微動機(jī)器人的醫(yī)療應(yīng)用

　　隨著科學(xué)技術(shù)不斷向微型化方向發(fā)展，MEMS 技術(shù)成為當(dāng)前研究的一個熱點。各種微型電機(jī)、微泵、微傳感器和微型零件等的加工以及裝配迫切需要與之相適應(yīng)的微技術(shù)的發(fā)展。微動機(jī)器人是MEMS 的一個重要分支，也是實現(xiàn)微加工、搬運以及微裝配等的主要手段。微動技術(shù)是設(shè)計微機(jī)器人的基礎(chǔ)， 細(xì)胞切割、顯微外科手術(shù)、微機(jī)械加工用精密工作臺、微操作器和甚至微型未來的工廠都離不開微驅(qū)動技術(shù)。微動機(jī)器人既要滿足減輕本體的質(zhì)量和體積的目標(biāo)， 又要具有較大的驅(qū)動力、轉(zhuǎn)矩以及作業(yè)空間，因此， 應(yīng)盡量減少傳動鏈， 采用直接驅(qū)動。人們研制了許多微型驅(qū)動器，如微型電機(jī)、電磁驅(qū)動器、壓電驅(qū)動器( PZT) 、超磁致伸縮材料驅(qū)動器、形狀記憶合金驅(qū)動器(SMA) 和智能型凝膠驅(qū)動器等。

　　由于微操作的對象大多是微觀物體，因而微機(jī)器人的動作原理與宏觀環(huán)境有很大區(qū)別。微動機(jī)器人的動作一般較小， 大多在微米級甚至納米級， 因而其對驅(qū)動器的精度要求很高。對于微機(jī)器人動作原理進(jìn)行分析，有助于從本質(zhì)上弄清機(jī)器人運動的機(jī)理，并最終促進(jìn)新型微機(jī)器人的開發(fā)， 提高微機(jī)器人的性能。以下將對這些驅(qū)動原理進(jìn)行分析， 并且研究了用上述驅(qū)動方法實現(xiàn)全方位運動的解決方案。

1 動作原理分析

　　微動機(jī)器人的驅(qū)動方法主要有輪式、機(jī)械摩擦式和足式三種。輪式微動機(jī)器人采用微電機(jī)拖動微齒輪帶動輪子轉(zhuǎn)動， 這種方式人們比較熟悉， 但缺點是運動精度不高， 只能達(dá)到微米級。機(jī)械摩擦式是在普遍的物理規(guī)律之上， 利用材料的某種特性，以及摩擦力等的綜合作用， 將材料的微小變形轉(zhuǎn)化為機(jī)器人的微位移，驅(qū)動機(jī)器人前進(jìn)。其中主要的驅(qū)動方法包括振動法、沖擊法、尺蠖法、彈性變形法和碰撞法等。足式驅(qū)動方法是采用單足或多足振動向前跳躍， 或是滑行， 通過速度規(guī)劃可以實現(xiàn)靈活的轉(zhuǎn)向及前進(jìn)和后退。國內(nèi)外許多學(xué)者在這方面進(jìn)行了大量的研究，其中， 以日本為代表對機(jī)械摩擦式驅(qū)動方法進(jìn)行了研究和試驗。德國及歐洲學(xué)者對足式驅(qū)動研究較多， 形成了另外一套理論體系。下面， 對各種驅(qū)動方法的動作原理加以分析。

1. 1 振動驅(qū)動法

　　振動驅(qū)動法是由日本的名古屋大學(xué)提出的。1993 年他們利用壓電晶體的振動制作成微小機(jī)器人。其原理是通過改變固連在L 形框架上的壓電晶體的電壓和頻率，可以控制機(jī)構(gòu)本體的移動速度和方向， 速度可達(dá)100 mm/ s ， 并可實現(xiàn)在15°斜面內(nèi)的移動[1 ] 。

　　振動法的原理模型如圖1 所示，由一個矩形框架和一個粘貼在框架上的壓電晶體組成。其移動遵守質(zhì)心運動定理， 同時受摩擦力作用[2 ] 。它的移動過程可以分為兩個階段:(1) 快速移動階段。假設(shè)框架振動如圖1a 所示， 此時壓電晶體快速膨脹，推動其所在的右側(cè)梁向右彎曲， 由于梁向外突出，所以壓電晶體的重心向右移動。

　　將框架和壓電晶體看成一個系統(tǒng)，則壓電晶體作用在框架上的力為系統(tǒng)內(nèi)力。由于此時底梁向上彎曲，與水平面接觸少，摩擦力很小，系統(tǒng)水平方向所受的外力近似為零， 由質(zhì)心運動定理可知，系統(tǒng)在水平方向上作慣性運動; 因初瞬時系統(tǒng)質(zhì)心處于靜止，所以系統(tǒng)質(zhì)心將停留在原處。可以推得框架向左移動。

(2) 摩擦停滯階段。如圖1b 所示，此時壓電晶體收縮，框架右側(cè)梁向內(nèi)彎曲，壓電晶體質(zhì)心左移， 依據(jù)質(zhì)心運動定理框架將向右移動。但因此時框架底梁向下彎曲，受到水平面的障礙，梁克服這一阻礙而作用于水平面上一分布力系，同樣水平面也作用一個相反的分布正壓力系于梁上， 由于正壓力增大， 梁與水平面間的摩擦力增大，使得框架不能向右移動。

　　這兩個階段形成一個移動周期， 壓電晶體交替的膨脹、收縮使得框架斷續(xù)地向左移動。該方法特點是移動速度快，可達(dá)100 mm/ s 以上。但是它運動不穩(wěn)定，有振動噪聲，而且難于控制。

1. 2 沖擊驅(qū)動法

　　1988 年日本東京大學(xué)木通口俊郎等人首次提出“沖擊法”，后來被用于微細(xì)加工和電化學(xué)微細(xì)加工[3 ] 。

沖擊法的驅(qū)動原理如下:

慣性體通過壓電元件與移動體連在一起。利用壓電元件的電壓變化控制壓電元件的伸縮， 從而使物體移動。圖2 是沖擊驅(qū)動原理模型。

(1) 壓電元件處于收縮狀態(tài)，給壓電元件快速施加電壓，壓電元件急劇伸長。移動體左移。

(2) 壓電元件緩慢收縮， 慣性體左移。在返回過程中， 慣性體不斷加速，以產(chǎn)生慣性力， 且小于靜摩擦力; 否則， 移動體也會左方向移動。

(3) 當(dāng)壓電元件收縮至初始長度時，突然停止。就好象慣性體與移動體之間發(fā)生了碰撞一樣。整個系統(tǒng)開始克服摩擦力左移，直到動能耗盡為止。

向右移動的過程與向左類似，只是壓電元件初始狀態(tài)為伸長狀態(tài)，急劇收縮，緩慢回復(fù)的過程。

壓電晶體的運動主要分為兩部分，根據(jù)動量守恒定理得:

式中: m ———慣性體質(zhì)量;
M ———移動體質(zhì)量;
ΔL ———壓電晶體的位移。

　　在加速時一定要保證加速度很小，以使慣性力小于移動體與平臺之間的靜摩擦力。因而加速度應(yīng)滿足下面方程式:

　　物體克服摩擦力做功，直到動能消耗盡為止。

　　沖擊驅(qū)動的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單， 易于小型化， 并且由于不存在保持機(jī)構(gòu)，減少能量的消耗。但沖擊驅(qū)動也稱為Stick - slip 效應(yīng)，因此摩擦力的大小直接影響其運動精度。另外， 因為是滑行，所以運動較難于控制。

1. 3 尺蠖驅(qū)動法

　　20 世紀(jì)90 年代初， 日本靜岡大學(xué)首次提出來的尺蠖法驅(qū)動原理，并進(jìn)行了試驗研究。他們模仿尺蠖的移動原理，研制成功小型自行走機(jī)構(gòu)[4 ] 。后來又用尺蠖法驅(qū)動微機(jī)器人實現(xiàn)了“壓印法”加工收驗和“微孔”加工。

　　尺蠖驅(qū)動法原理是模仿尺蠖的蠕動方法，利用伸縮元件的變形，并與保持機(jī)構(gòu)相結(jié)合， 實現(xiàn)微小位移。一般說來， 伸縮元件采用壓電陶瓷( PZT) ， 保持機(jī)構(gòu)有的用電磁鐵， 有的用壓電元件，這里以電磁鐵為例加以說明。其原理如圖3 所示。

(1) 左邊的電磁鐵通電、吸附，壓電元件加電壓、伸長。

(2) 右邊的電磁鐵通電、吸附，左邊的電磁鐵斷電、松馳、壓電元件收縮。這樣，就完成了一個循環(huán)。重復(fù)上述步驟， 即可實現(xiàn)步進(jìn)式運動。

尺蠖法的特點是: (1) 壓電元件靜態(tài)收縮和擴(kuò)張的循環(huán)，移動速度較慢。(2) 保持機(jī)構(gòu)使之定位準(zhǔn)確，但不利于小型化。(3)移動范圍大，不受空間限制，精度高。

1. 4 彈性變形驅(qū)動法

(a) 移動機(jī)構(gòu)(b) 模式圖
圖4 彈性變形驅(qū)動原理模型

　　利用彈性變形驅(qū)動物體， 實現(xiàn)微小位移， 也是目前微機(jī)器人領(lǐng)域研究的一種方法。

　　1997 年，日本愛知工業(yè)大學(xué)的早川和明等研制了基于彈性變形的微小移動機(jī)構(gòu)[5 ] 。這種Scratch Drive Actuator (SDA) 利用L 字形平板在周期電壓下的彈性變形， 驅(qū)動機(jī)器人本體前進(jìn)。

　　SDA 的模式圖及移動機(jī)構(gòu)如圖4 所示。硅板的彈性變形生成的彈性勢能，驅(qū)動機(jī)構(gòu)向前移動。SDA 的變形量為Δx 是:

　　彈性變形法的特點是結(jié)構(gòu)簡單， 極易小型化�，F(xiàn)在已經(jīng)制作出大小只有數(shù)十微米平方， 高度數(shù)微米的微型機(jī)構(gòu)。由于SDA 的制作及控制簡單易行，可適用于許多領(lǐng)域。

1. 5 碰撞驅(qū)動法

　　中科院沈陽自動化所提出了碰撞法[6 ] 。如圖5 所示。質(zhì)量為m 的物體(銜鐵) 受磁力(或其它力) 作用，沿箭頭方向運動，以一定速度與質(zhì)量為M 的物體碰撞之后，物體M 得到一定的速度，使得M 與m 一齊移動。根據(jù)動量守恒和能量守恒原理可以得到如下移動方程:

 
圖5 碰撞驅(qū)動原理模型

　　理論上講， 該方法質(zhì)量比為二次項， 有可能比沖擊法進(jìn)給精度更高。但是，其可控性還有待進(jìn)一步驗證。

1. 6 足式驅(qū)動法

　　德國卡爾斯魯大學(xué)提出了足式驅(qū)動微機(jī)器人的構(gòu)想，并利用該方法做出了實驗原型[7 ] 。目前， 他們已在一個綜合微機(jī)器人開發(fā)項目MINIMAN 中應(yīng)用了這一原理，取得了滿意的實驗效果。足式驅(qū)動的原理如圖6 。

　　機(jī)器人微動平臺是由三個壓電陶瓷腿驅(qū)動。壓電陶瓷呈管狀，當(dāng)施加電壓時長度發(fā)生變化。每個管內(nèi)、外分別鍍有金屬電極。它們是用于給壓電管施加電壓，來改變壓電管的長度的。由于電場的變化，壓電管或伸長或收縮。為了使壓電陶瓷彎曲，外電極分成4 部分，沿軸向成90°分布，如圖7 所示。

　　運動的過程是以壓電陶瓷的速度為基礎(chǔ)的， 應(yīng)用了slip -stick 驅(qū)動原理。首先， 壓電管慢慢彎曲， 然后快速移動一步。由于機(jī)器人平臺的慣性和管的高速度， 它們在玻璃平板上滑行。

　　因紅寶石球和玻璃之間的摩擦力比機(jī)器人的質(zhì)量小得多，平臺拉回一點。但與步長相比可以忽略。壓電管到一個新位置時再一次伸展，這一步就完成了。

　　與機(jī)械摩擦式驅(qū)動相比，足式驅(qū)動方法更能發(fā)揮微機(jī)器人的靈活性，每一個驅(qū)動器都可以在平面內(nèi)任意方向運動， 不需要組合。其運動平穩(wěn)，并能同時實現(xiàn)快速的移動(粗動) 和高精度的微操作(微動) 。微機(jī)器人定位準(zhǔn)確，可控性好，而且不需要機(jī)械導(dǎo)軌，移動范圍不受限制。
 
圖7 壓電陶瓷管驅(qū)動器

( c) ( d)
圖8 全方位微移動平臺原理圖

　　2 平面全方位運動的實現(xiàn)從上述分析可知，改變足式驅(qū)動原理的壓電管不同電極的外加電壓，可以使驅(qū)動器沿任一方向運動，因而機(jī)器人具有高度靈活性。機(jī)械摩擦式動作原理通常只能實現(xiàn)線性移動，要實現(xiàn)平面全方位的靈活運動，還必須對上面的結(jié)構(gòu)加以組合[ 8 ] 。這里以沖擊驅(qū)動法為例，給出了幾種具體的組合方式，如圖8所示。

　　當(dāng)驅(qū)動器只能單向運動時，用8 個驅(qū)動器組合可以得到一個對稱的平面全方位運動平臺，其結(jié)構(gòu)布局如圖8a 所示。這種結(jié)構(gòu)的特點是運行穩(wěn)定，沒有耦合現(xiàn)象。顯而易見，由于使用的驅(qū)動器數(shù)量多，使這種結(jié)構(gòu)很難小型化。

　　一個簡化的模型如圖8b 所示，驅(qū)動器數(shù)目減少到了4 個。在使用壓電元件驅(qū)動的情況下，由于運動是雙向的，最少可以用3 個驅(qū)動器實現(xiàn)全方位運動，如圖8c 所示。

　　圖8d 顯示的是另一種平臺，它是利用4 個雙壓電晶體驅(qū)動，這里，急劇彎曲代替急劇伸長，實現(xiàn)了驅(qū)動效果。

3 驅(qū)動方法的改進(jìn)

　　事實上，在研究中，人們并不拘泥于某一種方法，而是從實際出發(fā)，根據(jù)需要將多種方法進(jìn)行綜合，并加以改進(jìn)。

　　將多個壓電陶瓷并聯(lián)實現(xiàn)尺蠖驅(qū)動，可以擴(kuò)大微動機(jī)器人的行程，已經(jīng)被用于STM 和精密工作臺。利用沖擊驅(qū)動方法，以一個壓電元件驅(qū)動的雙向自走機(jī)構(gòu)，被用于細(xì)胞操作。平滑沖擊驅(qū)動(SIDM) 機(jī)構(gòu)[ 9 ] ，具有與沖擊驅(qū)動法一樣的自走
功能之外，同時還可實現(xiàn)高速度的粗動和高精度的微動。坂野哲朗提出摩擦驅(qū)動方法[ 10 ] ，使用兩個相同的帶有積層型壓電陶瓷的驅(qū)動體，由壓電陶瓷的微小變形產(chǎn)生的壓力作用在夾持機(jī)構(gòu)上，使之與導(dǎo)軌間的產(chǎn)生摩擦，驅(qū)動機(jī)器人前進(jìn)。
　　為適應(yīng)在生物醫(yī)療技術(shù)對微機(jī)器人的需要，Koji Ikuta 提出將沖擊驅(qū)動法與電磁夾緊機(jī)構(gòu)結(jié)合的可控微型線性移動機(jī)器人的設(shè)想[ 11 ] 。與常規(guī)固定摩擦的沖擊相比，這種摩擦可控的沖擊驅(qū)動方法可實現(xiàn)四種驅(qū)動狀態(tài):釋放、鎖定(又稱夾緊) 、增強(qiáng)和減弱。該系統(tǒng)可以通過滑動來消除過大的力，因而系統(tǒng)提高了操作者和機(jī)構(gòu)的安全性，這是該系統(tǒng)與其它系統(tǒng)最大的不同之處。這種可控的機(jī)器人體積小、質(zhì)量輕(力/ 質(zhì)量達(dá)到70) 、速度高(達(dá)到35 mm/ s) 和效率高，并且運行安全、無噪聲。