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微动机器人的致动机理研究综述 |
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作者：中国科学院沈阳自动化研究所 朱涛 谈大龙 |
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摘要：MEMS 是当前研究的一个热点，微机器人对于发展MEMS 具有重要意义，也是MEMS 的一项不可缺少的内容。微动技术是机器人学理论的一个重要分支，也是发展微机器人及相关微技术的基础。目前，各种新型微驱动器层出不穷，极大地推动了微机器人技术的发展。对于微动原理进行分析，从本质上弄清微动产生的机理，不仅可以丰富机器人学理论，还有可能使微动技术产生质的飞跃。从这一角度出发，对各种微动原理加以详细分析和比较，以期得出有意义的结论。
关键词：微机器人；致动机理
随着科学技术不断向微型化方向发展，MEMS 技术成为当前研究的一个热点。各种微型电机、微泵、微传感器和微型零件等的加工以及装配迫切需要与之相适应的微技术的发展。微动机器人是MEMS 的一个重要分支，也是实现微加工、搬运以及微装配等的主要手段。微动技术是设计微机器人的基础， 细胞切割、显微外科手术、微机械加工用精密工作台、微操作器和甚至微型未来的工厂都离不开微驱动技术。微动机器人既要满足减轻本体的质量和体积的目标， 又要具有较大的驱动力、转矩以及作业空间，因此， 应尽量减少传动链， 采用直接驱动。人们研制了许多微型驱动器，如微型电机、电磁驱动器、压电驱动器( PZT) 、超磁致伸缩材料驱动器、形状记忆合金驱动器(SMA) 和智能型凝胶驱动器等。
由于微操作的对象大多是微观物体，因而微机器人的动作原理与宏观环境有很大区别。微动机器人的动作一般较小， 大多在微米级甚至纳米级， 因而其对驱动器的精度要求很高。对于微机器人动作原理进行分析，有助于从本质上弄清机器人运动的机理，并最终促进新型微机器人的开发， 提高微机器人的性能。以下将对这些驱动原理进行分析， 并且研究了用上述驱动方法实现全方位运动的解决方案。
1 动作原理分析
微动机器人的驱动方法主要有轮式、机械摩擦式和足式三种。轮式微动机器人采用微电机拖动微齿轮带动轮子转动， 这种方式人们比较熟悉， 但缺点是运动精度不高， 只能达到微米级。机械摩擦式是在普遍的物理规律之上， 利用材料的某种特性，以及摩擦力等的综合作用， 将材料的微小变形转化为机器人的微位移，驱动机器人前进。其中主要的驱动方法包括振动法、冲击法、尺蠖法、弹性变形法和碰撞法等。足式驱动方法是采用单足或多足振动向前跳跃， 或是滑行， 通过速度规划可以实现灵活的转向及前进和后退。国内外许多学者在这方面进行了大量的研究，其中， 以日本为代表对机械摩擦式驱动方法进行了研究和试验。德国及欧洲学者对足式驱动研究较多， 形成了另外一套理论体系。下面， 对各种驱动方法的动作原理加以分析。
1. 1 振动驱动法
振动驱动法是由日本的名古屋大学提出的。1993 年他们利用压电晶体的振动制作成微小机器人。其原理是通过改变固连在L 形框架上的压电晶体的电压和频率，可以控制机构本体的移动速度和方向， 速度可达100 mm/ s ， 并可实现在15°斜面内的移动[1 ] 。
振动法的原理模型如图1 所示，由一个矩形框架和一个粘贴在框架上的压电晶体组成。其移动遵守质心运动定理， 同时受摩擦力作用[2 ] 。它的移动过程可以分为两个阶段:(1) 快速移动阶段。假设框架振动如图1a 所示， 此时压电晶体快速膨胀，推动其所在的右侧梁向右弯曲， 由于梁向外突出，所以压电晶体的重心向右移动。
将框架和压电晶体看成一个系统，则压电晶体作用在框架上的力为系统内力。由于此时底梁向上弯曲，与水平面接触少，摩擦力很小，系统水平方向所受的外力近似为零， 由质心运动定理可知，系统在水平方向上作惯性运动; 因初瞬时系统质心处于静止，所以系统质心将停留在原处。可以推得框架向左移动。
(2) 摩擦停滞阶段。如图1b 所示，此时压电晶体收缩，框架右侧梁向内弯曲，压电晶体质心左移， 依据质心运动定理框架将向右移动。但因此时框架底梁向下弯曲，受到水平面的障碍，梁克服这一阻碍而作用于水平面上一分布力系，同样水平面也作用一个相反的分布正压力系于梁上， 由于正压力增大， 梁与水平面间的摩擦力增大，使得框架不能向右移动。
这两个阶段形成一个移动周期， 压电晶体交替的膨胀、收
缩使得框架断续地向左移动。
该方法特点是移动速度快，可达100 mm/ s 以上。但是它运动不稳定，有振动噪声，而且难于控制。
1. 2 冲击驱动法
1988 年日本东京大学木通口俊郎等人首次提出“冲击法”，后来被用于微细加工和电化学微细加工[3 ] 。
冲击法的驱动原理如下:
惯性体通过压电元件与移动体连在一起。利用压电元件的电压变化控制压电元件的伸缩， 从而使物体移动。图2 是冲击驱动原理模型。
(1) 压电元件处于收缩状态，给压电元件快速施加电压，压电元件急剧伸长。移动体左移。
(2) 压电元件缓慢收缩， 惯性体左移。在返回过程中， 惯性体不断加速，以产生惯性力， 且小于静摩擦力; 否则， 移动体也会左方向移动。
(3) 当压电元件收缩至初始长度时，突然停止。就好象惯性体与移动体之间发生了碰撞一样。整个系统开始克服摩擦力左移，直到动能耗尽为止。
向右移动的过程与向左类似，只是压电元件初始状态为伸长状态，急剧收缩，缓慢回复的过程。
压电晶体的运动主要分为两部分，根据动量守恒定理得:
式中: m ———惯性体质量;
M ———移动体质量;
ΔL ———压电晶体的位移。
在加速时一定要保证加速度很小，以使惯性力小于移动体与平台之间的静摩擦力。因而加速度应满足下面方程式:
物体克服摩擦力做功，直到动能消耗尽为止。
冲击驱动的优点是结构简单， 易于小型化， 并且由于不存在保持机构，减少能量的消耗。但冲击驱动也称为Stick - slip 效应，因此摩擦力的大小直接影响其运动精度。另外， 因为是滑行，所以运动较难于控制。
1. 3 尺蠖驱动法
20 世纪90 年代初， 日本静冈大学首次提出来的尺蠖法驱动原理，并进行了试验研究。他们模仿尺蠖的移动原理，研制成功小型自行走机构[4 ] 。后来又用尺蠖法驱动微机器人实现了“压印法”加工收验和“微孔”加工。
尺蠖驱动法原理是模仿尺蠖的蠕动方法，利用伸缩元件的变形，并与保持机构相结合， 实现微小位移。一般说来， 伸缩元件采用压电陶瓷( PZT) ， 保持机构有的用电磁铁， 有的用压电元件，这里以电磁铁为例加以说明。其原理如图3 所示。
(1) 左边的电磁铁通电、吸附，压电元件加电压、伸长。
(2) 右边的电磁铁通电、吸附，左边的电磁铁断电、松驰、压电元件收缩。这样，就完成了一个循环。重复上述步骤， 即可实现步进式运动。
尺蠖法的特点是: (1) 压电元件静态收缩和扩张的循环，移动速度较慢。(2) 保持机构使之定位准确，但不利于小型化。(3)移动范围大，不受空间限制，精度高。
1. 4 弹性变形驱动法
(a) 移动机构(b) 模式图
图4 弹性变形驱动原理模型
利用弹性变形驱动物体， 实现微小位移， 也是目前微机器人领域研究的一种方法。
1997 年，日本爱知工业大学的早川和明等研制了基于弹性变形的微小移动机构[5 ] 。这种Scratch Drive Actuator (SDA) 利用L 字形平板在周期电压下的弹性变形， 驱动机器人本体前进。
SDA 的模式图及移动机构如图4 所示。硅板的弹性变形生成的弹性势能，驱动机构向前移动。SDA 的变形量为Δx 是:
弹性变形法的特点是结构简单， 极易小型化。现在已经制作出大小只有数十微米平方， 高度数微米的微型机构。由于SDA 的制作及控制简单易行，可适用于许多领域。
1. 5 碰撞驱动法
中科院沈阳自动化所提出了碰撞法[6 ] 。如图5 所示。质量为m 的物体(衔铁) 受磁力(或其它力) 作用，沿箭头方向运动，以一定速度与质量为M 的物体碰撞之后，物体M 得到一定的速度，使得M 与m 一齐移动。根据动量守恒和能量守恒原理可以得到如下移动方程:
图5 碰撞驱动原理模型
理论上讲， 该方法质量比为二次项， 有可能比冲击法进给精度更高。但是，其可控性还有待进一步验证。
1. 6 足式驱动法
德国卡尔斯鲁大学提出了足式驱动微机器人的构想，并利用该方法做出了实验原型[7 ] 。目前， 他们已在一个综合微机器人开发项目MINIMAN 中应用了这一原理，取得了满意的实验效果。足式驱动的原理如图6 。
机器人微动平台是由三个压电陶瓷腿驱动。压电陶瓷呈管状，当施加电压时长度发生变化。每个管内、外分别镀有金属电极。它们是用于给压电管施加电压，来改变压电管的长度的。由于电场的变化，压电管或伸长或收缩。为了使压电陶瓷弯曲，外电极分成4 部分，沿轴向成90°分布，如图7 所示。
运动的过程是以压电陶瓷的速度为基础的， 应用了slip -stick 驱动原理。首先， 压电管慢慢弯曲， 然后快速移动一步。由于机器人平台的惯性和管的高速度， 它们在玻璃平板上滑行。
因红宝石球和玻璃之间的摩擦力比机器人的质量小得多，平台拉回一点。但与步长相比可以忽略。压电管到一个新位置时再一次伸展，这一步就完成了。
与机械摩擦式驱动相比，足式驱动方法更能发挥微机器人的灵活性，每一个驱动器都可以在平面内任意方向运动， 不需要组合。其运动平稳，并能同时实现快速的移动(粗动) 和高精度的微操作(微动) 。微机器人定位准确，可控性好，而且不需要机械导轨，移动范围不受限制。
图7 压电陶瓷管驱动器
( c) ( d)
图8 全方位微移动平台原理图
2 平面全方位运动的实现从上述分析可知，改变足式驱动原理的压电管不同电极的外加电压，可以使驱动器沿任一方向运动，因而机器人具有高度灵活性。机械摩擦式动作原理通常只能实现线性移动，要实现平面全方位的灵活运动，还必须对上面的结构加以组合[ 8 ] 。这里以冲击驱动法为例，给出了几种具体的组合方式，如图8所示。
当驱动器只能单向运动时，用8 个驱动器组合可以得到一个对称的平面全方位运动平台，其结构布局如图8a 所示。这种结构的特点是运行稳定，没有耦合现象。显而易见，由于使用的驱动器数量多，使这种结构很难小型化。
一个简化的模型如图8b 所示，驱动器数目减少到了4 个。在使用压电元件驱动的情况下，由于运动是双向的，最少可以用3 个驱动器实现全方位运动，如图8c 所示。
图8d 显示的是另一种平台，它是利用4 个双压电晶体驱动，这里，急剧弯曲代替急剧伸长，实现了驱动效果。
3 驱动方法的改进
事实上，在研究中，人们并不拘泥于某一种方法，而是从实际出发，根据需要将多种方法进行综合，并加以改进。
将多个压电陶瓷并联实现尺蠖驱动，可以扩大微动机器人的行程，已经被用于STM 和精密工作台。利用冲击驱动方法，以一个压电元件驱动的双向自走机构，被用于细胞操作。平滑冲击驱动(SIDM) 机构[ 9 ] ，具有与冲击驱动法一样的自走
功能之外，同时还可实现高速度的粗动和高精度的微动。坂野哲朗提出摩擦驱动方法[ 10 ] ，使用两个相同的带有积层型压电陶瓷的驱动体，由压电陶瓷的微小变形产生的压力作用在夹持机构上，使之与导轨间的产生摩擦，驱动机器人前进。
为适应在生物医疗技术对微机器人的需要，Koji Ikuta 提出将冲击驱动法与电磁夹紧机构结合的可控微型线性移动机器人的设想[ 11 ] 。与常规固定摩擦的冲击相比，这种摩擦可控的冲击驱动方法可实现四种驱动状态:释放、锁定(又称夹紧) 、增强和减弱。该系统可以通过滑动来消除过大的力，因而系统提高了操作者和机构的安全性，这是该系统与其它系统最大的不同之处。这种可控的机器人体积小、质量轻(力/ 质量达到70) 、速度高(达到35 mm/ s) 和效率高，并且运行安全、无噪声。
参考文献
[ 1 ] Toshiyuki Matsuoka ， et al . Mechanical analysis for micro mobile machine with piezoelectric element [C] . Proceedings of the 1993 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems ， Yokohama Japan ，1993 :1 685 - 1 690.
[2 ] 张彦彬， 等. 压电晶体驱动的微小机器人移动机理分析和建模[C] . 哈尔滨:中国第五届机器人学术会议论文集，1997 ，8 :152 -157.
[3 ] T Higuchi ， et al . Precise positionaing mechanism utilizing rapid deformations of piezoelectric elements [ C ] . Proceedings IEEE MicroElectro Mechanical Systems ，1990 ，2 :406 - 410.
[ 4 ] 青山尚之. 小型自走机械群による超精密生产机械— ™ ¦ À(第一报) [C] . 精密工学会志，1993 ，59 (6) :143 - 148.
[ 5 ] 早川和明. L 字形· Ì一¨ の弹性变形を用ぃた‚ ¡ Å ˆ 一Ÿの动作解析[ C] . 精密工学会春季大会学术讲演会讲演论文集，1997 :1 179 - 1 180.
[ 6 ] 李小凡. 用微移动机器人群进行超精密加工与测量的现状和发展[J ] . 机器人，2000 ，22 (7) :902 - 905.
[7 ] Sergej Fatikow ， et al . Design and control of flexible microrobots for an automated microassembly desktop - station [ C] . Proceedings of SPIE on Microrobotics and Microsystem Fabrication ， 1997 :66 - 77.
[8 ] Toshiro HIGUCHI ， et al . Micro actuators using recoil of an ejected mass[C] . Proceeedings IEEE Micro Robots and Teleoperators Workshop ，1987 ，11 :401 - 405.
[9 ] 吉田龙一，等. ™ À一š „ Ó ± ¨驱动机构(SIDM) の开发[J ] . 精密工学会志，1999 ，65 (1) :111 - 115.
[ 10 ] 坂野哲朗. 摩擦驱动式¾„ Í压电Ê «‚ ‚ ¡ ň 一Ÿ の研 究[J ] . 精密工学会志，1997 ，63 (9) :1 246 - 1 250.
[11 ] Koji Ikuta ， et al . Tiny silent linear cybernetic actuator driven by piezoelectric device with electromagnetic clamp [ C ] . Proceedings IEEE Micro Electro Mechanical Systems ， 1992 :411 - 416.(end)
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(4/13/2008) |
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