1、微机电系统文献课,微机器人,参考文献,Design and Implementation of a Micromanipulation System Using a Magnetically Levitated MEMS Robot基于MEMS 技术的胃肠诊疗机器人研究及应用综述,一、微机器人的介绍,美国机器人协会（RIA）的机器人定义： 机器人是用以搬运材料、零件、工具的可编程序的多功能操作器或是通过可改变程序动作来完成各种作业的特殊机械装置。,1.1 机器人的定义,1.2 机器人的分类,按几何分类：直角坐标机器人、柱面坐标机器人、球面坐标机器人、关节式球面坐标机器人。,按几何结构分类：串联
2、机器人、并联机器人。,按几何结构分类：大型机器人、一般机器人、微机器人。,1.3 机器怎样成为“人”？,机器人“能量”驱动系统机器人“肢体”结构机器人“皮肤和情感”传感器和多信息融合系统 机器人“眼睛”机器视觉机器人“耳朵”声音传感器和语音识别技术机器人“大脑”人工智能,1.4 微机器人,微机器人是在微细加工技术和微型机械电子产品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（MEMS）的重要分支，是微机电系统发展的高级形式。,微机器人系统一般由以下四部分组成：（1）微执行器，（2）微传感器，（3）微能源，（4）控制系统.,1.5 四个组成部分的介绍,与此对应的微执行器技术、检
3、测技术、能源供给和控制技术。,微执行器技术：按驱动方式：压电驱动、形状记忆合金（SMA）驱动、气压驱动、静电驱动、电磁驱动、热膨胀驱动、光驱动、超声波驱动等等。,检测技术：微机器人常用的传感器有视频探测器、涡流传感器、激光干涉仪、加速度传感器等等。,能源供给：可分为有缆和无缆。 无缆是微机器人发展的未来趋势。 其中无缆又可分为内部供应型和外部供应型两种。控制技术：现在大多数微机器人还是控制器与其余部分相分离，通过在微机器人中采用视觉伺服等技术，提高控制器的控制性能和自主能力。,二 胃肠诊疗机器人,2.1 线缆式微型机器人,线缆式微型机器人内窥镜系统利用可以主动运动的引导头引导进入人体腔道,避免
4、了手动插入造成的软组织损伤。其关键技术在于主动引导头的微小型驱动器的研制。目前体内医疗机器人微小型驱动器的类型大致有以下几种:电磁驱动型、形状记忆合金型（SMA 型）、气动型和压电型。,电磁驱动型,上海交通大学 肠道检查机器人内窥镜原型,形状记忆合金型(SMA型),日本东北大学 形状记忆合金能动型内窥镜,气动型,加州理工学院 气压蠕动式机器人内窥镜样机,气动型运动原理图,气动式肠道检查微机器人运动原理,蚯蚓蠕动行走原理,肠道内窥镜式机器人,压电驱动型,年日本Denso公司 压电驱动管内移动微型机器人,压电驱动型原理图,惯性冲击式运动机理,2.2 无线药丸式内窥镜系统,无线药丸式内窥镜又称为胶囊
5、式内窥镜（C a p s u l eEndoscope）,它是内窥镜技术的突破,从整体结构上以药丸式取代了传统的线缆插入式,可以吞服的方式进入消化道,实现了真正的无创诊疗,同时又可实时观察病人消化道图像,大大拓展了全消化道检查的范围和视野。,无线肠胃检查药丸,以色列 M2ATM无线内窥镜,胶囊式电子“药丸”,日本Norika3 胶囊内窥镜,三 磁悬浮微机器人,3.1 问题提出的背景 通过使用微机器人设计和实现微操作精密控制系统。 目前的微机器人主要存在着2个问题： （1）机器人电源板的集中问题。机器人使用电源打打增加了机器人的尺寸。 （2）复杂的表面力模型。由于尺寸按比例缩小，使得表面力比体积
6、力更重要。为了实现机器人的连续控制，表面力计算模型应该达到一定的精度。,3.2 解决办法,第一个问题可用额外的驱动机构如磁驱动力。 第二个问题可用飞行机器人解决，飞行机器人可以避免处理复杂的表面力。但是飞行机器人的实现比行走，爬行和游泳机器人存在着更大的挑战。现在的飞行机器人主要用于监视和侦察。 综合上述2点，本文提出了一项新的飞行机器人技术，即磁悬浮微机器人。,3.3 磁悬浮微机器人的简单介绍,优点：1、无需携带电源 2、连接臂和电线的减少增加了机器人的可操作性 3、由于磁悬浮，减小了摩擦力和粘附力。,磁性材料:NdFeB商业电磁铁、CoNiMnP电镀薄膜。,该磁悬浮微机器人配备有专门的光热聚合物夹钳，夹钳可通过激光聚焦进行远程驱动。该夹钳操作灵活，不仅可实现简单的推、拉、移等操作，还可进行复杂的拿放任务。,3.4 磁悬浮原则以及磁悬浮机构,厄恩肖定理：禁止使用静态配置的永久磁铁。,因此为获取连续的永久磁悬浮力，外部磁场应动态地控制。,在Z轴方向：,磁悬浮产生的扭矩为0。,为获取平衡，还应使扭矩为0。,安装示意图,实验装置图,模拟的磁通密度,电磁铁中的电流的大小,3.5 机器人的设计,微夹钳的手指偏转力学模型,力和绕曲变形拟合的曲线,3.6 两种不同材料电磁铁性能的比较,NDFEB商业电磁铁,CONIMNP电镀薄膜电磁铁,3.7 微机器人操作实验,谢 谢！,
