微型机器人驱动技术发展现状

吴超

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本文首先介绍微型机器人驱动技术，对现有的机器人的主要驱动方式进行了简要的综述，介绍了各种驱动方式的原理以及优缺点，并列举了部分不同驱动方式下的机器人研究。指出磁场驱动技术和智能材料技术的发展将极大地推动微机器人应用于人体体内医疗领域。

近年来，随着微型机器人研究取得长足发展，微型机器人成为集成传感、控制、执行和能量的结构单元，是计算机、材料、机械、电子、控制和生物医学等多学科技术的交叉融合的成果，具有结构尺寸微小，器件精密，可进行微细操作等特点。微型机器人开发研究的主要方向包括：降低耗能、简化结构、位移输出和力输出较大、线控性能优良、体积小，环境发生变化时响应时间少等方面。

一、 微型机器人驱动技术

驱动技术在微机器人系统中起着至关重要的作用，微机器人执行任务时首先要考虑的是其运动能力。过去许多驱动原理已被报道，主要有静电、压电和电磁原理。静电驱动因垂直于电极的最大位移受限，而不适用于需要位移大于几微米的应用系统;压电驱动因位移也受到限制，往往需要很高的工作电压;电磁驱动因复杂的电磁结构很难制造和微型化。随着微机械加工工艺及智能材料的发展，微机器人应用系统逐步实现大输出力矩、高运动精度和强行进能力等特点的新型驱动技术。

二、 驱动技术的研究现状

目前，微型机器人常用的驱动技术概括起来主要有： 气动、热驱动、微电机驱动、智能材料驱动和能量场驱动。其中，智能材料驱动常用的有形状记忆合金、人工肌肉材料、压电材料、巨磁致伸缩材料。能量场驱动常用的有微波、光波、磁场和超声波等能量场。随着机器人技术的不断发展，机器人的驱动方式也越来越多。

（一）传统驱动

液压驱动是通过将油压泵产生的工作油的压力能转变成的机械能实现力的传递。该驱动控制性能好，有较高的精度;对于极端恶劣的外部环境，也有很强的适应能力。2016 年，谷歌子公司波士顿动力公司升级了最新款由液压驱动四肢的Atlas 机器人，Atlas 不仅能在各种地形上自如行走，还能完成下蹲、捡物、开门等各种拟人动作，在受到外力攻击时能保持机体的平衡，且被推倒后还能再次站起来。

气压驱动的工作原理与液压驱动类似，是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递。气压驱动器能迅速变化，快速性好; 气压驱动产生的废气不会污染环境。气压驱动方式通常用于搬运轻的物体和中、小负荷的工业机械手中。谭益松等人设计了一种用于管道清洁的气压驱动机器人，仿照尺蠖式运动，固定前端或后端，中间收缩的方式，完成机器人的前进后退运动，利用气压马达驱动合金刀旋转清理长距离复杂的管道内壁。

电气驱动是利用各种电动机产生力和力矩，直接或经过机械传动间接去驱动执行机构，以获得机器人的各种运动。。电气驱动的成本较低且方便，适合用于大功率机器人。Zouari L.等人设计了基于FPGA 板的无刷直流电机驱动的双自由度机器人系统，该系统成本低，动态响应速度快。

（二）新型驱动

磁致伸缩驱动主要是利用了磁致伸缩现象（ 即磁致伸缩材料磁化状态的改变导致其长度发生微小的变化） ，主要用于微小的驱动场合。

压电驱动器的压电材料是一种当它受到力作用时其表面上出现与外力成比例的电荷的材料，又称压电陶瓷。压电陶瓷具有响应速度快、位移线性好、体积小等优点。

形状记忆合金（ SMA） 驱动原理是指一种具有记忆功能的特殊的合金，在受到外力作用时发生形变，当温度达到某一适当值时，该合金能自动恢复到形变前的形状。SMA 制成的驱动元件，体积较小，结构简单，易于控制，因此有些研究人员将SMA 应用于微型机器人中。

超声波驱动是利用了超声波的振动特性进行驱动的。超声波振动引起振动物体与移动物体的相对运动产生了摩擦力，以摩擦力作为驱动力驱动机器人动作。

超声波驱动器和SMA 驱动一样，体积小，结构简单; 同时超声波驱动还具有响应速度快的优点，因此比较适合机器人的驱动。

电磁驱动是指通过改变磁场与导体的相对位置，使导体内产生感应电流，进而使得导体在电场力的作用下开始运动。已有的研究除了直接使用电磁驱动机器人，也有通过电磁驱动改变机器人的重心实现机器人驱动的。

静电驱动是利用电荷间引力和排斥力的相互作用顺序驱动电极而产生平移或旋转运动。由于其能量密度较低，应用的相对较小，但是它具有电压驱动、易于集成和控制的特点，在微型机器人的研究开发中具有突出优势。

三、结论

微机器人技术的不断发展，促进了世界工业的进步，驱动技术作为机器人中极其重要的部分，必须不断地发展提高以满足不断改进的机器人需求。高效、经济、无污染、易控的驱动方式将是未来研究的重点。随着磁场驱动技术及对外场敏感的智能材料的进一步发展，微机器人的应用正逐步地向人体体内医疗领域延伸。随着纳米磁材料和微加工技术的发展，使制造复杂的微型电磁结构并将其用于微机器人系统不再困难。人体体内医疗的微机器人将可采用外部能量场和智能材料驱动。

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