙ ｗｏ ｄｓ ｅ ｄ ｄ ｓ ｓｅ ｍｏ ｉ ｎ ｏ ｔｏ； ｏ ｏ ｉ ｔｃ ｒ ｏ ｏ
微小 型仿 生机 器人 目前 是 机器人 领 域 的一 个 重要 研究 方 向 ， 应用 微 机 电系统 （ ＭＳ 、 是 ＭＥ ） 计算 机 、 知 、 感
关键 词 ： 嵌入 式 ； 控 ； 生机 器人 监 仿 中图分 类号 ：Ｐ ９ ． 文 献标 识码 ： Ｔ ３ １４ Ｂ 文章 编号 ：０ ０—８ ２ （ ０ ６ ０ ０ １ ０ １０ ８ ９ ２ ０ ） ８— ０ ４— ３
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｍｏ ｅ Ｍ ｏ ｉ ｒ ａ ｄ Ｃｏ ｔｏ ｙ ｔ ｍ ｏ ｉ ｒ ｏ ｍｅ ｉ ｂ ｔ ｓｇ ｆＲｅ ｔ ｎ ｔ ｎ ｎ ｒ ｌＳ ｓｅ ｆ ｒ Ｍ ｃ ｏ Ｂｉ ｍｉ ｔｃ Ｒｏ ｏ ｏ
摘 要 ： 用 Ａ Ｒ和 Ａ Ｍ 双 核 架构 实现 的微 小 型仿 生机 器人 远 程监 控 平 台 ， 以使 用 Ｐ Ｐ Ａ或者 手机 采 Ｖ Ｒ 可 Ｃ， Ｄ
等 终端 通过 Ｉｔｒｅ对微 小型仿 生机 器人进 行 遥操 作 和遥 监控 。该监 控 平 台的 开发 同时也 是 对 于其 他 ｎｅｎｔ 远 程监控 平 台有 一定 的借 鉴 意义 。
控制等先进技术 ， 通过 软、 硬件接 口， 综合集成为微小 型 机器人 系统 的光 机 电一体 化技 术 ， 具有 体积 小 ， 重量 轻， 便于携带的特点 ， 可通过投射 、 空投或人工施放 的 方式将其布置在工作区域。微小 型仿生机器人既可以 由操 作者 通过 一定 距 离 以有 线／ 线 的遥 操 作 方 式 来 无 进行控制并完成装配 、 救护 、 侦察等任务 ， 也可 以通过 局部 自主功能完成相应任务或通过指挥中心进行集群 遥控 。 各种微小型仿生智能机器人与遥控指挥中心间的 多媒体通信是微小 型仿生 机器人平 台的关键 技术之 无线嵌入式远程监控系统是在传统监测监控系统 的基础上 ， 结合 当前无线通信技术和信息处理技术而 发展 起来 的新 型测 控 系统 。 首先 ， 从微 小 型仿 生智能 机 器人 的特 点来 看 ， 小 微 型仿生智能机器人一般在非结构化环境 中使用 ， 因此 难以用传统 的有线 网络来与其进行 通信。其次 ， 微小 型仿生武器平台需要 有较 高的数据安全性 ， 目前普遍 使用的模拟式视频传输因为容易被监听窃取而不宜使
面向肠道药物递送的子母式微小型机器人
机器人肠道环境验证机器人在肠道内的 运动性能、药物递送效果及安全性， 评估其在真实环境下的可行性。
临床试验
在符合伦理的前提下，进行临床试验 以进一步验证机器人的有效性和安全 性，为未来实际应用提供依据。
04
药物递送实验与效果评估
药物选择与加载方法
药物选择
根据治疗需求，选择适合的药物，确保药物的有效性和安全性。
国内研究进展
相比之下，国内的研究进展相对较慢。目前，国内的研究团队正在积极开展子母式微小型机器人的研 究工作，并取得了一些初步的成果。然而，与国外的研究相比，国内的研究还存在一定的差距，需要 进一步加强研究力度和投入。
02
子母式微小型机器人的设计与 制作
设计理念与目标
目标
设计一款能够安全、有效地在肠 道内递送药物的子母式微小型机 器人，以解决传统药物递送方式 的局限性和不足。
设计理念
以人体肠道生理特点为依据，结 合微型机器人技术和药物递送技 术，实现精准、个性化的药物递 送。
材料选择与制作工艺
材料
选用具有良好生物相容性和耐腐蚀性 的医用级钛合金作为机器人的主要材 料，以确保机器人能在肠道环境中长 期安全使用。
制作工艺
采用精密加工和微纳制造技术，结合 3D打印技术，实现机器人结构的精细 化制造和模块化组装。
评估其损伤程度和恢复能力。
炎症反应
机器人进入肠道后可能引发炎症反 应，需要研究其对肠道免疫系统的 影响。
肠道菌群平衡
机器人与肠道微生物群的交互可能 影响肠道菌群平衡，需要评估其对 肠道菌群多样性和稳定性的影响。
机器人对药物活性的影响
药物释放机制
研究机器人作为药物载体时，药物在 肠道内的释放机制和效果，确保药物 能够有效地传递给目标部位。
微小型救援机器人机械手动力学研究
摘 要 ：微小型救援机器人机械 手的运动平稳性是微小型救援机器人救援 工作顺利进行 的前提与保证 。 针 对微小型 救援机 器人机械手 的运动 平稳性 ，采用拉格 朗 日动 力学方法 对微小型 救援机器人 机械 手建 立了动力 学模 型 ，并通过Ａ Ｄ Ａ Ｍ Ｓ 软件进行 动力学仿真 ，从而完成微 小型救援机器人 机械 手的动 力学分析 。仿真结 果表明 ，微小型 救援机器 人机械手 运动无 剧烈振动现 象。通过 实例分析 ，微小型 救援机器人机械 手运动过程中 的最大振动幅值 为０ ． ４ ７ ｍｍ，保证了机械手 的 运动 平稳性 ，同时验证 了该机 构的设计 合理性 。此方法 还可推广 到其他救 援机器人 的平稳性 研究 ，有 良好 的应用 前景 。 关键词 ：微小型救援机器人 ； 机械 手 ；平稳 性 ；动力学
复 杂 的 多 刚 体机 构 ，该 方 法 能 够 更 好 的 适 应其 本文运用拉格 朗 Ｅ ｔ 法 对 微 小 型救 援 机 器 人 机
响应速 度 快 、运动 精 度高 的要 求 。
旋 转 运 动 ；大 臂 关 节 可 实现 一 ３ ０ 。 ～２ ｌ ０ 。的俯 仰 运
动 ；大 臂 和 小 臂 连 接 处 念 比较 清 楚 ，但 是 考 虑 了不 做 功 的 内力 ，计算 量 比较 大 ；管贻 生 等 采用 ｋ ａ ｎ ｅ 法对 机 器 人 手 臂 进 行 了动 力 学 分 析 ，该 方 法 计 算 过 程
具 有 递 推 性 、规 范 性 ，便 于 计 算 机 编 程 ，但 这 种 方 法 由于 存 在 求 解 系统 动 能 函数 以及 求 导 和 积 分 等 问 题 ，给 求 解 带 来 困 难 。拉 格 朗 日方 法 具 有 较 强 的理 论 性 和 逻 辑 性 ，针 对 微 小 型 救 援 机 器 人 这
一种基于微小型水下机器人推进器的控制系统设计
一
、
引言
控 制 系 统 是 水 下机 器 人 的 重 要 组 成 部 分 ，其 性 能 的 优 劣 直 接 关 系 到 机器 人 的 运 转 及 水 下 作 业 的准 确 性 。设 计 一 款 响 应 迅速 、性 能 稳 定 的 控 制 系 统 ，是 保 证 水 下 机 器 人 安 全 的需 要 ， 也 是 提 升 其 工 作 效 率 的 必 然 选 择 。微 小 型 水 下 机 器 人 体 积 小 巧 、 机 动 灵 活 、 成 本 低 廉 、 搭 载 方 便 ， 已成 为 水 下 系 统 装 备 中 不 可 或 缺 的 组 成 部 分 。现 在 已广 泛 应 用 于 堤 坝 、大 型 水 罐 、 河 道 、 浅 海 等 环 境 监 测 工 作 中 。嵌 入 式 计 算 机 具 有 系 统 精 简 、 实 时 性 高 、 专 用 性 强 等 特 点 ，能 够 出色 的 完成 数 据 采 集 、 网络 通 信 等 任 务 ，将 其 安 装 在 水 下 机 器 人 上 ，充 分 发 挥 嵌 入 式 系 统 体 积 小 、 功 耗 低 的优 势 ，对 微 小 型水 下机 器 人
—
２ 通 信 程 序 设 计 ．
式中Ｕ 表示电 ａ 机端电 Ｉ表示电 压，ａ 机电流， ａ ∑Ｒ是电
机 电路 总 电阻 。为 每 级 磁 通 量 （ ＷＢ） Ｃ 为 电机 常 数 。 ， ｅ
控 制 程 序 分 为 水 面 平 台 控 制 程 序 和 水 下 机 器 人 执 行 程 序 。 水 面 平 台 控 制 程 序 主 要 完成 操 纵 杆 数 据 的采 集 ，并 使 用
微小型机器人技术的研究与应用
微小型机器人技术的研究与应用第一章：微小型机器人技术的概述随着科技的发展，微小型机器人技术也越来越成熟。
微小型机器人是指尺寸在微米到毫米级别的机器人，通常被称为微型机器人或纳米机器人。
由于其小型化的特征，微小型机器人技术拥有许多优势，比如能够在狭小的空间进行探索，具有对微观世界的敏感度和高分辨率，以及可以减少对环境的污染和对生物的伤害。
微小型机器人的研究与应用已经成为当今科技领域的热点，受到广泛的关注。
第二章：微小型机器人技术的研究2.1 微小型机器人的制造微小型机器人的制造一般采用微电子加工和纳米技术，有利于实现高精度、高稳定性和高可靠性。
其中微电子加工技术主要包括光刻、薄膜沉积、离子刻蚀、成像、高分辨率测量等工艺。
而纳米技术则采用扫描探针显微镜、纳米光刻、分子自组装等方法。
这些技术的共同作用使制造微型机器人变得更为精准和可行。
2.2 微小型机器人的功能研究微小型机器人的功能主要涉及到技术、运动控制、微机器人化学、微机器人生物学等多种学科。
此外，微小型机器人还需要自主定位、环境感应、自主移动、路径规划等功能。
这些能力的不断提升，使得微小型机器人可以更加自主地完成各种复杂任务，推动了微小型机器人应用的不断拓展。
第三章：微小型机器人技术的应用3.1 医疗领域微小型机器人可以在体内进行治疗、诊断和监测等操作。
引入微小型机器人技术可以实现非侵入性的医疗操作，避免了传统手术的创伤和疼痛。
目前已有多种微小型机器人应用于医疗领域，如血管内植入型细胞检测机器人、气管内置入微小型机器人等。
3.2 制造业领域微小型机器人可以在制造业领域起到重要作用。
利用微小型机器人可以针对复杂、高精度的制造工艺进行操作，如纳米级别的电子器件制造。
此外，利用微小型机器人也可以实现制造过程的自动化和高效化。
3.3 军事领域微小型机器人可以在军事领域用于侦查和侵略，甚至进行救援行动。
微小型机器人可以更好地适应复杂的战场环境，有效避免对人员的风险。
微小型移动机器人专利技术
1.3 微小型履带式移动机器人
由于轮式移动机器人在穿越障碍时存在结构性 的缺陷，因此轮式机器人受地形环境影响很大，所 以在劳动条件较差或地形条件较为复杂且需要速度 较快的机器人时，履带式移动机器人就成为首选。 这种机器人地形适应能力很强，动载荷小，设计紧 凑，具有较强的越障能力，可以穿越楼梯和较大的 障碍物，因此在大型船体、球罐、立罐、大型管道 等工件的焊接、除锈、喷漆、检测等工作中应用广 泛。但是履带式移动机器人的缺点是重量大，能耗 大。
IPC分类体系是目前最主要的专利分类体系，涵 盖了所有的专利技术。但是其对于机器人技术，尤 其是微小型移动机器人技术分类较宽，难以准确进 行定性分类。
而ECLA分类体系则是在IPC分类基础上的较为 具体准确的分类体系，其涵盖了欧洲主要发达国家 的专利技术。所以这里，主要依据IPC分类体系、 ECLA分类体系对涉及微小型移动机器人的专利技术 进行分类和检索。
按作业空间来分，可分为:陆地移动机器人、 水下机器人、无人飞机和空间机器人。
按整体尺寸来分，可分为：英寸级机器人、 厘米级机器人、毫米级机器人和微米级机器人等 类型。
在本文中将着重对按移动方式和按功能 用途分类的微小型移动机器人进行介绍。
（二）微小型移动机器人在专 利分类体系下的分类和原则
目前通行的专利分类体系有IPC（International Patent Classification）国际专利分类，ECLA（ European Classification）欧洲专利分类，F－term 日本专利分类，UCLA美国专利分类。
CN1476962
上海交通大学于2003年申请的中 国专利记载了一种毫米级全方位 微型移动机器人，使其实现微型 轮式移动机器人在运行过程中， 特别适合在微小尺寸限制的条件 下实现无回转半径的高精度全方 位移动。 该毫米级全方位移动微型机器人，包括：复合驱动轮、传动 齿轮、中心齿轮和转向微驱动器，连接方式为：三个复合驱 动轮以转向微驱动器为中心，均匀分布在其周围，复合驱动 轮固定于传动齿轮，通过传动齿轮、中心齿轮与转向微驱动 器相连，转向微驱动器位于中心，与中心齿轮轴相连。复合 驱动轮又包括：主动轮、被动轮、传动齿轮轴、马达输出轴 和直线移动驱动器。
微型机器人的发展和研究现状
微型机器人的发展和研究现状【摘要】微型机器人是微电子机械系统的一个重要分支,由于它能进入人类和宏观机器人所不及的狭小空间内作业,近几十年来受到了广泛的关注。
本文首先给出了近年来国内外出现的几种微型机器人,在分析了其特点和性能的基础上,讨论了目前微型机器人研究中所遇到的几个关键问题,并且指出了这些领域未来一段时间内的主要研究和发展方向。
【关键词】微型机器人微驱动器近年来,采用MEMS技术的微型卫星、微型飞行和进入狭窄空间的微机器人展示了诱人的应用前景和军民两用的战略意义。
因此,作为微机电系统技术发展方向之一的基于精密机械加工微机器人技术研究已成为国际上的一个热点,这方面的研究不仅有强大的市场推动,而且有众多研究机构的参与。
以日本为代表的许多国家在这方面开展了大量研究,重点是发展进入工业狭窄空间微机器人、进入人体狭窄空间医疗微系统和微型工厂。
国内在国家自然科学基金、863高技术研究发展计划等的资助下,有清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、广东工业大学、上海大学等科研院所针对微型机器人和微操作系统进行了大量研究,并分别研制了原理样机。
目前国内对微型机器人的研究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。
1微型机器人的发展和研究状况根据国内开展微型机器人研究的实际情况,我们着重讨论微型管道机器人、无创伤微型医疗机器人和特殊作业的微型机器人。
微型管道机器人微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。
由于与常规条件下管内作业环境有明显不同,其行走方式及结构原理与常规管道机器人也不同,因此按照常规技术手段对管道机器人按比例缩小是不可行的。
有鉴于此,微型管道机器人的行走方式应另辟蹊径。
近年来随着微电子机械技术的发展和晶体压电效应和超磁致伸缩材料磁-机耦合技术应用的发展,使新型微驱动器的出现和应用成为现实。
机器人的简介
智能机器人的展望与未来随着社会的发展，科技的进步，已经有越来越多的问题等着我们去面对，去解决。
而且有好多问题已经超出了人类的能力范围，正当认了无所适从的时候，机器人的发明为人类带来了福音，它可以帮助人类解决许多人类所不能解决的问题。
机器人的智能从无到有、从低级到高级，并随着科学技术的进步而不断深入发展。
随着计算机技术、网络技术、人工智能、新材料和Mems技术的发展，机器人智能化、网络化、微型化的发展趋势已凸现出来。
随着现代科技的发展，机器人技术已广泛应用于人类生活的各种领域，研制具有人类外观特征，可以模拟人类行走与其他基本操作功能的类人型机器人一直是人类对机器人研究的梦想之一。
由于类人型机器人研究是一门综合性很强的学科，其本身包含着多项高科技成果，在很大程度上代表着一个国家的高科技发展水平，因此，一些发达国家不惜投入巨资进行研究开发。
除工业应用外，智能机器人已在军事、医疗、文娱、农业、林业、矿业等领域得到广泛应用。
可以预见，智能机器人将首先在军事、医疗、文娱等领域取得突破性进展。
医疗机器人是指辅助或代替医生进行医疗诊治及护理的机器人。
医疗机器人有多种类型，如医疗外科机器人、X射线介入型治疗机器人、无损伤诊断与检测微小型机器人、人工器官移植与植入机器人、康复与护理机器人等。
微型机器人是智能机器人的又一个重要方向。
在《西游记》中，孙悟空经常摇身一变，变成一个虫子，钻入妖魔鬼怪的腹内。
这虽然是神话，但从一个侧面反映了人类的梦想。
随着微型机电系统的不断深入发展，微型机器人进入人体内实施手术、疏通血管、定点投放药物将不再是梦想。
为了减轻手术带给病人的痛苦，人们普遍会接受由机器人主刀的外科手术。
微小型机器人也将进入人体的血管，肠道中对各种疾病进行分析和治疗。
国外正在开发体内自主行走式诊断治疗、定点投放药物、体内微细手术的外科手术机器人。
医用注射器将微型机器人推人体内，机器人携带生物传感器对人体组织进行检查，并将信号反馈到信息处理中心进行分析处理。
压电陶瓷驱动微小型机器人的运动分析与仿真
第 ３期
西
南
交
通
大
学
学
报
Ｖｏ ． ６ ＮＯ． １４ ３
２１ ０ １年 ６月
Ｊ ＵＲＮ Ｆ Ｓ Ｔ Ｏ ＡＬ Ｏ ＯＵ ＨＷＥＳ Ｉ Ｔ ＪＡＯＴ ＮＧ ＮＩ ＥＲ Ｉ Ｙ Ｏ Ｕ Ｖ ＳＴ
Ｊｎ ０ ｌ ｕ ．２ １
文 章编 号 ： ２ ８２２ （０ １ ０ － １ － ０ ５ —７４ ２ １ ）３０ ５０ ４ ７
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Ｄ ：１．９ ９ ｊｉ ｎ０ ５ —７４ ２ １． ３０ ０ ＯＩ ０ ３ ６／Βιβλιοθήκη ｓ ．２ ８２２ ．０ １０ ．１ ｓ
压 电 陶 瓷 驱 动 微 小 型 机 器 人 的 运 动 分 析 与 仿 真
杜 启 亮 张 勤 ， 田联 房 青 山 尚之 ， ，
（ ．华南理工大学电子 与信息 学 院 ，广东 广州 ５ ０ ４ ；２ １ １６ １ ，华 南理 工大 学 机械 与汽 车工 程学 院 ，广东 广 州 ５ ０４ ； ．华南理工大学 自动化科学与工程学院 ， １６ １ ３ 广东 广州 ５０４ ； ．电气通信大学智 能工学科 ， １６ １ ４ 东京 １２ ８—
Ｗ ｉ ｈ ｏ ｐ ｒ ｔ ｎ ｏ ｏ ｅ ｅ ｔ ｍａ ｎ ｔ ，ｔ ｅ ｒ ｂ ｔｗ ｓ ａ ｌ ｏ ｍｏ ｅ ｆ ｒ ａ ｄ ｂ ｃ ｗａ ｄ ｕ ｎ ｌｆ ｔ ｔ ｅ ｃ ｏ ｅ ａ ｉ ｆｔ ｌｃ ｒ ｈ ｏ ｗ ｏ ｇ ｅ ｓ ｈ ｏ ｏ ａ ｂ ｅ ｔ ｖ ｏ ｗ ｒ ／ ａ ｋ ｒ ，ｔ ｒ ｅ ｔ ／
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。
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美国DARPA
– 微小型武器系统最大的支持者 – 共设7个处: – 国防技术处
– – – – – – 特殊项目处 信息系统处 信息技术处 战术技术处 微系统技术处 先进技术处
嵌入式技术与微小型机器人
• 国外专业实验室
美国iROBOT实验室是在美国处于领先地位的 微小型仿生技术研究开发重点实验室之一。 重点研究开发面向微小型仿生机器人的高机 动性、人机交互、多机器人协作算法、人工智能技 术等核心技术，并也支持研究开发具有军事应用前 景的扫雷、侦察、监视及处理对人体有毒害垃圾等 系统样机。
嵌入式技术与微小型机器人
（3）、嵌入式微处理器（Micro Processor Unit)
2）近距离电子干扰
嵌入式技术与微小型机器人
1）侦察
2）近距离监测
嵌入式技术与微小型机器人
2、微小型武器相关研究计划
• • • • • • 美国STTR计划机器人“龙虾” 美国水下自主扫雷“机器蟹”（长56厘米，重10.4千克，承载 3.17千克，由近海登陆艇控制） 美国海军机器人章鱼（由潜艇或水面舰船控制发射， 用于 浅海水域作战） 德国、英国以及挪威都在研究体积小、重量轻、成本低，并且 可以大量携带的一次性使用微小型扫雷武器 美国DARPA正在进一步资助这方面研究，计划进一步研究样机， 在今后的5至6年内装备部队 英国皇家海军正在开展仿生机器鱼推进机理研究
嵌入式技术与微小型机器人
王田苗
北京航空航天大学 机器人研究所
嵌入式技术与微小型机器人
人类长期探索生物学、仿生学、机械材料、智能 控制等方面深刻机理。 幻象希望研究出各种智能机器人,……
象人一样在家照看老人、护理病人？与世界明星 足球队一起踢球？ 象蛇一样爬行在狭窄管道进行维修，穿越在废墟 中寻找幸存生命？ 象飞鸟一样翱翔天空，象小蜜蜂一样观测花朵？ 象鱼类一样高效机动游动？
近来Atmel推出的AVR单片机由于其集 成了FPGA等器件，所以具有很高的性价比， 势必将推动单片机获得更高的发展。
嵌入式技术与微小型机器人
（2）、嵌入式数字信号处理器 ） • （DSP DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系
统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、FFT、 谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。
嵌入式技术与微小型机器人
嵌入式微处理器分类
嵌入式微控制器 （MCU）
嵌入式DSP处理器 (DSP)
嵌入式处理器
嵌入式微处理器 (MPU)
嵌入式片上系统 (System On Chip)
嵌入式技术与微小型机器人
（1）、嵌入式微控制器（MCU）
嵌入式微控制器的典型代表是单片机 这种８位的电子器件目前在嵌入式设备中 仍然有着极其广泛的应用。 单片机芯片内部集成ROM/EPROM、 RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、 看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、 A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种 必要功能和外设。
嵌入式技术与微小型机器人
3、发展的动力
• 微小型仿生武器平台以其机动灵活、快速响应、 高度智能的特征而正成为高科技环境下局部战争 和快速作战任务的新宠。 • 低成本、可重构、可隐蔽的微小型仿生军用武器 系统，体积小，重量轻，便于携带，可通过大批 量投射、空投或人工施放的方式将其布置在作战 区域。 • 例如，在美国每个军用仓库采用一台室内型探 测机器人，10年中总共节约35亿美元.因此探测 机器人的市场潜力是巨大的。
• • • • 以应用为中心 以计算机技术为基础 软件硬件可裁剪 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、 功耗严格要求 • 知识集成应用系统（CSEA） • 技术密集资金密集 • 高度分散不可垄断 • 面向应用不断创新 嵌入式技术与微小型机器人
嵌入式系统 的分类
• 按表现形式分： （硬件范畴）
– 芯片级嵌入（含程序或算法的处理器） – 模块级嵌入（系统中的某个核心模块） – 系统级嵌入
嵌入式技术与微小型机器人
应用 : 由于危险作业机器人具有微小型、低成本、隐 蔽性好、快速反应、机动性高、生存能力特别强等特点， 有可能引起未来战场产生神奇的变革——以小胜大，草木 皆兵，防不胜防。运载飞机Fra bibliotek运载飞机
敌方敌方雷 达与导弹 雷 达
与导弹
微型电子干扰飞行 器行器微型电子干扰飞行器器
1）侦察
• DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的 DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由 分立元件实现。 1982年世界上诞生了首枚DSP芯片，在语音 合成和编码解码器中得到了广泛应用。 DSP的运算速度进一 步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。
• 目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的 TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens 的TriCore也有各自的应用范围。
嵌入式技术与微小型机器人
嵌入式技术与微小型机器人
• 另外，还有美国DRAPER实验室，它起源于20世 纪30年代由惯性导航之父Charles Stark Draper博 士创立的一个发展角运动及直线运动精确测量仪 器的MIT教学实验室，后来主要研究发展和应用 先进制导、导航及控制(GN&C)关键技术，应用 于军用和民用的飞行器、潜器、战术战略导弹、 太空飞行器、无人交通工具等。 • 还有美国CMU大学机器人研究所、美国MIT船舶 工程实验室和人工智能技术实验室、美国JPL实 验室等。
微小型机器人需求背景
微小型武器系统
主 要 内 容
• •
科学研究意义 现代战争的启示
•
美国研究计划
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现 代 战 争 的 启 示
1、战争形态的演变
• 战争目的的演变（经济、制约， 而不是领土） • 战争攻击对象的演变（城市、 港口、百姓与敌方混和） • 战争手段的演变（远程、空降、 小分队、侦察攻击）
网络
嵌入式技术与微小型机器人
嵌入式系统的定义
嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持 的MP3和一个PC104的微型工业控制计算机都可以认为是嵌 入式系统。 嵌入式系统已经有了近30年的发展历史，它是硬件 和软件交替发展的双螺旋式发展。 最早的单片机是Intel公司的8048，它出现在1976年 Motorola同时推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80 系列，这些早期的单片机均含有256字节的RAM、4K的 ROM、4个8位并口、1个全双工串行口、两个16位 定 时 器。 之后在80年代初，Intel又进一步完善了8048，在它 的基础上研制成功了8051。
嵌入式技术研究的应用
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• 家用方面：数字电视、信息家电、智能 玩具、手持通讯、存储设备的核心。
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家庭智能管理系统
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嵌入式技术与微小型机器人
智能玩具与机器人
嵌入式技术与微小型机器人
• 工业方面：机床、冶金、电子、 交通、航空航天等行业技术升级 的重要基础；
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1981年Ready System发展了世界上第1个商业嵌入 式实时内核（VTRX32）包含了许多传统操作系统的特 征，包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中 断支持、内存管理等功能。
随后，出现了如Integrated System Incorporation (ISI) 的PSOS、IMG的VxWorks、QNX公司的QNX 等，Palm OS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，uCOS、Nucleux， 以及国内的Hopen、Delta OS等嵌入式操作系统。
嵌入式技术与微小型机器人
微控制器的最大特点是单片化，体积大 大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。 微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。 微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合 于控制，因此称为微控制器。
嵌入式技术与微小型机器人
由于MCU低廉的价格，优良的功能， 所以拥有的品种和数量最多，比较有代表 性的包括8051、MCS-251、MCS96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列 以及 MCU 8XC930/931、C540、C541，并 且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用 MCU和兼容系列。
可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌 入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵 盖机电等附属装置。
嵌入式技术与微小型机器人
一般定义
―以应用为中心、以计 算机技术为基础、软件硬件 可裁剪、功能、可靠性、成 本、体积、功耗严格要求的 专用计算机系统。”
嵌入式技术与微小型机器人
嵌入式系统定义要素
–专用计算机系统(非PC智能电子设备)
今天RTOS已经在全球形成了1个产业，根据美国 EMF（电子市场分析）报告，1999年全球RTOS市场产 值达3.6亿美元，而相关的整个嵌入式开发工具（包括仿 真器、逻辑分析仪、软件编译器和调试器）则高达9亿 美元。 嵌入式技术与微小型机器人
IEEE定义 根据IEEE（国际电气和电子工程师协会） 的定义： 嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅 助操作机器和设备的装置”（原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。
–实时操作系统（RTOS） –板级支持包（BSP） –设备驱动（Device Driver） –协议栈（Protocol Stack） –应用程序（Application）
嵌入式技术与微小型机器人
嵌入式处理器
• 嵌入式处理器的发展趋势
– 经济性（成本） – 微型化（封装、功耗） – 智能化（功能、速度）