（机械设计及理论专业论文）微型泳动机器人运动特性研究.pdf

摘墨 摘要 微型泳动机器入的研究是当前国际上研究的热点问题之一，有很好的发展前 景。微型泳动机器入理论及应用基础研究涉及微制造、材料学、仿生学、流体力 学以及控制工程等多学科的知识和技术。 本论文基于鱼类的游动规律，研究了一种微型泳动机器人。详细分析了该微 型机器人的游动推进原理。阐述了微型泳动机器人波动前进时的运动学模型和动 力学模型，并进行计算分析求解，给出微型机器人的游动速度、推进力与微型机 器入结构参数和游动参数的关系。对微型机器人进行了详细的实验研究，并通过 实验研究归纳微型机器入的实际运动规律，与理论运动规律进行对比研究，分析 各因素对其运动特性的影响。 第一章分析国内外微型机器人的研究现状，介绍了微型机器人的研究背景和 运用预域。给出了本论文的研究意义和研究内容。 第二章介绍了微型泳动机器人研究的理沦基础和游动原理。给出了微型泳动 机器人的运动学模璎和动力学模型，同时进行了详细的运动学和动力学分析。最 后分析讨论了微型机器人的游动效率问题。 第三章洋细介绍了微 ，l ! ! 泳动机器人原理样机，实验装置的构成及其功能，介绍 了微型泳动机器人的町实现的功能：介绍实验装置的组成，并简单介绍了实验台 的粘度测鼍、温度测曼与控制、速度测量、推进力测量的原理和实验装置，并介 绍了运动轨迹采集系统，介绍了运用视频处理的方式进行微型泳动机器人尾部摆 动频率的标定和摆动摆幅的测最。 第四章介绍了微型泳动机器人的实验方案，微型泳动机器人推进速度受频率 方案、尾部蚝度、尾部形状、头部形状、摆角、质量、液体粘度和密度等因素的 影响，本章对这些冈素进行了详细的实验研究，得出各种实验研究绐聚。 第矗章对微型泳动机器人的各个实验方案的结果进行分析，并结合现有的理 论研究，并把理论速率和实验速率进行对比分析，比较实验结果与理论研究之间 差距，对理论运动规律有较大差距的实验现象给出合理的解释。 第六章对整个课题和论文的工作进行了总结和展望。 本论文受国家自然科学摹会项目资助( n o 5 0 3 7 5 1 4 3 ) 关键词，微型机器人，仿生学，泳动理论，波动推进 a b s t r a c t a b s t r a c t a sa l li m p o r t a n tp a r t ，m i c r os w i m m i n gr o b o t si n c l u d em i c r o f a b r i c a t i o n , m a t e r i a l b i o n i c s 。h y d r o d y n a m i c sa n dc o n t r o le t c b a s e do nt l l es t u d i e so fb i o n i cr o b o t s 。a n d a c c o r d i n gt h es w i m m i n gp r i n c i p l eo ff i s h , an o v e ls w i m m i n gm i c r o - r o b o ti m i t a t e d f i s h e si sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h em i c r o - r o b o tw h i c ht e p r o d u c e st h es w i m m i n g p 耐o r m a n c eo ff i s h e sh a se x c e l l e n ts 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 t m e a n i n g i nb l o o d e s s e im i c r o r o b o t sw h i c hh 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 fs w i m m i n gp r o p u l s i o nt h e o r i e so ff 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 es 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 f t 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 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 e a n a l y s i sa n ds o l u t i o no ft h es w i m m i n gm o d e lo ft h em 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 ns 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 ap r o t o t y p eo ft h em i c r o - r o b o ti s d e v e l o p e da n de x p e r i m e n t so ni t a r e c 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 et h es w i m m i n gp r o p u l s i o n p e r f o r m a n c eo f t h em i c r o r o b o ta r ea n a l y z e d i nc h a p t e r1 ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n dj si n t r o d u c e d a n dt h ei n t e r n a la n de x t e r n a l s t u d ys i t u a t i o no fm i c r o - r o b o t sa n dt h ek e yt e c h n o l o g ya n dd i f f i c u l t yo fm i c r o r o b o t s a r ea n a l y z e dd e t a i l e d l y an e wk i n ds w i m m i n gm i c r o r o b o ti sp r o p o s e d t h es t u d y i n g m e a n i n ga n dc o n t e n to f t h 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 et h e o r e t i c a lb a s i sa n dp r o p e l l i n gp r i n c i p l ea r ei n t r o d u c e d w i t ht h e a n a l y z i n go fk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c so ft h es w i m m i n gm i c r o r o b o t t h et h e o r e t i c a l m o d e li sb u i l du p t h er e s i s t a n c ed u r i n gt h el o c o m o t i o no fs w i m m i n gm i c r o - r o b o ti s a n a l y z e d ，a n dac o n t r a s to f e f f i c i e n c yb e t w e e nd i f f e r e n tp r o p e l a b l em o d e s i sg i v e n i nc h a p t e r3 t h ep r o t o t y p eo f t h es w i m m i n gm i c r o - r o b o ta n dt h es t r u c t u r ea n dt h e f u n c t i o na c h i e v e do fe x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t sa r ef m s t l yi n t r o d u c e d , t h ef u n c t i o n a c h i e v e da n dt h ep r i n c i p l eo ff l e x i b i l i t yo ft h es w i m m i n gm i c r o - r o b o ta g ea n a l y z e d s e c o n d l y , a n dt h em e a s u r ep r i n c i p l eo ft h ee x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t si se x p l a i n e d d e t a i l e d i nc h a p t e r4 。e i g h tk i n d so f e x p e r i m e n t a lp r o j e c t sa r ei n t r o d u c e d w i t ht h ed e t a i l e d e x p e r i m e n t a ls t u d y i n go fs w i m m i n gm i c r o - r o b o t , t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r o v i d e d , a n dt h ea n a l y s i so f e x p e r i m e n t a lr u l e si sg i v e n i nc h a p t e r5 ，t h et h e o r e t i c a l s t u d yo fl o c o m o t i o np e r f o r m a n c eo fs w i m m i n g m i c r o - r o b o ti se a r r i e do u t ；t h ea n a l y s i so ff a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h el o c o m o t i u n p e r f o r m a n c eo fs w i m m i n gm i c r o r o b o ti nd i f f e r e n tc o n d i t i o n si si n t r o d u c e d t h e t h e o r e t i c a lj o c o m o t i o nr u l e sa l e c a l c u l a t e d b yt h ec o n t r a s tb e t w e e ne x p e r i m e n t a l a b s t r a c l i nt h el 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 cp r e s e n t e c l t h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( g r a mn o 5 0 3 7 5 1 4 3 ) k e yw o r d s ：s w i m m i n gm i c r o r o b o t , b i o n i c s ，s w i m m i n gt h e o r y , u n d u l a t o r yp r o p e i m e n t | 1 1 学号竺! 堡竺j 独创性声明 本人卢明所呈交的学位论文足本人在导师指导卜进 j - 的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了丈中特别加以杯泞和敛谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘翌或其他教行机 构的学位或让转i f i 使用j = 上的材料。与我一同：i ：作的同志对本研究所做的任何员献 均已在论文中作了明确的说明并衷示谢意。， 学位论文作者签名：咕习等签字f 1 期：一年弓月n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘生有灭保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向喇家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被套阅和 借阅。本人授权堂姿态茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，以采用影日j 、缩印或扫描等复制手段保存、汀编学位论文。 ( 保密的学位论文存解密后适用本授权书) 学位论文作行签名： 栽飞 签字同期：- ，年；月2 只 学位论文作者毕业后去向： i 作单位：蓼批附舛蝴触司 通i n 地址： 榭牵毅善焙- 喜t 7 牛弓f 导师签名： 欷戈坛 签字1 1 期：彳年岁月3 f 1 电话： 邮编： 馋一帝缔论 第一章绪论 【摘要j 分析国内外微型机器人的研究现状，分类介绍了各种微型机器人的研究背景和应用 领域提出了本论文的研究意义和研究内容 微型机器人技术是集生物力学、机械学、机械力学，材料学、计算机图形学、 计算机视觉、m e m s 等诸多学科为一体的新型交叉研究领域。已经成为国际机器 人领域的一个研究热点，给国民经济、人民生活和军事国防带来了深远的影响【q 。 1 1 引言 微型机器人能进入人类和宏观机器人所不及的狭小空间内作业，其理论和应 用的研究近几f 年来受到了广泛的关注。微璎机器人是在微细加工技术和微电子 机械系统基础上迅速发展起来的一个多学科交叉的前沿研究领域，是微机电系统 发展的商级形式。1 0 8 7 年，荚圜加州柏克莱大学大学发明了基亍二表面牺牲层技术 的微马达后，首次成功研制出脚的静电型微马达，引起困际学术界的轰动，使人 们看到了电路与执行痔i ：件集成制作的可能性，被视为m e m s 技术的丌端【3 1 随之微 型电子机械学、微型机械、微传感器和真空微电子学及其相应的结构、装胃和系 统的丌发研究也出现了新的研究势头。九十年代，发达国家先后投巨资并设立国 家重大项目促进其发展。此后，m e m s 技术发展迅速。特别足深糟刻蚀技术出现 后，围绕该技术发展了多种新型加工工艺。最近，美国朗讯公司丌发的基于m e m s 光丌芙的路由器已经试用，预示着m e m s 发展又一高潮的束l 临。目前已经丌发出 手指大小的微型移动机器人，可用于进入小型管道进行检查作业。预计将生产出 毫米级大小的微型移动机器人和直径为几百微米甚至更小得纳米级的医疗机器 入，可让它们直接进入人体器官，具有纳米分辨率表面成像和渗透能力，进行各 种疾病的诊断和治疗，而不伤害人的健康f 4s l 。m e m s 突破传统的机械加工方法和 手段，利用微细加工技术可制造出微型低成本机械部件，如微裂传感器、微型电 动机、微型齿轮等微型机电产品，已丌发成功集成电路技术、光刻电铸技术、腐 蚀成型技术、键合法等。近年柬国际上m e m s 的专利数】下呈指数规律增长，说明 m e m s 技术全面发展和产业快速起步的阶段已经到来。微电子机械系统及相关技 术的发展为微型机器人的研究奠定了1 呸实的基础。 微型机器人在微型电子机械学方面，利用集成电路微细加工技术可在只有几 个立方毫米的硅片上集成机构及其，驱动器和传动装置传感器、控制器、电源等， 获得功能完备的机电一体化的微电子机械系统。这种电子微机械系统呵将整个系 统的尺寸缩小到几毫米甚至几百微米因此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 l ： 对微型 诒一帝绪论 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科在微型机器 人的研制上得到应用一0 1 微型机器人的应用领域讵在不断扩大，无论是在民用如农业、工业、医学、 生物等领域，还是军用如军事和航空领域，都有着广泛的应用。在农业上可以用 来杀灭害虫、定点洒农药：在工业和人们闩常生活中，微型机器人给埋减在地下 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。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f 在不断取得进展| 1 1 - 1 5 1 。在军事上可以用于军事要地的 报警、防卫战略要地等，也可以攻击敌人的重要设施、实现定点爆破，或者深入 敌后获取重要的军事情报。在航天上发射微型卫星可以大大降低卫星的成本和发 射费用。 1 2 微型机器人的研究现状 微犁机器人一般由微驱动器、微传感系统、自主控制系统、通信系统以及微 型作业系统等凡酃分组成j l ”。 微驱动器是微型机器人的关键部件，并在一定程度上标志着一个微型机器人 的水平。微碴机器人的驱动方式的特点将决定了其他各个组成部分的结构特征和 控制方案。按驱动方法可分为：形状记忆合会( s h a p em e m o r y a i i o y ，s m a ) 驱动 机器人、电磁驱动机器入、热膨胀驱动机器人、超磁致伸缩材料( g i a n t m a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l ，g m m ) 机器人、铁磁橡胶( f e r r o m a g n e t i cp o l y m e r ，f m p ) 机器人、压电驱动( p i e z o e l e c t r i c i t ym a t e r i r a l ，p z t ) 机器人，离子聚合物驱动( i o n i c e 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 ，i p m c ) 机器人；按工作环境呵分为：管道微型 机器人和液体微璎泳动机器人。下面将按着工作环境的分类束详细阐述微型机器 人的研究现状。 1 2 1 管道微型机器人的研究现状 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入研究主要纂 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静景也闩益显露出来1 7 。1 9 1 。目前在一些核 工业和石油化工领域经常会遇到微型管道的检测和修复问题，这些场合足不适合 人去工作的，所以管道微型机器入有着很好的应用前景。 ( 1 )直流电机驱动的蛇行机器人 2 第一审绪论 德国g m d 智能自动控制学院研制出最接近蛇的运动原理的机器入l a o ) 。蛇行运 动意味着身体的每一部分在同一点以同样的方式运动，机器人身体上的点与其运动 轨迹线相重合。机器人由多个相同雏元组成单元和单元之间用二自由度的力向关 节连接，每个单元上有三个5 w 的直流电机独立控制单元的运动，其中一个电机用于 控制单元上环绕的轮子。在机器人的头部装有超声传感器嗣l c c d 。驱动直流电机 的电池组装在机器人的尾部，如图1 i 所示。电驱动部分由微处理器集成，各部分 之间通过c a n 总线通信， 圈l i 蛇形机器人结构示意匝 ( 2 )履带式管道蛇行营救机器人 d 、q ：o l t ：爱掺囊，、鸭 _ 、x 节繁矗器，、坩笋敏箍jj ：站 。磊、蠢锈渗曜瀚湖盏酾断碍矗 f 1 本东京工业大学研制出的管道蛇行灾难营救机器人“k o h g a ”，除了进行 管道维护作用外它还可以寻找和营救灾难受害者1 2 1j 。通过无线遥控它可以在建 筑物废墟中探索，爬越障碍物，进入狭小空间。机器人的整体结构图如图l 。2 所示。 图1 2 蛇行机器人绉体结构图蛇行机器人的多功能运动单元由四个二自由度的主动 关节和三个三自由度的被动关节连接而成。被动关节起着肇元之间的连接作用， 主动关节增强机器人的攀爬能力。由图1 2 可见，在机器人两个顶端是二鼽 | 度关 节，该关节由f i ；j 服电机驱动。其次的第二个二自出度关节由直流电机驱动。使之能支 撑起第一个关节和单元。其余的关节郡是三自由度的被动关节。被动关节能根据 不同的表面调整机器人的形状。采用两种不同的驱动方案，有效地利用不同方案的 优点，并有利于：减轻机器人的蘑量和尺寸。出于“k o h g a ”机器人结构上的对称 性，它可以像蛇样定活转弯。机器人出八个单元组成，在行进过程中每个单元 的功能郄不一样。 ( 3 )管道蜘蛛机器人 西门子公司研制了在管道里爬行的管道蜘蛛机器人1 2 2 1 。该机器人在爬行过程中 用脚撑住管壁，因此它可以在任意形状的管道内运动它不仅适合在水平管道中 运动，在垂直管道中机器人的腿也能支撑起身体的重量并自由行走。其运动仍真 如图1 - 3 所示。整个管道蜘蛛机器入由1 6 个微型伺服电机驱动。伺服电机的最大 扭矩为9 5n 锄，最大速度1 0 0d e g ，s 。净重6 5g 。该机器人可以在管径为8 3 0c r i l 的管道中行走 3 第一帝绪论 伊分 浆域 乙- 。尸 圈l - 3 蜘蛛管道机器人运动示意图圈1 4 超徽型机械人 图1 5 带沟槽的曩旋推进装置 ( 4 )螺旋推进的微型管道机器人 2 0 0 0 年6 月瑞典科学家初步研制出一种新的超微型机械人1 2 3 1 ，尺寸只有 0 5 x , 0 2 5 r a m 2 ，如图1 4 所示。浙江入学周银生提出了一种带螺旋沟槽推进装冒的医 疗微型机器人模型如图1 5 所示，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 薄膜，此润滑薄膜能够有效地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。这 都显示了该领域的良好发展前景l 川。 ( 5 )基于正弦波动驱动的微型管道机器人 上海大学研制成功一种新型微璎管道机器人，实现了实际行走1 2 5 1 。它基于一弦 波动驱动机理，避免了多台电机在驱动和1 1 】霞七的麻烦。只需一个电机即可驱动多 足的喂行运动，为细长仿q ：机器人丌发提供了一个新思路。图1 7 为该机器人的概 念图。单驱动正弦波动型微型管道机器人概念图直流微电机带动中心曲杆旋转。曲 杆上的9 个滑块推打机构使履片产生连续的近似讵弦波波动( 即行波运动) 。固定 在履片上的脚爪带动整个机器人身体向前移动。电机输入电压1 2v ，转速1 6 0 r r a i n 时，机器人走行速度为7 3r a m r a i n 。i 幺管道机器人原理上只有细长的特点驱动作用 力沿身体分布，可以适应耨1 糙的管道内壁，用单电机驱动实现仿生的行波运动，当调 谐到共振模式工作时功耗很小。 4 第一帝绪论 。* 耄参蕊警茹蔷渚窆；，一 。，：! 蔓j 量t i 囊量i ，羔+ x “奠0 ，；，泛：一 。t 弭整 学牛 圈1 7 正弦波管道机嚣人圈i s 电磁驱动管道机器人 ( 6 )其他驱动的徽型管道机器人 上海交通大学针对微小空目j 、微小管道实时探测的要求，研制成电磁驱动微 小型管道机器人样机1 2 6 1 。如图1 8 微小管道机器人出四节电磁驱动单元组成，驱动 机理模拟生物体的蠕动爬行。它是通过给线圈加一系列的时序脉冲的控制，依次 使各单元动作，以多拖少面达到蠕动式爬行的运动形式。驱动电压8 v ，在橡胶管 中运动速度为1 2 8 8 m n s ，在玻璃管中的运动速度为7 6 m m s 。 形状记忆合会驱动的微型管道机器人| 2 7 - 31 】：s m a 用于微驱动器是种极好选 择。s m a 体积越小，功蓖比越大：采用s m a 驱动后呵省略传动机构，使结构大为 简化；同时可以实现精确控制。s m a 元件能够充当驱动器，是因为s m a 在变温相 变过程中有回复力输出，这一回复力可以对外做功，如钛镍( t i n i ) 形状记忆合 会的匹1 复力呵达6 0 k g m m 。图1 9 是一种s m a 直线驱动机器人。 压电驱动的微型管道机器人1 3 2 拍l ：只本d e n s o 公司研制出压电元件驱动的 微型机器人，用于细小工业管道的自动化检测工作。微型机器人耋要出压电元件、 配重和头钳组成，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 0 为该微型机器人的运动示意图。 慧逼嘲许鳃羞_ 尊蕾 露缝窘篝 瘟等面 髟豫记圮盘孕 瓤葭翟 e t 域碰 ”麓。_ ：擎。l i 恍一a 圈1 9 形状记忆台垒管道机器人 圈1 1 0 压电式管道徽型机器人 1 2 2 液体微型泳动机器人的研究现状 ( 1 ) 超磁致伸缩材料驱动振动式游动机器人 镛一帚绪论 磁致伸缩材料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一机械能量转换器在磁场 激励下，将产生外部位移和力输出，从而可以作为一种微型执行器驱动元件。利 用超磁致伸缩材料制成的微型驱动器已经在微型机器入上获得了应用并且取得 了良好的效果1 3 7 堋j 。图1 1 1 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i 利i ，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。 该微型机器人结构简单，而且易微型化，可以通过控制磁场大小来控制其运动速 度，但是不易拐弯。 一 ll 。j * 凄静”。，z 勘融蟛拣，茹， 。 隧爹鬻：霉“? 掌矧 珏缸嘉南妊“赫麓蕊澎二目。祧2 一幽娩& 啦p 一我菇 圈1 h 徽型机器人的超磁致伸缩驱动器 图1 1 2g m p 超磁致伸缩驱动器机器人照片 大连理工大学利用磁致伸缩薄膜材孝 - ( g m f l 作为微型机器人的驱动器为尾鳍 的无缆驱动微型泳动机器人f 4 “。如图1 1 2 所示。微机器人身体均采用树脂材科，长 为1 0 m m ，宽为8 r a m ，高为8 r a m 。机器人后部采用磁致伸缩双面薄膜为仿7 匕尾鳍， 研制了二种磁致伸缩双面薄膜驱动器。其驱动原理是施加频率可调的交变激励磁 场，在磁板祸合作用下，将振荡的磁场能转换为磁致伸缩双面薄膜的振动机械能， 以振动的磁致伸缩薄膜为鱼的仿生尾鳍，其与液体的耦合作用，使产生机器入的 游动推力，实现了机器入的双向仿，上游动。磁致伸缩驱动微机器入结构简单，可 微型化。 ( 2 )铁磁橡胶驱动游动机器人 铁磁橡胶( f e r r o m a g n e t i cp o l y m e r ，f m p ) 是一种含有纯铁粉颗粒的橡胶，由 于f m p 含有纯铁粉，因此县有软磁特性，既可以被磁场磁化，产，土磁吸引力，当 磁场撤销后又能基本恢复无磁性状态。f m p 的基材又是硅橡胶，具有很好的柔软 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。中国 科技大学梅涛等人利用铁磁橡胶f m p 的软磁性和机械弹性研制的微哩驱动执行 器，可用于无线外驱动游动微型机器入【) 弗l ，如图1 1 3 所示，微型机器人在外加 6 第一帝绪论 磁场下能够像鱼类那样在液体中游动，通过改变磁场的方向可以控制机器人在液 体中前进或后退，改变磁场的强弱来控制微机器人的运动速度。 r a h h h 打 翻柚_ , t n t l m u t _ m 5 耐 圈1 1 3f l v l p 微型泳动机器人工作原理 ( 3 )n d f e b 磁性材料驱动微型泳动机器人 g u o 等人利用n d f e b 磁铁产生磁场相互作用的原理，制作了一个带尾鳍的微 型泳动机器入1 4 5 1 。如图1 1 4 所示，该机器人是用苯乙烯材科将n d f e b 小磁托包襄 构成机器人身体。n d f e b 磁桂的尺寸是 2 m m x 4 m m ，尾鳍薄膜的厚度为1 0 0 z m 。 如图1 1 5 所示，当变化的磁场平行于运动方向时，磁场力将驱动永磁铁发! l 旋转， 并且带动尾翼摆动，尾翼摆动时和所在液体之自j 产生向前的推进力，机器人就可 以沿着磁场方向运动。 n d f e b i e 铁 i 2 m m x 4 m m 圈i 1 4n d f e b 泳动机器人结构图 ! ! - 戳筠育向 一一_ - 卜蚴口h 话葫方向 圈1 1 5n d f e b 泳动机器人运动示意 圈 实验中结果表明，当薄膜板的长度为1 5 m m ，宽度为1 0 r a m 时，该微璎机器人 可以达到4 2 m m s 的速率。该机器人结构简单，响应速度快。 ( 4 )i p m c 高分子驱动器的游动机器人 应用高分子驱动器的游动机器入( i o n i ce x c h a n g ep o l y m e rm e t a l c o m p o s i t e s ，i p m c ) 是一种新型的智能材料，称为离子交换薄膜会属复合材料l 拍、州 第一章绪论 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。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。g u o 等人应用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，如图1 1 6 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 0r a m ，宽1 0m m ， 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 5 h 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制其在水中 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i 1 6 仿生鱼徽型机器人示意圈 圈i 1 7s m a 游动推进装置 形状记忆合会p 9 】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。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s m a 驱动器就是利用s m a 在形状i 己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合金的特性已经研制了多种微型机器人，例如美国l j g a r n e r 等人利用s m a 作为驱动器研究了一种能在诸如水等液体中游动的机器人游动推进 装置，它通过模仿鱼类的尾鳍来实现游动推进t 6 0 l ，图1 1 7 是该游动机器人的结构 示意图。 p a m p s 凝胶是种高分子合成材料，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f 6 l 6 2 1 。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 镛一帝绪论 凝胶的特性研制出了微型游动机器人。只本m i h o k oo t a k e 等人丌发了p a m p s 凝胶微型机器人膨铆j ，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 8 和图1 1 9 是他们设计出的相应的游 动机器人。 f 翟蒌 圈1 1 8g e l 徽垂机器人驱动机制及运动示意图 圈1 1 9s t a r f i s hg e l 徽型机器人实体图 ( 5 )螺旋推进微型机器人 如图1 2 0 所示，f 1 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 泳动推进机构( 由螺旋形导线和附在其上小磁铁组成) f 6 6 l ，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。如同i 2 1 所示，r 本的k 1 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。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。 图1 2 0微型旋泳动机器人推进原理圈 ( 6 )医用微型机器人 医用微型机器人最小损伤的进入生物体腔，安全的进行观察病源，采集各种 信息，帮助诊断、手术等作业。它们的临床应用将会导致现代医疗技术的革命性 变化。 医用微型机器人的工作环境是人体内腔，而人体的内腔中通常都狭窄的有一 定的液体柔性组织。肠道中的肠液，流动不显著；在动脉血管中，血液流速很快， 9 夏匿 第一章绪论 并且血液流动为脉动流，而在静脉血管中，血液流动就很平稳，流速也较慢。这 些都将影响微型机器人驱动方案的设计与选择。 另外，由于用于人体内腔检查或手术，要与人体内腔内膜接触，内窥镜系统 的外层材料的生物相容性及理化性能必须符合临床应用的要求同时微机器人的 结构设计必须考虑消毒或灭菌的效果以及消毒或灭菌过程对内窥镜的影响。采用 超磁致伸缩合金( o m a ) 驱动。不仅能使机器人在微型管道内运动，而且实现了机器 人运动的无线驱动。超磁致伸缩合金的伸缩原理为：对超磁致伸缩合金通外加磁场， 超磁致伸缩合金的电磁方向为外加磁场方向，沿磁场方向伸长，沿垂直于磁场的方 向收缩。图1 2 2 为日本名古屋大学福田敏男教授开发的微型管道机器人 6 7 1 在外 加磁场的作用下，机器人身上的g m a 沿磁场方向作伸缩振动，通过贴在机器人身上 的四片带1 6 个弹性腿的铜片，沿管壁运动。改变磁场的磁通量大小可以改变机器人 的振动频率，从而改变机器人的运动速度。该机器人可以在最小管径为6 m m 的管道 内运动，对不规则管壁有较好适应性。 圈1 2 2g m a 管道微机器人的移动模式 日本东北大学k i s h i y a m a 等人利用外置旋转磁场为驱动的微型泳动机器人 6 s - 6 9 1 。该微机器人由n d f e b 磁驱动器，圆柱身体以及螺旋头部构成，其结构和外置磁 场如图1 2 3 。 锅斜槽n 积d 磁铁 透磁古垒 叁三导己冀”了芎“了广t 单位 - 旋转磁场 图1 2 3 微型泳动机器人工作原理图 图1 2 4 微机器人进入支气管模型引导实验 1 0 第一章绪论 其工作机理如下：当施加垂直于机器人身体方向的旋转磁场时，n d f e b 驱动 器受磁场转矩的作用，而与外置磁场同步旋转螺旋头部发生旋转，与液体或者 凝胶相互作用产生向前的推进力，微机器人在推进下泳动该微机器人可以很好 的运用于体内医疗，如图1 2 4 示微型机器人进入在磁场作用下的弯曲的导管，通 过调节磁场强大大小，可以使导管发生任意形状的弯曲，从而导管柔性到达支气 管模型的任何地方微机器人就可以在支气管里泳动，到达内体的病变之处实施 医疗处理，杀死有害病菌。 1 3 微型机器人相关技术问题r 删 综上所述，微型机器人的研究具有较高的研究意义，而各种新的驱动原理和 驱动结构方式为研究微型机器人提供了种新的探索途径。 由于受到微机电技术和相关技术的发展，以上微型机器人虽然结构新颖，性 能基本符合微型机器人的运动要求，但是与实用化还是有相当远的距离。 1 3 1 微型机器人的尺寸效应 微机器人，特别是医用微型机器人尺寸的最终目是在毫米级以下。由于尺度 的微细，使得表面积体积比增大，凡与尺寸高次方成比例的力，如惯性力、电磁 力等的作用相对减弱，而与尺寸低次方成比例的黏性力、表面张力、静电力、摩 擦力等的作用显著增加。由于热现象的惯性很大，所以在常规尺度条件下，很难 利用热现象去驱动和控制流动介质。然而当尺寸微小化后，表面换热大大增加， 时间常数很小，使传热现象应用于流动控制成为可能。 在微系统中，当微机器人受到水的表面张力作用时随着尺寸的减小，驱动力 下降的速度比阻力下降的速度快两个数量级，这样尺寸减小到一定程度，微机器 人可能被液体的表面张力冻结，增大了泳动的阻力。 1 3 2 能源供给问题 常规机器人能源供给一般采用有缆方式，拖缆的摩擦力并未对机器人的行走 带来太大的影响，至少在几百米以内是可以作业的，可是对于游动微型机器人来 说，尽管其功重比已经很大，但微型机器人的牵引力与拖缆力相比是不可忽略的， 尤其在管道环境中，微型机器人很容易因牵引力不足以拖缆而不能行走。另外， 虽然目前已经有靠外部磁场驱动的游动微型机器人，但是在复杂的管道环境下， 很难控制其运动的定向性，所以存在着控制方面的问题。因此目前开发的游动微 第一幸绪论 型机器人离实用化还有相当差距 1 3 3 驱动控制问题 从控制方法角度讲，经典的p i d 不能很好的满足微型机器人的运动控制需要， 因为这些方法是基于模型的控制策略，而对于微型机器人来讲，很难给出比较准 确的模型。微型机器人的工作环境通常是一个多变的复杂的小空间，其控制问题 变得异常重要。目前，可以把人工智能、神经网络等引入可以较好的解决控制问 题，再加上先进的控制策略和智能算法，如蚁群算法等可以进一步提高微机器人 的智能水平；如采用外部磁场来控制微型机器人的运动，则应该考虑分布参数控 制器。 1 3 4 检测技术 在微机器人上配备微传感器后可以检测机器入的自身的运动参数及环境参数， 并存储和传递检测到的信号。微机器人常用的传感器有视频探测器、超声波传感 器、涡流传感器、激光干涉仪等。作为机器人的感觉器官，传感器须具备拾取信 息、传递信息的功能，同时还须满足尺寸小、分辨率高、稳定性和可靠性好、时 佃j 响应快等特点。微型机器入的控制系统就像人的大脑一样，要对复杂的环境变 化做出及时地感知，并快速的作出响应。但是这些还不能很好的满足医用微机器 人的同步检测的要求。另外，实现检测装黄和通讯设备的集成化、微型化是使机 器人实用化的一个关键技术。 1 3 5 传感器闯题 目前设计出的微型机器人其加装传感器主要用于测量推动力等参数，以分析 运动机理，其研究停留在实验化水乎。因此，考虑需要研究适于液体中的智能传 感器，实现测量、处理、通信、控制一体化目标，以使液体中游动微型机器人旱 日达到实用化阶段。 1 4 本课题研究的意义和内容 1 4 i 本课题研究的意义 目前，应用仿生学原理，模拟生物的运动形式，成为微小型机器人研究的一 f 2 第一毒缔论 个热点。随着目前微机械制造水平的提高，制造出小巧、有创新功能的微机械产 品是人们所希望的在设计、制作微机械过程中，人们发现总体尺寸缩小后。如 果仍用传统的理论概念，相应缩小每个零件的尺寸，即便作了力学仿真和克服了 巨大的工艺困难也难以成功。研究鱼类等水下生物的运动机理，为微机械设计寻 找新理论，是仿生泳动机器人研究的一个重要研究方向。 一 液体中运动装置的驱动可采用螺旋桨和泳动方式。传统螺旋桨推进器存在着 能源利用率低、结构尺寸和重量大、对环境扰动及噪声大、可靠性、加速性能以 及运动灵活性能差等缺点鱼类的游动方式具有高速、高效，灵活，低噪等特点， 其游动和控制姿态的能力是任何目前装备传统的操纵与推进系统的潜水器所无法 比拟的，将其应用于水下机器人，将为水下机器人的研究和发展提供新的起点和 更为广阔的空间。近年来仿生水下机器人已经成为水下机器人的重要研究方向之 一。因此，利用泳动推进的机器人装置不仅具有高效率、多自由度、无噪声等优 点，而且还使其小型化、微型化成为可能。如何结合水下生物游动理论，将微型 泳动机器人的进一步的微型化，并且找到微型泳动机器人运动状态与环境参数之 甸的关系，是本文要探索的重点。 1 4 2 本课题的研究内容 本课题在国家自然科学基会项目资助下开展微型泳动机器人理论及实验研 究。目的是研究一种能在水中以及粘性流体管道中运动的泳动微型机器人。具体 内容如下： 1 ) 根据目前有关鱼类和蝌蚪游动理论研究和微型游动机器人的研究，给出了一种 微型泳动机器人。详细分析了微型泳动机器人的游动推进原理，设计微型泳动 机器人游动推进机构装置的原理样机。 2 ) 建立了微型机器人游动推进的理论模型，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数值