微型机器人：概念与发展现状

微型机器人是现代机器人技术发展的重要方向之一。由于其结构尺寸微小、器件精密，可进行微细定位和微细操作，微型机器人可以应用在其他机器人无法应用的场合：

1）对于人类无法进入的危险区域，如航天飞机、导弹、核动力工厂以及石油化工的大量管道的探伤和维修等，更是十分需要微型管道机器人。

2）医疗上用于诊断、注药、切除和修补的微型机器人。

3）用于操作血球、细胞的微机器人。

4）集成电路的检查和修补以及制作过程中的微定位和微操作。

5）在军事上也具有应用价值，例如用来进行军事侦察，具有不易被发现的优点等。

微型机器人的发展是与微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）的发展分不开的，可以说，微型机器人就是可编程通用的微机电系统。微机电系统是在20世纪80年代后期随着大规模集成电路的迅速发展，微电子技术与机械、光学等领域的成功结合而诞生的，是微电子技术的拓宽和延伸。它将微电子技术和精密机械加工技术相融合，实现了微电子与机械融为一体的系统。

对于微型机器人的分类，目前没有一个统一的标准，按照微型机器人的尺寸大小、操作和定位精度分，微型机器人可分成微小型机器人、超微型机器人、纳米机器人三类；按功能来分，微型机器人分可为微小机器人和微操作与微定位机器人。微小机器人本身尺寸微小，可以进入各种微小的空间去工作；而微操作与微定位机器人能够代替人工完成细微操作和加工工作，机器人本身尺寸不一定小。经过多年的发展，微型机器人的研究取得了巨大的进展。

在微型机器人方面，法国于1995年研制了一种医用管道微型机器人，它的直径为1cm，长度为3cm，一端是可更换的头部装置。美国加州理工大学研制了一种内窥检查的微型机器人，它的尾部带有电缆，其主体主要由支撑器和延展器组成，采用蚯蚓蠕动方式运动。美国麻省理工学院生物仪器实验室研制了一台称作“纳米步行者”的无线微型机器人，可在亚原子级的范围内进行操作。美国麻省理工学院人工智能实验室研制出一种微型蚂蚁，如图9-25所示。美国加州大学伯克利分校研制了一种微型苍蝇，如图9-26所示，这是迄今为止最小的可以拍打翅膀的机器人。

图9-25 微型蚂蚁

图9-26 微型苍蝇

在国内，清华大学在周兆英教授的带领下，于2001年研制出当时世界最细的超声电动机，重量36mg，长5mm，是一个直立的圆柱体。通过周边牵动的导线开始运转时，它的“头部”均匀地旋转，“脚底”则同时发出有韵律的振动（见图9-27）。这种微电动机使微小机器人在人体血管内的移动成为可能。浙江大学研制出一种无损伤医用微机器人，这种微机器人能以悬浮的方式进入人体内腔（如肠道），从而避免对人体内腔有机组织造成损伤，大大减轻了患者的痛苦。

在微操作机器人方面，世界第一台脑外科手术机器人于2001年在伦敦研制成功，如图9-28所示。这台名叫“探路者”的机器人通过计算机控制，操作准确无误，可减轻病人在手术时的痛苦。德国PI公司也研制出用于脑部手术的微操作机器人，如图9-29所示。美国纽约的康奈尔大学医学院已用微操作机器人进行了动物的输精管手术实验。(www.xing528.com)

日本通产省机械技术研究所Tamio Tani-kawa基于人使筷子的原理，研制了用于细胞操作的双指六自由度微操作机器人样机。此外，日本名古屋大学已研制出六自由度串联微操作机器人。瑞士EPFL研制出六自由度并联微操作机器人，如图9-30所示。芬兰的Kallio研制了三自由度并联微操作机器人（见图9-31）。美国得克萨斯州大学机械工程系Hudgens和Tesar等研制了一个六自由度完全并联带柔性铰链的微操作机器人（见图9-32）。

图9-27 清华大学研制的超声电动机

图9-28 脑外科手术机器人

图9-29 PI公司研制的用于脑部手术的微操作机器人

图9-30 六自由度并联微操作机器人

图9-31 三自由度并联微操作机器人

图9-32 六自由度完全并联带柔性铰链的微操作机器人