（机械设计及理论专业论文）仿蝌蚪游动微型机器人的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 2 0 世纪6 0 年代初诞生的仿生学( b i o n i c s ) ，是生物科学和工程技术相结合的一 门边缘学科。通过学习，模仿，复制和再造生物系统的结构，功能工作原理及控制 机制，来改进现有的或创造新的机械，仪器，建筑和工艺过程。现代仿生学已经延伸 到很多领域，机器人学是其主要的结合和应用领域之，可归纳为机器人的结构仿生， 材料仿生，功能仿生，控制仿生以及群体仿生五个方面。目前，国内外根据仿生学原 理已经研制出了很多仿生微型机器人。在国内外仿生学机器人研究的基础上，本课题 基于蝌蚪的游动规律，提出了一种仿蝌蚪游动微型机器人。该微型机器人很好地再现 了蝌蚪的游动，具有很好的机动性能，在医疗血管微型机器人研究领域有着广泛的应 用前景。 本论文根据目前有关鱼类游动理论研究，详细分柝了该微型机器人的游动推进原 理。建立了基于蝌蚪游动推进的微型机器人游动推进理论模型，并对该微型机器人的 游动推进理论模型进行了理论分析和求解。从而确定了微型机器人的游动速度、推进 力与微型机器人结构参数和游动参数的关系。设计研制了微型机器人游动推进机构装 置的原理样机，对微型机器人进行了详细的实验研究，并对实验结果进行了详细的分 析。分析了影响微型机器入运行的各种重要因素。初步提出了解决微型机器人的游动 推进控制问题。 论文第一章介绍了微型机器人的研究背景和意义，详细介绍了国内外微型机器人 的发展现状以及微型机器人研究的关键技术和难点。提出了一种仿蝌蚪游动微型机器 人。最后给出了本课题的研究意义和研究内容。 论文第二章详细介绍了微型机器人的结构组成和游动推进机制。研制了微型机器 人原理样机并对其游动推进速度进行了详细的试验研究，给出了相应的试验研究结 果，最后给出了结论。 论文第三章介绍了微型机器人的理论基础和游动原理。对微型机器人进行了详细 的运动学和动力学分析，给出了微型机器人运动学模型和动力学模型及相应的方程。 对微型机器人运动学和动力学方程进行了求解，通过坐标图分析了微型机器人的形状 参数和游动参数对微型机器人游动推进速度和游动推进力的影响。对微型机器人游动 推进速度理论计算结果和实验研究结果进行了对比分析，证明了微型机器人理论模型 的合理性和正确性。最后分析讨论了微型机器人的游动推进效率问题、影响微型机器 人游动性能的因素以及微型机器人的减阻机制和方法。 论文第四章详细介绍了目前有关机器人控制的控制理论、控制方法以及控制研究 内容。提出了仿蝌蚪游动微型机器人的控制理论和方法，初步解决了微型机器人的机 动控制问题。 研大芋坝士字位记文摘要 论文第五章在仿蝌蚪游动微型机器人的研究基础上，提出了一种血管机器人并给 出了其详细的实现结构。详细分析了血管机器人的结构组成以及游动控制机制，为今 后血管机器人的进一步研究打下了坚实的基础和指明了研究方向。 论文第六章对整个课题和论文工作做出了总结与展望。 本论文为国家自然科学基余资助项目( n o ，5 0 3 7 5 1 4 3 ) 【关键词】 进 游动微型机器人，血管微型机器入，微机械，蝌蚪，仿生学，波动推进，游动推 浙江大学硕士学位论文a b s t m 烈 a b s t r a c t b i o n i c si san e wd e v e l o p m e n t a l s u b j e c t w h i c hf o r m e d b y t h ec o m b i n a t i o no f b i o s c i e n c ea n de n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y ，a n di ti st h ea p p l i c a t i o no fb i o l o g i c a lf a b r i c a t i o n ， f u n c t i o n s ，p r i n c i p l e sa n d c o n t r o lm e c h a n i s m st ot h ei m p r o v e m e n ta n dc r e a t i o no f m a c h i n e ， i n s t r u m e 鸱a r c h i t e c t u r e a n dt e c h n i c a l p r o c e s s ，e s p e c i a l l y r o b o t s y s t e m t h a ti sa r e p r e s e n t a t i v e o fe l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m s a tp r e s e n t ，m a n y k i n d so fr o b o t sa r e r e s e a r c h e da c c o r d i n gt ot h ei m i t a t i o no ff a b r i c a t i o n ，m a t e r i a l ，f u n c t i o n ，c o n t r o la n dc o l o n y o f b i o l o g y b a s e do n t h es t u d i e so fb i o n i cr o b o t s ，a n da c c o r d i n gt h es w i m m i n g p r i n c i p l eo f t a d p o l e ，an e ws w i m m i n gm i c r o r o b o ti m i t a t e dt a d p o l e i s p r o p o s e d i n t h i s p a p e r t h e m i c r o - r o b o tw h i c hr e p r o d u c e st h e s w i m m i n gp e r f o r m a n c e o ft a d p o l e sh a se x c e l l e n t s w i m m i n gp e r f o r m a n c e ，a n dh a ss i g n i f i c a n tm e a n i n gi nb l o o dv e s s e lm i c r o r o b o t sw h i c h h a v ee x t e n s i v ea p p l i e df o r e g r o u n d o nt h eb a s i so f s w i m m i n g p r o p u l s i o n t h e o r i e so f f i s ha n dt a d p o l e ，t h ep r i n c i p l eo f t h e s w i m m i n gm i c r o r o b o th a sb e e na n a l y z e d ，a n dt h eu n d u l a t o r yp r o p u l s i o nt h e o r yo ft h e s w i m m i n gm i c r o - r o b o ti m i t a t e dt a d p o l eh a sb e e ne s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s a n ds o l u t i o no ft h e s w i m m i n gm o d e l o ft h e m i c r o r o b o t ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e n s w i m m i n gs p e e d ，s w i m m i n gp r o p u l s i o na n ds h a p e ，s w i m m i n gp a r a m e t e r si s d e f i n e d a p r o t o t y p eo f t h em i c r o - r o b o ti sd e v e l o p e da n de x p e r i m e n t so ni ta r ec o n d u c t e dd e t a i l e d l y m a n yi m p o r t a n tf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e t h es w i m m i n gp r o p u l s i o np e r f o r m a n c eo ft h e m i c r o - r o b o ta r ea n a l y z e d ，a n dc o n t r o lp r o b l e m so ft h es w i m m i n gm i c r o r o b o ta r es o l v e d a n dr e a l i z e de l e m e n t a r i l y i nf i r s tc h a p t e r , r e s e a r c hm e a n i n g sa n db a c k g r o u n do fm i c r o r o b o t ss t u d ya r ef i r s t l y i n t r o d u c e d a n dt h ei n t e m a la n de x t e m a lr e s e a r c hs i t u a t i o no fm i c r o r o b o t si sa n a l y z e d ， t h e nk e yt e c h n o l o g i e sa n dd i f f i c u l t i e sa p p e a ri nm i c r o r o b o ts t u d ya r ed i s c u s s e d an e w s w i m m i n gm i c r o - r o b o ti m i t a t e dt a d p o l ei sp r o p o s e d a tl a s t ，t h er e s e a r c hm e a n i n g sa n d c o n t e n t so f t h ew h o l ei s s u ea r ep r e s e n t e d i nc h a p t e r2 ，t h ef a b r i c a t i o na n ds w i m m i n g p r o p u l s i o nm e c h a n i s m o ft h em i c r o - r o b o t i si n t r o d u c e d t h ep r o t o t y p eo ft h em i c r o r o b o ti sd e v e l o p e da n d t h es w i m m i n g p r o p u l s i o n s p e e do ft h em i c r o r o b o ti s s t u d i e de x p e r i m e n t a l l y ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a t t h es w i m m i n gm i c r o - r o b o tp r o p o s e di sr e a s o n a b l ea n df e a s i b l e a tl a s t ，e x p e r i m e n t a ls t u d y c o n c l u s i o n sa r eg i v e n i n c h a p t e r3 ，f o u n d a t i o no ft h e o r y a n dp r i n c i p l eo fs w i m m i n gp r o p u l s i o no ft h e s w i m m i n gm i c r o r o b o t a r ei n t r o d u c e d k i n e m a t i c sa n dk i n e t i c so ft h em i c r o r o b o ta r e 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t a n a l y z e dd e t a i l e d l y ，a n dt h e n ，m o d e la n de q u a t i o no fk i n e m a t i ca n dk i n e t i c o ft h e s w i m m i n g m i c r o r o b o ta r eg i v e n a c c o r d i n gt os o l v i n gt h ee q u a t i o n sa n du s i n gc o o r d i n a t e g r a p h s ，t h ei n f l u e n c e so fs h a p ea n ds w i m m i n gp a r a m e t e r so nt h es w i m m i n gs p e e da n d p r o p u l s i o n a r es t u d i e da n da n a l y z e d t h e c o m p a r i s o n o ft h et h e o r e t i c a lr e s u l t sa n d e x p e r i m e n t a ld a t ao fs w i m m i n gs p e e di sm a d e ，t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e o r e t i c a lr e s u l t s a r ec o n s i s t e n tw i t i l e x p e r i m e n t a l d a t a w h i c hm e a n st h a tt h e t h e o r y m o d e lo ft h e m i c r o - r o b o ti sr e a s o n a b l ea n df e a s i b l e a tl a s t ，e f f i c i e n c yo f s w i m m i n gp r o p u l s i o n ，f a c t o r s w h i c hi n f l u e n c es w i m m i n gp r o p u l s i o np e r f o r m a n c eo ft h em i c r o r o b o ta n dm e t h o d st h a t w i l ld e c r e a s es w i m m i n g p r o p u l s i o nr e s i s t a n c ea r ea n a l y z e da n d d i s c u s s e d i nc h a p t e r4 ，m a n yk i n d so fc o n t r o lt h e o r i e sa n dm e t h o d so fr o b o t sa r es u m m a r i z e d a n di n t r o d u c e d ，a n dt h es t u d yc o n t e n t so fr o b o tc o n t r o la r ed i s c u s s e d t h ec o n t r o lt h e o r y a n dm e t h o d so ft h em i c r o r o b o tt h a ti m i t a t e dt a d p o l ea r ep u tf o r w a r d ，a n dt h e nt h ec o n t r o l p r o b l e m so f t h em i c r o r o b o ta r es o l v e de l e m e n t a r i l y i nc h a p t e r5 ，o nt h eb a s i so ft h es t u d yo ft h es w i m m i n gm i c r o - r o b o ti m i t a t e dt a d p o l e ， an e wb l o o dv e s s e lm i c r o r o b o ti sp u tf o r w a r da n dd e s i g n e df a b r i c a t i o na n ds w i m m i n g c o n l r o lm e c h a n i s mo ft h eb l o o dv e s s e lm i c r o r o b o ta r es t u d i e da n da n a l y z e dd e t a i l e d l y t h e s t u d yo f t h eb l o o d v e s s e lm i c r o r o b o ti nt h i sp a p e r p r o v i d e sc o n c r e t ef o u n d a t i o nw h i c h w i l lb en e e d e di nt h ef a r t h e rr e s e a r c h ， i nl a s tc h a p t e r ，t h es u m m a r ya n dp r o s p e c t so f t h ew h o l et a s ka r e p r e s e n t e d t h i s p a p e ri ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a in a t u r es c i e n c e f o u n d a t i o no f c h i n a ( g r a n t n o 5 0 3 7 5 1 4 3 ) k e y w o r d s ： s w i m m i n gm i c r o - r o b o t ，m e d i c a lm i c r o r o b o t ，m i c r o - m a c h i n e ，t a d p o l e ，b i o n i c s ，u n d u l a t o r y s w i m m i n gp r o p u l s i o n 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 【摘要】：介绍了微型机器人的研究背景和意义，分析了国内外微型机器人研究的现状。详 细介绍了国内外游动微型机器人的发展现状，提出了一种仿蝌蚪微型机器入。最后给出了本 课题的研究意义和研究内容。 1 引言 微电子机械系统( 简称微机械) 作为二十世纪末新型前沿学科，发展十分迅 猛，并开创了微电子学、微机构学、微摩擦学、微流体力学、微细加工技术等新 的研究领域。目前微电子机械系统已广泛应用于生物医学，航天、军事、工业和 农业等方面，并导致了人类认识能力和改造世界能力的重大突破，从而给国民经 济、人民生活和军事国防带来了深远的影响。它已成为以美国、日本、德国为代 表的许多发达国家研究的热点f l 3 j 。 在微电子机械系统和新型功能材料的发展基础上，目前国内外已经研制出了 多种微型机器人。8 0 年代末期( 1 9 8 7 年) ，美国加州大学贝克利分校首次成功研 制出巾6 0 1 2 0 呻的静电型微马达，被认为是微机械诞生的标志。于是世界各 国兴起了对微机械研究的热潮，随之微型电子机械学、微型机械和真空微电子学 及其相应的结构、装置和系统的开发研究也出现了一个新的势头。在微型电子机 械学方面，科学家们利用2 0 年来发展起来的集成电路微细加工技术将机构及其 驱动器和传动装置、传感器、控制器、电源集于几立方毫米的多品硅片上，获得 了功能完备的机电一体化的微电子机械系统( m i c r oe l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m s ， m e m s ) ，这种电子微机械系统很好地集微型机构、微型传感器、微型致动器( 或 执行器) 以及信号处理和控制电路，甚至接口、通讯和电源于一体，将整个系统 的尺寸将缩小到几毫米甚至几百微米，这使微型机器人的研制逐渐成为机器人发 展领域的一个重要方向。另外，近年来快速发展起来的新型功能材料对微型机器 人的发展也起着重要的推动作用。目前已经有很多新型功能材料在微型机器人的 研制上得到应用，比如形状记忆合金材料( s m a ) 、超磁致伸缩材料( g m m ) 、 铁磁橡胶材料( f m p ) 、压电陶瓷材料( p z t ) 、离子聚合物( i c p f ) 、离子交换 膜金属复合材料( i e m p t ) 、凝胶复合材料( p a m p s ) 和人造肌肉等都已经在微 型机器人的研制上获得应用。 微型机器人的发展给工业、医疗、卫生、生物等领域带来新希望。在工业和 人们日常生活中，微型机器人给埋藏在地下的大量、无数的小口径输液管道的检 测和维护提供了一种很好方式和手段。随着科学投术的快速发展和生活水平的提 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 高，人们对医疗事业有了更高的要求，微型机器人在医疗检测手术中的应用使得 人们的要求正在或将要变成现实：微型机器人可用于药物投放系统【4 j 。为了实 现无痛苦的诊疗系统，可以设想研制一种微型枫器人，使之能够进人人体器官甚 至血管中进行药物投放。该微型机器人由微型传感器、微型泵和贮药囊组成，供 患者植人皮下或吞人胃中，根据微型传感器测得血液或胃液中某种浓度数据，自 动泵出适当的药量，并且由数据的改变适时适量地输送药物。如果在微机器人上 携带诊疗系统，则能够在体内进行组织采样和治疗等功能。目前，日本已经研制 出一种具有趋光性的微型机器人，将导管插人患者的血管，微型机器人从导管中 出来，在外科医生操纵下进行麻醉药注射或做手术修补血管。微型机器人可用 于推动医用内窥镜系统【5 7 j 。传统的内窥镜采用人为插人，很有可能对人体内部 组织造成擦伤，并且内窥镜导管在体内的大幅度左右摆动和扭曲使病人感到很大 的痛苦。为了使患者低损伤且痛苦最小，能够在人体更深部位进行检查和手术， 迫切需要内窥镜的小型化、能动性和实现多自由度操作或者改进内窥镜进入人体 的方式。目前国内外已经研制了多种微型机器人推进内窥镜系统，这种内窥镜系 统在微型机器人的推进下可以平稳地在人体s 状结肠等狭小复杂弯曲的肠内，进 一步微型化这种微型机器人推进内窥镜系统则可以用于血管等微小腔道，可以从 本质上改善内窥镜功能和诊疗效果。微型机器人可以进行微创外科手术【“9 1 。 为了将手术对人体的损伤减低到最小，国际生物医学工程领域倡导的微创外科手 术成为发展的必然趋势【l ，制约微刨外科手术发展的主要问题在于触觉反馈、 视觉信息的获取和体内手术仪器的灵敏程度，因此开发高精度的微型传感器、体 内照明系统和柔性的微机器人将成为推动微刨外科手术进步的关键。近来，采用 腹腔镜下进行胆囊切除手术，己引起人们的极大关注。基于微机电系统的微型机 器人，通过导管进人人体腔内并可在脏器间或血管内移动，利用激光或微型手术 设备进行体腔内手术，这样可以减少人体不必要的创伤，据目前的研究报道，已 经有些科学家利用压电驱动、空气压驱动、形状记忆合金驱动、聚合物驱动、光 热和光电驱动等形式驱动的微型机器人系统。 2 微型机器入的发展现状 近年来，随着微细加工技术和微型电子机械技术以及医疗事业的发展，各种 微型管道检测机器人和医用微型机器人的研究成果不断出现，尤其是体内微型机 器人，它已经成为举世瞩目的重大科技发展方向。日本，美国，德国和法国等一 些国家发达国家已经研制出了能够在微型管道中以及模拟人体肠道和血管内运 行的微型体内机器人。目前我国对面向细小管道的微型机器人和体内微型机器人 的研究也取得了突破性进展，取得了一定可喜的成果。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 2 1 微型管道机器人的发展状况 作为机器人研究的一个分支，管道机器人的研究已经有了一定的历史“1 2 】。 就目前而言，虽然大管道中行走的机器人国内外已开发了许多，但在直径2 0 m i l l 左右管道中的微型机器人的研究才刚刚起步。管道微型机器人是一种可沿细小管 道内部或外部自动行走，携有一种或多种传感器及操作器，在操作人员的遥控操 作或计算机的自动控制下，能够进行一系列管道作业的机电仪一体化系统。由于 受结构尺寸和作业空间的限制，微型机器人很难采用常规的驱动方式和驱动机 构，因而，研究出新颖的驱动机构和相应的驱动器也就成为科学界迫在眉睫的事。 管道微型机器人有着广泛的应用前景，目前大多数的管道机器人研究主要基于管 道检测和维修这样一个应用背景。而管道微型机器人在医疗、生物工程、细小工 业管道的检测和维修等方面的应用前景也日益显露出来。在已经实现的管道机器 人中按其行走方式可分为轮式、履带式、振动式、蠕动式等几种。从行走功能上 可分为连续运动型和非连续运动型。连续运动型主要靠驱动轮或履带与管壁之间 的附着力产生机器人向前运动的牵引力；而非连续运动型管道机器人包括蠕动式 管内移动机器人、仿生型步进式直线驱动器等。 而轮式、履带式管内机器人在小口径管道内行走时，由于驱动轮的直径受到 管道直径的限制，机器人的运动灵活性和输出牵引力降低，因此这两种机器人都 难于应用于小口径管道中。 日本在微型机械方面侧重于机械制造，开发了不少实用产品。日本在管道微 型机器人研究方面最为活跃和富有代表性。他们对管道机器人的研究主要集中在 应用于工业管道检修的微型机械和能进入人体进行诊断和实行手术的微型机器 人。 日本d e n s o 公司研制出压电元件驱动的微型机器人i l ”，用于细小工业管道 的自动化检测工作。微型机器人主要由压电元件、配重和夹钳组成，携带涡轮传 感器进行检测，该微型机器人是根据惯性冲击运动的原理设计的。图1 1 为惯性 冲击运动的原理示意图，图1 2 为微型机器人的运动示意图。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 1 压电驱动原理图 直直 墨毫曩霸1 毫t 砬道 t 曩收 能力羹太力 匿逦 恢t 一 一快- 晨 性力 太蠹力 “一言看c ”一主霍 图1 2 压电式管道微型机器人运动示意图 浙江大学周银生教授等人根据动压润滑理论的机理提出了一种新型的微型 机器人的驱动机构 1 4 , 15 。此种微型机器人能够在充满液体的弯曲管道内运行。当 它在充满液体的微型管道内运行时，在它的周围会自动形成一层动压润滑膜，此 润滑膜能避免它与管道壁面发生直接接触。此种微型机器人能够以较快的速度在 管内悬浮运行，特别适合用于在人体内腔中推进内窥镜。图1 3 该微型机器人的 结构原理示意图。 图1 3 微型机器人的结构原理示意图 2 2 液体中游动微型机器人的发展状况及其研究内容 2 2 1 液体中游动机器人的发展现状 2 0 世纪6 0 年代初诞生的仿生学( b i o n i c s ) ，是生物科学和工程技术相结合 的一门边缘学科。通过学习，模仿复制和再造生物系统的绐构，功能，工作原 理及控制机制，来改进现有的或创造新的机械，仪器，建筑和工艺过程。现代仿 生学已经延伸到很多领域，机器人学是其主要的结合和应用领域之一，可归纳为 机器人的结构仿生，材料仿生，功能仿生，控带十仿生以及群体仿生五个方面1 1 6 】。 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 目前，国内外根据仿生学原理已经研制出了很多微型机器人，其中对液体中游动 微型机器人的研究异常活跃。根据游动微型机器人驱动元件采用的材料来分，可 以分为以下几类： ( 1 ) 压电材料元件驱动游动机器人 压电材料具有压电效应【l 。”) ，即当压电材料受到机械变形时有产生电势的 能力，这种现象称为正压电效应；对它施加电压时有改变压电元件尺寸的能力， 这种现象称为逆压电效应。逆压电效应反映了压电材料具有将电能转变成机械能 的能力。利用逆压电效应，可以将压电材料制成驱动元件，将驱动器置于微型结 构中，可以使微型结构变形或改变应力状态。与其他微型驱动器相比，压电元件 微型驱动器具有独特的优势：易于微型化、响应快、控制方便、对周围环境影响 不大，此外该压电微型驱动器还有无磁场干扰、低电压驱动等优点，因此很适合 作为微型机器人的微型驱动器。微型机器人的压电驱动器主要有三种形式：层叠 型，双压电薄膜型和单压电薄膜型。层叠型可以产生较大的驱动力，但是它只能 产生较小的变形，这就使得它的驱动电压的频率和幅值都必须较高；双压电薄膜 驱动器的变形原理是当旌加适当的驱动电压，由于压电逆效应，上层压电材料水 平方向收缩，竖直方向膨胀，而下层的压电材料水平方向膨胀，竖直方向收缩， 这就使得双压电薄膜产生弯曲，而这种弯曲效应会放大变形量；单压电薄膜的驱 动原理类似于双压电薄膜，只是在施加适当的驱动电压时，仅有上层的压电材料 水平方向收缩，竖直方向膨胀弹性层保持不变，这依旧会使得压电薄膜产生弯曲， 但驱动力会小于双压电薄膜。所以压电材料中p z t 材料的双压电薄膜是作为微 机器人的驱动器的主要材料。日本f u k u d a 等人利用压电元件分别研制了如下 图所示双鳍鱼形微型机器人( 图1 4 ) 和两自由度的微型机器人( 图1 5 ) 。这两种 机器人都能够在液体中像鱼类那样前后自由游动1 1 ”2 0 1 。目前国内也利用压电元 件作为驱动器研制了相应的微型机器人驱动机构【2 ”“j 。 图1 4 双鳍鱼形微型机器人图1 5 双结鱼形微型机器人 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 形状记忆合金( s m a ) 驱动游动机器人 某些金属材料在发生塑性变形后，如通过加热使其温度升到某一特定温度之 上，便能回复到变形前的形状，这种现象称为形状记忆效应【2 ”。具有这种效 应的金属通常为合金，故称为形状记忆合金。形状记忆合金由于其特殊的相变机 理，有单向形状记忆合金和双向形状记忆合金两种。研究表明形状记忆合金 ( s m a ) 能够在温度或载荷的一定范围内变化时产生热弹性马氏体相变，由此 改变应力状态和其他性质，并能产生大的应变和大的驱动，所以形状记忆合金 ( s m a ) 长期以来作为智能材料中的感应和驱动单元获得了广泛的应用。形状 记忆合金s m a 驱动器就是利用s m a 在形状记忆效应中输出的位移和力来对外界做 功的机构，目前形状记忆合金( s m a ) 作为微型驱动器的主要驱动方式有：s m a 薄膜驱动、s m a 纤维驱动、s m a 丝驱动、s m a 弹簧驱动以及内嵌式s m a 驱 动。国内外根据形状记忆台金的特性已经研制了多种微型机器人 2 8 3 0 ，例如美 国l j g a r n e r 等人利用s m a 作为驱动器研究了种能在水等液体中游动的机器 人游动推进装置1 3 “，它通过模仿鱼类的尾鳍来实现游动推进，图1 6 是该游动 机器人的结构示意图。 图1 6 游动推进装置 ( 3 ) 超磁致伸缩材料驱动振动式游动机器人 磁致伸缩材料与压电材料相似，不同点在于其响应于磁场而非电场，其原理 是处于磁场的磁性材料中的磁畴旋转直至与磁场方向排列一致，并导致材料的膨 胀，从而使超磁致伸缩材料在外界磁场的作用下，沿磁力线方向产生伸缩相对变 形。当超磁致伸缩材料构成的电机械能量转换器在磁场激励下，将产生外部位 移和力输出，微观来讲是由于磁场一弹性场相互耦合的结果，一般通过对换器的 超磁致伸缩材料预加偏置磁场和预压力，可以使位移输出显著增加，从而可以作 为一种微型执行器驱动元件 3 2 - - 3 6 】。利用超磁致伸缩材料制成的微型驱动器已经 在微型机器人上获得了应用，并且取得了良好的效果口h 引。图1 7 是利用超磁 致伸缩材料制作的一种微型机器人的微型驱动器【4 0 】，随着外部磁场的变化，超 磁致伸缩器的薄膜不断变形而使薄膜产生弯曲，从而使薄膜不停的摆动，能够在 液体中像鱼类一样推动微型机器人的运动。 渐江大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 7 微型机器人的微型驱动器 ( 4 ) 应用i p m c ( 又称i c p f ) 高分子驱动器的游动机器人 i p m c ( i o n i ce x c h a n g ep o l y m e rm e t a lc o m p o s i t e s ) 或i c p f ( i o n i cp o l y m e r c o m p o s i t e sm e t a l ) 是一种新型的智能材料，称为离子交换薄膜金属复合材料，是 由阳离子交换膜和铂等贵金属通过化学镀的方法复合而成【4 h ”。由于i p m c 材料 的微观结构是离子化的，在电场的作用下，聚合物分子链两侧包含的相反极性固 定电荷产生吸引和排斥作用，使得相同电荷极性的运动离子产生迁移，从而引起 i p m c 薄膜产生局部收缩和溶胀，其两侧产生压力梯度而形成弯曲。当施加交变 电压信号时，薄膜产生振动弯曲，并且弯曲位移取决于输入信号的幅值和频率。 因此i p m c 构成驱动器或传感器。i p m c 的驱动性能非常类似于生物肌肉，故称 其为“人工肌肉”，它是一种适合于开发微型机器人的驱动材料。人们利用这种 材料，可制作出具有高度的可操纵性、无噪音、动作灵活，可类似模仿人体手臂、 鱼类、昆虫等动作的仿生机器人。与由常规材料构成的驱动机构相比，它能提供 很高的化学能转换为机械能的变换效率。目前，国内外已经利用i p m c 研制出了 多种游动微型机器人f 4 9 】。g u o 等人应用i p m c 高分子驱动器研制了具有柔软 性，低电压驱动和体内安全的微型机器人1 48 1 ，如图1 8 所示。这种微型机器人 模仿鱼的游动原理，应用i p m c 分子驱动器。他们试做的微型机器人外形似小船， 长度4 0m m ，宽1 0n - l r f t ，厚2m m ，具有一对驱动翼，由脉冲电压驱动而产生驱 动力，通过改变脉冲电压的频率( 3 1 5h z ) ，可以测定微型机器人在水中的游动 特性。实验结果证明了他们提出的新型水中微型机器人的构造合理，改变脉冲电 压的频率可以控帛9 其在水中的游动状态。这一研究成果在工业和医疗领域有广泛 的应用前景： 圈1 8 微型机器人示意图 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 ( 5 ) 铁磁橡胶( f m p ) 驱动游动机器人 铁磁橡胶f m p ( f e r r o m a g n e t i cp o l y m e r ) 是一种含有纯铁粉颗粒的橡胶，其 制备方法是首先将粒度为5g m 的还原铁粉与硅橡胶粘合剂按一定比例均匀混 合，然后置于模具中在室温下固化4 8h r ，最后将已固化的样品切成所需形状， 即可用于制作微型驱动器。由于f m p 含有纯铁粉，因此具有软磁特性，既可以 被磁场磁化，产生磁吸引力，当磁场撤销后又能基本恢复无磁性状态。同时，f m p 的的基材是硅橡胶，具有较好的柔软性和弹性，在外力的作用下会发生较大的变 形，外力撤销后又能恢复原状【5 0 - - 5 3 1 。中国科技大学m e it a o 等人利用铁磁橡胶 f m p 的软磁性和机械弹性研制的微型驱动执行器，可用于无线驱动游动微型机器 人，如图1 9 所示。微型机器人在外加磁场下能够像鱼类那样在液体中游动，通 过改变磁场的强度和频率可以控制机器人在液体中前进或后退1 5 4 - 5 6 1 。 景曲d b 口d y k 岫i _ 酗 m q 哪0 n h 图1 9 游动微型机器人 ( 6 ) p a m p s 凝胶驱动游动机器人 p a m p s 凝胶是一种高分子合成材料，具有较高的柔性和弹性，在外加电场 的作用下，可以像超磁致伸缩材料在外加磁场作用下那样产生反复的弯曲和伸展 防5 乱，p a m p s 凝胶在微型致动器研究方面有着重要意义，目前国外已经利用 p a m p s 凝胶的特性研制出了微型游动机器人。日本m i h o k oo t a k e 等人开发了 p a m p s 凝胶微型机器人【5 9 训1 ，通过环形凝胶在外加电压下的反复弯曲和伸展， 从而能够使微型机器人能够在液体中“游动”。图1 1 0 和图1 1 l 是他们设计出 的相应的游动机器人。 戥 l0i- 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 ( a ) 微型机器人驱动机制示意图( b ) 微型机器人运动示意图 图1 1 0g e l 微型机器入驱动机制及运动示意图 图1 1 1s t a r f l s hg e l 微型机器人实体图 ( 7 ) 应用i e m p t 高分子驱动器的游动机器人 i e m p t 是一种离子交换薄膜金属复合材料，该薄膜是通过化学方法在 n a t i o n1 1 7 ( 全氟磺酸离子交换膜，杜邦公司产品) 上涂覆有一层铂。将薄膜切 成条状物，在外加电压的作用下可以弯曲和伸展，利用这种特性可以研制仿鱼尾 鳍推进装置。目前美国m o j m r a d 等人利用i e m p t 研制出了一种新型的仿生鱼形 推进装置图【6 2 1 ，如图1 1 2 所示。该装置由i e m p t 致动器，控制电路和船体构 成，其可作为一种在水中游动推进的微型机器人的推进结构装置。 图1 1 2 游动微型机器人 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 8 ) 其他游动机器人 目前国内外研究人员利用微电动机或外部磁场结合螺旋驱动研制出了多种 微型机器人 6 3 6 7 】。日本t h o n d a 等人利用外部磁场研制了一种新型的在液体中游 动推进机构( 由螺旋形导线和附在其上小磁铁组成) ，通过施加外部磁场使小磁 铁在磁转矩的作用下产生旋转，该泳动机构在沿螺旋线的传播波形的推进下产生 运动，如图l 。1 3 所示。类似于t h o n d a 等人研制的微型机器人，日本的k i s h i y a m a 等人也利用外部磁场研制了一种新型的微型机器人驱动推进机构，如图1 1 4 所 示。微型机器人由螺旋形头部和附在其后的磁铁组成，通过施加外部磁场使磁铁 在磁转矩的作用下产生旋转，该微型机器人驱动推进机构在螺旋头部的推进下产 生运动。 s m c om a g n e t w l r bd l _ w 日r2 3 ( 1m m 1m m x lm m ) f a t a l w ”e , e n o l h ：l 图1 1 3 微型机嚣人泳动机构图1 1 4 磁场驱动螺旋型微型机器人 游动微型机器人的研究具有一定的现实意义，它克服了一般微型管道机器人 运动时与输液管道壁面发生直接接触而产生摩擦的缺点，所以游动机器人在微型 输液管道机器人和体内血管微型机器人的研究中有着重要的意义。 2 2 2 液体中游动微型机器人研究的重要内容【6 8 - 7 0 】 ( 1 ) 探索游动微型机器人运动机理 液体中运动装置可采用螺旋浆和游动方式。传统螺旋浆推进器具有能源效率 低。结构尺寸和重量大，对环境扰动大，噪音大，可靠性差，起动、加速性能差 以及运动灵活性能差等缺点。而利用智能性材料构成的仿鱼类微型游动推进装 置，不仅具有鱼类运动高效率、无噪音等优点，并且还使其小型化、微型化成为 可能。因此，如何结合鱼类游动理论，探索在“微”的条件下游动微机器人运动 机理成为值得研究的重点。 游动方式有利于运动装置的小型化、微型化，所以采用游动方式。这样，在 “微”的条件下的游动微型机器入运动机理的研究就是必要的。水下微型机器人 采用仿生型的一体化结构，游动的动力来自致动器在谐振状态下与液体的相互作 用，这样微型机器入可以做得很小，并且可以在液体中运动。初步实验证明，如 1 0 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 果致动器本身较柔软，谐振频率较低，则微型机器人能在液体中游动。 ( 2 ) 探索游动微型机器人的致动技术 游动微型机器人的一个重要研究内容就是其致动技术。在“微”的条件下， 游动微型机器人的机械结构既受到运动机理的约束，同时也影响到游动微机器人 的性能、控制方法、以及进一步小型化、微型化的可能性。目前，对游动微型机 器人的致动技术的研究有两个方面：一是进一步深入研究微机构理论，且与鱼类 游动理论相结合，以实现游动微机器人结构最优设计；其次是用不同的物理效应 形成不同的致动方式。目前在游动微型机器人中应用较多的致动方式有电磁致 动、静电致动、压电致动、形状记忆合金致动、热致动等，此外，如超导致动、 凝胶等高分子致动、直接光驱动、超声波致动等也有研究。 ( 3 ) 试验新材料、建立游动微型机器人的动力学方程，解决其控制问题 物体进入“微观范畴”，物体所受的诸多因素的作用已发生了变化，一些主 要因素的作用变成不主要，而一些次要因素却起了主要作用。因此，综合考虑微 机器人的材料、结构、形状进行研究，制作一些不同材料、不同结构、不同形状 的微机器人，进行实验、测试。最后，进行分析综合、修改并确认微流体力学中 的一些主要规律及一些因素，建立液体中微机器人的动力学方程，优化结构设计， 解决其控制问题。 ( 4 ) 微流体力学 当微型机器人的尺寸缩小到一定范围内，许多物理现象和宏观世界相比有很 大差别。力的尺寸效应和表面效应在微观领域可能其主要作用。在微小尺寸领域， 与特征尺寸l 的高次方成比例的惯性力、电磁力( p ) 作用相对减小，而与尺寸的 低次方成比例的粘性力、弹性力( l 2 ) 、表面张力( l 1 ) 、静电力( l o ) 等的作用相对 增大。表面力与体积力相比成为主导作用的力，这也是m e m s 中常以静电力、 表面张力作为驱动力的原因。与重力相比，摩擦力的影响比普通机械要大。