（精密仪器及机械专业论文）腹腔内手术用微型机器人关节驱动部件的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

中国科学技术大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t c e l i a co p e r a t i o ni so n eo ft l l em o s tf 卸：1 i l i a rs u 唱i c a lo p e r a t i o n w i t ht h ep r o 掣e s s a 1 1 dd e v e l o p m e n to fm e d i c a l t r e a t m e n t ，t 0i m p r o v eu p o nt r a d i t i o n a lc e l i a ci n c i s i o na 1 1 d t ol e s s e ns u 唱i c a li m p a i 肌e n t ，i ti su 唱e n tt om a n yp e o p i ew h ow i s ht or e a l i z em e s m a l li r l c i s i o nc e l i a co p e r a t i o n t h i so p e r a t i o no n l yn e e daf e wm i l l i m e t r e ss m a l l i n c i s i o ni n s t e a do fb i go n e 、m t ht h es u p p o r to fm i c r oc c dc 姗e r as y s t e m ，t h e i n t e l l i g e n tm i c r o - r o b o te m 巧a b d o m i n a lc a v i t yt h r o u 曲m ei n c i s i o na n do p e r a t ei n t h e r e t h em i c r 0m b o tf o rc e l i a co p e r a t i o nb a s e dp i e z o e l e c t r i cc e r 锄i c sm a l ( e si t p o s s i b l e n l i sp a p e ri sap a r to ft h es t u d yo fm i c r or o b o tf o rc e l i a co p e r a t i o n t h em a i n t a s ki st oc o m p l e t et h es t u d yo f j o i n td r i v e ro fm i c r or o b o tf o rc e l i a co p e r a t i o n i n t h i sp a p e r t h ea u t h o rf i r s ts u m m a r i z e dt h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to f m i c r 0 e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e ma n dm i c r or o b o ts y s t e mf o rm e d i c a l u s e i t i n t r o d u c e dt h ep i e z o e l e c t “ce a 、e c to fp i e z o e l e c t r i cc e r 锄i c s ，p r o m p tr e s p o n s e ，h i 曲 p r e c i s i o nd i s p l a c e m e n t ，e t c ，a n a l y z e df e a s i b i l i t yt h a tp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c sw a s u s e d f o rm i c r od r i v e r a n dt h ea u t h o ri n t r o d u c e dt h ed e s i g na n dm e c h a n i c a la i l a l y s i so ft h e d r i v e ro fm i c r or o b o tf o rc e l i a co p e r a t i o ni nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h ea n a l y s i so fn e x u r e h i n g e t h e nt 1 1 ea u t h o rd e t a i l e dt h ec o n t r o lc i r c u i t i nt h ee n d ，t h ea u t h o rm a d et h e e x p 耐m e n ta n ds i m u l a t i o no fm i sd r i v e r k e yw o r d s ： m i c r o i n c i s i o nc e l i a c o p e r a t i o n ， m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m ， p i e z o e l e c t r i cc e r 锄i c s ，f l e x u r eh i n g e i i 论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 年月日 中国科学技术大学硕 ：论文 第一市绪论 映细胞流变特性的改变，可在一定程度上模拟细胞通过毛细血管的行为。 ( 2 ) m e m s 在新药开发，特别是药物筛选方面的应用。 ( 3 ) “灵巧药丸 ( s m a r tp i i ) ，或者是靶药物输送，这实际上是包含传感器、 储药囊和微压力泵的微型仪器。它们可被注入人体，并在人体的精确部位释放精 确剂量的药物。 ( 4 ) 监测皮肤或体内温度的集成无线微型仪器，可用来远程监测皮肤或相关 器官温度等参数，并将有关信息远程传送到接收器。 ( 5 ) 微型诊断工具，特别是在基因检测与分析、及其相关领域中的应用【2 1 。 ( 6 ) “灵巧导管”，在医用输液、介入性诊治方面实现有关参数的测量以及控 制，特别包括用于修补血管、可替代心脏旁路手术的导管、假体单元、相关的人 工生物导管等。 ( 7 ) 在人工器官方面的应用，如植入式微轴血泵。德国亚深亥嫫霍兹 ( a c h e n h e i m h o i t z ) 学院正在研制植入式微轴血泵，以便达到长期循环辅助的效果 【3 】。微轴血泵由单叶轮组成，由其近端的整合微型电极驱动。鉴于长期循环的需 要，血泵与电机之间进行物理隔离，驱动力是通过磁耦合传导的。微轴血泵被植 在主动脉的位置，整个血泵系统完全浸入血中，经外部的控制器进行驱动控制。 开心术后将微轴血泵放置在主动脉的位置，然后将缝合环固定在血泵的入口处之 外壳上。 ( 8 ) 微型治疗仪器，典型的如纳米机器人，用于清除血管壁沉淀物、攻击癌 变细胞等等吲。 医疗领域设计的微机电系统关键技术有：系统设计技术、微机械材料、微细 加工、微装备和封装、微能源、微系统控制和集成等等。微型系统的设计包括了 微结构数据库、有限元分析、仿真模拟技术、微系统建模等。微细加工技术包括 硅表面加工和硅微细加工、x 射线光刻、l i g a 加工、能束加工技术等。材料与 加工密切相关，应选用微细加工的新材料i s l 。 微机电系统是一个交叉多项学科，综合应用多种加工技术，探索新原理新设 计的科技领域。美国、同本、欧洲、新加坡等国这一领域都加大了投入，我国在 微机电系统技术研究方面已经取得了一定的进展，但还远远跟不上发展的形式。 尤其在医疗领域，更多的还停留在仿真模拟或样机研制上，离临床应用还相距很 中国科学技术人学硕 ：论文 第一章绪论 远。随着技术的进一步突破，微机电系统会展现更大的发展前景，它的广泛应用 和效益将强有力地展现出来，并对医疗技术的进步和外科设备的开发产生极其深 远的影响。 1 1 1 微型机器人概况 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嘲。国内 在国家自然科学基金、8 6 3 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。 微型机器人在我国有着十分广阔的应用前景f 7 】： ( 1 ) 眼外科医生进行复杂的眼科手术时，微型机器人沿着眼皮和眼球爬行。 用徽型解剖刀可以很容易地切掉病理细胞和弹性网膜，而不需将病人麻醉； ( 2 ) 微型机器人在血管中游弋，在脑血栓或其它动脉阻塞处放置药品以清除 血栓或病理组织； ( 3 ) 微型机器人能毫不困难地接通大脑内的细微切断神经，为医治精神病患 者及儿童痴呆症找到新途径； ( 4 ) 我国将进口超大规模集成电路制成的超微型计算机及特种仪器设备。为 节省大量维修费用，微型机器人能检查和接通超微型计算机的内部通讯线路或光 纤，建造密集连接的三维硅片结构，或灵巧地组装超微型仪器部件； ( 5 ) 微型机器人可以清洁、修理很脆和人类难以接触到的物体，如检查和清 洁真空及辐射条件下的光学镜头、热核装置中的光学设备、长期运转在宇宙空间 的卫星摄像机镜头等： ( 6 ) 现代的马达和微型机械日益微型化，以致将来人类难以用手工或机械修 理。微型机器人能检查、维修微型机械或电机，使其正常运转； ( 7 ) 公安部门利用带有微型c c d 相机和微型光纤的微型机器人进行侦察、摄 像，和用带有红外传感器、摄像机的微型机器人监视罪犯活动等等。 目前国内对微型机器人的研究主要集中在三个领域嗍： 中国科学技术大学硕士论文 第一章绪论 ( 1 ) 面向煤气、化工、发电设备细小管道探测的微型机器。 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 式应另辟蹊径聊。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。微 驱动器的研究成果已成为微管道机器人的重要发展基础【1 0 】【1 1 】n 2 1 。 f i g 1 1 蠕动式管道机器人 日本名古屋大学研制成一种微型管道机器人，可用于细小管道的检测，在生 物医学领域的小空间内作微小工作。这种机器人可以由管道外面的电磁线圈驱 动，而无须以电缆供电。日本东京工业大学和n e c 公司合作研究的螺旋式管内 移动微机器人，在直径为中2 5 1 4 m m 的直管内它的最大运动速度是2 6 0 m m ，s ， 最大牵引力是1 2 n 。国内的上海大学和上海交通大学都研制出了惯性冲击式管道 微机器人，上海交通大学的微机器人采用层叠型压电驱动器驱动；上海大学的微 机器人驱动器有层叠型和双压电薄膜两种类型【1 引。 ( 2 ) 针对人体、进入肠道的无创诊疗微型机器人。 近几年来，医疗机器人技术的研究与应用开发进展很快，微型医疗机器人是 其中最有发展前途的应用领域，据日本科学技术政策研究所预测，到2 0 1 7 年医 疗领域使用微型机器和机器人的手术将超过全部医疗手术的一半。因此日本制定 了采用“机器人外科医生”的计划，并正在开发能在人体血管中穿行、用于发现 并杀死癌细胞的超微型机器人。美国马里兰州的约翰霍普金实验室研制出一种 中国科学技术大学硕士论文第一章绪论 器械的显示，术中匹配和导航等。 医用机器人种类繁多，北京航空航天大学机器人研究所曾经对其进行过如下 分类f 2 司： 康复机器人系统厂一1 患者激励机器人 l 一2 康复训练机器人 功能机器人系统 一 二! ：夫彳裂体 i3 人j ：脏器 护理机器人系统 1 医削遥控操作手 2 机器轮椅 3 ，配药机器人 4 供食机器人 f i g 1 5 医用机器人系统的分类 目前医疗外科机器人系统的主要研究技术热点为：临床应用、微机器人、仿 真、图形导航、虚拟临场、多媒体通讯、遥操作研究等，实验证明，发展医疗外 科机器人技术是医疗部门摆脱陈旧的手术方法，提高手术的效率、质量和降低手 术费用的可靠途径【2 6 】【2 7 1 。 本论文可归为微创伤外科手术系统类，这类手术又称显微外科，或内窥手术。 它的特点是不需要在病人身体表面上有大的手术切口，有利于病人的康复和降低 医疗费用。手术时，通过皮肤上的一个小孔将手术器械送入病人体内的病变部位， 进而完成手术操作。传统的方法由于不能给医生提供工作空间的三维显示，也没 有末端执行器的力和力矩反馈信息，所以医生控制末端执行器还有一定的困难。 9 x ) 中国科学技术大学硕士论文第一章绪论 关于微型机器人在医疗领域的应用请参见章节1 1 3 。 ( 3 ) 面向复杂机械系统非拆卸检修的微型机器人。 除了上述提到的微型管道机器人和无创伤微型医疗机器人以外，国内外一些 科研工作者广泛开展了进行特殊作业微型机器人的研究。这种微型机器人配备相 应的传感器和作业装置，在军事和民用方面具有非常好的发展前景f 1 6 i 。 美国国家安全实验室制造出了有史以来世界上最小的机器人，这部机器人重 量不到2 8 9 ，体积为4 1 1 c m 3 ，腿机构为皮带传送装置，该机器人可以代替人去 完成许多危险的工作。美国海军发明了一种微型城市搜救机器人，该机器人曾在 2 0 0 1 年“9 1 1 事件发生后的世贸废墟搜救现场大显身手。美国加州大学伯克 利分校的苍蝇机器人是迄今为止最小的可以拍打翅膀的机器人，并实现了第一次 有限的飞行。这种机器人苍蝇的翼展只有3 c m ，重量3 0 0 m g ，其结构如下图所 示。 f i g 1 ，4 苍蝇机器人 研究人员模仿果蝇制作了这个装置，它能够每秒种数百次地拍打和转动翅 膀。这个机器人苍蝇的首次飞行使用了一只翅膀，只飞行了3 0 厘米，当时这个 机器人苍蝇是拴在金属支架上的。伯克利分校电子研究所主任a l b e r tp i s a n o 说， 这个计划为增加了解微型航空动力学、微型机械系统和微型制作方法铺平了道 路。这个计划是由美国国防部投资的，美国国防部希望使用这种小型的飞行机器 进行战场侦察。这种机器人苍蝇还可用作气象传感器和通气管道检查员【1 7 1 。 1 1 2 微型机器人发展方向和存在问题 阻碍未来微型机器人发展的因素有很多，其中一个是能源供给问题。微型能 源技术是微型机器入实用化的瓶颈之一【1 舶。微型机器人的能源供给有两种方式： 一种是有缆，一种是无缆。有缆能源供给方式比较简单方便，但限制了微机器人 6 中国科学技术大学硕t 论文 第一章绪论 的移动距离和行走半径以及应用场合；而无缆能源供应就没有这种限制，可以让 微机器人沿任何路径移动【1 9 1 。日本d e n s o 公司已开始了这方面的研究，并利用 微波进行无缆供能，开发了直径为1 5 m m 的无缆管道微机器人，可以用来检测 管道狭窄处的微裂缝。这是开发微机器人过程中应该努力发展的方向，这有助于 研制世界上最小的自动m e m s 微型机器人。 其次则是驱动器的微型化。微驱动器是m e m s 最主要的部件，从微型机器 人的发展来看，微驱动技术起着关键作用，并且是微机器人水平的标志，开发耗 能低、结构简单、易于微型化、位移输出和力输出大，线性控制性能好，动态响 应快的新型驱动器( 高性能压电元件、大扭矩微马达) 是未来的研究方向【2 0 】【2 1 。 再次为传感技术的影响。在计算机技术迅猛发展的今天，传感器的发展水平 和计算机的发展水平比较，可以得出“大脑”发达、“五官”落后的结论。其原 因主要是因为计算机技术的发展是建立在半导体集成电路长期高速发展的基础 上的，而传感器的生产技术与其相比是很落后的，如果可以把半导体集成电路的 生产技术用于传感器的生产则可以大大降低其成本，使传感器赶上计算机技术的 发展。这就是近年来人们关注半导体传感器的原因。半导体传感器目前可以做得 很小，其微型化程度已经远远超过了执行器。目前的传感器在微小环境中识别机 器人位置和速度的精度是不能令人满意的，而机器人位置和速度的检测是其自主 运动的基础。因此，采用先进的显微技术和成像系统( 如扫描隧道显微镜、c c d 相机和激光扫描显微镜) 监视和测定微操作对象，开发微视觉系统，提高微图像处 理速度，进一步开发其它类型的微型传感器，是今后传感器设计中应该重点考虑 的问题【2 2 1 。 最后则是自主运动控制的问题。当一个系统的特征尺寸变得很小时，常规的 控制策略就显得不是很适合。更有甚者，当设计并制造出一个微型机器人之后， 却发现它根本就不会动或者运动性能很不理想。其主要原因是在设计时没有考虑 到一些与尺寸效应有关的阻力对机器人运动的影响。所以发展新的设计理论和相 应的微控制技术是必需的。微型机器人的控制基本上可以分为两类：一是控制器 和微型机器人本体是分离的，控制指令通过导线或电磁波传送到微型机器人驱动 其运动。这种控制方法常见于国际微型机器人迷宫比赛、最小入侵手术和管道检 测。这实际上是一种遥控或遥操作技术。二是基于人工智能原理，充分利用计算 中国科学技术大学硕i j 论文第一章绪论 机控制，使微型机器人具有类似a g e n t 的自治性，实现自主运动。这样的控制 需要根据机器人执行任务的不同而具体设计【2 3 1 。可以说就微型机器人的发展趋 势看，自主运动控制应该是微型化后的又一关键问题。 1 1 3 微型机器人在医学领域的应用 2 0 世纪9 0 年代以| 束，机器人技术的应用丌始从制造领域扩充到非制造( 比如 宇宙探测、海底探察、管道铺设和检修、医疗、军用、娱乐等) 领域，从而基于非 结构环境、极限环境下的先进和特种机器人技术及应用研究已成为机器人技术研 究和发展的主要方向。地球生物历经长年进化，不仅具备超乎寻常的对自然环境 的适应能力，而且更有功能和特性极其完备的动作机理和功能器官，为人们研发 新型驱动原理的微型机器人提供了思路。 前面我们已经提到，医学领域是微型机器人发展的一个重要方向，特别是计 算机技术的发展，医用机器人在临床中的作用越来越受到人们的重视。现在，它 已经成功地应用到神经外科、整形外科、泌尿科、脊椎、耳鼻喉科、眼科、膝关 节切除以及腹腔镜等众多领域中。由此，依靠医学成像、微装置、传感器、计算 机和机械手等的辅助，从一个丌放的、完全的人工手术到辅助医生进行最小侵入 性手术。而最小侵入性手术具有对周围组织的损伤小、术后恢复时间短和不留疤 痕等优点，如腹腔镜诊断手术。另外，医生在选择最佳的手术路径、执行复杂的 外科手术和提高手术的成功率等方面也受益匪浅【2 4 1 。以内窥镜为例，目前医学 上广泛使用的各类内窥镜、内送药装置等医疗仪器是靠柔性管引导从外部直接插 入人体内。这种驱动方式有两大缺点：一是体内管腔狭窄曲折，柔性管长距离 插入有困难，有些死角位置很难到达；二是在插入过程中，柔性管和内腔壁之间 直接接触摩擦，给内腔有机组织带来损伤，引起人体的严重不适和痛苦。 医用机器人与工业机器人不同，主要区别在所操作的对象和工作的环境上。 医用机器入的对象主要是病人，所关注的是人的生命，两不是工厂里的产品，所 以对机器人的位置精度及对病人的安全性方面要有很高的要求。因此对医用机器 人的行为必须进行控制，特别是当错误发生时。另外，运动的速度要漫，与人的 接触力以及工作的区域要被控制和限制。而与机器人相配套的计算机要完成数据 的获取和建模；术前处理，包括多模图像的匹配。器官的三维显示，手术方案和 路径的制定，术前模型等；术中处理，主要是数据获取，器官和机器手及其手术 中国科学技术大学硕士论文第一章绪论 引入机器人技术、遥操作技术( t e l e o p e r a t i o n ) 和临床感知技术则可以解决这个问 题。目前许多研究小组正致力于将微型机器人技术应用于内窥镜，利用光纤传感 器和压力传感器可以实时地监视末端执行器在体内的工作情况并加以控制。这类 系统般用于腹外科、胸外科和脑外科中。目前该类系统的研究主要有两个方向： 一是用于内窥手术的微机器人的研究。如德国的b o h n e rp 研制的用于内窥手术 的七自由度机器人，意大利的c a r r o z z am c 研制的用于腹外科的机器人系统； 另一个是临床实用化研究如加拿大的y i ks k 研究的基于p u m a 2 6 2 的立体定向 脑外科机器人系统，它主要研究解决了在机器人的局部工作空间提高机器人的绝 对精度，使手术系统的最终误差能满足临床使用的要求。 作为机器人学在医学领域应用的一部分，仿生机器人学同样受到广泛的关 注。仿生学是机器人学主要的结合和应用领域之一，这方面的研究引起各国相关 研究人员和专家的极大兴趣和关注，并取得了大量可喜成果和积极进展。 仿生机器人是模仿自然界中生物的外形或某些机能的机器人系统，可按照所 模仿的运动机理、感知机理、控制机理及能量代谢和材料组成的不同来对其进行 划分【2 们。仿生研究及其相关技术是机器人研究领域内的新课题，国内外的诸多 科学家在这一领域内丌展了卓有成效的工作。模拟各种动物在各种特定条件下的 卓越功能，根据其运动原理制造出可以代替人类从事恶劣环境下作业的仿生机器 人。在未来的段时期内，这种基于仿生技术的微型机器人将会大量出现。 仿生微型机器人不仅对国民经济的多个领域有重要的推动作用，而且对人类 生活方式的变革具有促进作用，在农业、核工业、医学、军事和航空等领域里有 着广泛的应用。在农业上，可以用来杀灭害虫，定点洒农药。在核工业上，可以 用来处理核电站事故、进行设备维修以及对核燃料进行处理。在医学上，医用微 型机器人的研究正在不断取得进展。在军事上，可以用于军事要地的报警、防卫 战略要地等；可以攻击敌人的重要设旌，实现定点爆破；可以深入敌后获取重要 的军事情报。按照模仿的运动、感知、结构等机理的不同，机器人仿生可归结为 结构仿生、材料仿生、功能仿生、控制仿生以及群体仿生五个方面，这里就不再 展开讨论。下图为美国麻省理工学院( m i t ) 人工智能实验室( r il a b o r a t o r y ) 设计 的机器蟑螂b o a d i c e a 。该机器人由1 6 个压缩气体驱动器驱动，气体驱动具有质 量轻、输出功率大、速度快等特点。在气体驱动器的驱动下，该机器人每只脚最 l o 中国科学技术大学硕卜论文 第一章绪论 大速度可达0 9 m ，s ( 3 5 i n ，s ) ，可翻越1 0 c m 高的障碍以及6 4 。的斜坡。 f j g 1 6 机器蟑螂 新泽西州的罗格斯大学正在研究利用形状记忆合金( s m a ) 来做人造上肢，重 点包括肩关节与指关节的仿生【2 9 l ，所用s m a 丝径1 5 0 m l c r o n ，如下图。 s 。m t 锄 a n c h o rb r 3 ：k e ： ，7 f or ：e n c o n _ f t e 0 d o n 8 3 i ；v 0 ：b ，jc l e ：f 。r nus c i ew r e i iu s cew 汁e筠 f i g 1 7 仿生肩关：肖与指关1 y 仿生微型机器人已成为世界公认的2 1 世纪前沿高技术，是未来机器人领域 竞争的一个热点。仿生微型机器人具有智能化、适应性、灵活自主性等优点，在 非制造业和服务业具有十分诱人的应用前景。目前主要开展关于仿生微型机器人 的运动机理建模、控制系统设计、机械制造技术及微型驱动能源等方面的研究， 这些都是有待深入研究的关键技术。可以预期随着m e m s 及其它与机器人相关 的高新技术的发展，将会创造出新一代的仿生机器人f 3 们。 1 2 压电型微驱动器 压电陶瓷微驱动器是继6 0 ，7 0 年代电磁式驱动器后又一种新发展起来的固 态执行器件，工作原理是利用压电材料的逆压电效应或电致伸缩效应，用输入电 压精密控制器件在一定方向上输出位移量。压电微位移器的位移分辩率高达 中固科学技术人学倾i j 论义 第一章绪论 o 0 0 6 u m ，可根据不同的应用场合和要求，选择不同机理的压电材料，以获得优 良的位移线性度或较大的位移行程。它是一种易于控制的、较理想的精密电驱动 微位移器，具有结构简单、体积小、重量轻、精度和分辨率高、频响高、出力大 等优点，在光学、电子、航天航空、机械制造、生物工程、机器人等技术领域得 到了广泛应用，而且日益受到重视戳；。国内外对该器件十分重视，不断有新的 器件结构和制作技术出现，器件性能也在不断改善之中。近年来这类元件的研究 和应用发展很迅速，已在功能陶瓷中形成了一个重要的分支。 与一般电磁式驱动器相比，压电陶瓷微驱动器具有一系列的优点，归纳如下： ( 1 ) 不需传动机构，位移控制精度高，可达 岛，则上式可简化为： k 碰_ ( q ，埘) 饱= ( q ，+ q ) 吕= 去( q ，电+ q 2 ) ( 2 8 ) 由上式可见，压电陶瓷的位移不仅与电介质极化电荷有关，还与剩余极化电荷有 关。由式( 2 。9 ) 可以得到压电陶瓷位移与电场强度及电极化强度之间的关系： 址=：d e + m e l s q s kq k 即前面的公式( 2 1 ) 。 址：掣：掣：旷+ 鲈z a s ks a k u 。 其中：缸为压电陶瓷的伸长量； e 为压电陶瓷的内部电场强度； p 为压电陶瓷的内部电极化强度； f 为压电介质的介电常数； 岛为真空中的介电常数； q ，为极化后的剩余电荷； s 为压电陶瓷的横截面积； x 为压电陶瓷叠片的弹性模量； 由式( 2 9 ) 和式( 2 1 0 ) ，可以得到以下结论： 1 9 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 中国科学技术人学硕b 论文 第二章腹腔内j 丁术用微型机器人系统介绍 f i g 2 8 关：i 卜机构原理 此结构实际是将十字交叉轴、四杆运动机构及正弦机构综合演化后得来的。 b 为一转动中心为q 的偏心轴柱，其上有一个以d ，为圆心的小圆柱；a 为压电 陶瓷驱动器的推杆，其末端固接一个与小圆柱d ，动配合的滑槽；当a 沿着x 轴( 虚 轴) 方向直线运动的时候，q 在滑槽中移动，偏心轴d 1 整体围绕d 1 点转动，进而 带动c 杆沿x 轴方向直线运动：杆c 通过与d 轴相连接的d d 点将运动传递给d ， 使d 围绕着y 轴( 虚轴) 转动。a ，b ，c 均位于系统的第i 节中，第i 节以动配合的 方式安装在d 轴上，而第i + 1 节安装在e 轴之上；当d 轴转动时，e 轴随之绕y 转动，进而带动整个第i + 1 节围绕y 轴转动。同理，若在第i + 1 节中与d 轴成 9 0 0 方向上安装一个与f i g 2 8 中相同的四杆机构，使其作用于e 轴，当第i 节固 定不动时，第i + 1 节相对于第i 节做围绕e 轴的转动。这样一来，第i + 1 节就实 现了两个自由度的转动。此外，适当的选择d ：q 与q q 的长度，可以达到行程 放大的目的。在本系统中，d 2d 1 ：d ld 3 = 4 ：1 ，压电陶瓷驱动器的输出位移被放 大了4 倍。所以，此机构具有运动转化和行程放大的双重功能。 ； ； 一e r l | ；珏 ；l e r ；豳 中国科学技术大学硕 ：论文 第三章关节驱动部件的设计 第三章关节驱动部件的设计 3 1 驱动部件的结构设计方案的实现 3 1 1 设计构想 压电陶瓷的变形处于微米量级，且响应速度快、精度高，如果令其成为可用 的位移驱动元件，一方面，我们可以尽量增大单位长度内层叠的压电陶瓷晶片数 量，另一方面，必须设计特定的驱动器结构和移动机制，使驱动器可以实现高速 度和长距离的移动。本驱动部件的原理图如下： abc o o a bc a 锁紧单元lb 压电陶瓷推动单元c 锁紧单元2 f l g 3 1 驱动部件移动原理图 2 4 中国科学技术大学硕士论文第三章关节驱动部件的设计 i 9 紧钉螺钉1 0 紧盯螺钉 f i g 3 2 ( b ) 驱动部件装备图 此驱动部件共用了三个压电陶瓷，其中的一个用来推动导杆的左右运动，并 通过环氧树脂把压电陶瓷与导杆粘结在一起。另外两个压电陶瓷用来锁紧导杆， 锁紧作用是通过一个柔性铰链机构实现的，其具体图示如f - g 3 3 ， f i g 3 3 基于柔性铰链的锁紧压制 上图即为基于压电陶瓷的锁紧压件部分，此机构不但可以实现压电陶瓷位移 的放大，而且可以有效的压紧导杆，其具体的分析将在后面介绍。 此驱动部件即f i g 3 2 中的一部分，在f i g 3 2 中每个关节各有两个这样的 驱动部件，推动关节在x z 、y z 两个垂直平面内实现两个自由度的转动。因为选 用的压电陶瓷材料响应速度极高，达到0 1 m s e c 以下，所以此驱动器可以完成 高速的大范围运动。 2 6 中国科学技术大学硕士论文 第三章关节驱动部件的设计 3 2 用于本驱动器的压电陶瓷的选取 压电陶瓷输出位移小，在应用中收到不同程度的限制，而采用多层叠片式压 电陶瓷微驱动器在位移特性和驱动力等方面有着很大优点，其尺寸也可通过减薄 陶瓷层而微小型化，因而给压电陶瓷驱动器的应用发展带来更广阔的空间。早期 的多层压电微位移驱动器是将己极化好的压电陶瓷片用粘结剂粘结而成，陶瓷层 间易脱胶且有大的蠕变；此外，陶瓷片厚度难以减至1 0 0u m 以下，限制了器件 微小型化。随着多层片式电容器( m l c ) 技术的不断成熟，流延厚膜成型技术以及 厚膜与金属内电极共烧技术也开始用于制备多层片式压电陶瓷微位移驱动器。用 这种先进制备技术得到的器件由于陶瓷和内电极间直接结合，无粘结剂，因而脱 胶现象以及蠕变性能均明显得到克服和改善【4 川。 考虑到系统的尺寸比较小，外径仅为1 8 m m ，内径为1 4 m m ，本驱动器采用 型号为a e 0 2 0 3 d 0 4 的层叠型压电陶瓷【4 1 】( f i g 3 4 f i g 3 5 ) ，其含义为， a e0 2 0 3d 0 4 其性能参数如下表： t a b l e3 1a e 0 2 0 3 d 0 4 性能参数 【m m 】 i t e m s t a n d a r d d i s p l a c e m e n ta tm a i m u mdr v ev o i t a g e4 6 l j m 1 5 m a x i m u md r i v ev o | t a g e ( s h o r tt e r m )15 0 v o i t s d i s p l a c e m e n ta tr e c o m m e n d e dd r i v ev o i t a g e 3 0 u m 1 5 r e c o m m e n d e dd r i v ev o i t a g e1 0 0 v o i l s o p e r a t i n g 。r e m p e r a t u r er a n g e 2 5 。t 0 + 8 5 。 c a p a c i t a n c e o 0 9 0 0 1 8 u f c l a m p i n gf o r c e 2 0 0 n r e n s i i es t r e n g i h2 0 n 中国阱争融祀k # 页? ；i 囊善美静参萋刁闩羹霎丞鐾薹烘 薹兰三罗耋霉 i 主至主主乏害主耋二至至三军乏i 耋季垂至至善萋 三至垂垂垂言主主薹至至兰茎季i 萋萋翥鬻羹l 霪薹驻爹羹；鋈萋吝薰冀冀鬟j o i 一? j j jj 主耋墓垂赛差三主! 羹纂垂警量囊羹j ? 耋霪i x 中国科学技术大学硕士论文 第三章关节驱动部件的设计 f i g ，3 8 电雁一变形特性曲线 3 3 本方案存在的些问题 3 3 1 压电保持问题 由于本驱动器的压电陶瓷形变只有3 个微米，所以对于任何微小的安装和设 计误差都会给驱动器带来很大的影响，所以压电陶瓷的影响不容忽视。本驱动器 采用的压电陶瓷型号为a e 0 2 0 3 d 0 4 ( 如图f i g 3 4 ) ，它实际上是由很多片的压电 陶瓷层叠后封装在一起，但由于是成品，且外面有封装套，其整体的外形尺寸难 免有一定的大小浮动，这样如果仍按理论上的计算值来安装压电陶瓷，有会产生 一定的误差，而且可能会影响很大，只有通过锁紧压件的上下调节来补偿这个误 差值。另外除了压电陶瓷的两个端面。其侧面的实际尺寸更是很不规则，这都给 压电陶瓷的侧面定位带来了很大的麻烦，只有通过在压电陶瓷的两个受力面( 即 两个端面旌加一定的预紧力来减小由于侧面不平整给定位带来的偏差。 3 3 2 安装 压电陶瓷与导杆是用环氧树脂粘结在一起的，但用环氧树脂粘结后，要紧密 压紧4 8 小时之后才能保证两个粘结表面有一定的强度，这样就要用一个安装夹 件来把粘结后的压电陶瓷与导杆央持在一起，但如何能够在央紧的状态下保证两 个导杆的同轴度和平行度，对于本驱动器来说尤为重要，因为两个导杆的同轴度 直接影响到了压电陶瓷的推动单元，如果这个不能够保证，压电陶瓷可能无法推 动导杆在导槽内滑动。 由于压电陶瓷与导杆粘结的面积非常之小，而压电陶瓷产生的推动力又相对 比较大，所以此粘结处工作时很容易脱歼，尤其是当受到一些意外的震动时。如 3 0 中国科学技术大学硕t j 论文第州帝关节驱动部件力学分析 第四章关节驱动部件力学分析 4 。1 驱动部件的推动单元 4 1 1 推动单元的力学分析 驱动部件的力学分析主要集中在两个部位，一个是柔性铰链的力学分析，另 一个则是推动杆( 即导杆) 的力学分析。其中柔性铰链的分析计算将在下一节重 点介绍，现只是对其受力作简要分析。要保证驱动装置的正常工作，锁紧件7 ( 见 图3 2 ) 能否有效地有效的锁住导杆8 ，提供足够的摩擦力，是该机构合理与否 的关键之一。 下面对锁紧件7 受力情况进行分析。如图f i g 4 1 所示： k i i ( f f f 奉 7 ，7 7 l f i g 4 1 柔性铰链简化后的杠杆机构 由上图得，o 点为简化后的铰链点，由。点转距平衡知， 肚鞲出 ( 4 1 ) 上式中k 为杠杆最左端的载荷集度，f 为压电陶瓷的作用力，( 4 1 ) 可变换为， 七：毒塑l ： 卜( x + ) 出 o r x 2 + 1 血) 出 o = 2 9 6 ( 肌朋)( 4 ，2 ) 导杆8 与锁紧压件7 之间的相互作用力为， n 等= 半- 6 6 6 ( ) ( 4 f 3 ) 现在求由于f 的作用施加给导杆的摩擦力，其中摩擦力分为两部分，一部分 是锁紧压件与导杆之问的摩擦力，另一部分是锁紧机架与导杆之问的摩擦力，此 处皆为静磨擦力。根据实际的接触和表面润滑情况，取锁紧压件与导杆之自j 的最 3 2 中国科学技术大学硕l ：论文 第【r q 章关节驱动部件力学分析 大静摩擦系数为m = 0 5 5 ( 摩擦表面分别为铍青铜和4 5 号钢) ，锁紧机架与导杆 之间的最大静摩擦系数为：= o 6 5 ( 即摩擦表面都为4 5 号钢) ， 厂= f 。( l + 2 ) = 6 6 6 ( 0 5 5 + 0 6 5 ) = 7 9 9 2 ( r ) ( 4 4 ) 所以为了保证锁紧压件能够有效地锁紧导杆，此处的摩擦力f 要大于后面的关节 部位施加给导杆的力f ，f f ，满足要求。 由于推动单元推动关节运动时，是通过一个偏心轮结构来推动后面的关节运 动，偏心轮的行程放大比为4 ：1 ，要让推动单元能够能够支撑起关节自身的重 量，此处的摩擦力要大于四倍的关节重量，而对于最初端的一节( 基节) 来说， 就要承受后面四个关节的总量，这就需要足够大的摩擦力。实际上由于机器人结 构的尺寸非常小，锁紧压件所产生的摩擦力足以满足要求。由于整个机器人还未 加工出，关节的重量未能准确获知，笔者对其重量进行了大体估计，摩擦力符合 要求。更进一步的分析只能在笔者以后的工作进展中进行，此处不再赘述。 4 1 2 导杆运动行程的计算 本系统要求尺寸尽可能的小，所以有效的减小尺寸，是设计中的重要环节。 由于导杆推动关节做6 0 。的转动，所以导杆必然有其运动的极限位移，现作如下 分析： 偏心轮推动关节的转动半径为4 m m ，转动角度6 0 。，所以偏心轮的单行程 为， ，：厂p ：4 黑万：4 1 9 ( ，z 聊) ( 4 5 ) 1 8 0 0 、 所以导杆的单向行程为， = = 1 0 5 所肌 ( 4 6 ) 总行程为2 1 0 m m ，本系统为其留了4 m m 的运动间距，以保证导杆有足够的运 动空间。 中国科学技术大学硕士论文第叫章关节驱动部件力学分析 4 2 柔性铰链的分析计算 4 2 1 柔性铰链 柔性铰链是近年来发展起来的一种新型的传动、支撑机构。它是在一块整体 材料上加工，利用结构的薄弱部分弹性变形完成类似铰链的运动传递。它可以组 成多种传动放大机构，如多级杠杆机构、差动杠杆放大机构、多连杆机构、三角 放大机构等。它具有体积小、无摩擦、运动间隙小、高分辨率等优点删f 4 5 3 。 柔性铰链的中部较为薄弱，在力矩作用下可以产生较明显的弹性角变形，能 在机械结构中起到铰链的作用。它与一般铰链的区别是没有机械结构上的间隙， 并且有弹性回复力，因而消除了运动中的摩擦和回退空程。柔性铰链主要有两种 类型，直梁型柔性铰链和圆弧型柔性铰链，如图4 ，2 。直粱型柔性铰链有较大的 转动范围，但其运动精度较差，转动中心在转动过程中有明显的偏转【4 射。圆弧 型柔性铰链的运动精度较高，但运动行程受到很大的限制，只能实现微小幅度的 转动【4 7 】【4 明。 f i g 4 2 常见柔性铰链 由于压电陶瓷驱动位移非常微小，一般只有几至几十微米的位移，所以通常 要辅以合适的微位移放大机构，以实现对精密位移的放大作用。经分析和实验， 在转角不大的前提条件下，采用柔性铰链代替传统的铰链。不仅可以实现驱动位 移的放大，而且消除了间隙、机械摩擦，保证了机构的精密性和稳定性，同时柔 性铰链机构还为压电致动器提供适当的预紧，避免其承受拉应力。1 9 7 8 年美国 国家标准局开发了一个微定位工作台并用于光掩模的线宽测量【4 引。为了能在光 学和电子显微镜中使用，要求工作台结构紧凑并能在真空中工作。如图4 3 所示， 工作台采用了压电元件驱动，柔性铰链机构进行位移放大的方案。压电元件在低 中圈科学技术人学颂i ! 论义第p q 章关节驱动部件力学分析 其中，s = r ，t 。力作用下导致柔性铰链产生沿z 轴的角变形口：，其柔度 表达式如下， 丝：一燮疋 f e b r ( 2 ) 沿z 轴的线性变形： ( 4 9 ) 力矩m y 作用下导致柔性铰链产生沿z 轴的线性变形：，其柔度表达式如下， 苦。半彳 式( 4 1 0 ) 中的为中间变量，其可表达为， ( 4 。1 0 ) z = 筹a r c 协( 以鬲协譬) 一靠 ( 4 | 1 1 ) 力c 作用下由于弯矩导致柔性铰链产生沿z 轴的线性变形：，其柔度表达 式如下， 等= 芈z + 等五f e b 3 。i e b 3 。3 式( 4 1 2 ) 中的六为中间变量，其可表达为， ( 4 ，1 2 ) = 毒+ 掣毒一学a r c t a n c 丽哆掣1 1 3 ) 力疋作用下由于剪切力导致柔性铰链产生沿z 轴的线性变形；，其柔度表 达式如下， = 去z ( 3 ) 沿y 轴的角变形口y ( 4 1 4 ) 力矩m ，作用下导致柔性铰链产生沿y 轴的角变形口，其柔度表达式如下， 参= 昔 ，一= 一r m y e b i ( 4 1 5 ) 中国科学技术大学颂i ：论文 第v u 帝关节驱动部件力学分析 飞1 力e 作用下导致柔性铰链产生沿y 轴的角变形口，其柔度表达式如下， 垒：! 兰型里生厂 f e b 3 j ( 4 ) 沿y 轴的线性变形y ( 4 1 6 ) 力矩m ：作用下导致柔性铰链产生沿y 轴的线性变形y ，其柔度表达式如 y 1 2 s i n 以， m e b r ( 4 1 7 ) 力e 作用下导致柔性铰链产生沿y 轴的线性变形yr 其柔度表达式如下， 等= 警厶+ 昙 f ， e b j。 e b 式( 4 18 ) 中的六为中f 刚变量，其可表达为， 肛篱杀南 坠掣a r c t a n ( 而t a n 爷鲁 2 ( 4 s + i ) 2 ( 4 1 8 ) 力作用下由于剪切力导致柔性铰链产生沿y 轴的线性变形，其柔度表 达式如下， 吼= 击z ( 4 ，2 0 ) ( 5 ) 沿x 轴的线性变形， 力只作用下由于拉伸或压缩导致柔性铰链产生沿轴的线性变形。，其柔 度表达式如下， 等= 去z f l 驹“ ( 4 2 1 ) 从微位移机构的实际情况出发，设计方法和理论计算有可能进行简化。对用 巳了 岳 量 业，紫 中国科学技术大学硕i ：论文第四章关节驱动部件力学分析 于微位移机构的柔性铰链进行分析，发现有两种明显的特点