管道微型機器人的發(fā)展近況

　　管道微型機器人聰發(fā)展近，李，章亞男，陳方泉，龔振邦上海大學(xué)精密機械工程系，上海2018001微型機械與微型機器人微型機械肘1016從廣義上包括了微小型和納米機械，但并非普通機械單純微小化，而是指可以批量制作的，集微型機構微型傳感器微型執行器以及信號處理和控制電路直至接口通訊和電項技術(shù)也稱(chēng)為微型制造技術(shù)MicoManufactung，各國的發(fā)展側重點(diǎn)有所區別。

　　微型機電系統是個(gè)新興的技術(shù)領(lǐng)域，1所不為微型機電系統的模型。微型機電系統在工業(yè)信息處理和通訊航空航天航海醫學(xué)和生物工程農業(yè)和家庭服務(wù)等領(lǐng)域有著(zhù)潛在的巨大應用前景。許多國家都很重視微型機電系統技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，美國，日本西歐些國家等在九十年代紛紛將其列人高技術(shù)發(fā)展規劃。

　　微型機器人41是可編程通用的微型機械，用厘5研究開(kāi)發(fā)的重要分支。微型機器人系統本身很小，便于進(jìn)人微小空間進(jìn)行操作。微型機器人不可簡(jiǎn)單理解為普通機器人的微小化。微型機器人學(xué)是個(gè)多學(xué)科交叉的前沿學(xué)科，它以機械電子技術(shù)為基礎，還涉及到化學(xué)計算機科學(xué)材料科學(xué)生物科學(xué)通信和，動(dòng)控制等許多領(lǐng)域。

　　雖然大管道行走的機器人國內外已開(kāi)發(fā)了許多，但在直徑20，左右管道中的微型機器人的研究才剛起步，由于受結構尺寸和作業(yè)空間的限制，微型機器人很難采用常規的驅動(dòng)方式和驅動(dòng)機構，必須研究出新穎的驅動(dòng)方式和相應的驅動(dòng)器。管道微型機器人是種可沿細小管道內部或外部自動(dòng)行走，攜有種或多種傳感器及操作器，在操作人員的遙控操作或計算機的自動(dòng)控制下，能夠進(jìn)行系列管道作業(yè)的機電儀體化系統。管道微型機器人的應用范圍有醫療生物工程細小工業(yè)管道的檢測和維修等。

　　基金項目國家863計劃智能機器人主資助項目863512041898成找，找崎2000.5 2國外管道微型機器人近況日本在微型機械方面側重于機械制造，開(kāi)發(fā)出不少實(shí)用產(chǎn)品。日本在管道微型機器人方面的研究較為活躍和富有代性。日本通商產(chǎn)業(yè)省的微機械技術(shù)十年計劃的大應用0標中的前兩大目標就與管道有關(guān)，即制造出能進(jìn)入工業(yè)管道檢修的微型機械和能進(jìn)人人體進(jìn)行診斷和實(shí)行手術(shù)的微型機器人。

　　曰本DENSO公司研制出壓電元件驅動(dòng)的微型機器人，用于細小工業(yè)管道的自動(dòng)化檢測工作。微型機器人主要由壓電元件配重和夾鉗組成，攜帶渦流傳感器進(jìn)行檢測，該微型機器人是根據慣性沖擊運動(dòng)的原理設計的。2為慣性沖擊運動(dòng)的原理小意，3為微型機器人的運動(dòng)意。合理配置本體和配重的質(zhì)量，再用定頻率，定幅值的鋸齒波電壓作用于壓電元件，就能實(shí)現微型機器人在管道內的前后移動(dòng)。030公司先用層疊式壓電陶瓷作為驅動(dòng)器，做出的微型機器人本體直徑5.5長(cháng)2自重18，移動(dòng)速度為6成可在0而的管道內作水平垂直運動(dòng)。后來(lái)050公司用雙壓電晶片對其進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)型的移動(dòng)速度是原先本體壓電元料東京工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)出了基于螺旋輪式運動(dòng)原理微型機器人，該微型機器人的本體由幾個(gè)單元體通過(guò)彈簧連接而成。每個(gè)單元體上均布有只支撐臂，用螺旋彈簧將支撐臂上的小輪緊壓在管道內壁上，產(chǎn)生預壓力。小輪的軸線(xiàn)相對單元體的軸線(xiàn)傾斜了個(gè)角度，通過(guò)軟軸將扭矩作用于單元體上使微型機器人運動(dòng)。該機器人帶上微型，攝像機可用于細小工業(yè)管道的檢測工作。4為螺旋輪器人可在內徑025.4，曲率半徑不小于2的管道內移動(dòng)，速度約348.

　　1.細小管道2.輪子的軌跡3.小輪4.微型機器人本體5.驅動(dòng)力矩支壓電致動(dòng)器配重慢速伸展慢速收縮慣性力較大摩擦力加快速收縮4，快速伸展3向右移動(dòng)1向左移動(dòng)針對核電站蒸汽發(fā)生器的熱交換管道外面檢測工作自動(dòng)化的要求，日本菱公司提出了研制鏈型機器人可在蒸汽發(fā)生器的熱交換管道間的固定板上移動(dòng)，檢查熱交換管與固定板相交處有無(wú)缺陷，多個(gè)類(lèi)似的微型機器人可以連接成條鏈，繞在管子外面上下移動(dòng)來(lái)對管子外面進(jìn)行檢測。其間的關(guān)鍵技術(shù)在驅動(dòng)器的微小也技術(shù)微型機器人的連接與斷開(kāi)技術(shù)和分布式微型機器人自治系統的控制技術(shù)。目前微馬達微行星齒輪減速器和單個(gè)微型機器人已研制成功，鏈式微型機器人系統的仿真實(shí)驗亦獲成功。

　　曰本名古屋大學(xué)研制出了不需電纜供能的管道微機器人，微機器人由管道外的電磁場(chǎng)來(lái)驅動(dòng)控制，外徑為21可用于檢測和生物醫學(xué)研究。東京工業(yè)大學(xué)根據蚯蚓蠕動(dòng)原理開(kāi)發(fā)出了種蠕動(dòng)式管道微機器人，6為該管道微機器人的個(gè)蚯蚓型移動(dòng)單元，7為其運動(dòng)原理。它采用氣壓驅動(dòng)柔性微執行器1人，整個(gè)機器人由節單元組成，按照定的控制規律使節單元協(xié)調動(dòng)作能夠實(shí)現微機器人在直徑為10管內的前后移動(dòng)，移動(dòng)速度為2.25.

　　1移動(dòng)方向用于人體管道檢測的微型機器人要求管徑更細，柔軟性安全性更。日本的主要研究單位有澳林帕斯光學(xué)公司和名古屋大學(xué)，主要采用8形狀記憶合金作柔軟彎曲運動(dòng)，目前可達到的較小直徑為長(cháng)度為兒十毫米。名古屋大學(xué)研制目標是使微型機器人進(jìn)人腦部微血管。菱公司基礎部研制了種5螺旋彈簧式主動(dòng)內窺檢查微型機器人，它由彎曲部2個(gè)3執行器和纖維鏡組成。另種進(jìn)人人體的進(jìn)行醫療和檢查用的微型機器人是藥丸型微機械系統，日本早稻田大學(xué)正在進(jìn)行此項研究。此外，東京大學(xué)生物醫學(xué)工程中心提出了應用動(dòng)壓潤滑理論驅動(dòng)微小執行器在體內運動(dòng)的設想，即使用個(gè)螺旋凸緣式驅動(dòng)器，依靠其和粘液之間產(chǎn)生的剪切力進(jìn)行驅動(dòng)，驅動(dòng)器和人體不直接接觸，既能保證主動(dòng)驅動(dòng)，又不過(guò)分傷害人體組織。

　　美國加州理工學(xué)院研制了種主動(dòng)內窺檢查微型機器人，這種管道微型機器人尾部拖有線(xiàn)纜控制信號線(xiàn)，進(jìn)出氣導管和光纖束，本體主要由支撐器和延展器組成，采用蚯蚓蠕動(dòng)方式運動(dòng)。卡內基梅隆大學(xué)也研制了種主動(dòng)內窺檢查微型機器人，它由導向機構骨架和橡膠管組成。骨架能夠在剛性和柔性之間轉換，橡膠管有定硬度且能沿著(zhù)骨架移動(dòng)，兩者之間有足夠的潤滑來(lái)保證相互滑動(dòng)。

　　法國在1995年已研制出直徑1長(cháng)度為31裝置，可安裝照明電源切割頭電視頭等。微型機器人從口腔進(jìn)人人體后，醫生在體外通過(guò)無(wú)線(xiàn)電對其進(jìn)行跟蹤和控制。微型機器人可在胃腸道特定部位施放藥物，觀(guān)察病灶情況，甚至可以用絲線(xiàn)套住，結扎小腫瘤并將其切除。

　　意大利開(kāi)發(fā)了用于結腸檢查的攜帶主動(dòng)內窺鏡口組成。母體裝有診斷和手術(shù)工具，并提供驅動(dòng)力，運動(dòng)方式為蠕動(dòng)式。母體由個(gè)模塊組成，兩個(gè)模塊起定位和支撐作用，第個(gè)模塊起伸縮作用。每個(gè)工作循環(huán)有7個(gè)狀態(tài)，受微型氣體分配器控制。

　　3我國管道微型機器人近況我國學(xué)術(shù)界和有關(guān)政府部門(mén)對微技術(shù)的研究也相當重視，國家自然科學(xué)基金會(huì )863計劃和國防科工委對微機械或MEMS都有不少的資助。我國在面向管道檢測的微型機器人研究方面取得了定的成果。

　　中國科技大學(xué)研制出了基于3河導向的用于人體腸道檢查和腹腔手術(shù)的醫用蠕動(dòng)式管道微型機器人。攜帶的內窺鏡檢測微型機器人在可控的SMA元件的作用下可以實(shí)現自主導向。3元件的變位量與溫度內阻存在對應的關(guān)系，所以SMA既可作為驅動(dòng)元件又可作為傳感器。本例中，3元件和軟芯被做成多竹節結構，通過(guò)對其通電控制，微型機器人頭部的內窺鏡整體能在空間維方向彎曲成所需要的形狀，乃至復雜的8型，因此微型機器人容易穿越大腸不規則的各種管道，大大降低患者的痛苦。8為該微型機器人主動(dòng)引導機構，9為該微型機器人主動(dòng)引導控制框。上海交通大學(xué)也進(jìn)行了類(lèi)似的研究工作。上海交通大學(xué)還研制了2，1大小的微馬達和10，1級的微型小車(chē)，有望用于工業(yè)管道管內和管間的檢測工作。上海交通大學(xué)研究成果還有基于永磁鐵的電磁力式微型機器人。廣東工業(yè)大學(xué)也進(jìn)行了些管道微型機器人的研究工作。

　　編輯啟迪研究方向為機電體化，微型機師。研究方向為智能機器人，SMA元件⑷竹節式結構上海大學(xué)微機械中心在國家自然科學(xué)基金國家863計劃和上海市教委科委的資助下進(jìn)行了系列細小工業(yè)管道微型機器人的研究工作，在跟蹤國外發(fā)展動(dòng)向時(shí)積極進(jìn)行技術(shù)創(chuàng )新，取得了不少成果。上海大學(xué)微機械中心成功研制了基于電磁力式人。不需軟軸驅動(dòng)的螺旋輪式菅內微型機器人，還研制了微管道機器人用的微夾持機械手。目前該中心正在進(jìn)行管間移動(dòng)微型車(chē)高聚物仿生筋肌驅動(dòng)的管內蠕動(dòng)式微型機器人，管內無(wú)纜供能管內無(wú)纜信號傳送和面向管道檢測的多微型機器人移動(dòng)控制協(xié)調及集成技術(shù)的研究工作。

　　面向管道檢測的微型機器人有深厚的應用背景和廣闊的前景，目前我國的研究狀況與國外相比還有不小的差距。我們不僅要進(jìn)行技術(shù)跟蹤，而且要勇于創(chuàng )新，抓住這個(gè)前沿課，將微型機器人技術(shù)應用到對國民經(jīng)濟建設發(fā)展影響較大的領(lǐng)域。

　　器人。

　　龔振邦男，教授，博士生收稿日期19991227廣臺名為042200的帶鋸床在湖南機床廠(chǎng)研帶是目前國際國內較大的，床。

　　進(jìn)的龍門(mén)式結構，集機械壓系統于體，使用，自動(dòng)接送料，其切割精度外同類(lèi)產(chǎn)品水平。該機床徑2米的管料空心料，重量為50噸，其外型高米，工作行程8米，重70余1極調速，切割速度為13特大型石油輸送管道。目育型鋸切設備僅有我國德家企業(yè)能夠生產(chǎn)。

　　能生產(chǎn)帶鋸床又能生產(chǎn)帶業(yè)，是我國鋸床行業(yè)的龍士廠(chǎng)生產(chǎn)的雙金屬帶鋸條占有市場(chǎng)，并成功地將產(chǎn)品出個(gè)國家。該廠(chǎng)生產(chǎn)的鋸切右及非金屬的管材。，422，制成功，也將為我國的西4氣東輸重點(diǎn)工程中起到重1可屬研西特大型臥式帶鋸床在我國廚制成功5晉3先液全內直件7無(wú)。東大的較國割工寬用分中種本業(yè)巧過(guò)切栽，割該日丁電控是丁！。，既企該0的家的I條家廠(chǎng)M.另咖切特4，i 01夠發(fā)。80幾開(kāi)用鈉60到大大米