微動機器人的醫(yī)療應用

　　隨著科學技術不斷向微型化方向發(fā)展，MEMS 技術成為當前研究的一個熱點。各種微型電機、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的微技術的發(fā)展。微動機器人是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。微動技術是設計微機器人的基礎， 細胞切割、顯微外科手術、微機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動技術。微動機器人既要滿足減輕本體的質量和體積的目標， 又要具有較大的驅動力、轉矩以及作業(yè)空間，因此， 應盡量減少傳動鏈， 采用直接驅動。人們研制了許多微型驅動器，如微型電機、電磁驅動器、壓電驅動器( PZT) 、超磁致伸縮材料驅動器、形狀記憶合金驅動器(SMA) 和智能型凝膠驅動器等。

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

1 動作原理分析

　　微動機器人的驅動方法主要有輪式、機械摩擦式和足式三種。輪式微動機器人采用微電機拖動微齒輪帶動輪子轉動， 這種方式人們比較熟悉， 但缺點是運動精度不高， 只能達到微米級。機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化為機器人的微位移，驅動機器人前進。其中主要的驅動方法包括振動法、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)靈活的轉向及前進和后退。國內外許多學者在這方面進行了大量的研究，其中， 以日本為代表對機械摩擦式驅動方法進行了研究和試驗。德國及歐洲學者對足式驅動研究較多， 形成了另外一套理論體系。下面， 對各種驅動方法的動作原理加以分析。

1. 1 振動驅動法

　　振動驅動法是由日本的名古屋大學提出的。1993 年他們利用壓電晶體的振動制作成微小機器人。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，可以控制機構本體的移動速度和方向， 速度可達100 mm/ s ， 并可實現(xiàn)在15°斜面內的移動[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)質心處于靜止，所以系統(tǒng)質心將停留在原處�？梢酝频每蚣芟蜃笠苿印�

(2) 摩擦停滯階段。如圖1b 所示，此時壓電晶體收縮，框架右側梁向內彎曲，壓電晶體質心左移， 依據(jù)質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 沖擊驅動法

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

沖擊法的驅動原理如下:

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 ———慣性體質量;
M ———移動體質量;
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。

　　沖擊驅動的優(yōu)點是結構簡單， 易于小型化， 并且由于不存在保持機構，減少能量的消耗。但沖擊驅動也稱為Stick - slip 效應，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 尺蠖驅動法

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

　　尺蠖驅動法原理是模仿尺蠖的蠕動方法，利用伸縮元件的變形，并與保持機構相結合， 實現(xiàn)微小位移。一般說來， 伸縮元件采用壓電陶瓷( PZT) ， 保持機構有的用電磁鐵， 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)。重復上述步驟， 即可實現(xiàn)步進式運動。

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

1. 4 彈性變形驅動法

(a) 移動機構(b) 模式圖
圖4 彈性變形驅動原理模型

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

　　1997 年，日本愛知工業(yè)大學的早川和明等研制了基于彈性變形的微小移動機構[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， 驅動機器人本體前進。

　　SDA 的模式圖及移動機構如圖4 所示。硅板的彈性變形生成的彈性勢能，驅動機構向前移動。SDA 的變形量為Δx 是:

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

1. 5 碰撞驅動法

　　中科院沈陽自動化所提出了碰撞法[6 ] 。如圖5 所示。質量為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 碰撞驅動原理模型

　　理論上講， 該方法質量比為二次項， 有可能比沖擊法進給精度更高。但是，其可控性還有待進一步驗證。

1. 6 足式驅動法

　　德國卡爾斯魯大學提出了足式驅動微機器人的構想，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器人開發(fā)項目MINIMAN 中應用了這一原理，取得了滿意的實驗效果。足式驅動的原理如圖6 。

　　機器人微動平臺是由三個壓電陶瓷腿驅動。壓電陶瓷呈管狀，當施加電壓時長度發(fā)生變化。每個管內、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的， 應用了slip -stick 驅動原理。首先， 壓電管慢慢彎曲， 然后快速移動一步。由于機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器人的質量小得多，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。

　　與機械摩擦式驅動相比，足式驅動方法更能發(fā)揮微機器人的靈活性，每一個驅動器都可以在平面內任意方向運動， 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) 。微機器人定位準確，可控性好，而且不需要機械導軌，移動范圍不受限制。
 
圖7 壓電陶瓷管驅動器

( 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，改變足式驅動原理的壓電管不同電極的外加電壓，可以使驅動器沿任一方向運動，因而機器人具有高度靈活性。機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，還必須對上面的結構加以組合[ 8 ] 。這里以沖擊驅動法為例，給出了幾種具體的組合方式，如圖8所示。

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

　　一個簡化的模型如圖8b 所示，驅動器數(shù)目減少到了4 個。在使用壓電元件驅動的情況下，由于運動是雙向的，最少可以用3 個驅動器實現(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 個雙壓電晶體驅動，這里，急劇彎曲代替急劇伸長，實現(xiàn)了驅動效果。

3 驅動方法的改進

　　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)需要將多種方法進行綜合，并加以改進。

　　將多個壓電陶瓷并聯(lián)實現(xiàn)尺蠖驅動，可以擴大微動機器人的行程，已經(jīng)被用于STM 和精密工作臺。利用沖擊驅動方法，以一個壓電元件驅動的雙向自走機構，被用于細胞操作。平滑沖擊驅動(SIDM) 機構[ 9 ] ，具有與沖擊驅動法一樣的自走
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動方法[ 10 ] ，使用兩個相同的帶有積層型壓電陶瓷的驅動體，由壓電陶瓷的微小變形產(chǎn)生的壓力作用在夾持機構上，使之與導軌間的產(chǎn)生摩擦，驅動機器人前進。
　　為適應在生物醫(yī)療技術對微機器人的需要，Koji Ikuta 提出將沖擊驅動法與電磁夾緊機構結合的可控微型線性移動機器人的設想[ 11 ] 。與常規(guī)固定摩擦的沖擊相比，這種摩擦可控的沖擊驅動方法可實現(xiàn)四種驅動狀態(tài):釋放、鎖定(又稱夾緊) 、增強和減弱。該系統(tǒng)可以通過滑動來消除過大的力，因而系統(tǒng)提高了操作者和機構的安全性，這是該系統(tǒng)與其它系統(tǒng)最大的不同之處。這種可控的機器人體積小、質量輕(力/ 質量達到70) 、速度高(達到35 mm/ s) 和效率高，并且運行安全、無噪聲。