微型机器人的现状与发展

　　1国外研究与应用简况

　　80年代末期，微型机械电子学、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出现了一个新的势头，在微型机械电子学方面，科学家们利用20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晶硅片上，因而获得完备的机电一体化的微机械电子系统(micro electro一mechanical system,MEMS)，整个系统的尺寸将缩小到几毫米甚至几百微米，将制造出价格低廉(这种微型智能机械系统未来的出厂价为数千个机器人只相当一支派克钢笔的售价，不需维护，每次完成既定任务之后，即可废弃)、用途广泛的人造蚂蚁、蚊子、跳蚤、水虫式的和在血液中游弋的“潜艇”式微型机器人。它们将应用于农业、工业、航天、军事、医学、航海、家庭服务各个领域中。这也对机械电子行业带来巨大影响:如制作微型胃镜照相机、机械手做在针尖上的血管探针、各种超小型光学干涉仪、自动变焦距微型光学系统、微流量可精密控制的液体泵等。近年来研制成功的剥离细胞的微小电极、微型静电马达或压电超声马达、微型传动机构、光纤自动对准机构等在微机器人学、医学及仿生学各方面获得应用。

　　日本东京工业大学林辉教授对微型机构尺寸作了一个基本定义:即1 ^-100mm为小型机构(minimechanism ) ,10}m ^- lmm为微型机构( mi-crotnechanism )—这是本文所涉及的主要领域，lOpm^-10}m为超微型机构(submicromechanism )美国科学基金会1988年的调查报告列举了微机械系统在生物血管中和眼外科手术中诊断与治疗疾病、高级仪器中超级清洁、微细检测与修补、工业、军事、航天、农业诸方面25个有希望的微型机器.人重大应用方面。

　　根据微型机器人的组成结构，美日科学家们在5个领域进行研究工作:微型转动马达(或直线式压晶微动器)，微细传动系统，高密度集成的智能控制系统和传感器，电源以及系统集成技术等。他们认为，当今微型机器人技术发展趋势为:(1)微型马达、微型传感器目前都是用标准集成电路光刻和蚀刻技术制成的，不同的是集成电路是二维刻蚀，而微型零件是三维加工而成的。已能在同一硅基片上刻蚀出一个可动的转子，由轴承约束着平行于基底转动;适当地用传统集成电路加工办法将马达、传感器、控制电路集成在一小块芯片上，以利于廉价地大规模制作。由于省去了机、电连接器，防止了引入噪音和寄生电容，因而有较大的灵敏度，大幅度地减小体积和减轻重量。微型传感器中有CCD黑白相机、彩色相机、军事.伙常采用红外焦平面阵的热成像装置。已能在芯片上刻蚀成许多新型传感器，如:化学传感器、压力传感器(有用马达代用的)和热电堆红外传感器。室温红外成像器也是用制作马达的办法做出来的;(2)控制系统用可附加有限状态机(incremental finite　state machine)以印刷电路板模块形式分层刻蚀安装;(3)电池一般有3种，即铿一空气、锌一空气和铿电池;也有将电磁功率用电辐射办法装入几毫米的硅片中的;太阳电池一般用于长期在室外或太空工作的微型机器人上，都是用单晶硅集成电路加工方式做成，但一般在连接中漏电，效率为10%^-24%,; (4)1988年已在技术上突破在芯片上刻蚀马达和发生很大形变的弹簧的难题。微型马达一般分为3种:①同步可变电容式静电马达。这种马达有一个极内圈定子，内面有一个与定子同心刻蚀出的多极转子盘。整个实用马达直径为一根头发丝粗细(200}.m左右)。当电压绕定子电极步进时，转子的极与定子的极之间产生一个使其准直相对的力，以产生最大电容。当一组板极准，电压步进到下一组未准直的电极之间(定子与转子极数不等)，这样，准直力拉着转子快速转动。两盘之间间隙为lam左右，其静电场可以发出与大型马达相同数量级的间隙能密度。现已制出的马达最高转速为60万r/min，无载功率为1. 8mW。为在几百转/分下获得较大力矩，正在设计减速比为1:10 000的微传动系统。这种电容器储存能与电压平方成正比。这种马达易于大规模、高精度制造出来，但由于研制大减速比的微传动系统难度很大，所以开发进度不快;②简谐静电摆动马达。摆动马达转子是一个单电机柱体，当电压绕定子步进时，柱体连续转动到邻近定子电极，由于转子直径较定子内径小1 ^} 2}m，每次转子绕壳体一圈.它只绕其自轴转动一点点，其减速比为50 100 160。摆动马达能产生可变电容马达10倍的力矩;③压电超声马达。将成对伸缩的压电晶体(PZT)相间排列成圆柱形。通电后，在端部产生机械游动波，然后通过i}`} T端部的弹性体将机械波放大，一个惯性转子放在.上面，由相接触的各点产生切向摩擦力使其转动。其优点是:属龄静电型不需要电磁材料、大电流和线圈;转子不用浮起来，制造工艺简单;微型机械的摩擦力是尚未解决的重要基础课题，在这甩1,擦是其特点而不是缺点;具有大力矩，能在低速F运转;驱动电压低((3^-6V)，电源易于制备;可根据用途需要用任何材料作转子;适用于硅片集成电路制造加工工艺制作，易于与其它微型机械配套形成产业;是在其上层;!区动机械，能大面积产生力或力矩;用这种原理易作成直线性移动器;断电时有握持力矩。由于有这十大优点，压电超声马达发展十分迅速。(5)为避免运动副间的摩擦力，使用带有圆缺口或刻槽的圆柱形或平板形开环或闭环操作器，用圆缺口或刻槽处的连接部分的弹性变形代替运动副的位移，由于此运动副处位移非常小，所以操作器只作　　分级运动。微型机器人操作器运动学、动力学分析与综合及其整机运动协调的研究是十分重要的。(6)在细微加工过程中及成品检验测试中，正致力于用近代研制开发出来的三维测试显微镜技术和研制双稳频激光外差于涉仪测试尺寸精度和动态小位移(线尺寸及位移的精度可达0. lnm级，角度测试精度达0.2'0)0 (7)用记忆合金制作微型机器人的操作器等。